真空泵的选型及数据计算.docx
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真空泵的选型及数据计算
第一部分：
选用真空泵时需要注意事项：
1、真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。
如：
真空镀膜要求1×10-5mmHg的真空度，选用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。
通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。
2、正确地选择真空泵的工作点。
每种泵都有一定的工作压强范围，如：
扩散泵为10-3~10-7mmHg，在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为5×10-4~5×10-6mmHg。
因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在10-8mmHg下长期工作。
又如钛升华泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作压强应小于1×10-5mmHg为好。
3、真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。
4、正确地组合真空泵。
由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。
如钛升华泵对氢有很高的抽速，但不能抽氦，而三极型溅射离子泵，（或二极型非对称阴极溅射离子泵）对氩有一定的抽速，两者组合起来，便会使真空装置得到较好的真空度。
另外，有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。
5、真空设备对油污染的要求。
若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：
水环泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵等。
如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、挡油阱等，也能达到清洁真空要求。
6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。
选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。
如果气体中含有蒸气、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。
7、真空泵排出来的油蒸气对环境的影响如何。
如果环境不允许有污染，可以选无油真空泵，或者把油蒸气排到室外。
8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。
若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。
9、真空泵的价格、运转及维修费用。
第二部分：
水环式真空泵的选择
一、泵类型的确定
泵的类型主要由工作所需的气量、真空度或排气压力而定。
泵工作时，需要注意以下两个方面：
1.尽可能要求在高效区内，也就是在临界真空度或临界排气压力的区域内运行。
2.应避免在最大真空度或最大排气压力附近运行。
在此区域内运行，不仅效率极低，而且工作很不稳定，易产生振动和噪音。
对于真空度较高的真空泵而言，在此区域之内运行，往往还会发生汽蚀现象，产生这种现象的明显标志是泵内有噪音和振动。
汽蚀会导致泵体、叶轮等零件的损坏，以致泵无法工作。
根据以上原则，当泵所需的真空度或气体压力不高时，可优先在单级泵中选取。
如果真空度或排气压力较高，单级泵往往不能满足，或者，要求泵在较高真空度情况下仍有较大气量，即要求性能曲线在较高真空度时较平坦，可选用两级泵。
如果真空度要求在－710mmHg以上，可选用水环－大气泵或水环－罗茨真空机组作为抽真空装置。
如果只作真空泵用，则选用单作用泵比较好。
