2.2 计算

2.2.1 罗茨泵机组的选型

在对罗茨泵组选型时，首先需要考虑到很多因素。

压缩比

罗茨泵的压缩比 K₀ 通常在 5 和 70 之间。要确定压缩比，我们首先考虑被抽除气体的体积流率和两种返流流率—以返流流导C_R 形式表征的气体体积流率，以及以有害空间抽速 S_R 形式携带返流气体流率:

p_{a}\cdot S=p_{a}\cdot S_0-C_{R}\left(p_{v}-p_{a}\right)-S_{R}\cdot p_{v}

公式 2-1: 罗茨泵气体负荷

S 体积流率(抽速)
S₀进气侧的理论抽速
S_R返回的气体流率
C_R返流流导
p_a入口压力
p_v前级真空压力

选择 S 等于 0，我们得出压缩比

\frac{p_{a}}{p_{v}}=K_0=\frac{S_0+C_{R}}{C_{R}+S_{R}}

公式 2-2: 罗茨泵的压缩比

K₀ 压缩比

在层流的区域内，流导返流远远大于携带返流。这样则将公式 2-2 简化为

K_0=\frac{S_0}{C_{R}}

公式 2-3: 层流中的罗茨泵压缩比

在分子流区域范围内，进气侧的抽速仍是很大的，但携带返流的抽速现在比流导返流大得多。因此，压缩比是:

K_0=\frac{S_0}{S_{R}}

公式 2-4: 分子流的罗茨泵压缩比

在层流(高压)区域内，压缩比受限于通过罗茨转子与外壳之间间隙的流导返流，由于流导与平均压力成正比，压缩比将随压力上升而减少。

在分子流范围内，排气侧的携带返流气体流量 S_R · p_v 占主导地位并限制了低压下的压缩比。正是由于这种影响，罗茨泵的使用被限制在压力 p_a 大于 10^-4 hPa 的情况下。

抽速

罗茨泵配备了溢流阀，该溢流阀允许泵的最大压差 ΔpdΔpd 在 30 和 60 hPa 之间。如果罗茨泵与前级泵结合，必须对溢流阀开启 (S₁) 和关闭 (S₂) 时的压力范围进行区分。

由于两种泵(罗茨泵和前级泵)的气体气流量是相同的，所以可以用以下公式来表示:

S=\frac{S_{V}\cdot(p+\Delta p)}{p}

公式 2-5: 溢流阀开启且高前级真空压力下的罗茨泵机组抽速

物理标志
装置
说明
S_v
[m³/h]
压力 pv 下的前级泵抽气速率
p
[mbar]
罗茨泵的进气压力
\Delta p
[mbar]
旁通阀处的压差已调节
S
[m³/h]
根部入口法兰处的抽气速率

物理标志	装置	说明
S_v	[m³/h]	压力 pv 下的前级泵抽气速率
p	[mbar]	罗茨泵的进气压力
\Delta p	[mbar]	旁通阀处的压差已调节
S	[m³/h]	根部入口法兰处的抽气速率

S₁ 溢流阀开启时的抽速
S_V 前级泵的抽速
p_v 前级真空压力
Δp_d罗茨泵排气侧和进气侧之间的最大压差

只要压差明显小于前级真空压力，泵组的抽速将只略大于前级泵的抽速。一旦前级真空压力接近压差，溢流阀就会关闭。

S_1=\frac{S_0}{1-\frac{1}{K_0}+\frac{S_0}{K_0\cdot S_{V}}}

公式 2-6: 溢流阀关闭且前级真空压力接近压差时罗茨泵机组抽速

现在让我们考虑罗茨泵在恒压下工作的特殊情况(例如，冷凝器模式)。公式 2-3 将适用于高压范围。从公式 2-1 中求出 C_R ，并且忽略相对流导值 C_R 较小的返流抽速 S_R，我们得出:

S=S_0\cdot\left[1-\frac{1}{K_0}\left(\frac{p_{v}}{p_{a}}-1\right)\right]

公式 2-7: 高吸入压力下的罗茨泵机组抽速

在低压力下，从公式 2-4 中解出 SR，则我们得出

S=S_0\cdot\left(1-\frac{p_{v}}{K_0\cdot p_{a}}\right)

