真空泵计算.docx

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1、真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。概括地讲从大气到极高真空有一个很大的范围，至今为止还没有一种真空系统能掩盖这个范围。因此，为达到不同产品的工艺指标、工作效率和设施工作寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：确定工作真空范围：首先必需检查确定每一种工艺要求的真空度。由于每一种工艺都有其适应的真空度范围，必需仔细讨论确定之。确定极限真空度在确定了工艺要求的真空度的基础上检查真空泵系统的极限真空度，由于系统的极限真空度打算了系统的最佳工作真空度。一般来讲，系统的极限真空度比系统的工作真空

2、度低20%,比前级泵的极限真空度低50%。被抽气体种类与抽气量检查确定工艺要求的抽气种类与抽气量。由于假如被抽气体种类与泵内液体发生反应，泵系统将被污染。同时必需考虑确定合适的排气时间与抽气过程中产生的气体量。真空容积检查确定达到要求的真空度所需要的时间、真空管道的流阻与泄漏。考虑达到要求真空度后在肯定工艺要求条件下维持真空需要的抽气速率。主真空泵的选择计算S=2.303VtLog(PlP2)其中：S为真空泵抽气速率(Ls)V为真空室容积(L)t为达到要求真空度所需时间Pl为初始真空度(TolT)P2为要求真空度(ToIT)例如：V=500Lt=30sPl=760TorrP2=50Torr贝J

3、:S=2.303VtLog(PlP2)=2.303x50030xLog(76050)=35.4Ls当然上式只是理论计算结果，还有若干变量因素未考虑进去，如管道流阻、泄漏、过滤器的流阻、被抽气体温度等。实际上还应将平安系数考虑在内。抽气速率：在肯定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率，简称抽速。S=dvdt(升/秒)或S=QPQ为真空室的总气体量(PaLS)P为真空室要求的工作压力(Pa)V=体积(L)t=时间Q通常由三部分组成：Q=Ql+Q2+Q3(PaL/S)Ql为真空室工作过程中产生的气体量Q2为真空室及真空元件的放气量Q3为真空室的总漏气量真空度只和抽气速率及抽真

4、空操作的时间有关S=Vt*ln(PlP2)S真空泵抽气力量m3hV容积m3t一一所需时间hPl初始压力P2最终压力推导过程S=dVdt;水环式真空泵对气体的压缩是等温的，由玻义尔定律:PV=常数对时间t微分d(PV)dt=O,绽开PdVdt+VdPdt=OPS=-VdP/dtSdt=-Vdp/B积分(t:O-t1-P2)得公式S=Vt*ln(PlP2)需要说明的是，水环式真空泵的抽气速率只和泵的结构有关，泵结构确定之后且忽视泵工作时的泄露，真空度可以用上述公式计算；但是这个真空度不是无限正比于时间的函数，真空度的极限值(即真空极限)是受真空泵工作液的对应温度下饱和蒸汽压限制deO一、真空泵的性

5、能参数1、真空泵的极限压强泵的极限压强单位是Pa,是指泵在入口处装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的状况下，趋向稳定的最低压强。2、真空泵的抽气速率泵的抽气速率单位是m3s或ls,是指泵装有标准试验罩，并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩指定位置测得的平衡压强之比。简称泵的抽速。3、真空泵的抽气量真空泵的抽气量单位是Pam3s或Pals是指泵入口的气体流量。4、真空泵的起动压强真空泵的起动压强单位为Pa,它是指泵无损坏起动并有抽气作用时的压强。5、泵的前级压强真空泵的前级压强单位是Pa,它是指排气压强低于一个大气压的真空泵的出口压强。6、真空泵的最大前级压强真