因为单作用泵的构造简单，容易制造和维护，且在高真空情况下抗汽蚀性好。
如果仅作较大气量的压缩机使用，则选用双作用的泵比较合适。
因为双作用泵的气量大，体积小，重量轻，径向力能得到自动平衡，轴不容易产生疲劳断裂，泵的使用寿命较长。
二、根据系统所需的气量选择真空泵
初步选定了泵的类型之后，对于真空泵，还要根据系统所需的气量来选用泵的型号。
真空泵选择相关计算公式
1、玻义尔定律
体积V，压强P，P·V＝常数
一定质量的气体，当温度不变时，气体的压强与气体的体积成反比。
即P1/P2＝V2/V1
2、盖·吕萨克定律
当压强P不变时，一定质量的气体，其体积V与绝对温度T成正比：
V1/V2＝T1/T2＝常数
当压强不变时，一定质量的气体，温度每升高（或P降低）1℃，则它的体积比原来增加（或缩小）1/273。
3、查理定律
当气体的体积V保持不变，一定质量的气体，压强P与其绝对温度T成正比，即：
P1/P2＝T1/T2
在一定的体积下，一定质量的气体，温度每升高（或降低）1℃，它的压强比原来增加（或减少）1/273。
4、平均自由程：
λ＝（5×10-3）/P（cm）
5、抽速：
S＝dv/dt（升/秒）或S＝Q/PQ＝流量（托·升/秒）P＝压强（托） V＝体积（升）t＝时间（秒）
6、通导：
C＝Q/（P2-P1）（升/秒）
7、真空抽气时间：
对于从大气压到1托抽气时间计算式：
t＝8V/S（经验公式）V为体积，S为抽气速率，通常t在5~10分钟内选择。
8、维持泵选择：
S维＝S前/10
9、扩散泵抽速估算：
S＝3D2（D＝直径cm）
10、罗茨泵的前级抽速：
S＝~S罗（l/s）
11、漏率：
Q漏＝V（P2-P1）/（t2-t1）Q漏－系统漏率（mmHg·l/s）V－系统容积（l）P1－真空泵停止时系统中压强（mmHg）P2－真空室经过时间t后达到的压强（mmHg）t－压强从P1升到P2经过的时间（s）
12、粗抽泵的抽速选择：
S＝Q1/P预（l/s）S=·lg（Pa/P预）/tS－机械泵有效抽速Q1－真空系统漏气率（托·升/秒）P预－需要达到的预真空度（托）V－真空系统容积（升）t－达到P预时所需要的时间Pa－大气压值（托）
13、前级泵抽速选择：
排气口压力低于一个大气压的传输泵如扩散泵、油增压泵、罗茨泵、涡轮分子泵等，它们工作时需要前级泵来维持其前级压力低于临界值，选用的前级泵必须能将主泵的最大气体量排走，根据管路中，各截面流量恒等的原则有：
PnSg≥PgS或Sg≥Pgs/PnSg－前级泵的有效抽速（l/s）Pn－主泵临界前级压强（最大排气压强）（l/s）Pg－真空室最高工作压强（托）S－主泵工作时在Pg时的有效抽速。
（l/s）
14、扩散泵抽速计算公式：
S＝Q/P＝（K·n）/（P·t）（升/秒）式中：
S－被试泵的抽气速率（l/s）n－滴管内油柱上升格数（格）t－油柱上升n格所需要的时间（秒）P－在泵口附近测得的压强（托）K－滴管系数（托·升/秒）K＝V0·（L/n）·（Υ0/Υm）+Pa△Vt其中V0－滴管和真空胶管的原始容积（升）L－滴管刻度部分的长度（mm）n－滴管刻度部分的格数（格）Υ0－油的比重（克/厘米3）Υm－汞的比重（克/厘米3）Pa－当地大气压强（托）△Vt－滴管的刻度上的一格的对应的容积（升/格）
15、旋片真空泵的几何抽速计算公式：
S＝πZnLKv（D2-d2）/（24×104）（l/s）式中：
Z为旋片数，n为转速（转/分），L为泵腔长度，D为泵腔直径，d为转子直径（cm），Kv为容积利用系数（一般取95％）。
16、O型橡胶槽深B＝
D为橡胶直径，槽宽C＝
17、方形橡胶槽深B＝
A为方形橡胶边长，槽宽C＝
其它几个公式：
◆真空容器的排气时间
对于低真空和中真空的排气时间，当泄漏量较小时，真空设备从压强P1降低到P2所需的排气时间为：
t＝（V/S）lg（P1/P2）
式中t：
排气时间，s
V:
真空设备容积，L
S:
泵的有效抽气速率，L/S
P1,P2:
开始时容器的压强和抽至所需的压强，mmHg。
真空系统抽气速率Se的计算方法：
◆连续操作系统
1、计算真空系统的总泄漏量Qs。
根据真空系统的容积进行的泄漏量估算：
表1
容积/m3
1
3
5
10
25
50
100
200
空气平均泄漏量/
kg/h
根据接头密封长度进行的泄漏量估算：
表2
接头密封质量
