第八讲：真空系统设计
王继常
(东北大学)

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——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泵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。

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S_e来表示真空系统对容器的有效抽速，用S_p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S_p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S_p，则S_p／C的值远小于1，此时真空系统对容器的有效抽速S_e≈S_p。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S_p，则C/S_p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S_e≈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。

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20℃空气，粘滞流、粘滞-分子流和分子流之间的判别式是（４）。

（未完待续）