第八講：真空系統(tǒng)設計

第八講：真空系統(tǒng)設計[簡介]:

真空應用設備種類繁多，但無論何種真空應用設備都有一套排除被抽容器內(nèi)氣體的抽氣系統(tǒng)，以便在真空容器內(nèi)獲得所需要的真空條件。舉例來說：一個真空處理用的容器，用管道和閥門將它與真空泵連接起來，當真空泵對容器進行抽空時，容器上要有真空測量裝置，這就構成了一個最簡單的真空抽氣系統(tǒng)(如圖1)。一、真空系統(tǒng)的組成

真空應用設備種類繁多，但無論何種真空應用設備都有一套排除被抽容器內(nèi)氣體的抽氣系統(tǒng)，以便在真空容器內(nèi)獲得所需要的真空條件。舉例來說：一個真空處理用的容器，用管道和閥門將它與真空泵連接起來，當真空泵對容器進行抽空時，容器上要有真空測量裝置，這就構成了一個最簡單的真空抽氣系統(tǒng)(如圖1)。

圖1所示的最簡單的真空系統(tǒng)只能在被抽容器內(nèi)獲得低真空范圍內(nèi)的真空度，當需要獲得高真空范圍內(nèi)的真空度時，通常在圖1所示的真空系統(tǒng)中串聯(lián)一個高真空泵。當串聯(lián)一個高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出口分別加上閥門，以便高真空泵能單獨保持真空。如果所串聯(lián)的高真空泵是一個油擴散泵，為了防止大量的油蒸氣返流進入被抽容器，通常在油擴散泵的入口加一個捕集器——水冷障板(如圖2所示)。根據(jù)要求，還可以在管路中加上除塵器、真空繼電器規(guī)頭、真空軟連接管道、真空泵入口放氣閥等等，這樣就構成了一個較完善的高真空系統(tǒng)。

凡是由兩個以上真空泵串聯(lián)組成的真空系統(tǒng)，通常都把抽低真空的泵叫做它上一級高真空泵的前級泵(或稱前置泵)，而最高一級的真空泵叫做該真空系統(tǒng)的主泵，即它是最主要的泵，被抽容器中的極限真空度和工作真空度就由主泵確定。被抽容器出口到主泵入口之間的管路稱為高真空管路，主泵入口處的閥門稱為主閥。

通常前級泵又兼作予真空抽氣泵。被抽容器到予抽泵之間的管路稱為予真空管路，該管路上的閥門稱為予真空管道閥。主泵出口到前級泵入口之間的管路稱為前級管道，該管路上的閥門稱為前級管道閥，而軟連接管道是為了隔離前級泵的振動而設置的。

總起來說，一個較完善的真空系統(tǒng)由下列元件組成：

1．抽氣設備：例如各種真空泵；

2．真空閥門；

3．連接管道；

4．真空測量裝置：例如真空壓力表、各種規(guī)管；

5．其它元件：例如捕集器、除塵器、真空繼電器規(guī)頭、儲氣罐等。

那么，究竟什么是真空系統(tǒng)?用一句話來概括，就是：用來獲得有特定要求的真空度的抽氣系統(tǒng)。

真空系統(tǒng)設計的基本內(nèi)容：是根據(jù)被抽容器對真空度的要求，選擇適當?shù)恼婵障到y(tǒng)設計方案，進行選、配泵計算；確定導管、閥門、捕集器、真空測量元件等，進行合理配置，最后劃出真空系統(tǒng)裝配圖和零部件圖。二、真空技術基本方程

真空系統(tǒng)最重要的性能參數(shù)是其所能獲得的極限真空度和對容器的有效抽速。

所說的真空系統(tǒng)的極限真空度是指在沒有外加負荷的情況下，經(jīng)過足夠長時間的抽氣后，系統(tǒng)所能達到的最低壓力。

真空系統(tǒng)對容器的有效抽速是指在容器出口處的壓力下，單位時間內(nèi)真空系統(tǒng)能夠從被抽容器中所抽除的氣體體積。真空系統(tǒng)對容器的有效抽速不僅取決于真空泵的抽速，也取決于真空系統(tǒng)管路對氣體的導通性能，即所說的流導。流導的定義是：在單位壓差下，流經(jīng)管路的氣流量的大小。用一個數(shù)學式子來表示，即是式(1)

如果用Se來表示真空系統(tǒng)對容器的有效抽速，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間管路的流導，則有式(2)，(2a)、(2b)、和(2c)

方程(2)，(2a)、(2b)、和(2c)本質上是一個方程，只不過寫法不同，這個方程在真空系統(tǒng)設計中是一個非常重要的方程，如果知道泵的抽速Sp和管路的流導C，就可以計算出系統(tǒng)對容器有效抽速，這個方程被稱為真空技術基本方程。

從方程(2b)可以看出：如果管路的流導C遠大于泵的抽速Sp，則Sp／C的值遠小于1，此時真空系統(tǒng)對容器的有效抽速Se≈Sp。這就是說為了充分發(fā)揮泵對容器的抽氣作用，在設計真空系統(tǒng)管路時，應使管路的流導盡可能大一些。因此真空管路應該粗而短，切不可細而長。這是設計連接管道時的一條重要原則。相反，如果管路的流導C遠小于泵的抽速Sp，則C/Sp的值遠小于1，從方程(2c)可以看出，此時真空系統(tǒng)對容器的有效抽速Se≈C，這就是說，在這種情況下，選擇多大的泵都沒有用，都不能提高泵對容器的有效抽速。三、氣體流動狀態(tài)的判別

在真空狀態(tài)下，氣體通過管道的流動屬于稀薄氣體流動。在真空系統(tǒng)管路中的氣流有五種流動狀態(tài)：湍流(又稱紊流、渦流)；湍-粘滯流；粘滯流(又稱層流、粘性流、泊稷葉流)；粘滯-分子流；分子流(又稱自由分子流、克努森流)。湍-粘滯流是湍流和粘滯流之間的過渡狀態(tài)。粘滯-分子流是粘滯流和分子流之間的過渡狀態(tài)。

