如何選擇幫浦大小 - 排空真空系統

透過以下方式分享：

基本上，有兩個關於真空系統大小的獨立問題：

幫浦安排必須保持如何有效的抽氣速度，才能在一段時間內將指定容器中的壓力降低至所需值？
在真空製程期間，幫浦安排必須達到如何有效的抽氣速度，才能在指定壓力 (操作壓力) 的容器中將釋放到容器中的氣體與蒸氣快速抽出，並維持該壓力且不超出該壓力？

在特定製程 (例如乾燥與加熱) 的抽排程序期間，會產生原本並不存在於真空腔室中的蒸氣，因此就衍生出了第三個問題：
幫浦安排必須達到如何有效的抽氣速度，以使製程能夠在特定時間之內完成？

幫浦安排的有效抽氣速度可以理解為在容器中佔主導地位之完整幫浦安排的實際抽氣速度。然後如果在幫浦與容器之間安裝的擋板、冷阱、過濾器、閥與管子的流量耐受性 (氣導) 為已知，則可從有效抽氣速度判定幫浦額定抽氣速度 (請參閱氣導的頁面)。判定所需額定抽氣速度時，會進一步假定真空系統為密封；因此，洩漏率也必須夠小，以使連接的幫浦安排能夠立即去除從外部流入的氣體，且容器中的壓力不會改變 (如需詳細資訊，請參閱測漏)。在以上 1.、2. 與 3. 下列出的問題是真空科技中三項最基本運作的特性

排空容器以達到指定壓力。
在特定壓力之下抽排氣體與蒸氣的持續質變數量。
抽排在製程中以不同的溫度與壓力產生的氣體與蒸氣。

真空腔室的初始排空在中度、高與超高真空區域中都受到氣體的持續質變品質的影響，因為在這些區域中，從容器壁逸出的氣體與蒸氣是值得注意的，它們自己單獨就能決定真空系統的尺寸與配置。

排空真空腔室 (無額外的氣體或蒸氣來源)

由於上述因子，對於從粗真空區域的容器中排空，以及對於從中度與高真空區域中排空，抽氣時間的評估基本上都必須不同。

在粗真空區域中排空腔室

在此情況下，真空幫浦組件的所需有效抽氣速度 S_eff 僅與所需壓力 p、容器體積 V 與抽氣時間 t 有關。

在恆定抽氣速度 S_eff 之下，假定可在幫浦安排下達到的極限真空壓力 p_end 為使 p_end << p，腔室中壓力的時間 p(t) 減少可從以下方程式得出：

(2.32)

在時間 t = 0 的情況下以 1013 mbar 開始，有效抽氣速度的計算取決於方程式 (2.32) 中的抽氣時間 t，如下：

(2.33a)

(2.33b)

(2.34)

將無量綱因子

(2.34a)

引入方程式 (2.34) 中，有效抽氣速度 Seff 與抽氣時間 t 之間的關係可從以下方程式中得出

(2.35)

V/Seff 的比率一般會指定為時間常數 τ。因此，真空腔室從大氣壓力至壓力 p 的抽氣時間可如下得出：

(2.36)

來自所需壓力的因子相依性如圖 2.75 所示。應注意，使用氣鎮時，單級段迴轉葉片與迴轉活塞幫浦的抽氣速度會降低到 10 mbar 以下，若不使用氣鎮，則會到 1 mbar 以下。對於不同大小與類型的幫浦，此基本行為不同，但不應在判定抽氣時間對於幫浦大小的相依性時予以忽略。必須指出一點，就是方程式 (2.32 至 2.36) 及圖 2.75 僅適用於以所使用的幫浦達到的極限真空壓力低於所需壓力數個數量級。

圖 2.75 根據方程式 2.36 計算抽氣時間 t 的無量綱因子相依性。虛線為抽氣速度降低到 10 mbar 以下的單級段幫浦。

範例：體積為 500 l 的真空腔室應在 10 分鐘之內抽氣降至 1 mbar。此時需要如何有效的抽氣速度？
500 l = 0.5 m³; 10 min = 1/6 h
根據方程式 (2.34)，接下來為：

