1．真空系統(tǒng)的抽氣方程
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(gè)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?jí)簭?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(shí)間內(nèi)的放氣流量可以用QfPa·m3／s來示；
實(shí)驗(yàn)表明，材料表面單位時(shí)間內(nèi)單位表面積的放氣率q可以用式(27)的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)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)。
(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(duì)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(shí)，滲透氣流量Qs是個(gè)微小的定值。
(4)液體或固體蒸發(fā)的氣體流量QZPa·m3／s?？諝庵兴只蚬に囍械囊后w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(shí)，材料的飽和蒸氣壓是一定的，因而蒸發(fā)的氣流量也是個(gè)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(duì)于確定的真空裝置，漏氣流量QL是個(gè)常數(shù)。漏氣流量通?？赏ㄟ^所說的壓升率，即單位時(shí)間內(nèi)容器中的壓強(qiáng)增長率Px來計(jì)算式(28)。
當(dāng)真空泵啟動(dòng)之后，真空系統(tǒng)即對(duì)被抽容器抽氣。此時(shí)，真空系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(dòng)態(tài)平衡，可列出如下方程(29)。
這個(gè)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(shí)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(gè)負(fù)值。因而V dP/dt是個(gè)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Se>P。
對(duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)、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(shí)，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(yàn)表明，在幾十～幾Pa時(shí)，還將出現(xiàn)泵油大量返流的現(xiàn)象。
2．低真空抽氣時(shí)間的計(jì)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(jī)械真空泵或分子篩吸附泵來完成。一般來說，油封機(jī)械泵的特性是在大氣壓到102Pa時(shí)抽速近似為常數(shù)，在102～O.5Pa時(shí)抽速變化較大，而對(duì)于吸附泵，5A分子篩在室溫下由大氣壓到O.5Pa時(shí)對(duì)氮?dú)獾奈剿俾式诔?shù)；在液氮溫度下，由大氣壓到1Pa時(shí)，對(duì)氮?dú)獾奈搅拷朴诔?shù)。因此，對(duì)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(shí)，抽氣時(shí)間的計(jì)算
油封機(jī)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(qiáng)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(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)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(duì)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(duì)于氣體流動(dòng)具有阻力，這種影響從真空技術(shù)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(jìn)行抽空，如圖8所示，此時(shí)沒有連接管路或是連接管路很短，其影響可以忽略不計(jì)。微小的漏、放氣流量等也忽略不計(jì)，則求解抽氣方程(31)。
由式(32)可得出容器內(nèi)壓強(qiáng)P隨抽空時(shí)間t的變化關(guān)系式(33)。
式中各符號(hào)的意義同式(32)，式(32)是抽氣時(shí)間計(jì)算的最基本的公式。
②不考慮管道影響而考慮漏放氣時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算
對(duì)于任何一個(gè)被抽容器不可能沒有漏氣和放氣，當(dāng)被抽容器內(nèi)的壓強(qiáng)較低，真空系統(tǒng)的排氣流量不是很大時(shí)，就必須考慮漏、放氣等氣流量對(duì)抽氣過程的影響，此時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算式為(34)。
③考慮管道影響和漏放氣時(shí)，抽氣時(shí)間的計(jì)算
實(shí)際上真空泵對(duì)容器的抽氣都是通過連接管路進(jìn)行的。由于管路的影響，泵對(duì)容器的有效抽速降低了，延長了抽氣時(shí)間。因此在這種情況下需要考慮管道的影響。此時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算式為(35)。
真空泵對(duì)容器的有效抽速s可以利用真空技術(shù)基本方程(2)求出。計(jì)算時(shí)需先求出真空泵入口到容器出口之間連接管路的流導(dǎo)C，而流導(dǎo)C又與氣流狀態(tài)有關(guān)，所以要根據(jù)不同的氣體流動(dòng)狀態(tài),選擇適宜的流導(dǎo)計(jì)算公式計(jì)算連接管路的流導(dǎo)C。計(jì)算出連接管路的流導(dǎo)C，由泵的實(shí)際抽速Sp，即可通過真空技術(shù)基本方程(2)求出泵對(duì)容器的有效抽速Se。再利用式(35)即可求出對(duì)于容積為Vm3的容器，從壓強(qiáng)P0降低到P的抽氣時(shí)間t。
(2)變抽速時(shí)抽氣時(shí)間的計(jì)算
大多數(shù)真空泵的抽速都隨其入口壓強(qiáng)的變化而變化，尤其是機(jī)械真空泵，當(dāng)其入口壓強(qiáng)低于10Pa時(shí)，泵的抽速隨其入口壓強(qiáng)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(jì)算法
在一般情況下，計(jì)算變抽速時(shí)的抽氣時(shí)間需要首先知道泵的抽速與其入口壓強(qiáng)的關(guān)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(shí)間，則可以將P0到P這個(gè)壓強(qiáng)區(qū)段分成n段。段效愈多，計(jì)算的抽氣時(shí)間愈接近變抽速的實(shí)際。設(shè)相應(yīng)每段的抽氣時(shí)間為t1，t2…ti…tn取每段的平均抽蘧為S1，S2，…Si…Sn，用相應(yīng)的公式(36)進(jìn)行各個(gè)壓力區(qū)段的抽氣時(shí)間計(jì)算，然后求其代數(shù)和即得總的抽氣時(shí)間t。
②經(jīng)驗(yàn)系數(shù)計(jì)算法
油封機(jī)械真空泵的實(shí)際抽速S隨其入口壓強(qiáng)的降低而降低。研究其抽速特性曲線發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際抽速S與其名義抽速Sp的近似關(guān)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(shí)間的計(jì)算可用式(37)。
應(yīng)用該式計(jì)算抽氣時(shí)間時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)于把從大氣壓到1Pa的抽氣時(shí)間計(jì)算分成為五個(gè)區(qū)強(qiáng)區(qū)段，對(duì)應(yīng)每一個(gè)壓強(qiáng)區(qū)段，根據(jù)表2所給出的K值分別計(jì)算各壓強(qiáng)區(qū)段的抽氣時(shí)間，然后將五個(gè)壓強(qiáng)區(qū)段的抽氣時(shí)間相加即得從大氣壓到1Pa的總的抽氣時(shí)間。
