第八讲：真空系统设计

第八讲：真空系统设计

［简介］:真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除被抽

容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空条件。举例来说:

一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对容

器进行抽空时，容器上要有真空测量装置，这就构成了一个最简单的真空抽气

系统（如图1）。

图1最简单的真空系统

2

4

4予真空管道询5.前级管道阀

6软连接管道7.放气概8,前级泵

9主泵《油扩歆泰》10,水冷障板

图2高真空系统简51

一、真空系统的组成

真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都有一套排除

被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器内获得所需要的真空

条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空

泵连接起来，当真空泵对容器进行抽空时，容器上要有真空测量装置,

这就构成了一个最简单的真空抽气系统（如图1）。

图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围

内的真空度，当需要获得高真空范围内的真空度时，通常在图1所示

的真空系统中串联一个高真空泵。当串联一个高真空泵之后，通常要

在高真空泵的入口和出口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持

真空。如果所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸

气返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器一一水

冷障板（如图2所示）。根据要求，还可以在管路中加上除尘器、真空

继电器规头、真空软连接管道、真空泵入口放气阀等等，这样就构成

了一个较完善的高真空系统。

凡是由两个以上真空泉串联组成的真空系统，通常都把抽低真空

的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵（或称前置泵），而最高一级的真

空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的极限

真空度和工作真空度就由主泵确定。被抽容器出口到主泵入口之间的

管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。

通常前级泵又兼作予真空抽气泵。被抽容器到予抽泵之间的管路称

为予真空管路，该管路上的阀门称为予真空管道阀。主泵出口到前级

泵入口之间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，

而软连接管道是为了隔离前级泵的振动而设置的。

总起来说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：

1.抽气设备：例如各种真空泵；

2.真空阀门；

3.连接管道；

4.真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；

5.其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。

那么，究竟什么是真空系统？用一句话来概括，就是：用来获得有

特定要求的真空度的抽气系统。

真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器对真空度的要求，选

择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、

捕集器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图

和零部件图。

「Q3/

C=^~^m，/s(1)

式中：c曾路的波导.m^/s-流经望珞的气流星•

Pa・m3/s；/。-分别是首路入口压力和出口压力.Pa

11I1

(2)

或者写为

s—cs,

"c+s,(2a)

或

(2b)

1十*

c

(2c)

二、真空技术基本方程

真空系统最重要的性能参数是其所能获得的极限真空度和对容

器的有效抽速。

所说的真空系统的极限真空度是指在没有外加负荷的情况下，经

过足够长时间的抽气后，系统所能达到的最低压力。

真空系统对容器的有效抽速是指在容器出口处的压力下，单位时

间内真空系统能够从被抽容器中所抽除的气体体积。真空系统对容

器的有效抽速不仅取决于真空泵的抽速，也取决于真空系统管路对

气体的导通性能，即所说的流导。流导的定义是：在单位压差下，流

经管路的气流量的大小。用一个数学式子来表示，即是式(1)

如果用Se来表示真空系统对容器的有效抽速，用Sp表示真空

泵的抽速，C表示真空容器出口到真空泵入口之间管路的流导，则

有式(2),(2a)、(2b)、和(2c)

方程(2),(2a)、(2b)、和(2c)本质上是一个方程，只不过写法不

同，这个方程在真空系统设计中是一个非常重要的方程，如果知道

泵的抽速Sp和管路的流导C,就可以计算出系统对容器有效抽速，

这个方程被称为真空技术基本方程。

从方程(2b)可以看出：如果管路的流导C远大于泵的抽速Sp,则

Sp/C的值远小于1,此时真空系统对容器的有效抽速Se^Spo这

就是说为了充分发挥泵对容器的抽气作用，在设计真空系统管路时,

应使管路的流导尽可能大一些。因此真空管路应该粗而短，切不可

细而长。这是设计连接管道时的一条重要原则。相反，如果管路的

流导C远小于泵的抽速Sp,则C/Sp的值远小于1,从方程(2c)可以

看出，此时真空系统对容器的有效抽速Se-C,这就是说，在这种

情况下，选择多大的泵都没有用，都不能提高泵对容器的有效抽速。

O2660D为涌流

<Q<U50D为粘滞漉（3）

U50D<Q<2660D为温一粘滞施

式中Q—通过管道的气体流量，

Pa•m，/s,D—管道的内径,m.

665Pa・m为独滞海

-DP<6.65X10'Pa・m为分子漉（4）

6.65X10sPa-m<DF<0.665Pa・m为枯滞一分子流

式中D一管道的内径,管道中气体的平均乐强,Pa.

