真空系统设计的程序化
真空电子技术VACUUM ELECTRONICS
・综述・
真空系统设计的程序化
周洪军1, 钟鹏飞2, 郑津津2, 霍同林1
(11中国科学技术大学国家同步辐射实验室, 安徽合肥 230029; 21中国科学技术大学精密机械与精密仪器系, 安徽合肥 230027)
Design of V acuum System by Program
ZHOU Hong 2jun 1, ZHON G Peng 2fei 2, ZH EN G Jin 2jin 2, HUO Tong 2lin 1
(1. N ational S y nchrot ron Radiation L aboratory , Universit y of Science and Technology of China , Hef ei 230029, China; 2. De partment of Precision M achinery and Precision I nst Universit y of
S cience and Technolog y of China , Hef ei , Abstract :In design of a vacuum system , t he regions of gas flow , t he conductance of t ube , t he p umping etc. Tube co nductance is decided by gas region and t he shape of t to t ry various parameters to meet t he vacuum system design , so t becomes very complicated. This paper int roduces an ap 2plying p rogram design which is used to comp ute t he parameters , such as t he t ube con 2ductance , t he vacuum system and p ressure etc. This p rogram makes t he system design process more easily and convenience. A design example is given in t he article.
K ey w ords :Vacuum system ; Co nductance ; Vacuum differential
摘要:在真空系统的设计中, 一般涉及到流态判别、流导、泵的抽速和系统的压力等参数。在流导计算中又涉及到不同的管道长度和管道形状, 其应用的流导公式不同。有时要反复尝试各种参数使设计的真空系统满足使用要求, 使得计算过程非常繁琐。本文介绍了一种真空系统设计的应用程序, 可计算常用的20℃空气气体下的流导、差分管参数或系统两端压力等参数, 还给出了应用实例。
关键词:真空系统; 流导; 真空差分
中图分类号:TB753 文献标识码:B 文章编号:1002-8935(2007) 01-0038-03
随着航天和空间科学的发展及真空在原子能科学和表面物理、微电子学等学科中的应用, 真空系统设计计算等应用越来越普遍。在真空系统设计中, 流导的计算一般采用手工计算。流导与气流状态和管道形状密切相关, 一般要先确定气体流态, 再根据管道形状选择合适的参数计算。差分管的设计与流导、两端压力和泵的抽速有关。多级差分管的设计可通过单级逐级设计来完成。真空系统设计要通过反复尝试压力、泵的抽速、管道几何尺寸等参数以建立满足使用要求的真空系统。手工计算不仅耗时, 而且容易出错; 使用程序计算, 大大地简化了计算过程, 且缩短了设计时间。本文中的计算程序使用的是Visual Basic 语言[1]。
1 程序的基本原理
111 流导计算原理
真空系统中有四种气流状态:湍流, 粘滞流, 粘滞分子流和分子流。一般对于后三种状态在理论和经验计算上比较成熟, 有理论和经验公式。实际应用中, 粘滞流、分子流、粘滞分子流这三种状态较为常见。
对于20℃的空气, 判断其气体状态类型根据以下公式[2,3]:
D p >0. 65Pa ・m 为粘滞流, D p
0. 02
式中, D 为管道直径, p 为管道两端的平均压强。
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VACUUM ELECTRONICS 真空电子技术
管道的流导, 又叫通导能力, 由气体的流态和管道形状决定, 它是导管的重要参数。一般流导定义为:
C =
p 1-p 2
分子流形状系数为11151
, 则由20℃空气分子流矩形管流导公式计算可得流导为1132L/s , 如图3所示。
或C =
p 1-p 2
式中, Q 为气流量(Pa ) ; p 1-p 2为压差(Pa ) ; S 为泵的抽速(L/s ) 。
在真空系统设计计算时,
考虑两种情况:①先从理论上计算出Q 值, 然后根据计算流导反推管道形状等参数; ②根据管道形状和压力直接计算流导。第二种情况计算过程如图1所示。