公式 2-8: 低吸入压力下的罗茨泵机组抽速

从公式 2-6 可以看出，如果压缩比 K₀ 明显大于罗茨泵理论抽速 S₀ 和前级真空抽速 S_v 之间的比率，S 趋向于 S₀。。

例如，如果选择压缩比等于 40，罗茨泵抽速比前级泵抽速大 10 倍，则我们得出 S = 0.816 · S₀

就泵组适应不同用途而言，罗茨泵的理论抽速不应该比前级泵抽速大十倍。

由于溢流阀的压差被设置为大约为 50 hPa，事实上只要压力超过 50 hPa 时，前级泵的体积流量就是有效的。例如，如果要求在指定时内将大容器抽空至 100 hPa，，则必须选择适当较大的前级泵。

我们假设一个泵组，需要在 10 分钟内将体积为 2 m³ 的容器排空至压力为 5 · 10^-3 hPa。要实现这一点，我们将选择可在 5 分钟内将容器抽空至 50 hPa 的前级泵。在恒定体积流量下，以下公式适用

t_1=\frac{V}{S}\mbox{ln}\frac{p_0}{p_1}

公式 2-9: 抽空时间

t₁ 前级泵的抽空时间
V 容器体积
S 前级泵的抽速
p₀ 初始压力
p₁最终压力

通过重新整理公式 2-9，我们可计算出所需的抽速:

S=\frac{V}{t_1}\mbox{ln}\frac{p_0}{p_1}

公式 2-10: 计算抽速

使用以上给定的数值，我们得出:

S=\frac{2,000l}{300s}\mbox{ln}\frac{1,000}{50}=20\frac{l}{s}=72\frac{m^3}{h}

我们选择抽速 S_v 为 100 m³/h^-1 的 Hepta 100 型螺杆泵作为前级泵。使用相同的公式，我们估算罗茨泵的抽速将为 61 l s^-1 = 220 m³ h^-1，并选择抽速 S₀ = 490 m³ h^-1 、溢流阀压差 Δ_p_d= 53 hPa的 Okta 500 型罗茨泵用于中真空范围。

从下表的pv一列中，我们选择给定的前级压力，从 Hepta 100 的抽速曲线上确定对应的抽速 S_v，从而计算抽气流量: Q=Sv∗p_v.

当溢流阀开启前级压力达到56hPa时，可计算得到压缩比

K_{\Delta}=\frac{p_{v}+\Delta p_{d}}{p_{v}}

当前级真空压力 ≤ 153 hPa时， K₀ 从图 2.1 得出。计算罗茨泵抽速有两种方法:

S₁ 可从公式 2-5 得出，适用于已开启溢流阀的情况， S₂ 由公式 2-6 得出，适用于已关闭溢流阀的情况。当前级压力接近差压pd时，S₁ 大于 S₂。在计算得到的两个抽速中，较小值往往是正确的，

我们将其记为 S。使用以下公式获得入口压力:

p_{a}=\frac{Q}{S}

图 2.1: 罗茨泵对空气的零流量压缩比

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图2.2显示了该泵组的抽速曲线图。

图 2.2: 具有 Hepta 100 和 Okta 500 泵组的体积流量(抽速)

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P_a / hPa	P_v / hPa	S_v / (m³ / h)	Q / (hPa · m³/ h)	K_Δ	K₀	S₁ / (m³ / h)	S₂ / (m³ / h)	t / h	t / s
1,000.0000	1,053.00	90.00	94,770.00	1.05		94.77		0.00490	17.66
800.0000	853.00	92.00	78,476.00	1.07		98.10		0.00612	22.04
600.0000	653.00	96.00	62,688.00	1.09		104.48		0.00827	29.79
400.0000	453.00	100.00	45,300.00	1.13		113.25		0.01359	48.93
200.0000	253.00	104.00	26,312.00	1.27		131.56		0.00652	23.45
100.0000	153.00	105.00	16,065.00	1.53	7.00	160.65	321.56	0.00394	14.18
50.0000	103.00	105.00	10,815.00	2.06	13.00	216.30	382.20	0.00608	21.87
14.9841	56.00	110.00	6,160.00	18.70	18.00	2,053.33	411.10	0.00822	29.58
2.5595	10.00	115.00	1,150.00		36.00		449.30	0.01064	38.30
0.2300	1.00	105.00	105.00		50.00		456.52	0.00670	24.13
0.0514	0.30	75.00	22.50		46.00		437.39	0.00813	29.27
0.0099	0.10	37.00	3.70		40.00		375.17	0.00673	24.23
0.0033	0.06	15.00	0.90		39.00		270.42	0.00597	21.51
0.0018	0.05	5.00	0.25		37.00		135.29
抽空时间: 344.94 s