三、气体流动状态的判别

在真空状态下，气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。在真空

系统管路中的气流有五种流动状态：湍流（又称紊流、涡流）；湍•粘

滞流；粘滞流（又称层流、粘性流、泊稷叶流）；粘滞■分子流；分子

流（又称自由分子流、克努森流）。湍•粘滞流是湍流和粘滞流之间的

过渡状态。粘滞■分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。

因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，

发生湍■粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少

考虑这两种流动状态的影响。而主要考虑粘滞流，粘滞■分子流，分

子流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能•流导。

气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说,

管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中

流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气

体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时，首先必须判明管

道中的气流是哪一种流动状态？

对于室温20℃空气、湍流、湍■粘滞流、粘滞流之间的判别式为

式（3）。

对于室温20c空气，粘滞流、粘滞■分子流和分子流之间的判别

式是（4）。

在真空状态下，气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。在真空

系统管路中的气流有五种流动状态：湍流（又称紊流、涡流）；湍■粘

滞流；粘滞流（又称层流、粘性流、泊稷叶流）；粘滞•分子流；分子

流（又称自由分子流、克努森流）。湍■粘滞流是湍流和粘滞流之间的

过渡状态。粘滞-分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。

因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，

发生湍•粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少考

虑这两种流动状态的影响。而主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子

流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能■流导。

气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说,

管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中

流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气

体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时\首先必须判明管

道中的气流是哪一种流动状态？

对于室温20C空气、湍流、湍•粘滞流、粘滞流之间的判别式为

式（3）o

对于室温20C空气，粘滞流、粘滞•分子流和分子流之间的判别

式是(4)o

在真空状态下，气体通过管道的流动属于稀薄气体流动。在真空

系统管路中的气流有五种流动状态：湍流（又称紊流、泯流）；湍-粘

滞流；粘滞流（又称层流、粘性流、泊稷叶流）；粘滞-分子流；分子

流（又称自由分子流、克努森流）。湍•粘滞流是湍流和粘滞流之间的

过渡状态。粘滞■分子流是粘滞流和分子流之间的过渡状态。

因为湍流仅仅发生在真空系统刚刚工作之时，持续的时间很短，

发生湍■粘滞流的时间也很短，所以在真空系统的设计计算中很少考

虑这两种流动状态的影响。而主要考虑粘滞流，粘滞-分子流，分子

流这三种流动状态下，管道对气体的导通性能-流导。

气体在管道中的流动状态不同，管道的流导也不一样，也就是说,

管道对气体的流导不仅取决于管道的几何形状和尺寸，还与管道中

流动的气体种类和温度有关，在有的流动状态下还取决于管道中气

体的平均压力。所以在计算管道对气体的流导时，首先必须判明管

道中的气流是哪一种流动状态？

对于室温20c空气、湍流、湍■粘滞流、粘滞流之间的判别式为

式（3）。

对于室温20c空气，粘滞流、粘滞•分子流和分子流之间的判别

式是（4）。

P)Q

图3管道中的气流

Q=CCI\-P2)(5)

式中c是比例常数。

C二看⑹

C

3=0(7)

式中c一管路元件的流导；

c〃一管路元件入口孔的流导。

由式(7)可得

C=C".pr(8)

图4粘滞流时气体流经薄壁孔

在r>0.52$14,q-76a*,uW-«»/.

1-r

在r<0.52s肘.。~28r^-m»/8

1-r

在，<0.1时.()"2004«7«

式中r为孔口商侧的乐强比・.务其中Pt>PtiA力德甄孔的面根.m，.

在r>0.525时,C”602r*，u~m1/*'

在，VO.525H・q=lS7三m7»?’

在r<0.1时.C--wlSTD*m»/«

式中•。为黑形薄整孔的近径.m.

C^=1.34X10»m7s(H)

式中P是管道中气体的平均氏强,Pa.

n<P

m，A(，2)

“RI'dXWZV2：96X1O^

式中心和D分别为管道的K度和直径，

m；P是管道中气流的平均压强.

P“Q是管道中的气流量,Pa•m7»

C/>=116Am*/s(13)

对于直径为Dm的国孔：

C/J.91D2mJ/5(14)

C/=/K4京庆(⑸

式中・r是气体分子热运动平均速率।

B为管道横嵌面周长:A为管道横裁面面积；

L为管道长度;K为管道断湿形状修正系我.

的大小由实龄通定.

C,=121m»/8(16)

式中工和D分别为圜管的长度和直程,m.