在程序中, , 选择的管道形状(等) 算[2～5]。, 则给出提示信息。112 差分管设计原理
表1为实验数据与计算数据的比较。从表1中
可以看到:p 2的实验数据与计算值在压强p 1>018Pa 时符合较好; 在p 1
表1 实验数据与计算数据的比较
实验测得数据
p 1/Pa p 2/1×10-3Pa 0110. [***********][***********]12
气流
类型分子流分子流分子流分子流分子流分子流分子流
流导
/L/s [***********]3211321132
差分管的设计可以看作在以下几种情况下设计真空系统的部分参数:已知流导和一端的压力和抽速求另一端的压力; 已知两端压力和抽速求流导; 已知流导和两端压力求抽速。
管道截面的形状系数与几何尺寸和气流状态有关, 如矩形的形状系数是高宽比的函数f (a/b ) , 不同流态, 系数也不同
[3]
计算值
p 2/1×10-3Pa
0. 2920. [***********]77189
, 所以形状系数可以看成函数
f (a/b, t ) , t 为流态类型。计算过程中要根据已经计
算的结果实时修正形状系数[6], 在一定精度条件(前
后两次计算值之差小于01001) 下认为满足要求。差分系统设计流程图如图2所示。
2 计算实例
现需要设计一套真空差分系统, 所设计的系统用于同步辐射光学元件的在线清洗。整套系统安装于计量光束线末端, 要求既能让同步辐射光通过又能产生几个量级的压力差。系统低真空端压力在1Pa 左右, 高真空端压力小于2×10-2Pa 。由于受系
本实验p 1压力测量选用上海振太仪表厂生产
的电容薄膜式绝对压力变送器, 工作范围为012～200Pa (CPCA 2110Z 型) , 精度等级015级, 故实验中的压强p 1=011Pa 时误差较大, 根据理论公式计算知道压强p 1的微小变化, 会导致计算得到的p 2值误差较大。尤其在p 1较大时, 例如p 1=012Pa 时, 由上面计算可知p 2=5185×10-4Pa ; 若考虑小数点后二位的值的影响, 假设p 1分别为0121, 0124Pa 时, p 2分别为6115×10-4, 7102×10-4Pa 。
统安装空间和通光的限制, 要求管道横截面为矩型, 根据同步辐射光的形状和实验站有限的空间长度,
矩形截面尺寸取为宽2cm , 高1cm ; 管长36cm 。
一般泵的抽速会随着压强的变化而变化, 图4所示为北京科学仪器厂KYKY 500L/s 分子泵的
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抽速曲线。从曲线上可以看到, 在泵口压力为1Pa 左右时, 泵的抽速变化很大。在实验的测量过程中, 所用的分子泵的有效抽速随压强增大而降低。根据公式p 2=
, 式中, S 是泵的有效抽速, 得到当S +C
滞流和分子粘滞流的计算公式将会更加精确, 所以在今后的工作中会时时修改, 保证整个设计的准确。多级差分管的设计对于常见管型已经可以实现, 以后的工作将着眼于优化。
表2 程序中已有的流态和管型的流导计算
管形圆管矩形管环形管椭圆管正三角形管扁平管锥管缩孔孔
粘滞流√√√√√√√√√
粘滞分子流
√√√√√√√√√
分子流√√√√√√√√√
S 降低时, p 2变大。表1中p 2的计算值是在假定S
不变的情况下得到的。若考虑到S 的变化, p 2将比表中的数值略大。
理论公式中采用的系数精度对实际计算也有影响。此外, 环境的变化, 例如温度, 对计算也是有影响的
。
本系统的设计, 理论值管长为36cm 。计算得到管长为3519cm , 这说明理论计算和实际情况符合很好。
注:表中“√" , 1Basic 610编程基础教程[M ]1
:,20001
2]郭洪震1真空系统设计与计算[M ]1北京:冶金工业出
版社,1992, 第2版.
[3]道安达1真空设计手册[M ]1北京:国防工业出版社, 20041
[4]高本辉, 崔素言1真空物理[M ].北京:科学出版社, 19831
[5]Brian Tonner , University of Central Florida 1http ://photon 1physics 1ucf 1edu/XRA Y/Courses/Phy904/Vacu 2um/Vacuum 1htm 1
[6]张韵华, 奚梅成, 陈效群. 数值计算方法和算法[M ]1北
图4 FF160/500抽速曲线图
京:科学出版社, 20001
作者简介:周洪军(1963-) , 女, 硕士学位, 现为中国科学技
术大学国家同步辐射实验室高级工程师, Email :
hjzhou @ustc1edu 1cn
3 结论
通过实例的应用验证了程序是有效的和准确
的, 应用程序设计真空系统节省了计算时间提高了设计速度。管道的流导和差分管设计在分子流态时计算公式全部给出, 见表2。由于理论的发展, 粘
基金项目:国家自然科学基金(批准号10575097, 60473133) 、
中科院“百人计划”资助。
收稿日期:2006-09-13; 修回日期:2006-11-06
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