因為湍流僅僅發(fā)生在真空系統(tǒng)剛剛工作之時，持續(xù)的時間很短，發(fā)生湍-粘滯流的時間也很短，所以在真空系統(tǒng)的設計計算中很少考慮這兩種流動狀態(tài)的影響。而主要考慮粘滯流，粘滯-分子流，分子流這三種流動狀態(tài)下，管道對氣體的導通性能-流導。

氣體在管道中的流動狀態(tài)不同，管道的流導也不一樣，也就是說，管道對氣體的流導不僅取決于管道的幾何形狀和尺寸，還與管道中流動的氣體種類和溫度有關，在有的流動狀態(tài)下還取決于管道中氣體的平均壓力。所以在計算管道對氣體的流導時，首先必須判明管道中的氣流是哪一種流動狀態(tài)?

對于室溫20℃空氣、湍流、湍-粘滯流、粘滯流之間的判別式為式（３）。

對于室溫20℃空氣，粘滯流、粘滯-分子流和分子流之間的判別式是（４）。四、流導的計算

1．流導和流幾率

(1)流導

就一個真空系統(tǒng)管路元件(包括導管、閥門、捕集器等)來說，若其入口壓力P1和出口壓力P2不相等，即管路元件的兩端存在壓強差P1-P2，則元件中將有氣流從高壓側流向低壓側(如圖3)。

若流經(jīng)元件的氣流量是Q，實驗和理論都證明Q值的大小與元件兩端的壓強差P1-P2成正比。用數(shù)學式子來表示Q與P1-P2之間的關系，則可寫成式(5)。

該比例常數(shù)C稱為流導。式(6)即是流導的定義式。它表明：在單位壓差下，流經(jīng)管路元件氣流量的大小被稱為流導。在國際單位制中，氣流量Q的單位是Pa·m3／s，P1-P2的單位是Pa，所以流導的單位是m3／s。

流導的大小說明在管路元件兩端的壓強差P1-P2一定的條件下流經(jīng)管路元件的氣流量的多少。從式(5)可見，當壓差P1-P2一定時，流導C的值較大，那么流經(jīng)管路元件的氣流量Q的值就較大；反之流導C的值小，則流經(jīng)元件的氣流量Q就小。所以作為真空系統(tǒng)管路元件，不管是導管、還是閥門、捕集器、除塵器等，都希望它的流導值盡可能大一些，使氣流能順利地通過。因此，流導是真空系統(tǒng)管路元件的一個重要參數(shù)。在真空系統(tǒng)設計計算中，要計算管路元件以及某段真空系統(tǒng)管路的流導。

(2)流導幾率

流導幾率也稱為傳輸幾率，其物理意義是氣體分子從元件的入口入射進入元件能從管路元件的出口逸出的概率。在分子流狀態(tài)下，利用流導幾率來表征真空系統(tǒng)管路元件對氣體的導通性能更直觀，更本質。用pr來表示流導幾率，則流導幾率的定義式為式(7)。

從式(8)可以看出，管路元件的流導C等于該元件入口孔的流導Cfk和其流導幾率Pr的乘積。通常，管路元件入口孔的流導Cfk是很容易求得的，如果知道了元件的流導幾率Pr，則利用式(8)可以很容易地計算出元件的流導。

2．流導的計算

在真空系統(tǒng)中，連接管道通常采用的是圓截面管道，被抽氣體又多為室溫下的空氣，因此這里只簡要介紹圓孔和圓截面管道對室溫空氣的流導。

(1)粘滯流時流導的計算

①薄壁孔

粘滯流時氣體流經(jīng)薄壁孔，如圖4所示，當P1＞P2時，氣體從I空間流向II空間。試驗發(fā)現(xiàn)：當P1不變時，隨P2下降，通過孔口的流速和流量都增加，但當P2下降到某一值時，它們都不再隨P2下降而增加。

對于室溫空氣，面積為Am2的薄壁孔的流導為式(9)。

對于室溫空氣，圓形薄壁孔的流導為式(10)。

②不考慮管口影響時，圓管的流導

通常，氣體從一個大容積進入管道的入口孔時，孔口對氣流存在影響，但當管道的長度比較長，管口對氣流的影響則可以忽略，即可以不考慮管口對氣流的影響。在工程計算中，通常把管道的軸線長度L與管道直徑D的比值L／D≥20的管道視為“長管”，其實質是可以不考慮管口的影響進行計算。設圓管的軸線長度為Lm，直徑為Dm，則其粘滯流條件下對于室溫空氣的流導為式(11)。

③考慮管口影響時，圓管的流導

在粘滯流條件下，氣流從大容積進入管口，在管口處受到影響，這種影響破壞了粘滯流的應有秩序，使管道的流導減小，這種影響常稱為管口效應。當管道的長度不太長時，管口效應的影響在進行計算中不能忽略。在工程計算中，一般認為管道的長徑比L／D＜20都屬于這種情況，這就是所說的“短管”。

對于室溫空氣，考慮管口影響時，管道的流導用式(12)計算。

(2)分子流時流導的計算

①薄壁孔

分子流時，對于室溫空氣，面積為Am2的薄壁孔的流導用式(13)計算。

②不考慮管口影響時。圓管的流導

不考慮管口影響時，在分子流條件下，任意截面形狀管道的流道計算式可由克努森流導積分公式(15)導出。

由式(15)導出的圓管的流導為式(16)。

③不考慮管口影響時，圓錐形管的流導

對于圖5所示的截圓錐形管道，其分子流流導的計算式為式(17)。

④考慮管口影響時，圓管的流導

設圓管的長度為L，半徑為R，直徑為D=2R。在分子流條件下，考慮管口影響時，圓管的流導幾率pr如式(18)。

因此，當考慮管口影響時，圓管對于室溫空氣的流導計算式為式(19)。

⑤真空閥門的分子流流導

對于真空閥門的分子流流導計算可用式(45)。

⑥常用水冷障板的流導

水冷障板的分子流流導的計算可用兩種方法。一種是利用“比流導”的數(shù)值進行計算，“比流導”指的是捕集器入口單位面積上的流導，利用“比流導”數(shù)據(jù)進行計算可用式(20)。