表 2.1: 罗茨机组的抽速和抽空时间

抽空时间

腔体的抽空时间需要根据不同的阶段分别计算得出。在抽速变化强烈的区域，前级真空压力间隔划分必须较小。公式 2-9 用于确定间隔期间的抽空时间，使用 S 作为计算压力间隔阶段两个抽速的平均值。总抽空时间将是表 2-1 最后一列所有时间之和。

此外，真空系统的泄漏率、管道的流导和真空室中存在的蒸发液体，以及多孔材料和被污染容器壁表面的除气也会影响抽空时间。这些因素中的一部分将在第 2.2.3.1 节和第 2.3 节中进行讨论。如果上述影响存在任何未知情况，将有必要在泵组中提供适当的防护措施。

2.2.2 冷凝器模型

在很多真空工艺(干燥、蒸馏)中，会释放出大量的蒸汽，这些气体需要被抽出。此外，大量的泄漏空气会渗透到大型容器中，而且那些正在蒸发或干燥的物料将释放额外的空气，这些空气之前往往存在于孔隙中或溶解在液体里。

在干燥过程中，蒸气总是可以用一个能压缩水蒸气的真空泵抽除排向大气，然后冷凝。然而，该工艺具有以下缺点:

真空泵必须非常大
大量的气镇空气将被充入在蒸气中，一起抽除，会将大量的油雾从泵中带出
有必要对由水蒸气和油雾产生的冷凝液进行处理，而这个处理过程非常昂贵。

蒸馏工艺使用冷凝器操作，其目的是让通过所连接的真空泵的冷凝蒸馏液尽可能的少。

让我们假设真空腔体或承载装置中装有要干燥的材料，通过加热向材料供应足够的能量，使得每小时将蒸发 10 kg 的水分。

此外，每小时将会有 0.5 kg 的空气被释放。真空室里的压力应小于 10 hPa。根据图 2.3，机组用于干燥，通过使用冷凝器能够使蒸气可以经济高效地冷凝。

待干燥物料 (2) 在真空室 (1) 中被加热。罗茨泵 (3) 将蒸汽/ 空气混合物抽吸到冷凝器 (4) 中，大部分蒸汽在冷凝器中冷凝。

用水对冷凝器进行冷却。温度为 25°C 的冷凝水与 30 hPa 的水蒸汽压力保持平衡。附加真空泵 (6) 抽出空气以及少量的水蒸气，并在大气压下将混合物排出。第一步是计算真空室排出的气体流量: Q=p_v_c⋅S₁

图 2.3: 干燥系统 (原理图)

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根据公式 1-5的理想气体定律，我们得出

Q=p_{vc}\cdot S_1=\frac{R\cdot T}{t}\cdot\left(\frac{m_{water}}{M_{water}}+\frac{m_{air}}{M_{air}}\right)

公式 2-11: 抽空蒸汽的气体流量

T	进气温度	[K]
R	普适气体常数	[kJ kmol^-1 K^-1
t	时间	[s]
P_vc	真空室中的压力	[Pa]
m_water	水蒸气质量	[kg]
M_water	水的摩尔质量	[kg mol^-1]
m_air	空气质量	[kg]
M_air	空气的摩尔质量	[kg mol^-1]

其中：

T	进气温度	300 K
R	一般气体常数	8.314 kJ kmol^-1 K^-1
t	时间	3600 s
P_vc	真空室中的压力	1000 Pa
m_water	水蒸气质量	10 kg
M_water	水的摩尔质量	0.018 kg mol^-1
m_air	空气质量	0.5 kg
M_air	空气的摩尔质量	0.0288 kg mol^-1

我们得出空气气流量为 12 Pa m³ s^-1 和水蒸气气流量为 385 Pa m³s^-1，总共 397 Pa m³s^-1. 。除以入口压力 p_v_c 1000 Pa 我们得出抽速 S1S1 为 0.397 m³s^-1 或 1429 m³h^-1.