針對以上提供的範例，可以從圖 2.75 的直線中讀出值 7。但是，從虛線中則可讀出值 8。根據方程式 (2.35)，可得到以下結果：

考慮到抽氣速度減慢到 10 mbar 以下的情況。因此所需有效抽氣速度為約 24 m³/h。

在高真空區域中排空腔室

要提供能在高真空區域中使用的通用性公式一般比較困難。由於要達到指定高真空壓力的抽氣時間基本上取決於來自腔室內部表面的氣體演化，因此這些表面的條件與預先處理對真空科技而言極為重要。無論何種情況，使用的材料都不應存在多孔區域，或者包含空腔 (特別是對於烘烤而言)；內部表面必須盡可能平滑 (真實表面 = 幾何表面) 並徹底清潔 (及除氣)。氣體演化會隨著材料的選擇與表面條件而顯著變化。實用資料可在表 X 中找到。

表 X 以 mbar · l · s–1 · cm–2 為單位的材料除氣率

透過壓升方法，氣體演化只能依個案以實驗的方式判定：系統會盡可能地抽真空，最後幫浦與腔室會以閥隔開。現在針對腔室 (體積 V) 內壓力升高的特定量測量時間，例如，10 的冪數。每單位時間上升的氣體量 Q 的計算方式如下：

(2.37)

(Δp = 測量的壓升)

氣體量 Q 包含所有氣體演化的總和與所有目前可能存在的洩漏。到底是來自氣體演化還是洩漏，可以透過以下方法判定：

從氣體演化上升的氣體量必須隨著時間越來越小，從洩漏處進入系統的氣體量會隨著時間保持恆定。透過實驗，並非始終能夠輕易做出此區分，因為在測量的壓力-時間曲線達到恆定 (或幾乎恆定) 的最終值之前，純氣體演化通常需要不短的時間，因此在此曲線開始之前會有很長一段直線，模擬洩漏時也一樣 (參閱測漏)。

如果氣體演化 Q 與所需壓力 p_end 為已知，則很容易判定必要的有效抽氣速度：

(2.38)

範例：500 l 的真空腔室會有約 5 m² 的總表面區域 (包括所有系統)。每 m²的表面區域會假定 2 · 10^-4 mbar · l/s 的穩定氣體演化。這是當例如閥或迴轉饋連接通裝置至真空腔室時所預期的程度。為了在系統中保持 1 · 10^-5 mbar 的壓力，幫浦的抽氣速度必須為

要持續抽排透過洩漏或從腔室壁質變流入的氣體量，只需要 100 l/s 的抽氣速度。此處的排空製程與之前粗真空部分所提供的範例類似。但是，對於擴散幫浦，抽氣製程不會在大氣壓力下開始，而是會在前級真空壓力 pV 下開始。然後方程式 (2.34) 會轉換為：

在前級壓力 p_V = 2 · 10^-3 mbar 時，「壓縮」K 在我們的範例中：

為了在開始使用擴散幫浦抽氣後 5 分鐘內達到極限真空壓力 1 · 10^-5 mbar，需要有效抽氣速度

相較於維持極限真空壓力所需的有效抽氣速度，這會少很多。高真空與超高真空範圍中的抽氣時間與極限真空大部分取決於氣體演化率與洩漏率。

在中度真空區域中排空腔室

在粗真空區域中，容器體積對於抽氣製程中所牽涉到的時間具有決定性影響。但是，在高與超高真空區域中，來自壁的氣體演化扮演了重要的角色。在中度真空區域中，抽氣製程受這兩個數量的影響。再者，在中度真空區域中，尤其是對迴轉幫浦而言，可達到的極限真空壓力 pend 不再無關緊要。如果從壁與洩漏所產生的氣體演化進入腔室中的氣體量已知為比率 Q (每秒 millibar 公升數)，抽氣製程的微分方程式 (2.32) 會變成

(2.39)

此方程式會整合為

(2.40)

其中
p₀ 是抽氣製程開始時的壓力
p 是所需壓力

相較於方程式 2.33b，此方程式不允許 Seff 的定解，因此，若無進一步資訊，便無法從時間-壓力曲線中判定已知氣體演化的有效抽氣速度。

因此，實務上，以下方法將可判定具有足夠高抽氣速度的幫浦：
a) 抽氣速度會從方程式 2.34 中計算為沒有氣體演化的腔室體積及所需抽氣時間的結果。
b) 可以找到氣體演化率與此抽氣速度的商數。此商數必須小於所需壓力；為了安全著想，它必須是約十倍以下。如果未滿足此條件，必須選擇具有相應較高抽氣速度的幫浦。

部落格與 Wiki 選擇幫浦真空產生真空基礎說明