若捕集器不是用水冷卻，而是用其它冷劑，則式(20)要引入一個溫度影響系數(shù)l，式(21)。

若冷凝劑用的是干冰(固體CO2)，取l=1.2；若是液氮，則取l=1.7。第二種方法是用流導幾率進行計算，對于很多種結構形式的捕集器，其流導幾率值已有資料給出，因而利用式(8)可方便地進行計算。

(3)粘滯-分子流時，圓管對于室溫空氣的流導計算式是式(21)。

在式(21)和(22)中，函數(shù)J的數(shù)值見表1。

(4)管路元件串、并聯(lián)時，流導的計算

組成真空系統(tǒng)的管路各式各樣，各系統(tǒng)管路元件之間的關系，有的是串聯(lián)，有的又屬于并聯(lián)。

①串聯(lián)管路的流導

圖6所示的一段管路，是導管、閥門、捕集器三個元件串聯(lián)。若C1、C2、C3分別是這三個元件的流導，則它們串聯(lián)之后的整段管路的流導為式(23)。

如果是n個管道元件串聯(lián)，則串聯(lián)后整個管路的流導為式(24)。

可見管路元件串聯(lián)之后，整個管路的流導等于各元件流導的倒數(shù)的代數(shù)和的倒數(shù)。

②并聯(lián)管路的流導

圖7所示的整段管路是三條導管的并聯(lián)，若C1、C2、C3分別是這三條導管的流導，則并聯(lián)后組成的整段管路的流導C為式(25)。

如果有n條管路并聯(lián)組成一段管路，則并聯(lián)之后整段管路的流導為式(26)。

可見并聯(lián)管路的流導等于各并聯(lián)元件流導的代數(shù)和。五、抽氣時間的計算

1．真空系統(tǒng)的抽氣方程

真空系統(tǒng)的任務就是抽除被抽容器中的各種氣體。我們可以把被抽容器中所產(chǎn)生的各種氣體的流量稱為真空系統(tǒng)的氣體負荷。那么真空系統(tǒng)的氣體負荷究竟來自哪些方面呢?或者說真空室內(nèi)究竟有哪些氣源呢?總起來說，可以歸納為下述幾個方面：

(1)被抽容器內(nèi)原有的空間大氣，若容器的容積為Vm3，抽氣初始壓強為PoPa，則容器內(nèi)原有的大氣量為VP0Pa·m3；

(2)被抽容器內(nèi)一旦被抽空，暴露于真空下的各種材料構件的表面就將把原來在大氣壓下所吸收和吸附的氣體解析出來，這部分氣體來源我們稱之為放氣，單位時間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3／s來示；

實驗表明，材料表面單位時間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用式(27)的經(jīng)驗公式來計算。

真空室內(nèi)暴露于真空下的構件表面，可能有多種材料。所以總的表面放氣流量Qf為式(49)。

(3)大氣通過容器壁結構材料向真空室內(nèi)滲透的氣體流量，以QsPa·m3／s表示。滲透的氣流量即是大氣通過容器壁結構材料擴散到容器中的氣體流量。氣體的這種滲透是有選擇性的，例如：氫只有分離為原子才能透過鈀、鐵、鎳和鋁；氫對鋼的滲透將隨鋼中含碳量的增加而增加。氦分子能透過玻璃。氫、氮、氧和氬、氖、氦能透過透明的石英。一切氣體都能透過有機聚合物，如橡膠、塑料等。但是所有的隋性氣體都不能透過金屬。除了有選擇性之外，滲透氣流量Qs還與溫度、氣體的分壓強有關。在材料種類、溫度和氣體分壓強確定時，滲透氣流量Qs是個微小的定值。

(4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量QZPa·m3／s。空氣中水分或工藝中的液體在真空狀態(tài)下蒸發(fā)出來，這是在低真空范圍內(nèi)常常發(fā)生的現(xiàn)象。在高真空條件下，特別是在高溫裝置中，固體和液體都有一定的飽和蒸氣壓。當溫度一定時，材料的飽和蒸氣壓是一定的，因而蒸發(fā)的氣流量也是個常量。

(5)大氣通過各種真空密封的連接處，通過各種漏隙通道泄漏進入真空室的漏氣流量QLPa·m3／s。對于確定的真空裝置，漏氣流量QL是個常數(shù)。漏氣流量通?？赏ㄟ^所說的壓升率，即單位時間內(nèi)容器中的壓強增長率Px來計算式(28)。

當真空泵啟動之后，真空系統(tǒng)即對被抽容器抽氣。此時，真空系統(tǒng)對容器的有效抽速若以Se表示，容器中的壓力以P表示，則單位時間內(nèi)系統(tǒng)所排出的氣體流量即是SeP。容器中的壓強變化率為dP/dt，容器內(nèi)的氣體減少量即是VdP/dt。根據(jù)動態(tài)平衡，可列出如下方程(29)。

這個方程稱為真空系統(tǒng)抽氣方程。式中V是被抽容器的容積，由于隨著抽氣時間t的增長，容器內(nèi)的壓力P降低，所以容器內(nèi)的壓強變化率dP/dt是個負值。因而VdP/dt是個負值，這表示容器內(nèi)的氣體減少量。放氣流量Qf，滲透氣流量Qs，蒸發(fā)的氣流量Qz和漏氣流量QL都是使容器內(nèi)氣體量增多的氣流量。SeP則是真空系統(tǒng)將容器內(nèi)氣體抽出的氣流量，所以方程中記為一SeP。

