真空系統(tǒng)的抽氣方程

2008-10-13 鬼馬 真空技術(shù)網(wǎng)整理

    真空系統(tǒng)的任務(wù)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(fù)荷。那么真空系統(tǒng)的氣體負(fù)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(qiáng)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(gòu)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(gòu)件表面,可能有多種材料。所以總的表面放氣流量Qf為式(49)。

材料表面單位時間內(nèi)單位表面積的放氣率q

      (3)大氣通過容器壁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)材料擴(kuò)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(jī)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(qiáng)有關(guān)。在材料種類、溫度和氣體分壓強(qiáng)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(dāng)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(jìn)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)。漏氣流量通常可通過所說的壓升率,即單位時間內(nèi)容器中的壓強(qiáng)增長率Px來計算式(28)。

單位時間內(nèi)容器中的壓強(qiáng)增長率 

    當(dāng)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(qiáng)變化率為dP/dt,容器內(nèi)的氣體減少量即是V dP/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(qiáng)變化率dP/dt是個負(fù)值。因而V dP/dt是個負(fù)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(shè)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(fù)荷主要是容器內(nèi)原有的空間大氣。隨著容器中壓強(qiáng)的降低,原有的大氣迅速減少,當(dāng)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(jī)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。