如何計算抽氣時間
圖 9.7 在粗真空壓力範圍中判定容器抽氣時間 tp 的列線圖。
柱 ➀：以公升為單位的容器體積 V
柱 ➁：容器以 (左側) 每秒公升數為單位或 (右側) 每小時立方公尺數為單位的最大有效抽氣速度 Seff,max。
柱 ➂：以 (右上) 秒或 (中左) 分鐘或 (右下) 小時為單位的抽氣時間 tp 。
柱 ➃：右：
如果大氣壓力 pSTART (pn = 1013 在抽氣時間的開始佔主導地位，在抽氣時間結束時的以 millibar 為單位的壓力 pEND。所需壓力 pEND 會減少幫浦 pult,p 的極限真空壓力，差值會在柱中使用。如果有流入 qpV,in，值 pend – pult,p – qpV,in / Seff, max 會在柱中使用。
左：
如果壓力 pSTART 在開始抽氣操作時佔主導地位，且壓力要透過抽氣降低至 pEND，則壓力降低率 R = (pSTART – pult,p – qpV,in / Seff,max)/(pend – pult,p – qpV,in / Seff,max)。取決於抽氣速度的壓力會在列線圖中納入考慮，且會表示在柱 ➄ ult,p 中。如果幫浦壓力 pult,p 相對於在抽氣操作結束時所需的壓力 pend 較小，這會在完整抽氣製程期間對應於恆定抽氣速度 S 或 Seff。
對於列線圖 9.7 的範例 1：
體積 V = 2000 l 的容器要透過容器的有效抽氣速度為 Seff,max = 60 m3/h = 16.7 l · s-1 的迴轉活塞幫浦，從壓力 pSTART = 1000 mbar (大氣壓力) 抽氣至壓力 pEND = 10-2 mbar。抽氣時間可透過兩個步驟從列線圖中取得：
1) τ 的判定：會穿過 V = 2000 l (柱 ➀ 與 Seff = 60 m3/h-1 = 16.7 l · s-1 畫出一條直線 (柱 ➁ 與值 t = 120 s = 2 min 會在柱 ➂ 的這些直線的交點處讀出 (注意此程序的不確定性約為 Δτ = ± 10 s，以使相對不確定性約為 10 %)。
2) tp 的判定：迴轉幫浦的極限真空壓力為 pult,p = 3 · 10-2 mbar，設備是乾淨的，且洩漏可以忽略不計 (設定 qpV,in = 0)；這是 pSTART – pult,p = 10-1 mbar – 3 · 10-2 mbar = 7 · 10-2 mbar。現在會穿過在 1) τ = 120 s 之下找到的點畫出直線 (柱 ➂ 與點 pEND – pult,p = 7 · 10-2 mbar (會讀出柱 ➄ 與柱 ➃ tp = 1100 s = 18.5 min 的這些直線的相交。(同樣的，程序的相對不確定性約為 10 %，以使 tp 的相對不確定性約為 15 %。) 將額外 20 % 的安全係數納入考慮，可以假定抽氣時間為 tp = 18.5 min · (1 + 15 % + 20 %) = 18.5 min · 1.35 = 25 min。
對於列線圖 9.7 的範例 2：
V = 2000 l 的乾淨且乾燥的真空系統 (qpV,in = 0) (如範例 1) 要抽氣至壓力 pEND = 10-2 mbar。由於此壓力小於迴轉活塞幫浦的極限真空壓力 (Seff,max = 60 m3/h = 16.7 l ( s-1 = 3 · 10-2 mbar)，因此必須搭配迴轉活塞幫浦使用魯式幫浦。後者的開始壓力為 p1 = 20 mbar，抽氣速度為 Seff,max = 200 m3/h – 55 l · s-1 及 pult,p – 4 · 10-3 mbar。從 pstart = 1000 mbar 至 p = 20 mbar 使用的是迴轉活塞幫浦，然後從 p1 = 20 mbar 至 pEND = 10-2 mbar 是連接魯式幫浦，此時迴轉活塞幫浦可作為前級幫浦使用。針對第一個抽氣步驟，我們從範例 1 中的列線圖取得時間常數 τ = 120 s = 2 min (穿過 V = 2000 l, Seff = 16.7 l · s-1 的直線)。