對于一個設計、加工制造良好的真空系統(tǒng)，抽氣方程(29)中的放氣Qf滲氣Qs、漏氣QL和蒸氣Qz的氣流量都是微小的。因此抽氣初期(粗真空和低真空階段)真空系統(tǒng)的氣體負荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。隨著容器中壓強的降低，原有的大氣迅速減少，當抽空至1～10-1Pa時，容器中殘存的氣體主要是漏放氣，而且主要的氣體成分是水蒸汽。如果用油封式機械泵抽氣，則試驗表明，在幾十～幾Pa時，還將出現(xiàn)泵油大量返流的現(xiàn)象。

2．低真空抽氣時間的計算

從大氣壓開始到0.5Pa范圍的抽氣，我們統(tǒng)稱為低真空抽氣階段。這一階段的抽氣通常用油封式機械真空泵或分子篩吸附泵來完成。一般來說，油封機械泵的特性是在大氣壓到102Pa時抽速近似為常數(shù)，在102～O.5Pa時抽速變化較大，而對于吸附泵，5A分子篩在室溫下由大氣壓到O.5Pa時對氮氣的吸附速率近于常數(shù)；在液氮溫度下，由大氣壓到1Pa時，對氮氣的吸附量近似于常數(shù)。因此，對于低真空階段抽氣可分為近似常抽速和變抽速兩種情況來分別考慮。

(1)近似常抽速時，抽氣時間的計算

油封機械泵在大氣壓到102Pa范圍內(nèi)抽速近似為常抽速。在這一階段抽氣過程中，系統(tǒng)內(nèi)的壓強較高，排氣量較大，即使系統(tǒng)內(nèi)有些微小的漏氣和放氣，影響也不大，可以忽略漏氣、放氣、蒸發(fā)和滲透的氣流量。忽略這些微小的氣流量之后，抽氣方程(29)變?yōu)?30)。

①不考慮管道影響和漏放氣時抽氣時間的計算

通常，被抽容器的出口到真空泵入口之間有連接管路。連接管路的影響是使得系統(tǒng)對真空容器的有效抽速Se低于真空泵的抽速Sp這說明管路對于氣體流動具有阻力，這種影響從真空技術基本方程(2a)即可看出。

我們先從最簡單的情況來研究，假定真空泵的入口直接連到容器出口上進行抽空，如圖8所示，此時沒有連接管路或是連接管路很短，其影響可以忽略不計。微小的漏、放氣流量等也忽略不計，則求解抽氣方程(31)。

由式(32)可得出容器內(nèi)壓強P隨抽空時間t的變化關系式(33)。

式中各符號的意義同式(32)，式(32)是抽氣時間計算的最基本的公式。

②不考慮管道影響而考慮漏放氣時抽氣時間的計算

對于任何一個被抽容器不可能沒有漏氣和放氣，當被抽容器內(nèi)的壓強較低，真空系統(tǒng)的排氣流量不是很大時，就必須考慮漏、放氣等氣流量對抽氣過程的影響，此時抽氣時間的計算式為(34)。

③考慮管道影響和漏放氣時，抽氣時間的計算

實際上真空泵對容器的抽氣都是通過連接管路進行的。由于管路的影響，泵對容器的有效抽速降低了，延長了抽氣時間。因此在這種情況下需要考慮管道的影響。此時抽氣時間的計算式為(35)。

真空泵對容器的有效抽速s可以利用真空技術基本方程(2)求出。計算時需先求出真空泵入口到容器出口之間連接管路的流導C，而流導C又與氣流狀態(tài)有關，所以要根據(jù)不同的氣體流動狀態(tài),選擇適宜的流導計算公式計算連接管路的流導C。計算出連接管路的流導C，由泵的實際抽速Sp，即可通過真空技術基本方程(2)求出泵對容器的有效抽速Se。再利用式(35)即可求出對于容積為Vm3的容器，從壓強P0降低到P的抽氣時間t。

(2)變抽速時抽氣時間的計算

大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強的變化而變化，尤其是機械真空泵，當其入口壓強低于10Pa時，泵的抽速隨其入口壓強的變化更為顯著。圖9是某些真空泵的抽速特性曲線示意圖。

①分段計算法

在一般情況下，計算變抽速時的抽氣時間需要首先知道泵的抽速與其入口壓強的關系。如圖10所示。假定需要求容器內(nèi)的壓力由P0降低到P的抽氣時間，則可以將P0到P這個壓強區(qū)段分成n段。段效愈多，計算的抽氣時間愈接近變抽速的實際。設相應每段的抽氣時間為t1，t2…ti…tn取每段的平均抽蘧為s1，S2，…Si…Sn，用相應的公式(36)進行各個壓力區(qū)段的抽氣時間計算，然后求其代數(shù)和即得總的抽氣時間t。

②經(jīng)驗系數(shù)計算法

油封機械真空泵的實際抽速S隨其入口壓強的降低而降低。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實際抽速S與其名義抽速Sp的近似關系是(46)。式中系數(shù)K在不同壓力區(qū)間的取值如表2。

因此抽氣時間的計算可用式(37)。

應用該式計算抽氣時間時，實際上相當于把從大氣壓到1Pa的抽氣時間計算分成為五個區(qū)強區(qū)段，對應每一個壓強區(qū)段，根據(jù)表2所給出的K值分別計算各壓強區(qū)段的抽氣時間，然后將五個壓強區(qū)段的抽氣時間相加即得從大氣壓到1Pa的總的抽氣時間。六、真空系統(tǒng)的設計

在圖2所示的真空系統(tǒng)中，主泵決定了被抽容器的極限真空度和工作真空度，而前級泵則在主泵出口處造成始終低于主泵的臨界前級壓力的真空度，保證主泵能正常工作。而所說的預抽泵是為了使被抽容器能從大氣壓力很快地抽空到主泵能夠開啟工作的壓力。對一個真空系統(tǒng)來說，往往把系統(tǒng)的前級泵同時兼作預抽泵使用。我們這里所說的選泵是指選擇主泵而言，而配泵是指為主泵選配合適的前級泵或預抽泵。