6、空泵口最大前级压强单位是Pa,它是指超过了能使泵损坏的前级压强。7、真空泵的最大工作压强真空泵的最大工作压强单位是Pa,它是指对应最大抽气量的入口压强。在此压强下，泵能连续工作而不恶化或损坏。8、压缩比压缩比是指泵对给定气体的出口压强与入口压强之比。9、何氏系数泵抽气通道面积上的实际抽速与该处按分子泻流计算的理论抽速之比。10、抽速系数泵的实际抽速与泵入口处按分子泻流计算的理论抽速之比。11、返流率泵的返流率单位是gcm2.s0它是指泵按规定条件工作时，通过泵入口单位面积的泵流质量流率。12、水蒸气允许量水蒸气的允许量单位是kgh,它是指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时能抽除的水蒸气质量

7、流量。13、最大允许水蒸气入口压强最大允许水蒸气入口压强单位是Pa。它是指在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时所能抽除的水蒸气的最高入口压强。二、真空泵的使用范围由于各种真空泵所具有的工作压强范围及起动压强均有所不同，因此在选用真空泵时必需满意这些要求。表3-1给出了各种常用真空泵的工作压强范围及泵的起动压强值，以供参用。表3常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围(Pa)起动压强(Pa)活塞式真空泵l1000001.3100l100000旋片式真空泵l100000-6.70.11x100000水环式真空泵l100000-2.710001x100000罗茨真空泵1.31000-

8、131.31000涡轮分子泵1.3-1.30.000051.3水蒸气喷射泵l100000-1.30.1真空测量是真空技术中的一个重要组成部分。用于测量真空度的仪器称为真空计。它们的工作原理如下：(一)热偶真空计热偶真空计由敏感元件、热偶规管和测量仪器组成。热偶规管与被测真空系统相通，外壳为玻璃管，管内有加热丝和热偶丝。热偶丝的冷端和热端温度不同时，由于温差效应，在回路中有热电势产生。如加热丝电压保持恒定，则热偶丝的电势取决于加热丝的温度，而加热丝的温度与被测气体的压强有关。压强低，气体热导率小，被气体带走的热量少，加热丝温度上升，热偶丝的热电势增大；反之，则热电势削减。回路中的热电势用亳伏表测

9、量，表中的亳伏数即反映出真空度的凹凸。为了保证加热丝的电压稳定，而接入了稳压电源。所以测量仪器是由测量热电势的亳伏表和规管加热丝稳压电源两部分组成。（二）电离真空计这种真空计主要用于测量高真空度。在低压强气体中，气体分子被电离生成的正离子数与气体压强成正比依据离产生的方法不同，采用热阴极放射电子使气体电离的真空计叫热阴极电离真空计；其中，热阴极电离真空计由热阴极规管和测量仪器组成。测量仪器由规管工作电源、放射电流稳压器、离子流测量放大器等部分组成。热阴极电离规管与被测真空系统相通。热阴极电离规管是一个三极管，管内有阴极、栅及和收集极。收集极电位相对于阴极电负电位；栅极相对于阴极电正电位0当电离

10、规管通电加热后，阴极放射电子，在电子到达栅极的过程中，与气体分子碰撞而产生正离子和电子的电离现象。当放射电流肯定时，正离子数日与被测气体压强成正比。正离子被收集极收集后，经测量电路放大，可由批示电表读出所要测量的真空度。（H）复合真空计通常，对低真空和高真空的测量不能用一种真空计来完成，而应采纳复合真空计，应用较多的是电离与热偶式复合真空计。它的测量范围为13.33-666.6l0-8Pa.热偶真空计测量（104-10-3）l33.32Pa的低真空；电离真空计测量133.32xl03-666.6l0-8Pa的高真空。复合真空计附有一个热偶规管、一个电离规管，分别接在真空系统上，通过旋钮可分别给

11、两个规管加热，并选择使用。简洁来说，低真空用电阻规来测量，高真空用电离规来测量。依据使用场所的不同，又可以分为玻璃和金属两种。一、泵阀门U=Q/（P1-P2）不同的真空系统部件的流导可以通过计算、模拟、测量等方法确定，它除了与几何外形有关外，还与气体的流淌状态有关。不同部件的流导是可以进行串并联的。真空泵是为了抽除真空容器内的气体，但往往泵的抽气口不能直接与被抽容器相连接，由于工艺上的需要或是降低有油蒸汽污染的真空机组的污染程度，必需通过冷阱、阀门、管道才能与被抽气容器连接，由于每种真空部件都有确定的流导，所以可以说泵必需通过肯定的流导才能与被抽容器连接，如图所示，图中泵SO=SUF77上式称