当排空冷凝器时，空气分压不应超过 30 %，即最大为 12.85 hPa。因此：

S_2=\frac{Q_{air}}{0.3\cdot p_{air}}

空气气流量为 12 Pa m³ s^-1 且压力为 1285 Pa 时，得出的抽速 S₂ 为 0.031 m³ s^-1 或 112 m³ h^-1。

因此，我们选择 Hepta 100 螺杆泵作为前级泵。由于其抽速稍低于计算值，该泵将只能获得稍高一点的空气分压。因此我们选择具有以下值的 Okta 2000罗茨泵:

S₀ 2065 m³ h⁻¹
Δp_d溢流阀差压为 35 hPa
K₀,28其中 pvp_vpv = 43 hPa

我们估计入口压力 p_a 为 1000 Pa 并根据公式 2-7 计算 S₁。

S=S_0\cdot\left[1-\frac{1}{K_0}\left(\frac{p_{v}}{p_{a}}-1\right)\right]

我们得出的抽速 S1S1 为 0.506 m³ s^-1 或 1.822 m³ h^-1.

其中

p_{a}=\frac{Q}{S_1}

且 p_a 值为 785 Pa ，我们得出干燥室的入口压力，并再次使用公式 2-7 中的该数字，我们得到入口压力 p_a = 823 Pa 时更精确的抽速 S₁ = 1.736 m³ h^-1。

我们计算要冷凝 10 kg h^-1 蒸汽量的冷凝器。以下适用于冷凝面积:

A_{k}=\frac{Q_{water}\cdot m_{water}}{t\cdot\Delta T_{m}\cdot k}

公式 2-12: 冷凝面积的计算

A_k
冷凝面积
[m²]
Q_water
特定的蒸发焓
[Ws kg^-1]
m_water
水蒸气质量
[kg]
ΔT_m
蒸汽与冷凝面的温差
[K]
k
热传导系数
[W m^-2 K^-1]

A_k	冷凝面积	[m²]
Q_water	特定的蒸发焓	[Ws kg^-1]
m_water	水蒸气质量	[kg]
ΔT_m	蒸汽与冷凝面的温差	[K]
k	热传导系数	[W m^-2 K^-1]

其中:

𝑄_water 2.257 ⋅ 10⁶ Ws kg⁻¹
𝑚_water10 kg
𝑡 3600 s
Δ𝑇_𝑚60 K
𝑘 400 W m⁻² K⁻¹

我们得出冷凝面积 A_k 为 0.261 m²。

蒸汽以近似绝热压缩的方式被加热超过 100 K，但其在去往冷凝器的过程中重新冷却下来。因此 ΔT_m = 60 K 的假设是相当保守的.热传导系数 k [20] 随惰性气体浓度的增加而显著减少，这导致冷凝面积更大。相反，由于惰性气体浓度较低，因此则可与较大的前级泵和较小的冷凝面积一起使用。应特别注意小的泄漏率，因为它们也会增加惰性气体的浓度。

更多的技术细节可从专业资料 [21] 中获得。

图 2.4: 用于蒸汽冷凝的罗茨泵机组

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为了完整性，让我们再想想干燥工艺的整个流程:压力平衡最初发生在干燥室内，这是由于蒸发的水量和干燥物料的加热以及罗茨泵的体积流量引起的。

罗茨泵将使水蒸气排入冷凝器，水蒸气在冷凝器里冷凝。由于那里以层流为主，蒸汽与待干燥物料释放的惰性气体一起进入冷凝器。

如果前级泵被关闭，整个冷凝过程将很快停止，因为蒸汽只能通过扩散达到冷凝面。随着干燥过程的进行，冷凝器中的蒸汽量减少，冷凝液减少;然而，如果惰性气体浓度减低，前级泵抽出的蒸汽浓度将趋向更大。如果冷凝器中的蒸汽压力下降到低于冷凝阈值，冷凝液就会开始再蒸发。如果冷凝液通过阀门排放到冷凝液储存容器中，且该阀门在蒸汽压力下降到冷凝压力之下时关闭，则可防止这一情况的发生。

在大型蒸馏系统中，前级泵的抽速应在冷凝率的基础上进行调节。例如，这可通过借助泵来实现，该泵可以均匀地排出从储存容器中的冷凝液。当储存容器中浓缩物液位下降到给定液位以下，前级泵的进气阀门开启并将聚集在冷凝器内的惰性气体抽出。冷凝率现在再次升高，冷凝液液位上升，前级泵的进气阀将再次关闭。这种安排意味着系统仅在冷凝率过低时抽吸，且只存在很少的冷凝液损失。