1．選主泵

選主泵要考慮兩個方面，一是選擇主泵的類型，二是確定主泵抽速的大小。

(1)主泵類型的確定

確定主泵類型的依據(jù)是：

①根據(jù)被抽容器所要求達到的極限真空度和工作真空度。一般選取主泵的極限真空度稍高于被抽容器所要求的極限真空度(如高半個數(shù)量級)。每一種泵都有其最佳工作壓強范圍，應保證將被抽容器的工作真空度選在主泵的最佳抽速壓強范圍內(nèi)。各種真空泵的工作壓強范圍見圖1l。

②根據(jù)被抽氣體的種類，每種氣體所占的比例以及氣體中所夾雜的灰塵情況。為此，應當對各種真空泵的性能及使用特點進行了解。例如：油封式機械真空泵能夠直接向大氣中排氣，即可以單獨抽空，又可以作為某些泵的前級泵。在無氣鎮(zhèn)裝置的情況下，該泵只適用于抽除干燥氣體、當帶有氣鎮(zhèn)裝置時，也可以抽除含有少量水蒸氣的氣體，不適合抽除有爆炸性的氣體，對金屬有腐蝕性的氣體，以及含有顆?；覊m的氣體。再如油增壓泵和油擴散泵，它們都屬于油蒸汽流泵。這兩種泵對摩爾質量較小的氣體(如氫氣)抽氣能力大，被抽氣體中含有少量灰塵和水蒸汽也影響不大。但它們不能將氣體直接排到大氣中去，必須有前級泵，而且工作前必須有一個預真空環(huán)境。這兩種泵作為主泵的系統(tǒng)，都會有一定數(shù)量的泵油蒸氣返流到被抽容器中。

③根據(jù)初次投資和日常運轉維護費用

當兩種類型以上的泵都適合選用時，則要根據(jù)經(jīng)濟指標來確定主泵。在比較經(jīng)濟指標時，要從整套真空系統(tǒng)來考慮。如圖12是油擴散泵、油增壓泵、羅茨泵系統(tǒng)單位抽氣速率(L／s)的價格與入口壓強間的關系曲線。圖13是單位抽氣速率(L／s)的輸入功率與入口壓強的關系曲線。由兩個圖中的曲線可見，在1.33×10-1～13.3Pa的壓強范圍內(nèi)，以油增壓泵為主泵的真空系統(tǒng)比較經(jīng)濟，所需要的功率小。在壓強低于1.33×104Pa的范圍內(nèi)，油擴散泵抽氣系統(tǒng)比較經(jīng)濟。在壓強高于13.3Pa的范圍內(nèi)，羅茨泵抽氣系統(tǒng)比較經(jīng)濟。所以在選泵過程中應立足于即適用又經(jīng)濟。

(2)主泵抽速大小的確定

主泵的類型選定之后，接下來就是要具體地確定主泵抽速的大小規(guī)格。主泵抽速大小的確定主要根據(jù)被抽容器的工作真空度和其最大排氣流量，以及被抽容器的容積和所要求的抽氣時間。

①真空室內(nèi)排氣流量的計算

在正常的工藝過程中，真空室內(nèi)所產(chǎn)生的氣流量應當由主泵及時抽走，以保證真空室內(nèi)的壓強符合工作真空度的要求。工藝過程中的氣流量可用式(38)計算。

以上各量在不同的真空應用設備中不一定都存在，這要根據(jù)不同情況具體考慮。

a．Qg的計算

就真空熔煉來說，被熔煉材料工藝過程中的放氣流量Qg的計算是以實驗數(shù)據(jù)為基礎進行的。當給出材料單位質量含氣量在標準狀態(tài)下的體積時可用式(39)計算。

當給出材料在熔煉或處理前后化學成分的變化時用式(40)計算。

b．Qn的計算

某些真空設備的真空室內(nèi)要求加熱到較高的溫度。真空室內(nèi)必須使用耐火保溫材料，如碳氈、碳布、硅酸鋁纖維等材料，其放氣量的計算如式(41)。

c．Qf的計算

暴露于真空下各種構件材料表面的放氣流量用式(42)計算。

在利用式(38)計算真空室內(nèi)的總排氣流量時，對于某一種確定的真空設備，要根據(jù)具體情況而定，如有的設備沒有用耐火保溫材料，則不必計算Qn這一項。有些材料的放氣量實驗數(shù)據(jù)無處可查，則可以采用與其相類似材料的放氣量數(shù)據(jù)作為代替。

漏氣流量Qt的計算用式(28)。

②被抽容器所要求的有效抽速的計算

設被抽容器內(nèi)的最大排氣流量為QPa·m3／S，所要求的工作真空度為PgPa，則被抽容器所要求的有效抽速Sey為式(43)。

③粗算主泵的抽速S

由于在選定主泵之前，真空室出口到主泵入口之間的管路沒有確定，因而這段管路的流導C是未知數(shù)。根據(jù)式(2)無法計算主泵的抽速S。通常按經(jīng)驗公式(44)粗算主泵的抽速。

④驗算主泵的抽速

根據(jù)粗選出的主泵的入口尺寸。選擇確定主閥、捕集器和連接管道，劃出主泵入口至真空室出口之間管路草圖。利用流導計算公式計算出被抽容器出口到主泵入口之間高真空管路的流導C，再按式(2a)計算粗選主泵對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則認為粗選的主泵的大小合乎要求，否則應重新粗選主泵，再進行驗算，直至合乎要求為止。

2．配泵

主泵選定之后，重要的問題是如何選配合適的前級泵和預抽泵。通常前級泵直接影響主泵的抽氣性能，影響真空系統(tǒng)的抽氣時間和經(jīng)濟效益。配前級泵時應遵循如下幾點規(guī)定：