12、之为真空基本方程，它是真空系统设计中所依据的基本规律。依据真空基本方程，可从数学上得到两个极端的结果，即当流导U特别大时，真空室的有效抽速SO可以近似等于泵的抽速S；当泵的抽速S特别大时，或者流导U特别小时，真空室的有效抽速So近似等于流导U。上述结果从物理上可能更易理解，从真空室抽气口抽除的气体必需经过流导U（即管道、阀门为了尽量发挥泵的抽气力量，最大限度的加大流导U是最有效的方法，但往往难于实现。而一味增大泵的抽速更不切实际。所以采纳昼量大的流导和选用昼量大的抽速的泵就特别值得权衡。从真空基本方程可以知道，有效抽速SO随S或U都是单调递增的函数。真空基本方程描述的内容并不浅显，但也没有浅显

13、到可以作为每个人的常识，所以在不少的应用领域，用户往往忽视流导对泵抽速的限制，而造成真空技术应用的效果大受影响。二、对于一个没有漏气，也没有放气的真空系统如真空室体积为V,真空室有效抽速为so,则随着抽气的过程,真空室内压力随时间遵从如下的变化规律p=p*x其中PO为t=o时的压力，即起始压力，t=vso称为时间常数。以上规律揭示，每经过约的时间，真空室内压力降低一个数量级，明显t越小，压力下降越快，当V肯定时，有效抽速So越大，才能越小。然而没有一个真空系统是不漏气，不放气的，即使真的不漏气，放气总是存在的，实际上（3）式反映的是泵在抽除真空室内空间气体的过程中压力的变化规律。当压力较高时，

14、系统的漏气量和放气量相对空间的气体量较小时，其影响可以忽视，可以认为近似满意不漏气和不放气的条件，也就是（3）的规律能近似成立。当压力较低时，系统的漏气量和放气量不行忽视甚至成为主要的气体负载时，（3）的规律就要发生偏离，表现在压力下降变为缓慢，一般发生这一转变的压力在0.5Pa左右，因此一个真空系统典型的抽气过程先是压力下降很快,到某一压力开头变慢。由于一个合格的真空系统对其漏率有严格的要求，所以放气是影响系统压力降低的主要因素，而放气是一个缓慢的过程，即使采纳烘烤等强化措施，要达到某一预定的压力，往往要经过很长的时间。任何真空系统都盼望尽量缩短抽气的时间，这关系到提高效率和降低能耗，但并不

15、是全部的真空应用都具有缩短抽气时间的条件。可以把不同的真空应用分为两大类：一类是不改虑系统内的放气量，而只有真空度的要求；另一类是要求真空室内充分的放气，即放气率要降到某一临界值。这两类不同的应用对泵如何在尽量短的时间内达到这一压力，就对泵的有效抽速提出了要求，原则是时间越短，由于放气量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸发镀膜一般配置抽速强大的油集中泵机组，功率有数十千瓦，几分钟至十几分钟内便可达到工作真空度，但该系统对工件造成的油蒸汽污染是难以避开的，特殊是塑料金属化膜层易发黄。目前涡轮分子泵抽速满意不了大型蒸发镀的需要。而大抽速的低温泵又是工业化规模镀膜所承受不了的。依据被抽空间气体负载的特

