常用真空术语及常用公式的使用
真空技术是一门基础科学技术,在各行各业都有着广泛的应用,例如半导体制造、航空航天、太阳能光伏、真空镀膜等等。本文汇编了一些常用真空术语,方便大家进一步了解真空技术。
Part01. 真空基础知识
目前业内的真空测量设备,粗真空环境或正压环境一般使用相对真空度,高真空和超高真空环境一般使用的是绝对真空度,具体请参照仪表说明书。
为了便于理解,下图是当地大气压为一个标准大气压时,相对真空度和绝对真空度的运算关系:

1、真空
在给定的空间内低于一个大气压力的气体状态,是一种物理现象。
2、真空度
处于真空状态下的气体稀薄程度,通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。真空度高表示真空度“好”的意思,真空度低表示真空度“差”的意思。
3、极限真空
真空容器经充分抽气后,稳定在某一真空度,此真空度称为极限真空。
通常真空容器须经12小时炼气,再经12小时抽真空,最后一个小时每隔10分钟测量一次,取其10次的平均值为极限真空值。
Part02. 真空基础知识
1、流量
在真空泵的吸气口处,单位时间内流过的气体量称为泵的流量,符号用“Q”表示,其单位为Pa·m3/s或Pa·L/s。
2、流导
表示真空管道通过气体的能力。单位为升/秒(L/s),在稳定状态下,管道流导等于管道流量除以管道两端压强差。符号记作“U”。
U=Q/(P2- P1)
根据定义,流导是指气体流量除以管道两端的压力差,因此,流导的单位与抽速(单位时间的体积)相同。
管路的流导
管路的流导即管路的通导能力,表示气流在管路中的通过能力。当管路两端存 在压力差(P2-P1),流经管路的气体流量为Q时,则管路流导U的定义式为:
U=Q/(P2-P1)
其中,U是通导,Q是气体流量,P2和P1是管道两端的压强差。
由上式可知,管路的流导是在单位压差下,流经管路的气体体积流量,其单位为m/s,或用L/s表示。
真空系统中的各元件,如管道、阀门、捕集器、除尘器等都希望流导尽可能大,以使气体能顺利通过。因此,流导是真空系统元件设计计算的重要参数。
通导是指真空系统中各部分对气体流动的阻碍程度。它与管道的长度、截面积、形状、粗糙度、弯曲程度等有关。
例如,如果一个管道的长度为1米,截面积为0.01平方米,两端的压强分别为10千帕和1千帕,每秒通过的气体流量为0.1升,那么它的通导为0.01升/秒。
3、抽气速率
单位时间内流过泵入口的气体体积称为泵的抽气速率,抽气速率的单位为m3/s或L/s,用S表示。
一般真空泵的抽气速率与气体种类有关,因此给定的泵的抽气速率均表示对某种气体的抽气速率,如无特殊标明,多指对空气的抽气速率。
泵对给定气体A的抽气速率SA为气体A流过泵入口的流量QA与气体A的分压力pA的比值如下式所示:
SA=QA/pA
抽速是指真空泵在单位时间内从真空系统中抽出的气体体积。它与真空泵的类型、结构、工作参数和真空度有关.
例如,如果一个真空泵在1千帕的压强下,每秒可以抽出1升的气体,那么它的抽速为1升/秒
4、抽速系数
泵的实际抽气速率与泵入口面积按分子泻流计算的理论抽气速率之比。
5、启动压力
泵无损坏启动并有抽气作用时的压力,其单位为Pa。
6、前级压力
排气压力低于101.325kPa的真空泵的出口压力,其单位是Pa。
7、最大前级压力
超过了它能使泵损坏的前级压力,其单位是Pa。
8、最大工作压力
对应最大抽气量的入口压力,在此压力下,泵能连续工作而不恶化或损坏,其单位是Pa。
9、返流率
泵按规定条件工作时,与抽气方向相反而通过泵入口单位面积、单位时间的泵液的质量流,其单位是g/(cm2·s)。
10、冷阱(水冷挡板)
置于真空容器和泵之间,用于吸附气体或捕集油蒸汽的装置。
11、真空泵的应用
根据真空泵的性能,在各种应用的真空系统中可扮演以下各种角色。
①主泵:在真空系统中,用来获得所要求的真空度的真空泵。
②粗抽泵:从大气压开始,降低系统的压力达到另一抽气系统开始工作的真空泵。
③前级泵:用以使另一个泵的前级压力维持在其最高许可的前级压力以下的真空泵。前级泵也可以做粗抽泵使用。
④维持泵:在真空系统中,当抽气量很小时,不能有效地利用主要前级泵,为此,在真空系统中配置一种容量较小的辅助前级泵,维持主泵正常工作或维持已抽空的容器所需之低压的真空泵。
⑤粗(低)真空泵:从大气压开始,降低容器压力且工作在低真空范围的真空泵。
⑥高真空泵:在高真空范围内工作的真空泵。
⑦超高真空泵:在超高真空范围内工作的真空泵。
⑧增压泵:装于高真空泵和低真空泵之间,用来提高抽气系统在中间压力范围内的抽气量或降低前级泵容量要求的真空泵(如机械增压泵和油增压泵等)。

