不同真空范圍內(nèi)的抽氣時(shí)間計(jì)算

2014-09-14 郭方準(zhǔn) 實(shí)用真空技術(shù)

　　根據(jù)真空系統(tǒng)的使用目的而決定所需的真空度和抽氣時(shí)間，然后選擇合適的真空泵。本節(jié)介紹不同真空范圍內(nèi)的抽氣時(shí)間計(jì)算。

1、大氣壓-低真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算

　　這里所指的低真空領(lǐng)域，是指真空度在100 KPa至0.2 KPa，低真空領(lǐng)域真空腔體和泵的連接管內(nèi)，氣體分子是黏性流時(shí)，抽氣時(shí)間可以通過初期壓強(qiáng)p1、到達(dá)壓強(qiáng)p2、抽氣速度S和容積V(含配管)來計(jì)算。

大氣壓-低真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算

　　式中　p1———初期壓強(qiáng)(大氣壓)[Pa]；

　　p2———到達(dá)壓強(qiáng)[Pa]；

　　t———抽氣時(shí)間[min]；

　　V———容積[L]；

　　Se———實(shí)際抽氣速度[L/min]。

　　考慮到導(dǎo)管和閥門的瓶頸效應(yīng)，實(shí)際抽氣速度大致可以估算為理論抽氣速度的80%。

2、中真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算

　　這里所指的高真空至超高真空領(lǐng)域，是指真空度在200 Pa 至 0.2Pa之間，中真空領(lǐng)域?qū)Ч軆?nèi)的氣體分子，處于黏性流和分子流的中間狀態(tài)，不能單純地像低真空或下面第三章節(jié)講解的高真空那樣簡單地計(jì)算。一般情況下，通過兩種方式分別計(jì)算抽氣時(shí)間，然后取計(jì)算值較大的結(jié)果。

　　真空抽氣要考慮的要素：

　　(1)到達(dá)真空度；

　　(2)抽氣速度；

　　(3)導(dǎo)通率；

　　(4)實(shí)際抽氣速度；

　　(5)氣體放出率；

　　(6)漏率。

　　用真空泵對真空腔體抽氣時(shí)，最初腔體內(nèi)的壓強(qiáng)迅速降低，但是經(jīng)過一段時(shí)間后壓強(qiáng)下降變緩，并且趨于一個(gè)恒定值。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因是材料的表面放氣。如圖1所示，壓強(qiáng)變化的不同領(lǐng)域，分別稱之為空間抽氣和表面抽氣。為了進(jìn)一步提高真空度，通常采用的對策如下：

壓強(qiáng)和排氣時(shí)間的關(guān)系

圖1 壓強(qiáng)和抽氣時(shí)間的關(guān)系

　　(1)選擇表面放出氣體少的材料；

　　(2)通過電解拋光等手段，減小材料表面積，繼而減少氣體分子的吸附

　　具體可參考：真空材料的表面凈化和拋光

　　http://www.13house.cn/material/material/095533.html；

　　(3)對腔體進(jìn)行烘烤，促進(jìn)表面吸附氣體的放出。

3、高真空-超高真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算

　　這里所指的高真空至超高真空領(lǐng)域，是指真空度在0.2Pa以下，對于高真空領(lǐng)域，要充分考慮容器壁以及容器內(nèi)物體的氣體放出，因此，抽氣時(shí)間和抽氣速度的計(jì)算方法和低真空領(lǐng)域不同。

高真空-超高真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算

　　式中　p(t)———到達(dá)壓強(qiáng)；

　　Se———實(shí)際抽氣速度；

　　Ql———腔體漏氣量；

　　Qg(t)———腔體內(nèi)部放出氣體量；

　　p0———初期壓強(qiáng)。

　　氣體的放出量Qg(t)隨著時(shí)間t而減少。計(jì)算開始時(shí)，假定一個(gè)抽氣時(shí)間，根據(jù)當(dāng)時(shí)的放氣量來求得到達(dá)的真空度。如果計(jì)算結(jié)果p(t)和所需的真空度不一致，則重新假定時(shí)間，根據(jù)新假設(shè)時(shí)間的氣體放出量再次計(jì)算。不斷重復(fù)，最終讓p(t)在所需的真空范圍內(nèi)。

　　高真空領(lǐng)域的抽氣時(shí)間計(jì)算遠(yuǎn)比低真空領(lǐng)域復(fù)雜。真空腔體的內(nèi)表面經(jīng)過酒精清洗和150～200℃烘烤處理的兩種情況下，后者的氣體放出會(huì)減少10%左右，因此使用同樣的抽氣泵所能到達(dá)的真空度也會(huì)更高一些。

　　真空腔體內(nèi)的部件形狀和材質(zhì)也極大地影響到達(dá)的真空度和抽氣時(shí)間。如果使用了樹脂類材料，則到達(dá)的真空度會(huì)比單純考慮金屬表面的氣體放出要差2～3個(gè)數(shù)量級(jí)。內(nèi)部使用螺釘時(shí)，螺紋部殘留的氣體隨著抽氣時(shí)間緩慢放出。為了加速螺紋部的氣體放出，要在螺釘中心穿孔，或在螺紋側(cè)面開一個(gè)出氣孔(圖2)。因此，內(nèi)部構(gòu)造越復(fù)雜，影響真空的因素就越多，要獲得高真空，設(shè)計(jì)上就更需要經(jīng)驗(yàn)。

螺紋部的排氣示意圖