16、性，采用分子增压泵抽除永久性气体，结合低温冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望实现大抽速获得清洁真空的全新抽气工艺。真空室内压力在0.5Pa以上时,主要气体成份是永久性气体,而0.5Pa以下的主要气体成份是水蒸汽（90%）。由于分子增压泵具有超强的中真空抽气力量，从IOoPa到0.5Pa抽气时间极短，而在0.1Pa以后启用低温冷凝水捕集泵，可在较短时间内使室内压力降低1个数量级，达到IXIO-2Pa,对于35m3的大型蒸发镀膜设施，配置34台IOOO升/秒的分子增压泵和一台功率5kw的低温冷凝水捕集泵便能实现上述的抽气工艺，这无疑具有开创性。对于后一类应用，由于放气量变化依靠于温度和时间，而与气相空间

17、的压力关系不大，只要压力低于现存吸附量所对应的平衡压力即可，一般在抽气过程中均满意此条件。因此，用强劲的抽速即使在很短的时间内把空间压力降至很低，依旧不能明显削减真空室内的放气量，而必需配置合适的抽速，在合理的烘烤温度下，在合理的时间内使放气量达到工艺要求的水准，这一般要历经数特别钟的时间。这类应用较为典型的有钛金行业的溅射镀膜和离子镀膜,稀土永磁材料熔炼等。其中，过度的活性气体会影响膜层的品质和材料的质量，因此工艺中均有一段较长时间的精抽过程。对于镀膜室为lm3左右的溅射或离子镀膜设施，一般配置4000升/秒抽速的真空机组，为了促使真空室和工件更快地放气，往往烘烤到300C的温度。值得强调的

18、是，在钛金镀膜中，泵的抽速大小，泵的特性、抽气工艺及所需的沉积压力之间表现出的辩正关系。在一个镀膜周期中，真空机组的抽气可以分为三个阶段，即精抽阶段，辉光轰击和溅射沉积阶段。精抽的目的是为了削减真空室内的放气量,其结果主要打算于烘烤温度和抽气时间,与空间压力关系不大,特殊是压力在同数量级内。因此，主泵的抽速在适当的差异内，精抽的效果是一样的，真空室内的放气率都可降低到相同的水平，尽管所对应的极限真空不同。详细地讲1000升/秒分子增压泵和1500升/秒的涡轮分子泵在这一阶段抽气的效果是相同的。辉光轰击阶段，由于此时放电压力在2Pa左右，一般来讲主泵的抽气力量受到影响，传统地均采纳节流的方法以牺

19、牲抽速来换取泵的稳定工作，集中泵和涡轮分子泵都是如此，尤其是集中泵抽速损失更大，相应地放电的负气流量也明显削减。然而这一阶段只有大的有效抽速，大的负气流量才能获得更好的轰击清洗的效果。在这一点上分子增压泵是有明显的优势。在最终的溅射沉积阶段典型的工作压力为0.5Pa,集中泵和涡轮分子泵仍需节流，且不说在该种状况下，沉积的压力难于稳定，减小的抽气速率势必要让精抽过程中所达到的活性气体（放气）的分压明显地回升。在放气量肯定的状况下，活性气体的分压凹凸打算了对沉积膜层质量的影响。能以满抽速稳定抽气的分子增压泵，在此又一次显示了它的优越性。三、不同的真空系统要求的真空度不同。因此往往必需由一套真空机组

20、来完成。即由工作在不同压力范围的真空泵串接起来，高真空一侧的真空泵能达到系统要求的真空度，而低真空一侧的真空泵是直排大气的。明显最简洁的真空机组就是一台直排大气的真空泵。但高真空系统一般需要三级机组，中真空一般需要二级机组。一台高真空泵和一台低真空泵难于组成有效的高真空机组。这有几方面的缘由。流量的连续性就是其中之一。高真空泵都有前级耐压的限制，即前级高于某一压力，泵就不能正常工作。而当前级泵达到这一临界压力时，往往抽速会减小，这样前级泵的排气流量可能会小于主泵的排气流量，这种流量的不全都破坏了流量连续性的要求，必定会引起真空机组不能正常工作。但如在凹凸真空泵之间再连接一台中真空泵，便可起到承