非常好
好
正常
泄漏量kg/h*m
2、计算总抽气量Q
Q=Q1+Q2+Q3
Q:
总抽气量，kg/h
Q1:
真空系统工作过程中产生的气体量，kg/h
Q2:
真空系统的放气量，kg/h
Q3:
真空系统总泄漏量，kg/h
3、计算Se：
Se＝QR（273+Ts）/PsM
R:
通用气体常数R＝/（kmol*K）
Ts：
抽出气体的温度，ºC
Ps：
真空系统的工作压力，kPa，G
M：
抽出气体的平均分子量
Se：
真空系统的抽气速率，m3/h
◆间歇操作系统
Se＝138V/t*lg（P1/P2）m3/h
真空泵的选用
1根据真空系统的真空度和泵进口管道的压力降，确定泵吸入口处的真空度（绝压）
2确定真空系统的抽气速率Se
3将Se换算成泵厂规定条件下的抽气速率Se’
一般可按照下式计算：
Se’＝Se（273+[Ts]）/（273+Ts）
[Ts]：
泵标准进气温度
4根据抽气速率和真空度要求，按照下式选择确定真空泵的类型
要求真空泵的抽气速率S满足：
S>（20%-30%）Se’
真空泵的选型指导
选用真空泵时的注意事项：
1、真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。
如：
真空镀膜要求1×10-5mmHg的真空度，选用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。
通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。
2、正确地选择真空泵的工作点。
每种泵都有一定的工作压强范围，如：
扩散泵为10-3~10-7mmHg，在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为5×10-4~5×10-6mmHg。
因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在10-8mmHg下长期工作。
又如钛升华泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作压强应小于1×10-5mmHg为好。
3、真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。
4、正确地组合真空泵。
由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。
如钛升华泵对氢有很高的抽速，但不能抽氦，而三极型溅射离子泵，（或二极型非对称阴极溅射离子泵）对氩有一定的抽速，两者组合起来，便会使真空装置得到较好的真空度。
另外，有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。
5、真空设备对油污染的要求。
若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：
水环泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵等。
如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、挡油阱等，也能达到清洁真空要求。
6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。
选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。
如果气体中含有蒸气、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。
·7、真空泵排出来的油蒸气对环境的影响如何。
如果环境不允许有污染，可以选无油真空泵，或者把油蒸气排到室外。
8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。
若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。
9、真空泵的价格、运转及维修费用。
水环式真空泵的选择:
泵的类型主要由工作所需的气量、真空度或排气压力而定。
泵工作时，需要注意以下两个方面：