(1)前級泵應保證能及時排出主泵所排出的氣體流量。

(2)前級泵在主泵(如擴散泵、油增壓泵，分子泵和羅茨泵)出口處造成的壓強應低于主泵的最大排氣壓強。

(3)兼作預抽泵的前級泵應滿足預抽時間的要求。

當選用油蒸氣流泵作為主泵時，配前級泵的方法可以按經(jīng)驗標準所推薦的前級泵的大小來確定，見表4。

所配前級泵確定之后，即可按前級泵的入口尺寸選擇前級管道閥和預抽管道閥，確定備部分連接管道的尺寸。根據(jù)以上的確定，可繪制出真空系統(tǒng)設計圖。

分子泵作為主泵時，其抽氣能力與前級泵的抽氣能力有密切關系。分子泵的前級側需要保持分子流狀態(tài)，它才能穩(wěn)定工作。為了保證分子泵前級側處于分子流狀態(tài)，通常按式(47)選取前級泵的抽速。

羅茨泵作為主泵時，由于羅茨泵的轉子與轉子、轉子與定子之間的間隙較大，所以它對氣體的壓縮比較小，一般其前綴泵要大些。通常可用油封機械泵或水環(huán)泵作為羅茨泵的前級泵，前級泵的抽速可根據(jù)經(jīng)驗公式(48)選取。

3．儲氣罐和維持泵

由于擴散泵和油增壓泵起動時間長，在周期性操作的設備中，當裝料和卸料的時候，為了縮短工作周期而不切斷擴散泵和油增壓泵的電源，將高真空閥和前級管道閥關閉，使主泵處于正常工作狀態(tài)。由于閥門等總會有極少量的漏氣和表面放氣，經(jīng)過一段時間主泵出口壓強增加，若超過主泵的最大排氣壓強而返流到泵中，則會使油蒸氣氧化。為了解決這個問題，一個辦法是用前級泵繼續(xù)抽除主泵排出的氣體，但此時主泵內(nèi)排出的氣體量很小，出現(xiàn)前級泵大馬拉小車的現(xiàn)象。浪費許多能源。為此可采用另一種辦法，停止前級泵工作，關閉前級管道閥門，在主泵出口處設置維持泵或儲氣罐，這就可以保證即能排出主泵內(nèi)的氣體，又可以節(jié)省能源消耗。儲氣罐不能作得很大，它只能用在以擴散泵為主泵的小型系統(tǒng)上，而維持泵可用在大型主泵的系統(tǒng)上。儲氣罐的另一個作用是某些較小應用設備，在其工藝過程中不允許有振動，即在工藝進行時必須停止前級泵的工作，這時要用儲氣罐來儲存在工藝過程中主泵所排出的氣體，以保證工藝過程中被處理工件的質量。

用于防振目的而設置儲氣罐的容積的計算是根據(jù)在機械泵停止工作這段時間里，擴散泵從真空室中排出的氣體全部排到儲氣罐中，引起罐中壓強增高不超過擴散泵出口的最大排氣壓強來計算的。

用于節(jié)能和縮短工作周期為目的的儲氣罐的容積，其計算辦法基于如下考慮：當前級泵停止工作時，而擴散泵仍處于正常工作狀態(tài)，這時擴散泵將氣體排到儲氣罐中。此時氣體來源是擴散泵入口上的高真空閥門到擴散泵出口的前級管道閥之區(qū)間的漏氣流量和這一區(qū)間的表面放氣流量，這些氣流量引起擴散泵出口壓強增高，但不能超過擴散泵的最大排氣壓強。

使用維持泵的目的是節(jié)能，它設置在油蒸氣流泵的出口處，一般與前級機械泵并聯(lián)。通常維持泵與前級泵是同一類型的泵。經(jīng)驗表明，維持泵的抽速大小可以是前級泵抽速的十分之一?？梢娛褂镁S持泵即能大量節(jié)約能源，又能減小環(huán)境噪音。

4．真空系統(tǒng)設計中應該注意的問題

(1)真空元件，如閥門、捕集器、除塵器和真空泵等相互聯(lián)接時，應盡量作到抽氣管路短，管道流導大，導管直徑一般不小于泵口直徑，這是系統(tǒng)設計的一條重要原則。但同時要考慮到安裝和檢修方便。有時為了防振和減少噪音，允許機械泵設置在靠近真空室的泵房內(nèi)。

(2)機械泵(包括羅茨泵)有振動，要防止振動波及整個系統(tǒng)，通常用軟管減振。軟管有金屬和非金屬的兩種，不論采用那種軟管要保證在大氣壓力作用下不被壓癟。

(3)真空系統(tǒng)建成后，應便于測量和檢漏。生產(chǎn)實際告訴我們，真空系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常容易出現(xiàn)漏氣而影響生產(chǎn)。為了迅速找到漏孔，要進行分段檢漏，因此每一個用閥門封閉的區(qū)間，至少要有一個測量點，以便測量和檢漏。

(4)真空系統(tǒng)中配置的閥門和管道，應使系統(tǒng)抽氣時間短，使用方便，安全可靠。一般在有一個蒸氣流泵作為主泵(擴散泵或油增壓泵)；和一個機械泵作為前級泵的系統(tǒng)上，除了有前級管道(蒸氣流泵串聯(lián)機械泵的管道)外，還應有一個預真空管道(真空室直通機械泵的管道)。其次是在真空室和主泵之間設有高真空閥門(也稱主閥)，在前級管道上設有前級管道閥(也叫低真空閥)；在預真空管道上設置預真空管道閥(稱低真空閥)。主泵上的高真空閥門，通常不能在閥蓋下為真空狀態(tài)，而閥蓋上為大氣壓狀態(tài)下開閥，這要通過電氣聯(lián)鎖保證安全。前級管道閥和預真空管道閥要考慮到閥本身能在大氣壓下開閥。以蒸氣流泵為主泵的真空系統(tǒng)，主閥要蓋向主泵，前級管道閥也要蓋向主泵，預真空管道閥蓋向真空室。在機械泵入口管道上，應設一個放氣閥門。當機械泵停止工作時，能立即打開此閥，使機械泵入口通入大氣，防止機械泵油返流到管路中，因此該閥要和機械泵電氣聯(lián)鎖。真空室上也要設置放氣閥門，給裝料和取料時用。該閥設置的位置要考慮到放氣時，氣體沖力較大，防止因沖力過大而破壞真空室內(nèi)的薄弱構件。放氣閥的大小與真空室的體積有關，要考慮放氣時間不能太長，影響工作。