总结

当抽除蒸汽(干燥、蒸馏)时，主要的抽除效果可由冷凝器提供。根据压力和温度条件，可使用一个或两个冷凝器(图 2.4)。罗茨泵和前级泵之间的冷凝器更加有效，因为蒸汽以较高温度和较高压力进入冷凝器，而小的前级泵只排出了一部分蒸汽。在蒸馏过程中，通过调节前级泵抽速，可将冷凝液损失减少到最少。

上述理论原理经常用于配置罗茨泵组。图 2.5 显示了用于减少海底电缆生产所用纸材残留水分的真空解决方案。预冷凝器(未显示)主要对在高压力下的第一个干燥阶段产生的水蒸气进行冷凝。中间冷凝器保护下游 BA 501 旋片泵并对主要在第二个干燥阶段中产生的水蒸气进行冷凝。

图 2.6 显示了用于变压器干燥的罗茨泵组。中间冷凝器减少了所用材料的残留水分，使其不超过下游 BA 501 旋片泵的水蒸气排气能力。

图 2.5: 用于蒸汽冷凝的罗茨泵组
图 2.6: 用于变压器干燥的罗茨泵组

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2.2.3 涡轮分子泵机组

2.2.3.1 使用涡轮分子泵组将腔体抽至 10^-8 hPa

在 12 小时内将光亮不锈钢制成的容器排空至压力 pbpb 为 10^-8 hPa。从第 1.3 章可看出，除纯粹的空气抽空时间外，还要将其他影响考虑在内。水蒸气和吸附气体的解吸以及密封件的放气都将会延长抽空时间。获得 10^-8 hPa 压力所需的抽空时间包括以下内容:

𝑡₁ = 前级泵达到 0.1 hPa 的抽空时间
𝑡₂ = 涡轮分子泵达到 10^-4 hPa 的抽空时间
𝑡₃ = 不锈钢表面解吸的抽吸时间
𝑡₄ = 使 FPM 密封件脱气的抽吸时间

如果本底压力 pbpb 由通过漏孔渗透流进容器的气体 QlQl , 从金属表面释放的气体 Qdes,MQdes,M 和从密封件释放的气体 Qdes,KQdes,K 产生的平衡压力组成:

p_{b}=\frac{Q_{l}}{S}+\frac{Q_{des,M}(t_3)}{S}+\frac{Q_{des,K}(t_4)}{S}

公式 2-13: 真空系统的本底压力

p_b
本底压力
[Pa]
Q_l
通过泄漏和渗透的气体流量
[Pa m³ s^-1]
Q_des,M

金属表面的出气量
[Pa m³ s^-1]
Q_des,K
密封件的出气量
[Pa m³ s^-1]

p_b	本底压力	[Pa]
Q_l	通过泄漏和渗透的气体流量	[Pa m³ s^-1]
Q_des,M	金属表面的出气量	[Pa m³ s^-1]
Q_des,K	密封件的出气量	[Pa m³ s^-1]

容器具有以下数据：

V	容器体积	0.2 m³
A	容器表面积	1.88 m²
A_k	FPM 密封件的密封表面积	0.0204 m²
Q_l		1.0 ⋅ 10 ^-9Pa m³ s^-1
q_desM	不锈钢面积有关的解吸率	2.7 ⋅ 10 ^-4Pa m³ s^-1 m^-2
q_desK	FPM 面积有关的解吸率	1.2 ⋅ 10 ^-4Pa m³ s^-1 m^-2

前级泵应在 t1 为 180 s 的时间内将容器排空至 0.1 hPa in，而且还应该在气镇阀开启时能够实现这一压力。体积流量可以通过公式 2-9 获得：

S_{backingpump}=\frac{V}{t_1}\cdot\mbox{ln}\frac{p_0}{p_1}=10.2ls^{-}1=36.8h^{-}1