C"=242(D丹％工m，/s(17)

式中,D：为锥管大寮直径为小学直径，

ml为锥管输线长度.m・

图5截圆锥形管道

_2。+8"

当£//?>!.5If,A

2。+】暝+3(3

当L/R<\.5时・C〃=9l/y・—m»/s

20+16攵

当L/R>\.5时・C〃-91。——["\，

20+38考+12隹|

上/小L

20+38A啕

式中£依/)的单位管用m.

C/=Cfy•f>.ml/s(45)

式中c〃是封门入口孔的分子流减导，

nVsip,心国门的液导几率.

G-C♦4mB/s(20)

式中C.Q捕♦器的叱流导真故值可布底关货th

.4是捕集需的入口面积,m，.

C/=C,・A/lnP/s(21)

C”=134X10>抄+⑵％洋鬃俗m7s

或者

D*14-203DP+2700(DP)2

C./T----------FT238D?----------m'/6

=121丁•JmJ/s(22)

。是管道直径,mZ是管道长度.

ml是管道中气体f均反强.Pa,

友IJ

(23)

*+古+…+/£法(24)

式中C是第i4元件的流导.

C=G+C,+G(25)

.

C=G+G+…+C.—C。，(26)

t-1

式中c,是第i个管道的淹导.

G

卜

1.导管2.阀门.3.捕集饕

图7井麻管道示意EE

图6串联管道示意图

四、流导的计算

1.流导和流几率

(1)流导

就一个真空系统管路元件(包括导管、阀门、捕集器等)来说，若其

入口压力P1和出口压力P2不相等，即管路元件的两端存在压强差

P1-P2,则元件中将有气流从高压侧流向低压侧(如图3)o

若流经元件的气流量是Q,实验和理论都证明Q值的大小与元件

两端的压强差P1-P2成正比。用数学式子来表示Q与P1-P2之间的

关系，则可写成式(5)。

该比例常数C称为流导。式(6)即是流导的定义式。它表明：在单

位压差下，流经管路元件气流量的大小被称为流导。在国际单位制中,

气流量Q的单位是Pa-m3/s,P1-P2的单位是Pa,所以流导的单

位是m3/So

流导的大小说明在管路元件两端的压强差P1-P2一定的条件下流

经管路元件的气流量的多少。从式⑸可见，当压差P1-P2一定时，流

导C的值较大，那么流经管路元件的气流量Q的值就较大；反之流

导C的值小，则流经元件的气流量Q就小。所以作为真空系统管路

元件，不管是导管、还是阀门、捕集器、除尘器等，都希望它的流导

值尽可能大一些，使气流能顺利地通过。因此，流导是真空系统管路

元件的一个重要参数。在真空系统设计计算中，要计算管路元件以及

某段真空系统管路的流导。

(2)流导几率

流导几率也称为传输几率，其物理意义是气体分子从元件的入口

入射进入元件能从管路元件的出口逸出的概率。在分子流状态下，利

用流导几率来表征真空系统管路元件对气体的导通性能更直观，更

本质。用pr来表示流导几率，则流导几率的定义式为式(7)。

从式(8)可以看出，管路元件的流导C等于该元件入口孔的流导

Cfk和其流导几率Pr的乘积。通常，管路元件入口孔的流导Cfk是很

容易求得的，如果知道了元件的流导几率Pr,则利用式(8)可以很容

易地计算出元件的流导。

2.流导的计算

在真空系统中，连接管道通常采用的是圆截面管道，被抽气体又

多为室温下的空气，因此这里只简要介绍圆孔和圆截面管道对室温

空气的流导。

(1)粘滞流时流导的计算

①薄壁孔

粘滞流时气体流经薄壁孔，如图4所示，当P1>P2时，气体从I

空间流向II空间。试验发现：当P1不变时，随P2下降，通过孔口的

流速和流量都增加，但当P2下降到某一值时，它们都不再随P2下降

而增加。

对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导为式(9)。

对于室温空气，圆形薄壁孔的流导为式(10)。

②不考虑管口影响时，圆管的流导

通常，气体从一个大容积进入管道的入口孔时，孔口对气流存在

影响，但当管道的长度比较长，管口对气流的影响则可以忽略，即可

以不考虑管口对气流的影响。在工程计算中，通常把管道的轴线长度

L与管道直径D的比值L/D220的管道视为“长管"其实质是可

以不考虑管口的影响进行计算。设圆管的轴线长度为Lm,直径为Dm,

则其粘滞流条件下对于室温空气的流导为式(11)。

③考虑管口影响时，圆管的流导

在粘滞流条件下，气流从大容积进入管口在管口处受到影响，这

种影响破坏了粘滞流的应有秩序，使管道的流导减小，这种影响常称

为管口效应。当管道的长度不太长时，管口效应的影响在进行计算中

不能忽略。在工程计算中，一般认为管道的长径比L/DV20都属于

这种情况，这就是所说的“短管”。

对于室温空气，考虑管口影响时，管道的流导用式(12)计算。

(2)分子流时流导的计算

①薄壁孔

分子流时，对于室温空气，面积为Am2的薄壁孔的流导用式(13)