如果柱 ➂ 中的此點與柱 ➄ 中的點 p1 - pult,p = 20 mbar – 3 · 10-2 mbar = 20 mbar 連接 (pult,p 在此處會忽略不計，亦即迴轉活塞幫浦的恆定抽氣速度超過從 1000 mbar 到 20 mbar 的完整範圍)，則可取得 tp,1 = 7.7 min。魯式幫浦必須將壓力從 p1 = 20 mbar 降低至 pEND = 10-2 mbar，亦即壓力降低率 R = (20 mbar – 4 · 10-3 mbar) / (10-2 mbar-4 · 10-3) = 20/6 · 10-3 mbar = 3300。
可在 = 37 s 時取得時間常數 (在柱 ➀ 中直線 V = 2000 l，在柱 ➁ 中 Seff = 55 l · s–1) (在柱 ➂ 中)。
如果柱 ➂ 中的此點連接到柱 ➄ 中的 R = 3300，則可在柱 ➃ 中取得 tp, 2 = 290 s = 4.8 min。如果針對切換時間將 tu = 1 min 納入考慮，這會產生抽氣時間 tp = tp1 + tu + tp2 = 7.7 min + 1 min + 4.8 min = 13.5 min。
迴轉葉片與迴轉活塞幫浦的抽氣時間，在相關幫浦的抽氣速度範圍內，會恆定下降至所需壓力，可透過對於範例 1 的參考判定。
一般而言，魯式幫浦在涉及的工作區域中並沒有恆定抽氣速度。為了評估抽氣時間，假定平均抽氣速度通常就足夠了。在這方面，列線圖的範例 2 與 3 顯示了，針對魯式幫浦，壓縮比 K 並不會參考大氣壓力 (1013 mbar)，而是會參考魯式幫浦開啟時的壓力。
在中度真空區域，氣體演化或洩漏率會變得相當明顯。從列線圖 9.10 中可以對應估算出此真空區域中的抽氣時間。
圖 9.10 在中度真空範圍中判定抽氣時間，並將 壁中的除氣納入考慮。
列線圖指出了幫浦額定抽氣速度、腔室內部表面體積、大小與特性及將壓力從 10 mbar 降低至 10-3 mbar 所需時間之間的關係。
範例 1：指定腔室的體積為 70 m3 而內部表面積為 100 m2；假定後續氣體演化為 2 · 10-3 mbar · l · s-1 · m-2。第一個問題是決定額定抽氣速度為 1300 m3/h 的幫浦是否一般適用於此情況。相關表面積為 100 m2 且氣體演化為 2 · 10-3 mbar · l · s-1 · m-2 的協調會產生交點 A，該點會由上升線連接至點 B，然後透過垂直線連接至以 1300 m3/h (D) 的幫浦抽氣速度為基礎的曲線。如果投影至曲線在標記的曲線區域 (F) 之內，幫浦的抽氣速度對氣體演化而言就足夠了。然後相關抽氣時間 (壓力從 10 mbar 降低至 10-3 mbar) 會在將抽氣速度刻度上的點 1300 m3/h 連接到體積刻度上的點 70 m3 (C) 的直線基礎上提供為 30 min：延伸線會在時間刻度上產生 30 min (E) 交點。
在範例 2 中，必須判定
如果
表面積為 16 m2 ，且低氣體演化為
8 · 10-5 mbar · l · s-1 · m-2 的容器 (體積 = 約 3 m3) 要在 10 min 時間內從 10 mbar 抽真空至
10-3，幫浦的抽氣速度必須是多少。列線圖顯示了
在此情況下，額定抽氣速度為 150 m3/h 的幫浦是適合的。
在許多應用中，將任何時間的可達到壓力關聯至抽氣時間是一種權宜之計。參考列線圖 9.7，將很容易做到這一點。
作為第一個範例，針對由有效抽氣速度為 Seff = 250 m3/h 且當使用氣鎮在極限真空壓力 pend,p = 3 · 10-1 mbar 之下，及不使用氣鎮在 pend,p = 3 · 10-2 mbar 之下的單級段迴轉活塞幫浦，會從為 5 m3 體積的容器抽真空的列線圖中衍生抽氣特性，也就是關係壓力 p (表示為所需壓力 pend) 相對於抽氣時間 tp 。根據列線圖 9.7，時間常數 τ = V / Seff (參閱方程式 2.36) 在這兩種情況與數量下是相同的，均為約 70 s (柱 3)。針對 pend > pend,p 的任何指定值，將柱 3 上的「70 s 點」連接到柱 5 右側刻度上之 (pend – pend,p) 值的直線提供了對應 tp 值。此程序的結果在圖 2.77 中顯示為曲線 a 與 b。