一般工作范围

Part03. 真空概念
1、真空的定义
真空系统指低于该地区大气压的稀簿气体状态
2、真空度
处于真空状态下的气体稀簿程度,通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。真空度高表示真空度“好”的意思,真空度低表示真空度“差”的意思。
3、真空度单位
通常用托(Torr)为单位,近年国际上取用帕(Pa)作为单位。
1托=1/760大气压=1毫米汞柱
4、托与帕的转换
1托=133.322帕 或 1帕=7.5×10-3托
5、平均自由程
作无规则热运动的气体粒子,相继两次碰撞所飞越的平均距离,用符号“λ”表示。
6、流量
单位时间流过任意截面的气体量,符号用“Q”表示,单位为帕·升/秒(Pa·L/s)或托·升/秒(Torr·L/s)。
7、流导
表示真空管道通过气体的能力。单位为升/秒(L/s),在稳定状态下,管道流导等于管道流量除以管道两端压强差。符号记作“U”。
U=Q/(P2- P1)
8、压力或压强
气体分子作用于容器壁的单位面积上的力,用“P”表示。
9、标准大气压
压强为每平方厘米101325达因的气压,符号:(Atm)。
10、极限真空
真空容器经充分抽气后,稳定在某一真空度,此真空度称为极限真空。
通常真空容器须经12小时炼气,再经12小时抽真空,最后一个小时每隔10分钟测量一次,取其10次的平均值为极限真空值。
11、抽气速率
在一定的压强和温度下,单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率,简称抽速。即Sp=Q/(P-P0)
12、热偶真空计
利用热电偶的电势与加热元件的温度有关,元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空计。
13、电离真空计(又收热阴极电离计)
由筒状收集极,栅网和位于栅网中心的灯丝构成,筒状收集极在栅网外面。
热阴极发射电子电离气体分子,离子被收集极收集,根据收集的离子流大小来测量气体压强的真空计。
14、复合真空计
由热偶真空计与热阴极电离真空计组成,测量范围从大气~10-5Pa。
15、冷阴极电离计
阳极筒的两端有一对阴极板,在外加磁场作用,阳极筒内形成潘宁放电产生离子,根据阴极板收集的离子流的大小来测定气体压强的真空计。
16、电阻真空计
利用加热元件的电阻与温度有关,元件的温度又与气体传导有关的原理,通过电桥电路来测量真空度的真空计。
17、麦克劳真空计(压缩式真空计)
将待测的气体用汞(或油)压缩到一极小体积,然后比较开管和闭管的液柱差,利用玻义尔定律直接算出气体压强的一种绝对真空计。
18、B-A规
这是一种阴极与收集极倒置的热阴极电离规。收集极是一根细丝,放在栅网中心,灯丝放在栅网外面,因而减少软X射线影响,延伸测量下限,可测超高真空。
19、水环真空泵
泵的叶轮转子旋转而产生水环。由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。
20、往复真空泵
利用活塞的往复运动而进行抽气的机械真空泵。
21、油封机械真空泵
用油来保持密封的机械真空泵,可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式等。
22、罗茨真空泵
具有一对同步高速旋转的鞋底形转子的机械真空泵,此泵不可以单独抽气,前级需配油封、水环等可直排大气的真空泵。
23、涡轮分子真空泵
有一高速旋转的叶轮,当气体分子与高速旋转的涡轮叶片相碰撞时就被驱向出气口再由前级泵抽除。
24、油扩散真空泵
扩散泵喷口中喷出高速蒸汽流。在分子流条件下,气体分子不断地向蒸流中扩散,并被蒸汽带向泵出口处逐级被压缩后再由前级泵排除
25、低温真空泵
利用20K以下的低温表面凝聚吸附气体的真空泵。
26、冷阱(水冷挡板)
置于真空容器和泵之间,用于吸附气体或捕集油蒸汽的装置。
27、气镇阀
油封机械真空泵的压缩室上开一小孔,并装上调节阀,当打开阀并调节入气量,转子转到某一位置,空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比,从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外起此作用的阀门称为气镇阀。
28、真空冷冻干燥
真空冷冻干燥,也称升华干燥。其原理是将材料冷冻,使其含有的水份变成冰块,然后在真空下使冰升华而达到干燥目的。
29、真空蒸镀
在真空环境中,将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀,或叫真空镀膜。
30、真空干燥
利用真空环境下沸点低的特点来干燥物品的方法。
31、真空系统常用名称
1)主泵:在真空系统中,用于获得所需要真空度来满足特定工艺要求的真空泵,如真空镀膜机中的油扩散泵就是主泵。
2)前级泵:用于维持某一真空泵前级压强低于其临界前级压强的真空泵。如罗茨泵前配置的旋片或滑阀泵就是前级泵。
3)粗抽泵:从大气压下开始抽气,并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵。如真空镀膜机中的滑阀泵,就是粗油泵。
4)维持泵:在真空系统中,气量很小时,不能有效地利用前级泵。为此配置一种容量较小的辅助泵来维持主泵工作,此泵叫维持泵。如扩散泵出口处配一台小型旋片泵,就是维持泵。
Part04. 真空计算公式
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/P
Q=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=(0.1~0.2)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=2.3V·lg(Pa/P预)/t
S-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/Pn
Sg-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=0.7D
D为橡胶直径,槽宽C=1.6B
17、方形橡胶槽深B=0.8A
A为方形橡胶边长,槽宽C=1.67B
Part05. 真空检漏技术
1、漏孔
在压力或浓度差的作用下,使气体从壁的一侧通到另一侧的孔洞、孔隙、渗透元件或封闭器壁上的其它结构。
2、漏率
单位时间内流过漏孔的物质的质量或分子数。我国法定的漏率单位为Pa·m3/s。
3、标准漏率
在环境温度为(23±7)℃,入口压力为100kPa(±5%),出口压力低于1kPa时的干燥空气(露点温度低于-25℃)通过漏孔的漏率。
4、虚漏
在真空系统内,由于放出的气体或蒸汽所引起的压力增加。
5、本底
由所处环境所形成的较稳定的辐射水平或声量。
Part06.常用公式的使用方法
01玻义尔定律