计算。

②不考虑管口影响时。圆管的流导

不考虑管口影响时，在分子流条件下，任意截面形状管道的流道

计算式可由克努森流导积分公式(15)导出。

由式(15)导出的圆管的流导为式(16)。

③不考虑管口影响时，圆锥形管的流导

对于图5所示的截圆锥形管道，其分子流流导的计算式为式(17)。

④考虑管口影响时，圆管的流导

设圆管的长度为L,半径为R,直径为D=2R。在分子流条件下，考

虑管口影响时，圆管的流导几率pr如式(18)。

因此，当考虑管口影响时，圆管对于室温空气的流导计算式为式

(19)。

⑤真空阀门的分子流流导

对于真空阀门的分子流流导计算可用式(45)o

⑥常用水冷障板的流导

水冷障板的分子流流导的计算可用两种方法。一种是利用“比流导”

的数值进行计算，“比流导”指的是捕集器入口单位面积上的流导，利

用“比流导”数据进行计算可用式(20)。

若捕集器不是用水冷却，而是用其它冷剂，则式(20)要引入一个温

度影响系数I,式(21)。

若冷凝剂用的是干冰(固体CO2),取1=1.2；若是液氮，则取1=1.7。

第二种方法是用流导儿率进行计算，对于很多种结构形式的捕集器，

其流导几率值已有资料给出，因而利用式(8)可方便地进行计算。

(3)粘滞■分子流时，圆管对于室温空气的流导计算式是式(21)。

在式(21)和(22)中，函数J的数值见表1。

(4)管路元件串、并联时，流导的计算

组成真空系统的管路各式各样，各系统管路元件之间的关系，有

的是串联，有的又属于并联。

①串联管路的流导

图6所示的一段管路，是导管、阀门、捕集器三个元件串联。若

C1.C2.C3分别是这三个元件的流导，则它们串联之后的整段管路的

流导为式(23)。

如果是n个管道元件串联，则串联后整个管路的流导为式(24)。

可见管路元件串联之后，整个管路的流导等于各元件流导的倒数

的代数和的倒数。

②并联管路的流导

图7所示的整段管路是三条导管的并联，若C1.C2.C3分别是这三

条导管的流导，则并联后组成的整段管路的流导C为式(25)。

如果有n条管路并联组成一段管路，则并联之后整段管路的流导

为式(26)。

可见并联管路的流导等于各并联元件流导的代数和。

+Pa•mVCm1•»>(27)

式中包是陆空lh6放气建率••”

6*抽空时间无限长之后材朴长国的放气速本・Pa-m7<m»-»>,

，是抽空“间・h”是与材料的肿类及然理处理状况盯美的放气“向指数.

・气开始时丁值较大•但不太长时间之后，就渐近一个常数.

一靛来说,根据材料件类的不同/值在0.5〜2之崎变化.

例如•矽于清清的铜,6~1：对丁蛾料・/0.5・

Qj-£人如八十QoPA•n»JA《49》

式中,凡是笫，肿材抬星露〃真空下的表匐取皿，

S.是第r釉材料在抽空lh后的表面敢气连率.内・

A是第，冷材料的放气时间指教，

Q.无一气时网无限K后总的微气位ft.P«•是・中N何・h.

Qt=VP,Pa・m»/8(28)

式中是容器的容积是容器中的乐升率,Pa4.

V*S,P+Q/+Q,+Q,+QL<29)

V*=-S/(30)

V写0-S.'P(31)

得到

式中y是容器的容积,是真空泵的抽速

尸。是抽气开蛤时容器内的乐强.Pa，

P是抽气终了时容器内的压强,PM

/是将容器内的压强从尸。降低到P的抽空时间，s.

P=(33)

式中P・是真空系统所能达到的极限真空度.Pa,

其余符号的意义同前.

(35)

式中S,是真空泵对容器的有效抽速.n?/x

其余符号的意义同前.

.

(36)

•-I

(46)

P.-P.(37)

Pz-P.