21、上启下的作用，流量连续，而且各泵皆可工作在最佳状态。罗茨泵能工作在中真空范围，是最适合的，故又称罗茨增压泵，由于其压缩比不高，正好可连接几Pa至几百Pa的范围0当三级高真空机组进入较高的真空度时，由于主泵的排气流量明显削减，此时仅靠一台较小的前级泵便可维持抽气的连续性，在实际运用中这是常常采纳的方法，这样可削减机组的能耗。高真空机组往往需要三级机组的另一个缘由归结于高真空泵的吸入压力的限制。泵都有起始工作压强，传统的高真空泵都在几Pa的范围。因此前级泵必需预抽到这一压力主泵才能开头工作。但直排大气的前级泵抽至这一压力往往需要较长的时间，由于随着压力降低泵的抽速在减小，特殊是对于周期性抽气的真空

22、机组，对达到工作真空度的时间是有要求的，预抽时间越长，进入工作真空度的时间也越长，故增加一台中真空泵与前级低真空泵协作，可在较短的时间达到主泵可以工作的压力，这样可以使系统尽快地进入工作压力，保证了设施的使用效率。罗茨泵和油增压泵都可以作为中真空泵，分子增压泵有极高的压缩比，这除了使它能获得清洁真空外还具有优异的高真空性能，同时在中真空范围也有超强的抽气力量。这就使分子增压泵成为目前唯一兼有中高真空性能的真空泵，所以只需要与低真空泵协作便能组成性能堪比三级机组的高真空机组。详细地讲由于分子增压泵耐压高，所以可使前级泵易于处于高流量状态；而分子增压泵吸入压力高，减缓了前级泵的预抽负担。分子增压泵

23、可以在IOO-SOPa工作，前级泵从大气到这一压力，基本遵从每经过时间压力降低一个数量级的规律，因此，机组可以具有很高的抽气效率。简化高真空机组，取消罗茨泵是分子增压泵的又一个优势。对于较大型的高真空应用设施，也可适当加强前级泵的预抽力量，进一步缩短抽气时间.真空系统的设计中的主泵的选择在真空系统中，主泵打算了被抽容器的极限真空度和工作真空度，而前级泵则在主泵出口处造成始终低于主泵的临界前级压力的真空度，保证主泵能正常工作。选主泵要考虑两个方面，一是选择主泵的类型，二是确定主泵抽速的大小。真空系统主泵类型的确定确定主泵类型的依据是：依据被抽容器所要求达到的极限真空度和工作真空度。一般选取主泵的

24、极限真空度稍高于被抽容器所要求的极限真空度(如高半个数量级)。每一种泵都有其最佳工作压强范围，应保证将被抽容器的工作真空度选在主泵的最佳抽速压强范围内。依据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂的灰尘状况。为此，应对各种真空泵的性能及使用特点进行了解。例如：油封式机械真空泵能够直接向大气中排气，即可以单独抽空，又可以作为某些泵的前级泵。在无气镇装置的状况下，该泵只适用于抽除干燥气体、当带有气镇装置时，也可以抽除含有少量水蒸气的气体，不适合抽除有爆炸性的气体，对金属有腐蚀性的气体，以及含有颗粒灰尘的气体。再如油增压泵和油集中泵，它们都属于油蒸汽流泵。这两种泵对摩尔质量较小的气体(如氧

25、气)抽气力量大，被抽气体中含有少量灰尘和水蒸汽也影响不大。但它们不能将气体直接排到大气中去，必需有前级泵，而且工作前必需有一个预真空环境。这两种泵作为主泵的系统，都会有肯定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。依据初次投资和日常运转维护费用当两种类型以上的泵都适合选用时，则要依据经济指标来确定主泵。在比较经济指标时，要从整套真空系统来考虑。如图12是油集中泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率(Ls)的价格与入口压强间的关系曲线。图13是单位抽气速率(Ls)的输入功率与入口压强的关系曲线。由两个图中的曲线可见，在1.33x10-113.3Pa的压强范围内，以油增压泵为主泵的真空系统比较经济，所需要的功