玻义尔定律是描述理想气体在恒温条件下,压强和体积成反比的定律。它的数学表达式为:
P1V1=P2V2
其中,P1和V1是气体的初始压强和体积,P2和V2是气体的最终压强和体积。
例如,如果一个容器中有1升的气体,压强为1大气压(101.3千帕),那么当我们将容器的体积减少到0.5升时,气体的压强将增加到2大气压(202.6千帕)。

02 盖·吕萨克定律

盖·吕萨克定律是描述理想气体在恒容条件下,压强和温度成正比的定律。它的数学表达式为:
P1/T1=P2/T2
其中,P1和T1是气体的初始压强和绝对温度(开尔文),P2和T2是气体的最终压强和绝对温度。
例如,如果一个容器中有1升的气体,压强为1大气压(101.3千帕),温度为273K(0℃),那么当我们将容器的温度升高到546K(273℃)时,气体的压强将增加到2大气压(202.6千帕)。

03 查理定律

查理定律是描述理想气体在恒压条件下,体积和温度成正比的定律。它的数学表达式为:
V1/T1=V2/T2
其中,V1和T1是气体的初始体积和绝对温度,V2和T2是气体的最终体积和绝对温度。
例如,如果一个容器中有1升的气体,压强为1大气压(101.3千帕),温度为273K(0℃),那么当我们将容器的温度升高到546K(273℃)时,气体的体积将增加到2升。