V

图8泵直接连容器抽空

2X一双谡艇片泵H一滑间泵YZ-余拱线真空系ZPB一水

蒸汽喷射泵＜5级）ZJ-罗茨泵Z-油塔压泵K一扩俄泵

S-伏升华泵

图9各种泵的神性曲线示宜图

图10分段法计算

表2系fltK的值

入U尔力F[P.J10-'吁1

K11.251.524

五、抽气时间的计算

1.真空系统的抽气方程

真空系统的任务就是抽除被抽容器中的各种气体。我们可以把被抽

容器中所产生的各种气体的流量称为真空系统的气体负荷。那么真空

系统的气体负荷究竟来自哪些方面呢？或者说真空室内究竟有哪些气

源呢？总起来说，可以归纳为下述几个方面：

(1)被抽容器内原有的空间大气，若容器的容积为Vm3,抽气初

始压强为PoPa,则容器内原有的大气量为VPOPa•m3；

(2)被抽容器内一旦被抽空，暴露于真空下的各种材料构件的表面

就将把原来在大气压下所吸收和吸附的气体解析出来，这部分气体

来源我们称之为放气，单位时间内的放气流量可以用QfPa-m3/s

来示；

实验表明，材料表面单位时间内单位表面积的放气率q可以用式

(27)的经验公式来计算。

真空室内暴露于真空下的构件表面，可能有多种材料。所以总的表

面放气流量Qf为式(49)。

(3)大气通过容器壁结构材料向真空室内渗透的气体流量，以

QsPa•m3/s表示。渗透的气流量即是大气通过容器壁结构材料扩

散到容器中的气体流量。气体的这种渗透是有选择性的，例如：氢只

有分离为原子才能透过把、铁、锲和铝；氢对钢的渗透将随钢中含碳

量的增加而增加。氨分子能透过玻璃。氢、氮、氧和氤、颊、氢能透

过透明的石英。一切气体都能透过有机聚合物，如橡胶、塑料等。但

是所有的隋性气体都不能透过金属。除了有选择性之外，渗透气流量

Qs还与温度、气体的分压强有关。在材料种类、温度和气体分压强

确定时，渗透气流量Qs是个微小的定值。

(4)液体或固体蒸发的气体流量QZPa-m3/So空气中水分或工艺

中的液体在真空状态下蒸发出来，这是在低真空范围内常常发生的

现象。在高真空条件下，特别是在高温装置中，固体和液体都有一定

的饱和蒸气压。当温度一定时，材料的饱和蒸气压是一定的，因而蒸

发的气流量也是个常量。

(5)大气通过各种真空密封的连接处，通过各种漏隙通道泄漏进入

真空室的漏气流量QLPa・m3/s。对于确定的真空装置，漏气流量

QL是个常数。漏气流量通常可通过所说的压升率，即单位时间内容

器中的压强增长率Px来计算式(28)。

当真空泵启动之后，真空系统即对被抽容器抽气。此时，真空系统

对容器的有效抽速若以Se表示，容器中的压力以P表示，则单位时

间内系统所排出的气体流量即是SePo容器中的压强变化率为dP/dt,

容器内的气体减少量即是VdP/dt。根据动态平衡，可列出如下方程

(29)o

这个方程称为真空系统抽气方程。式中V是被抽容器的容积，由于

随着抽气时间t的增长，容器内的压力P降低，所以容器内的压强变

化率dP/dt是个负值。因而VdP/dt是个负值，这表示容器内的气体

减少量。放气流量Qf,渗透气流量Qs,蒸发的气流量Qz和漏气流

量QL都是使容器内气体量增多的气流量。SeP则是真空系统将容器

内气体抽出的气流量，所以方程中记为一SeP。

对于一个设计、加工制造良好的真空系统，抽气方程(29)中的放气

Qf渗气Qs、漏气QL和蒸气Qz的气流量都是微小的。因此抽气初

期(粗真空和低真空阶段)真空系统的气体负荷主要是容器内原有的

空间大气。随着容器中压强的降低，原有的大气迅速减少，当抽空至

1〜10・1Pa时，容器中残存的气体主要是漏放气，而且主要的气体成

分是水蒸汽。如果用油封式机械泵抽气，则试验表明，在几十〜几Pa

时.，还将出现泵油大量返流的现象。

2.低真空抽气时间的计算

从大气压开始到0.5Pa范围的抽气，我书统称为低真空抽气阶段。

这一阶段的抽气通常用油封式机械真空泵或分子筛吸附泵来完成。一

般来说，油封机械泵的特性是在大气压到102Pa时抽速近似为常数,

在102〜0.5Pa时抽速变化较大，而对于吸附泵,5A分子筛在室温下

由大气压到O.5Pa时对氮气的吸附速率近于常数;在液氮温度下，由