圖 2.77 使用額定抽氣速度為 250 m3/h 且具有 (a) 及不具有 (b) 氣鎮的迴轉活塞幫浦 E 250，以及針對 WA 1001 (e) 的 10 mbar 復載壓力使用魯式/迴轉活塞幫浦組合 WA 1001 / E250 之 5 m3 容器的抽氣時間 tp。
計算真空幫浦系統的抽氣時間
判定幫浦組合的 (pend,tp) 關係多少有點乏味。以下所討論的第二個範例處理了幫浦組合魯式幫浦 WA 1001 與前級幫浦 E 250 (如上一個範例所述) 對 5 m3 體積容器的抽真空。抽氣開始時是以沒有氣鎮的 E 250 幫浦獨自操作，直到魯式幫浦在 10 mbar 的壓力時開啟。當組合 WA 1001/ E 250 的抽氣速度特性 (相較於 E 250 的特性) 在壓力範圍最好的部分不再是水平直線時 (將這部分與圖 2.19 中的組合 WA 2001 / E 250 的特性的對應過程進行比較)，我們可以作為近似值引出與所定義壓力範圍相關的平均值 Seff。在 WA 1001/ E 250 組合的情況下，以下平均數字適用：
在 10 – 1 mbar 的範圍中，Seff = 800 m3/h，
在 1 mbar 至 5 · 10-2 mbar 的範圍中，Seff = 900 m3/h，
在 5 · 10-2 到 5 · 10-3 mbar 的範圍中，Seff = 500 m3/h
圖 2.19 不同幫浦與對應前級幫浦組合的幫浦速度曲線
組合 WA 1001 / E 250 的極限真空壓力為：Pend,p = 3 · 10-3 mbar。從這些數字中可以判定列線圖中的對應時間常數；從該處，抽氣時間 tp 可透過計算柱 5 左側的減壓 R 來找到。結果為圖 2.77 中的曲線 c。
Leybold 的電腦輔助計算
當然，我們工業系統的計算是由電腦程式執行的。這些程式需要高效能的電腦，因此通常不適用於簡單的初級計算。
氣體與蒸氣質變的腔室的排空
如果蒸氣與氣體在排空製程期間上升，前面有關抽氣時間的觀察會顯著改變。尤其是針對烘乾製程，當腔室表面沒有污染時，大量的蒸氣會上升。所產生的必要抽氣時間取決於非常不同的參數。腔室壁升高的溫度伴隨著從壁增加的氣體與蒸氣脫附。但是，由於較高的溫度致使氣體與蒸氣從壁中加速逸出，將它們從腔室中去除的速率也會增加。
所關注烘乾製程的允許溫度度量確實將由腔室中的材料判定。然後可以透過只計算質變及抽氣蒸氣的數量是否已知來估計精確的抽氣時間。但是，除了乾燥製程以外，很少會屬於這種情況。
Fundamentals of Vacuum Technology
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References
- Vacuum symbols
- Glossary of units
- References and sources
Vacuum symbols
A glossary of symbols commonly used in vacuum technology diagrams as a visual representation of pump types and parts in pumping systems
Glossary of units
An overview of measurement units used in vacuum technology and what the symbols stand for, as well as the modern equivalents of historical units
References and sources
References, sources and further reading related to the fundamental knowledge of vacuum technology