04 平均自由程

平均自由程是指分子在相互碰撞之间所行进的平均距离。它与分子的密度、速率和截面积有关。它的数学表达式为:
λ=K*T/(√(2)*π*d^2*P)
其中,λ是平均自由程,K是玻尔兹曼常数(1.38×10^-23 J/K),T是绝对温度,d是分子直径,P是分子压强。
例如,对于空气分子,在标准状态下(101.3千帕,273K),其平均自由程约为6.6×10^-8 m;而在高真空状态下(10^-6 千帕),其平均自由程约为66 m。

05 抽 速

抽速是指真空泵在单位时间内从真空系统中抽出的气体体积。它与真空泵的类型、结构、工作参数和真空度有关。它的数学表达式为:
S=Q/P
其中,S是抽速,Q是气体流量,P是气体压强。
例如,如果一个真空泵在1千帕的压强下,每秒可以抽出1升的气体,那么它的抽速为1升/秒。

06 通 导

通导是指真空系统中各部分对气体流动的阻碍程度。它与管道的长度、截面积、形状、粗糙度、弯曲程度等有关。它的数学表达式为:
C=Q/(P2-P1)
其中,C是通导,Q是气体流量,P2和P1是管道两端的压强差。
例如,如果一个管道的长度为1米,截面积为0.01平方米,两端的压强分别为10千帕和1千帕,每秒通过的气体流量为0.1升,那么它的通导为0.01升/秒。

07 真空抽气时间

真空抽气时间(pumping time)是指从初始压强到达目标压强所需要的时间。它与真空系统的容积、初始压强、目标压强、抽速、通导、漏率等有关。它的数学表达式为:
t=V*ln(P0/Pf)/(S-C*L)
其中,t是真空抽气时间,V是真空系统的容积,P0是初始压强,Pf是目标压强,S是抽速,C是通导,L是漏率。
例如,如果一个真空系统的容积为10升,初始压强为101.3千帕,目标压强为10^-3 千帕,抽速为10升/秒,通导为5升/秒,漏率为10^-6 升/秒,那么它的真空抽气时间约为23.5秒。

08 维持泵

维持泵是指用于维持高真空或超高真空状态的真空泵。它与真空系统的容积、目标压强、漏率等有关。它的数学表达式为:
S=V*L/P
其中,S是维持泵的最小抽速,V是真空系统的容积,L是漏率,P是目标压强。
例如,如果一个真空系统的容积为10升,目标压强为10^-9 千帕,漏率为10^-12 升/秒,那么它需要的维持泵的最小抽速约为10^-3 升/秒。

09扩散泵抽速
扩散泵的抽速与其口径、工作流体和前级泵的抽速有关。一般情况下,可以用下面的公式估算扩散泵的抽速:
Sd = 0.5 * D^2 * K * Sp
其中,Sd是扩散泵的抽速(L/s),D是扩散泵的口径(cm),K是工作流体的系数(对于硅油为0.6,对于水银为0.4),Sp是前级泵的抽速(L/s)。
10 罗茨泵的前级抽速
罗茨泵是一种容积式真空泵,它需要配合前级泵使用,以达到较高的极限压强。罗茨泵的前级抽速应满足下面的条件:
Sp >= Sr * Pr / Pe
其中,Sp是前级泵的抽速(L/s),Sr是罗茨泵的几何抽速(L/s),Pr是罗茨泵的极限压强(Pa),Pe是罗茨泵的出口压强(Pa)。