26、率小。在压强低于L33l04pa的范围内，油集中泵抽气系统比较经济。在压强高于13.3Pa的范围内，罗茨泵抽气系统比较经济。所以在选泵过程中应立足于即适用又经济。L33 X !J :1331333P(P4)1.油犷散泵2.罗法索3.油力压泵图12整套抽气系统每单位抽速UAO的价格与人口压力的关系曲线wwwchvacuufn .comL油扩散泵2.罗茨泵3.油增压泵图压力的关系曲线图12：油集中泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率(Ls)的价格与入口压强间的关系曲线www.chvacuum.coin13整套抽气系统每单位抽速(1O的输入功率与入口图13：单位抽气速率(Ls)的输入功率与入口压强的

27、关系曲线(2)真空系统的主泵抽速大小的确定主泵的类型选定之后，接下来就是要详细地确定主泵抽速的大小规格。主泵抽速大小的确定主要依据被抽容器的工作真空度和其最大排气流量，以及被抽容器的容积和所要求的抽气时间。真空室内排气流量的计算在正常的工艺过程中，真空室内所产生的气流量应由主泵准时抽走，以保证真空室内的压强符合工作真空度的要求。工艺过程中的气流量可用式(38)计算。以上各量在不同的真空应用设施中不肯定都存在，这要依据不同状况详细考虑。QHQ,+Q+Q/+QPam,(38)式中Q是M空室中产生的息的气流量IQt是工艺过程中被爆煤或被处理的材料放出的飞击*Pm7s:Q是真空室内所用耐火保激材料的出

28、气itjtPamaQ/是M于真空条件下的*在室内室和历有的件会面第折出来的气费量Pa出力.Ql是真空第外大气通过各密封连隹处理将到真空室内的气通llPar7seQ9。mPaw,s(39)式中F是费焰塔或被处，村佑单位庚t的含气量在板准状老下的体积mkgsG是被端埠或处理材料的总质jtklP是标准大气压P,=1O1325P1是排修度,表示一次熔炼或处理所排出的气体占总含气量的百分Hh是材料在熔炼或处理时放气的不均匀系效.见表3；C是材料被熔炼或处理的时间$.Q.=uIOt(115C+1.35N+18,91H)Pam,s(40)式中。是修炼速度kgmhuC、N.H分引夬示破元素Jl无索和氢元素在焰

29、煤M后的K分11占原含量的百分ttQ-Pa.ms41)式中小且耐火保温材料单位体积放气在标准状态下的体枳mmV.是所用耐火材料的体积m)匕是悚寂大气压PaJ，是耐火保调材料被加热的时间，hIQ/=jA4(42)式中,是第i材料单位衰快的出气速率Pm,(m1s)一股用抽空一小时的放气速率数据B一At站第,伸材料尊It于M空条件F的我蹦笛fM*jmcma. Qg的计算就真空熔炼来说，被熔炼材料工艺过程中的放气流量Qg的计算是以试验数据为基础进行的。当给出材料单位质量含气量在标准状态下的体积时可用式(39)计算。当给出材料在熔炼或处理前后化学成分的变化时用式(40)计算。b. Qn的计算某些真空设施的真空室内要求加热到较高的温度。真空室内必需使用耐火保温材料，如碳毡、碳布、硅酸铝纤维等材料，其放气量的计算如式(41)。c. Qf的计算暴露于真空下各种构件材料表面的放气流量用式(42)计算。在采用式(38)计算真空室内的总排气流量时，对于某一种确定的真空设施，要依据详细状况而定，如有的设施没有用耐火保温材料，则不必计算Qn这一项。有些材料的放气量试验数据无处可查，则可以采纳与其相类似材料的放气量数据作为代替。漏气流量Qt的计算用式(28)。被抽容器所要求的有效抽速的计算设被抽容器内的最大排气流量为QPam3S,所要求的工作真空度为PgPa,则被抽容器所要求的有效抽速Sey为式(43)。