1.尽可能要求在高效区内，也就是在临界真空度或临界排气压力的区域内运行。
2.应避免在最大真空度或最大排气压力附近运行。
在此区域内运行，不仅效率极低，而且工作很不稳定，易产生振动和噪音。
对于真空度较高的真空泵而言，在此区域之内运行，往往还会发生汽蚀现象，产生这种现象的明显标志是泵内有噪音和振动。
汽蚀会导致泵体、叶轮等零件的损坏，以致泵无法工作。
根据以上原则，当泵所需的真空度或气体压力不高时，可优先在单级泵中选取。
如果真空度或排气压力较高，单级泵往往不能满足，或者，要求泵在较高真空度情况下仍有较大气量，即要求性能曲线在较高真空度时较平坦，可选用两级泵。
如果真空度要求在－710mmHg以上，可选用水环－大气泵或水环－罗茨真空机组作为抽真空装置。
如果只作真空泵用，则选用单作用泵比较好。
因为单作用泵的构造简单，容易制造和维护，且在高真空情况下抗汽蚀性好。
如果仅作较大气量的压缩机使用，则选用双作用的泵比较合适。
因为双作用泵的气量大，体积小，重量轻，径向力能得到自动平衡，轴不容易产生疲劳断裂，泵的使用寿命较长。
真空泵选择相关计算公式
1、玻义尔定律
体积V，压强P，P·V＝常数
一定质量的气体，当温度不变时，气体的压强与气体的体积成反比。
即P1/P2＝V2/V1
2、盖·吕萨克定律
当压强P不变时，一定质量的气体，其体积V与绝对温度T成正比：
V1/V2＝T1/T2＝常数
当压强不变时，一定质量的气体，温度每升高（或P降低）1℃，则它的体积比原来增加（或缩小）1/273。
3、查理定律
当气体的体积V保持不变，一定质量的气体，压强P与其绝对温度T成正比，即：
P1/P2＝T1/T2
在一定的体积下，一定质量的气体，温度每升高（或降低）1℃，它的压强比原来增加（或减少）1/273。
4、平均自由程：
λ＝（5×10-3）/P（cm）
5、抽速：
S＝dv/dt（升/秒）或S＝Q/PQ＝流量（托·升/秒）P＝压强（托）V＝体积（升）t＝时间（秒）
6、通导：
C＝Q/（P2-P1）（升/秒）
7、真空抽气时间：
对于从大气压到1托抽气时间计算式：
t＝8V/S（经验公式）
V为体积，S为抽气速率，通常t在5~10分钟内选择。
8、维持泵选择：
S维＝S前/10
9、扩散泵抽速估算：
S＝3D2（D＝直径cm）
10、罗茨泵的前级抽速：
S＝~S罗（l/s）
11、漏率：
Q漏＝V（P2-P1）/（t2-t1）Q漏－系统漏率（mmHg·l/s）V－系统容积（l）P1－真空泵停止时系统中压强（mmHg）P2－真空室经过时间t后达到的压强（mmHg）t－压强从P1升到P2经过的时间（s）
12、粗抽泵的抽速选择：
S＝Q1/P预（l/s）S=·lg（Pa/P预）/tS－机械泵有效抽速Q1－真空系统漏气率（托·升/秒）P预－需要达到的预真空度（托）V－真空系统容积（升）t－达到P预时所需要的时间Pa－大气压值（托）
13、前级泵抽速选择：
排气口压力低于一个大气压的传输泵如扩散泵、油增压泵、罗茨泵、涡轮分子泵等，它们工作时需要前级泵来维持其前级压力低于临界值，选用的前级泵必须能将主泵的最大气体量排走，根据管路中，各截面流量恒等的原则有：
PnSg≥PgS或Sg≥Pgs/PnSg－前级泵的有效抽速（l/s）Pn－主泵临界前级压强（最大排气压强）（l/s）Pg－真空室最高工作压强（托）S－主泵工作时在Pg时的有效抽速。
（l/s）
14、扩散泵抽速计算公式：
S＝Q/P＝（K·n）/（P·t）（升/秒）
式中：
S－被试泵的抽气速率（l/s）n－滴管内油柱上升格数（格）t－油柱上升n格所需要的时间（秒）P－在泵口附近测得的压强（托）K－滴管系数（托·升/秒）K＝V0·（L/n）·（Υ0/Υm）+Pa△Vt其中V0－滴管和真空胶管的原始容积（升）L－滴管刻度部分的长度（mm）n－滴管刻度部分的格数（格）Υ0－油的比重（克/厘米3）Υm－汞的比重（克/厘米3）Pa－当地大气压强（托）△Vt－滴管的刻度上的一格的对应的容积（升/格）
15、旋片真空泵的几何抽速计算公式：
S＝πZnLKv（D2-d2）/（24×104）（l/s）式中：
Z为旋片数，n为转速（转/分），L为泵腔长度，D为泵腔直径，d为转子直径（cm），Kv为容积利用系数（一般取95％）。
16、真空容器的排气时间