11漏 率
漏率是指真空系统中由于密封不严或其他原因而进入系统的气体流量,它直接影响了真空系统的性能和稳定性。漏率可以用下面的公式计算:
Q = S * (P1 - P2)/(t2-t1)
其中,Q是漏率(Pa·L/s),S是系统的有效抽速(L/s),P1是系统内部的压强(Pa),P2是系统外部的压强(Pa)。
12 粗抽泵抽速
粗抽泵是指用于从大气压或较高压力下抽取气体到中等或低压区域的真空泵,如旋片泵、滑片泵、液环泵等。
粗抽泵的抽速选择应考虑以下因素:
1)系统的容积:系统容积越大,所需抽速越大;
2)系统的漏率:系统漏率越大,所需抽速越大;
3)系统的工作压力:工作压力越低,所需抽速越大;
4)系统中存在的气体种类和量:不同气体对真空泵有不同的影响,如水蒸气会降低旋片泵的极限压强,氢气会增加扩散泵的负载等;
5)系统的工作时间:工作时间越长,所需抽速越大。
根据以上因素,可以用下面的公式估算粗抽泵的最小抽速:
Sp >= V / t * ln(P0 / P1) + Q
其中,Sp是粗抽泵的最小抽速(L/s),
V是系统容积(L),
t是预定达到工作压力所需时间(s),
P0是初始压力(Pa),
P1是工作压力(Pa),
Q是系统漏率(Pa·L/s)。
13前级泵抽速
前级泵是指用于从中等或低压区域抽取气体到高真空或超高真空区域的真空泵,如分子泵、扩散泵、吸附泵等。前级泵的抽速选择应考虑以下因素:
1)后级泵的抽速:后级泵的抽速越大,所需前级泵抽速越大;
2)后级泵的极限压强:后级泵的极限压强越低,所需前级泵抽速越大;
3)前级泵的极限压强:前级泵的极限压强越高,所需前级泵抽速越小;
4)系统的漏率:系统漏率越大,所需前级泵抽速越大;
5)系统中存在的气体种类和量:不同气体对真空泵有不同的影响,如水蒸气会降低扩散泵的极限压强,氢气会增加分子泵的负载等;
6)系统的工作时间:工作时间越长,所需前级泵抽速越大。
根据以上因素,可以用下面的公式估算前级泵的最小抽速:
Sp >= Sb * Pb / Pe + Q
其中,Sp是前级泵的最小抽速(L/s),
Sb是后级泵的抽速(L/s),
Pb是后级泵的极限压强(Pa),
Pe是前级泵的出口压强(Pa),
Q是系统漏率(Pa·L/s)。
14 扩散泵抽速计算
扩散泵是一种动量转移式真空泵,它利用高速喷射的工作流体将气体分子从低压区域输送到高压区域。
扩散泵的抽速与其结构、工作流体和工作条件有关。扩散泵的抽速可以用下面的公式计算:
Sd = Cd * A * sqrt(2 * R * T / M)
其中,Sd是扩散泵的抽速(L/s),
Cd是扩散喷嘴的放大系数(一般为3~5),
A是扩散喷嘴的出口面积(m^2),
R是气体常数(8.314 J/mol·K),
T是工作流体的温度(K),
M是工作流体的摩尔质量(kg/mol)。
15 旋片真空泵的几何抽速计算
旋片真空泵是一种容积式真空泵,它利用旋转的叶片将气体从进口端吸入,并在出口端排出。
旋片真空泵的几何抽速与其结构和转速有关。旋片真空泵的几何抽速可以用下面的公式计算:
Sr = V * n / 60
其中,Sr是旋片真空泵的几何抽速(L/s),
V是旋片真空泵每转一周所排出气体的容积(L),n是旋片真空泵的转速(rpm)。
16 O型橡胶槽深
槽深应该是橡胶直径的0.7倍左右,以保证密封效果。槽宽C=1.6B,即槽宽应该是槽深的1.6倍左右,以保证橡胶有足够的空间变形,其计算工试为:
B=0.7D
其中,B是槽深,D是橡胶直径。这个公式的依据是,当O型橡胶受到压力时,它会发生变形,变形后的截面积应该保持不变。
例如,如果一个O型橡胶直径为10mm,那么它的槽深应该是B=0.7×10=7mm,槽宽应该是C=1.6×7=11.2mm。

17槽深

槽深应该是方形橡胶边长的0.8倍左右,以保证密封效果。
槽宽C=1.67B,即槽宽应该是槽深的1.67倍左右,以保证橡胶有足够的空间变形,其计算工试为:
B=0.8A
其中,B是槽深,A是方形橡胶边长。这个公式的依据也是,当方形橡胶受到压力时,它会发生变形,变形后的截面积应该保持不变。
例如,如果一个方形橡胶边长为10mm,那么它的槽深应该是B=0.8×10=8mm,槽宽应该是C=1.67×8=13.36mm。

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