大气压到1Pa时'对氮气的吸附量近似于常数。因此，对于低真空阶

段抽气可分为近似常抽速和变抽速两种情况来分别考虑。

(1)近似常抽速时，抽气时间的计算

油封机械泵在大气压到102Pa范围内抽速近似为常抽速。在这一

阶段抽气过程中，系统内的压强较高，排气量较大，即使系统内有些

微小的漏气和放气，影响也不大，可以忽略漏气、放气、蒸发和渗透

的气流量。忽略这些微小的气流量之后，抽气方程(29)变为(30)。

①不考虑管道影响和漏放气时抽气时间的计算

通常，被抽容器的出口到真空泵入口之间有连接管路。连接管路的

影响是使得系统对真空容器的有效抽速Se低于真空泵的抽速Sp这

说明管路对于气体流动具有阻力，这种影响从真空技术基本方程(2a)

即可看出。

我们先从最简单的情况来研究，假定真空泵的入口直接连到容器

出口上进行抽空，如图8所示，此时没有连接管路或是连接管路很短,

其影响可以忽略不计。微小的漏、放气流量等也忽略不计，则求解抽

气方程(31)。

由式(32)可得出容器内压强P随抽空时间t的变化关系式(33)。

式中各符号的意义同式(32),式(32)是拍气时间计算的最基本的公

式。

②不考虑管道影响而考虑漏放气时抽气时间的计算

对于任何一个被抽容器不可能没有漏气和放气，当被抽容器内的

压强较低，真空系统的排气流量不是很大时，就必须考虑漏、放气等

气流量对抽气过程的影响，此时抽气时间的计算式为(34)。

③考虑管道影响和漏放气时\抽气时间的计算

实际上真空泵对容器的抽气都是通过连接管路进行的。由于管路的

影响，泵对容器的有效抽速降低了，延长了抽气时间。因此在这种情

况下需要考虑管道的影响。此时抽气时间的计算式为(35)。

真空泵对容器的有效抽速s可以利用真空技术基本方程(2)求出。

计算时需先求出真空泵入口到容器出口之间连接管路的流导C,而流

导C又与气流状态有关，所以要根据不同的气休流动状态，选择适宜

的流导计算公式计算连接管路的流导Co计算出连接管路的流导C,

由泵的实际抽速Sp,即可通过真空技术基本方程(2)求出泵对容器的

有效抽速Se。再利用式(35)即可求出对于容积为Vm3的容器，从压

强P0降低到P的抽气时间to

(2)变抽速时抽气时间的计算

大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而变化，尤其是机械

真空泵，当其入口压强低于10Pa时，泵的抽速随其入口压强的变化

更为显著。图9是某些真空泵的抽速特性曲线示意图。

①分段计算法

在一般情况下，计算变抽速时的抽气时间需要首先知道泵的抽速

与其入口压强的关系。如图10所示。假定需要求容器内的压力由P0

降低到P的抽气时间，则可以将P0到P这个压强区段分成n段。段

效愈多，计算的抽气时间愈接近变抽速的实际。设相应每段的抽气时

间为t1,t2…ti…tn取每段的平均抽避为s1,S2,…Si…Sn,用相应的

公式(36)进行各个压力区段的抽气时间计算，然后求其代数和即得总

的抽气时间to

②经验系数计算法

油封机械真空泵的实际抽速S随其入口压强的降低而降低。研究

其抽速特性曲线发现，其实际抽速S与其名义抽速Sp的近似关系是

(46)o式中系数K在不同压力区间的取值如表2。

因此抽气时间的计算可用式(37)o

应用该式计算抽气时间时，实际上相当于把从大气压到1Pa的抽

气时间计算分成为五个区强区段，对应每一个压强区段，根据表2所

给出的K值分别计算各压强区段的抽气时间，然后将五个压强区段

的抽气时间相加即得从大气压到1Pa的总的抽气时间。

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1.3313.31331333

P(P4)

1.油犷散泵2.罗茨泉3.油才压量

图12整套抽气系统每单位抽速U/s)的价格与人口压力

的关系曲线

I.33X1O,:1.3313.31331333

P(Pn)

L油扩散泵2.罗茨泵3.油增压泵

图13整套抽气系统每单位抽速(I/Q的输入功率与入口

压力的关系曲线

Q=Q,+Q.+Q/+QPa•mVs(38)