(5)真空系統(tǒng)的設計應保證排氣穩(wěn)定可靠，安裝拆卸維修容易，操作方便，各元件間的連接有互換性。為了達到工作中排氣穩(wěn)定，要求主泵性能穩(wěn)定，各閥門運轉靈活，密封可靠，系統(tǒng)中各元件的接頭不漏氣，真空室密封性能好，備真空元件連接采用標準尺寸，保證有互換性。在真空系統(tǒng)設計中，原則上講，每一個封閉管路尺寸應有一個可調(diào)尺寸。這個可調(diào)尺寸在過去設計中，都采用軟管來解決，現(xiàn)在設計系統(tǒng)時，多數(shù)不采用軟管。而采用提高真空元件加工尺寸精度和利用連接法蘭上的密封橡膠圈來解決安裝誤差，這樣可以提高系統(tǒng)強度和剛度，減少用于系統(tǒng)上的支架，更加美觀。

(6)真空系統(tǒng)設計中要采用新技術，做到自動控制和聯(lián)鎖保護。隨著真空技術的發(fā)展，要求在整個抽氣過程中能夠進行自動操作，如采用真空繼電器控制羅茨泵在1333Pa壓強下啟動工作。采用水壓繼電器控制蒸氣流泵的水壓在某一個壓力上，當水壓不足或斷水時，能夠立即斷電并發(fā)出警報。防止泵被燒壞。對于復雜真空系統(tǒng)和工藝過程及參數(shù)要求嚴格的設備應采用微機程序控制，更加安全可靠。

(7)真空系統(tǒng)設計中要求做到節(jié)省能源，降低成本，使用方便可靠。做到這一點有很大的經(jīng)濟意義，它可使所設計的真空應用設備有廣泛的市場銷路。

5．真空系統(tǒng)的典型形式

真空應用是非常廣泛的，因而用于各種不同工藝過程的真空系統(tǒng)，其種類十分繁多。但最能說明真空系統(tǒng)抽氣過程的是靜態(tài)系統(tǒng)和動態(tài)系統(tǒng)兩個概念。

動態(tài)真空系統(tǒng)是系統(tǒng)中有氣體流動。系統(tǒng)中各處壓強不等，系統(tǒng)的各截面有壓強降落。凡是真空室或系統(tǒng)某處有放氣或漏氣的真空系統(tǒng)均屬此類。靜態(tài)真空系統(tǒng)是指系統(tǒng)中沒有氣體流動，系統(tǒng)內(nèi)各部分的壓強相等．而且長時間不變化。凡是真空室或管道內(nèi)沒有放氣或漏氣的系統(tǒng)均屬靜態(tài)真空系統(tǒng)。實際上，絕對的沒有放氣和漏氣的情況是不存在的。但是在漏氣和放氣流量都非常小的情況下，系統(tǒng)中幾乎沒有氣流就可以認為是靜態(tài)真空系統(tǒng)。

可以從不同的角度對真空系統(tǒng)進行分類，例如：

按真空系統(tǒng)工作真空度的高低可分為低真空系統(tǒng)、中真空系統(tǒng)、高真空系統(tǒng)和超高真空系統(tǒng)。

按真空系統(tǒng)工作的清潔程度可分為有油真空系統(tǒng)(真空室有油蒸氣污染的)和無油真空系統(tǒng)(真空室無油蒸氣污染的)。

按真空系統(tǒng)的結構材料可分為玻璃真空系統(tǒng)(除了機械真空泵以外全由玻璃制成)和金屬真空系統(tǒng)。

在實際應用中，人們往往把上述不同的分類加以綜合，稱為“大型動態(tài)金屬高真空系統(tǒng)”、“無油超高真空系統(tǒng)”、“玻璃高真空系統(tǒng)”等等。

下面介紹一些典型的真空系統(tǒng)型式。

(1)低真空系統(tǒng)

這種真空系統(tǒng)的極限真空度在低真空范圍內(nèi)，低于1．33×lO-1Pa，只用機械泵給真空室排氣，系統(tǒng)比較簡單。

(2)中真空系統(tǒng)

這種系統(tǒng)應用比較普遍，許多應用設備都采用該種系統(tǒng)。如自耗爐真空系統(tǒng)，感應爐真空系統(tǒng)和一些熱處理爐的真空系統(tǒng)等。中真空系統(tǒng)一般是由兩個以上的泵串聯(lián)組成的。下面介紹幾種系統(tǒng)：

①油增壓泵(主泵)串聯(lián)機械泵(前級泵)的真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作壓強范圍為1.33～1.33×10-1pa。其優(yōu)點是抽氣能力大，系統(tǒng)簡單，振動小，工作穩(wěn)定可靠，維修方便，成本低。缺點是預抽時間長(同羅茨泵系統(tǒng)比較)，因為在1.33～133.3Pa壓強范圍內(nèi)，油增壓泵和機械泵抽速部下降；工作中需要較貴重的增壓泵油。

②羅茨泵串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作壓強范圍為1.33～1333Pa。不但抽氣能力大，而且起動快。預抽氣時間短，因為在1.33～101325Pa壓強范圍內(nèi)。機械泵和羅茨泵最大抽速能很好連接上，缺點是工作時有振動，且噪音大；工作中隨時間增加，羅茨泵性能下降。圖14就是這種系統(tǒng)，它是用在真空離子滲碳和真空淬火熱處理工藝中的系統(tǒng)。這里除羅茨泵系統(tǒng)之處，又并聯(lián)一個小機械囊。它在離子滲碳時開動，并同時停止羅茨泵系統(tǒng)，可節(jié)省能量。

