不同真空范圍內的抽氣時間計算

2014-09-14 郭方準實用真空技術

　　根據真空系統的使用目的而決定所需的真空度和抽氣時間，然后選擇合適的真空泵。本節介紹不同真空范圍內的抽氣時間計算。

1、大氣壓-低真空領域的抽氣時間計算

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

大氣壓-低真空領域的抽氣時間計算

　　式中　p1———初期壓強(大氣壓)[Pa]；

　　p2———到達壓強[Pa]；

　　t———抽氣時間[min]；

　　V———容積[L]；

　　Se———實際抽氣速度[L/min]。

　　考慮到導管和閥門的瓶頸效應，實際抽氣速度大致可以估算為理論抽氣速度的80%。

2、中真空領域的抽氣時間計算

　　這里所指的高真空至超高真空領域，是指真空度在200 Pa 至 0.2Pa之間，中真空領域導管內的氣體分子，處于黏性流和分子流的中間狀態，不能單純地像低真空或下面第三章節講解的高真空那樣簡單地計算。一般情況下，通過兩種方式分別計算抽氣時間，然后取計算值較大的結果。

　　真空抽氣要考慮的要素：

　　(1)到達真空度；

　　(2)抽氣速度；

　　(3)導通率；

　　(4)實際抽氣速度；

　　(5)氣體放出率；

　　(6)漏率。

　　用真空泵對真空腔體抽氣時，最初腔體內的壓強迅速降低，但是經過一段時間后壓強下降變緩，并且趨于一個恒定值。導致這種現象的主要原因是材料的表面放氣。如圖1所示，壓強變化的不同領域，分別稱之為空間抽氣和表面抽氣。為了進一步提高真空度，通常采用的對策如下：

壓強和排氣時間的關系

圖1 壓強和抽氣時間的關系

　　(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://smsksx.com/material/material/095533.html；

　　(3)對腔體進行烘烤，促進表面吸附氣體的放出。

3、高真空-超高真空領域的抽氣時間計算

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

高真空-超高真空領域的抽氣時間計算

　　式中　p(t)———到達壓強；

　　Se———實際抽氣速度；

　　Ql———腔體漏氣量；

　　Qg(t)———腔體內部放出氣體量；

　　p0———初期壓強。

　　氣體的放出量Qg(t)隨著時間t而減少。計算開始時，假定一個抽氣時間，根據當時的放氣量來求得到達的真空度。如果計算結果p(t)和所需的真空度不一致，則重新假定時間，根據新假設時間的氣體放出量再次計算。不斷重復，最終讓p(t)在所需的真空范圍內。

　　高真空領域的抽氣時間計算遠比低真空領域復雜。真空腔體的內表面經過酒精清洗和150～200℃烘烤處理的兩種情況下，后者的氣體放出會減少10%左右，因此使用同樣的抽氣泵所能到達的真空度也會更高一些。

　　真空腔體內的部件形狀和材質也極大地影響到達的真空度和抽氣時間。如果使用了樹脂類材料，則到達的真空度會比單純考慮金屬表面的氣體放出要差2～3個數量級。內部使用螺釘時，螺紋部殘留的氣體隨著抽氣時間緩慢放出。為了加速螺紋部的氣體放出，要在螺釘中心穿孔，或在螺紋側面開一個出氣孔(圖2)。因此，內部構造越復雜，影響真空的因素就越多，要獲得高真空，設計上就更需要經驗。

螺紋部的排氣示意圖