式中,Q是真空军中产生的总的气流量：

Q.是工艺过程中被爆珠或被处理的材料放出的气更~・P・•m，/s：

Q・是真空室内所用耐火保*材料的出气施★,PA-m»Ai

Q,是„干真空条件下的X空富内型租房有构件表面♦折出来的气派・1■・//$・

Q,是K空第外大气通过各移封连接处里H利真空室内的气温・，Pa-m%・

Q,・运¥*Pi•m»/«(39)

式中，曲是决婚爆或被处理村侑单位段t的含气置在养灌状卷下的体枳M,外勤

G是被婚嫁或处理材料的急质量.k『P,是标准大气压./>,=101325Pd

&是排气程度,表示一次熔炼或处理所推出酊气体占总含气t的百分比;

〃是材料在熔炼或处药时放气的不均匀系数，见*3;

，是材料被熔炼或处展的时间，.

Q,=vX10*(3.15C*1.35N+18.91H)Pi•m»/t(40)

式中.。是熔炼速度・kg/min,

C.N.H分别也示破元ft.工无索和氧元素在爆爆前后的K夕f占原含量的百分比.

Q..巴巴p..»/»<41)

m

式中“•是耐火保温材料单位体根放气在标准状态下的体积・m'/m屋

V,是所用耐火材料的体根.mL匕是惊盛大气压,Pai

，更耐火保保林*1被加热的时间，$.

I

5=S>iH(42)

式申帅,是第ift材料单位表*积的出气速率・m7(m«-«)i

一0用抽空•小时的放气速率数据；

A.初第，ft材料量露于*空条件F的袋面枳m：.

S"=昌rn7s«3)

S=KS,ml/s(44)

式中.K建柳然如谖的品般柱.骷票入口到A姓如压的”申林

制才宾B弓累K产！.37.4看关用产2~2.5,圭3(按恚Stx出耒€*s

管理”肝麻肿就将辅”5的投就做触抹技勃$,

SL(2%〜10%)&m7s(47)

式中5是分子泵的抽速.n?/s,&是前级泵的抽速,m，/8.

，广义〜/卜m'/B

(48)

s，m&m，/8

式中.S1是罗茨泵的抽速，

St是油时机械泵作为前级泵的抽速;

S,是水环泵作前级泵的抽速.

»3材料放气的不均匀来看

»Q•Xa

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X14离于灌修及部火炉的穴空系烧IBis日及电蛆电a炉的n变系统

1.真空室九高真空气动阀3.扩散表1.管道阿5.罗茨

泵6.放气阀7.前级堆轼泉8.维希泉

■16果两扩散案的高.“空系统

1.封镜宰2•超高宾空阀3.超高其空如敞泵4.超青真汽

阀5-放气阀6.机械泵7.钦升华泵8.前级管道阀

图17的灯片接用的超宓立空系统

图18超高真空系统

1・赛射离子泵2.钛升华H3.B-A视接n4.超高汽空阀

5・中真空规接口6・放气髀7.低真空周8.吸附案

图19超高真空系统简出

】•舞词2.充气阀3.三通阀4.同级真空浏超炭管接口

5.橡底管6.指油V7.储气罐8.扩散泵9.电磁阀10.

机械系

ffl20犷敞奈A空机组外员图

-1

a2i处在真空室内带有出气孔的正确结构

六、真空系统的设计

在图2所示的真空系统中，主泵决定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。而所说的预抽泵是为了使被

抽容器能从大气压力很快地抽空到主泵能够开启工作的压力。对一个

真空系统来说，往往把系统的前级泵同时兼作预抽泵使用。我们这里

所说的选泵是指选择主泵而言，而配泵是指为主泵选配合适的前级

泵或预抽泵。

1.选主泵

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。

(1)主泵类型的确定

确定主泵类型的依据是：

①根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.各种真空泵的工作压强范

围见图11。

②根据被抽气体的种类，每种气体所占的比例以及气体中所夹杂

的灰尘情况。为此，应当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,

乂可以作为某些泵的前级泉。在尢气镇装置的情况下，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。再如油增压泵和油扩散泵，它们都属于油蒸汽流

泵。这两种泵对摩尔质量较小的气体(如氢气)抽气能力大，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，必须有前级泵，而且工作前必须有一个预真空环境。这两种

泵作为主泵的系统，都会有一定数量的泵油蒸气返流到被抽容器中。

③根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，见要根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是油扩