③羅茨泵串聯(lián)小型羅茨泵(中間泵)，再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)，其工作壓強范圍為O.133～1333Pa。不但工作壓強范圍大，而且工作真空度高，同時具備了羅茨泵系統(tǒng)的特點。中間串聯(lián)的小型羅茨泵減小了主羅茨泵對前級機械泵的依賴性，因為壓縮比減小，加寬了工作壓強范圍和提高了極限真空度。

④以油增壓泵和羅茨泵為主泵，兩個泵出口串聯(lián)羅茨泵．再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)，其工作壓強范圍為O.133～1333Pa。該系統(tǒng)具有羅茨泵系統(tǒng)和油增壓泵系統(tǒng)的雙重特點，如圖15所示，被稱為真空自耗爐的典型系統(tǒng)，對于熔煉鈦合金具有突出優(yōu)點。

⑤除了上述幾種之外，還有油增壓泵串聯(lián)羅茨泵，再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)。還有羅茨泵串聯(lián)水環(huán)泵的真空系統(tǒng)，它適合于排出灰塵較多的應用設備上。

(3)高真空系統(tǒng)

這種系統(tǒng)應用也比較廣泛。它的工作壓強范圍在6.67×10-2～1.33×10-3Pa。如鍍膜機、電子轟擊爐和部分電阻爐等都采用高真空系統(tǒng)。

①擴散泵串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般用在工作時放氣量較小的應用設備上。系統(tǒng)結構簡單，工作可靠。成本低。缺點是系統(tǒng)起動慢，預抽氣時間長。擴散泵油蒸氣容易返流到真空室中去。

②擴散泵串聯(lián)油增壓泵，再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)，該系統(tǒng)起動慢。由于有中間油增壓泵存在，故預抽氣時間短些。

③擴散泵串聯(lián)羅茨泵，再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)，它起動慢，但預抽氣時間短(因為中間有羅茨泵)。圖16是由三個泵串聯(lián)組成的高真空系統(tǒng)。

(4)超高真空系統(tǒng)

由于原子能工業(yè)和火箭技術的發(fā)展，超高真空技術也得到迅速發(fā)展和應用。其系統(tǒng)有如下幾種。

①用擴散泵和鈦泵并聯(lián)為主泵，擴散泵單獨串聯(lián)前級機械泵的真空系統(tǒng)。圖17所示，稱為鈉燈超高真空封接爐的系統(tǒng)?？梢赃_到極限真空度為1.33×10-6Pa。

②由擴散泵串聯(lián)擴散泵(中間泵)，再串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)。如圖18，是一個超高真空系統(tǒng)和設備的結構圖。主泵是一個水銀擴散泵，泵頂有冷卻擋板和液氮冷阱，中間泵也是水銀擴散泵。在中間泵和前級機械泵之間設有油蒸氣捕集器。并設有各種單獨的加熱器，烘烤真空室和主泵頂部及捕集器。該系統(tǒng)的特點是能獲得超高真空，并能穩(wěn)定工作。

③主泵為分子泵串聯(lián)機械泵的真空系統(tǒng)，該種超高真空系統(tǒng)，由于機械泵有油存在，需要在機械泵入口管道上設置捕集器冷凝油蒸氣。如果分子泵串聯(lián)分子篩吸附泵(前級泵)，則構成了無油超高真空系統(tǒng)，該系統(tǒng)比較清潔。

④用鈦泵或濺射離子泵做為主泵。并聯(lián)或串聯(lián)分子篩吸附泵(做為預真空泵)，構成無油超高真空系統(tǒng)．如圖19所示。也可以用鈦泵聯(lián)接預真空機械泵，但此時機械泵的入口管道上要加油蒸氣捕集器。

⑤用低溫泵做為主泵，串聯(lián)或并聯(lián)分子篩吸附泵(預真空泵)，構成無油超高真空系統(tǒng)。同樣也可以用機械泵做為預真空泵，在機械泵入口管道上設置油蒸氣捕集器。

(5)真空機組

真空機組是由各種真空元件組合而成。它是不帶真空室的排氣系統(tǒng)，其結構緊湊，占地面積小，目前國產(chǎn)機組有油擴散泵機組，油增壓泵機組和羅茨泵機組。機組名稱以主泵命名。高真空機組工作真空度為6.67~lO-2～1.33×lO-3Pa，其極限真空度為1.33×10-4Pa。它是由油擴散泵、機械泵、高真空閥門、捕集器儲氣罐、低真空截止閥、放氣閥及管道，還有電氣控制盤，水壓繼電器等元件組成的。見圖20所示。

中真空油增壓泵機組用以獲得l.33～1.33×10-1Pa的工作壓強，其極限真空度為1.33×lO-2pa。它由油增壓泵、真空閥門、捕集器、低真空截止閥、放氣閥、管道，以及電氣控制盤，水壓繼電器等元件組成。

中真空羅茨泵機組其工作真空度為1.33～1.33×103Pa。其極限真空度為1.33×lO-1Pa。其它元件與油增壓泵機組相同。真空機組已經(jīng)系列化。有專門廠家生產(chǎn)。

6．真空系統(tǒng)的結構設計

真空系統(tǒng)的結構設計主要考慮密封可靠，結構合理，材料對真空度影響要小。設計中應注意如下幾點。

(1)選擇結構材料應盡量用國家標準中的無縫鋼管和板材，盡量減少焊接結構，有利于真空部件氣密性質量。但是許多系統(tǒng)元件又離不開焊接結構，這時應選擇焊接性能較好的鋼材。

(2)焊接是真空系統(tǒng)制造中的一道重要工序，為了保證焊接后焊縫不漏氣，除了要求技術水平較高的工人進行焊接，提高焊接質量外，合理地設計焊接結構也很重要。因此焊接結構要避免處于真空中的焊縫有積存污物的空隙，否則給清洗造成困難，還會成為緩慢放氣的氣源。當焊縫出現(xiàn)死空間時，在系統(tǒng)檢漏中就不易找到漏隙所在。

(3)結構上要保證快速抽空。為此要避免出現(xiàn)隔離孔穴(氣袋)，因為