对于低真空和中真空的排气时间，当泄漏量较小时，真空设备从压强P1降低到P2所需的排气时间为：
t＝（V/S）lg（P1/P2）
式中t：
排气时间，sV:
真空设备容积，LS:
泵的有效抽气速率，L/SP1,P2:
开始时容器的压强和抽至所需的压强，mmHg。
17、真空系统抽气速率Se的计算方法：
连续操作系统
1、计算真空系统的总泄漏量Qs。
根据真空系统的容积进行的泄漏量估算：
根据接头密封长度进行的泄漏量估算：
2、计算总抽气量Q
Q=Q1+Q2+Q3
Q:
总抽气量，kg/hQ1:
真空系统工作过程中产生的气体量，kg/hQ2:
真空系统的放气量，kg/hQ3:
真空系统总泄漏量，kg/h
3、计算Se：
Se＝QR（273+Ts）/PsMR:
通用气体常数R＝/（kmol*K）Ts：
抽出气体的温度，oCPs：
真空系统的工作压力，kPa，GM：
抽出气体的平均分子量Se：
真空系统的抽气速率，m3/h
间歇操作系统
Se＝138V/t*lg（P1/P2）m3/h
真空泵的选用
1根据真空系统的真空度和泵进口管道的压力降，确定泵吸入口处的真空度（绝压）2确定真空系统的抽气速率Se3将Se换算成泵厂规定条件下的抽气速率Se’
一般可按照下式计算：
Se’＝Se（273+[Ts]）/（273+Ts）
[Ts]：
泵标准进气温度
4根据抽气速率和真空度要求，按照下式选择确定真空泵的类型要求真空泵的抽气速率S满足：
S>（20%-30%）Se’
为一个工艺选择真空泵时，工艺室和泵之间的抽气管道可能和泵的选择一样重要。
要使腔体抽气速率达到最大，需要笔直的抽气管道（长度短）并使用直径尽可能大的管道。
真空泵中抽气管道的选择 为一个工艺选择真空泵时，工艺室和泵之间的抽气管道可能和泵的选择一样重要。
要使腔体抽气速率达到最大，需要笔直的抽气管道（长度短）并使用直径尽可能大的管道。
看起来似乎很简单，但是这里有许多因素需要考虑。
实际上，如果我们从物理学角度考虑，就可以明确哪些是关键因素。
在稳定状态的条件下，如果抽气管道内没有气源（泄漏）或气体减少（冷凝），抽气管道任何截面的质量流量必须相同。
简单而言，进入工艺室的气体必须从泵出来。
已知气体摩尔流量为M（公斤/摩尔）、抽气速率为S（立方米/秒）、压力为P（帕）、绝对温度为T（开尔文），则质量流量计算如下：
质量流量（公斤/秒）=（M*P*S）/（Ro*T）
Ro=通用气体常数
对于大多数抽气系统而言，气体绝对温度（T）在抽气管道中不会显著减少，而且可以合理地假定为恒定的。
在此情况下，抽气管道任何截面（P*S）的乘积（称为通量）相同。
由于抽气管道的压力差是气体流动的推动力，可见压力（P）必须在工艺室中为最高值，在泵入口为最低值。
由于我们假定通量恒定，可见抽气速率（S）在工艺室为最小值，在泵入口为最大值（等于泵速）。
工艺室的抽气速率将低于泵入口的抽气速率，相差多少取决于抽气管道的属性（例如长度和尺寸）。
尽量降低工艺室和泵入口之间的压力差就可以使抽气速率损失减到最少。
显然，抽气管道的属性对于性能十分关键。
此时还需要考虑其它因素：
流导。
我们采用流导（阻力的倒数）这一术语来定义“管道传递流动的能力”。
流导的计量单位是每单位时间的体积并且和抽气速率的单位相同。
工艺室抽气速率（S）可用抽气管道流导（C）和应用泵速（Sp）计算，如下所示：
S=（Sp*C）/（Sp+C） 当C远远大于Sp时，则S近似为Sp；当Sp远远大于C时，则S近似为C。
工艺室的抽气速率始终低于应用泵速而且低于抽气管道中部件的最小流导（通常为最小直径）。
在某种程度上管道短而粗是最好的。
采用短的大直径抽气管道尽量提高管道流导是不错的做法，但只限于当抽气速度S接近泵速（Sp）极值的情况。
除此之外，通过增加管道直径（成本也会相应增加）来增加流导并不能显著提高工艺室抽气速率；换而言之，如果抽气管道流导受限并且由于物理因素不能增加，当（S）接近管道流导（C）极值，一味通过增加应用泵速来提高工艺抽气速度也是不经济的。
那么答案是什么呢
管道尽可能短采用的管道直径至少等于泵入口法兰的直径尽量减少弯头数目
考虑管道流导（C）和应用泵速（Sp），一个变量的值大于另一个值的三四倍是不经济的做法
（中国真空网
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