散泵、油增压泵、罗茨泵系统单位抽气速率(L/s)的价格与入口压强

间的关系曲线。图13是单位抽气速率(L/s)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1.33X10-1~13.3Pa的压

强范围内，以油增压泵为主泵的真空系统比较经济，所需要的功率

小。在压强低于1.33X104Pa的范围内，油扩散泵抽气系统比较经

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。

(2)主泵抽速大小的确定

主泵的类型选定之后，接下来就是要具体地确定主泵抽速的大小

规格。主泵抽速大小的确定主要根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。

①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当由主泵及时

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备中不一定都存在，这要根据不同

情况具体考虑。

a.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

以实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

某些真空设备的真空室内要求加热到较高的温度。真空室内必须使

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。

在利用式(38)计算真空室内的总排气流量时，对于某一种确定的

真空设备，要根据具体情况而定，如有的设备没有用耐火保温材料,

则不必计算Qn这一项。有些材料的放气量实验数据无处可查，则可

以采用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)。

②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QPa-m3/S,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)。

③粗算主泵的抽速S

由于在选定主泵之前，真空室出口到主泵入口之间的管路没有

确定，因而这段管路的流导C是未知数。根据式(2)无法计算主泵的

抽速S。通常按经验公式(44)粗算主泵的抽速。

④验算主泵的抽速

根据粗选出的主泵的入口尺寸。选择确定主阀、捕集器和连接管道,

划出主泵入口至真空室出口之间管路草图。利用流导计算公式计算出

被抽容器出口到主泵入口之间高真空管路的流导C,再按式(2a)计算

粗选主泵对真空室出口的有效抽速Se,若Se大于或等于被抽容器所

要求的有效抽速Sey则认为粗选的主泵的大小合乎要求，否则应重

新粗选主泵，再进行验算，直至合乎要求为止。

2.酉己泵

主泵选定之后，重要的问题是如何选配合适的前级泵和预抽泵。通

常前级泵直接影响主泵的抽气性能，影响真空系统的抽气时间和经

济效益。配前级泵时应遵循如下几点规定：

(1)前级泵应保证能及时排出主泵所排出的气体流量。

(2)前级泵在主泵(如扩散泵、油增压泵，分子泵和罗茨泵)出口处造

成的压强应低于主泵的最大排气压强。

(3)兼作预抽泵的前级泵应满足预抽时间的要求。

当选用油蒸气流泉作为主泉时，配前级泵的方法可以按经验标准

所推荐的前级泵的大小来确定，见表4。

所配前级泵确定之后，即可按前级泵的入口尺寸选择前级管道阀

和预抽管道阀，确定备部分连接管道的尺寸。根据以上的确定，可绘

制出真空系统设计图。

分子泵作为主泵时，其抽气能力与前级泵的抽气能力有密切关系。

分子泵的前级侧需要保持分子流状态，它才能稳定工作。为了保证分

子泵前级侧处于分子流状态，通常按式(47)选取前级泵的抽速。

罗茨泵作为主泵时，由于罗茨泵的转子与转子、转子与定子之间的

间隙较大，所以它对气体的压缩比较小，一般其前缀泵要大些。通常

可用油封机械泵或水环泵作为罗茨泵的前级泵，前级泵的抽速可根

据经验公式(48)选取。

3.储气罐和维持泵

由于扩散泵和油增压泵起动时间长，在周期性操作的设备中，当

装料和卸料的时候，为了缩短工作周期而不切断扩散泵和油增压泵

的电源，将高真空阀和前级管道阀关闭，使主泵处于正常工作状态。

由于阀门等总会有极少量的漏气和表面放气，经过一•段时间主泵出

口压强增加，若超过主泵的最大排气压强而返流到泵中，则会使油蒸

气氧化。为了解决这个问题，一个办法是用前级泵继续抽除主泵排出

的气体，但此时主泵内排出的气体量很小，出现前级泵大马拉小车的

现象。浪费许多能源。为此可采用另一种办法，停止前级泵工作，关

闭前级管道阀门，在主泵出口处设置维持泵或储气罐，这就可以保证

即能排出主泵内的气体，乂可以节省能源消耗。储气罐不能作得很大,

它只能用在以扩散泵为主泵的小型系统上，而维持泵可用在大型主

泵的系统上。储气罐的另一个作用是某些较小应用设备，在其工艺过

程中不允许有振动，即在工艺进行时必须停止前级泵的工作，这时要

用储气罐来储存在工艺过程中主泵所排出的气体，以保证工艺过程

中被处理工件的质量。

用于防振目的而设置储气罐的容积的计算是根据