我们选择抽速为 S_v = 35 m³ h^-1的 Duo 35

涡轮分子泵的抽速大约应该是前级泵抽速的 10 至 100 倍，以抽空吸附在金属表面的蒸汽和气体。我们选择抽速 S_H_V 为 685 l s^-1 的HiPace 700泵。使用公式 2-9，我们得出

t_2=\frac{V}{S_{turbopump}}\cdot\mbox{ln}\frac{p_1}{p_2}=2.0s

容器表面的解吸

气体分子(主要是水分子)吸附在真空腔体的内表面，并逐渐在真空下再次蒸发。金属表面的解吸率以 t−1t−1的速度下降。时间常数 t0t0 为大约1 h。

使用第 1 章的公式 1-32

Q_{des}=q_{des}\cdot A\cdot\frac{t_0}{t_3}

我们计算达到本底压力所花的时间

p_{b3}=1.0\cdot10^{-}6Pa
t_3=\frac{q_{des,M}\cdot A\cdot t_0}{S\cdot p_{b3}}=2.67\cdot10^6s=741h

计算得到的 741 小时太长，必须通过烘烤容器来缩短该过程。选择的烘烤温度要防止损害对温度最敏感的材料。在我们的例子中，烘烤温度受到所使用 FPM 密封件的限制，它可轻松地承受370 K的温度。这样，解吸速度在理论上会提高三个数量级 [22]。而且烘烤时间实际上将缩短至几个小时。

通过在真空下对容器进行退火处理或通过某些表面处理 (抛光、酸洗)，也可使高解吸速率得到降低。

由于很多预处理的影响发挥作用，所以不可能精确预测随时间变化的压力曲线。然而，如果烘烤温度大约为 150°C，在获得的压力高出所需本底压力 100倍后，即可关闭加热器。在真空室冷却后，则可获得所需压力 pb3pb3 。

密封件解吸

如果在温度低于 10^-6 hPa. 下工作，则塑料的出气率很重要。虽然密封件的表面积相对较小，解吸仅根据第 1 章中公式 1-33给定的因数

\frac{t_0}{\sqrt{t_4}}

见第1章中的公式1-33。

其中的原因是逸出的气体不仅附着在材料表面上，而且必须从密封件内部扩散出来。因此，随着抽空时间的延长，从塑料中的解吸相比于从金属表面的脱附而言占主导地位。根据第 1 章中公式 1-33 计算塑料表面的出气率。

Q_{des,K}=q_{des,K}\cdot A_{d}\cdot\frac{t_0}{\sqrt{t_4}}

我们使用 Q_d_e_s,K=S⋅p_d_e_s_,_K 并获得以下

p_{b4}=10^{-8}\,\text{hPa}:t_4=459\cdot10^6\,\text{s}=1277\,\text{h}.

在该式中， t₀= 3600 s 且 qdes,Kqdes,K 值均是从 FPM 图 [23] 中查出。可以看出，冷态密封的气体解吸对抽空时间的影响与金属表面放气属于同一量级。

由于密封件内部释放出的气体向外扩散过程将确定解吸气体流量随时间的变化，所以扩散系数 DD 对温度的依赖性将对抽气时间具有关键性影响:

D=D_0\cdot\mbox{exp}\left(-\frac{E_{dif}}{R\cdot T}\right)

公式 2-14: 扩散系数 (T)

随着温度的上升，扩散系数也增加;但是它不会如金属表面解吸率那样猛增。因此，我们看到弹性体密封件因其解吸率对本底压力具有限制作用，这就是他们不适合用于超高真空的原因。

泄漏率和渗透率

通过漏孔进入真空系统的气体流量是恒定的，并依据指定抽速产生平衡压力:

p_{leak}=\frac{Q_{leak}}{S}

如果该压力小于工作压力的 10%，则认为系统足够密闭。为 10^-9 Pa m³ s^-1 量级的泄漏率通常很容易实现，也是系统所必需的。这表明泄漏率的压力分量为 pleakpleak = 1.46 · 10^-11 hPa。时不会产生干扰，可不予考虑。

通过金属壁的渗透率不会影响该示例中所需的最终压力;但是通过弹性体密封件的扩散对所选例子中的本底压力还是有限制作用的。

总结

清洁容器中高达 10^-7 hPa 的压力大约可在一天的时间内获得，而无需采取任何额外的措施。

如果要获得高达 10^-4 hPa 的压力，前级泵和涡轮泵的抽空时间必须加在一起。在上述情况下，这大约是 200 s。在压力小于 10^-6 hPa 时，需要涡轮分子泵具有高抽速，特别是为了抽空从金属壁解吸的水分。

如果要在几个小时内获得压力 p_b 为 10^-8 hPa ，这将只可能通过另外烘烤真空容器 (90 至 400°C)。在已达到所需压力的100 倍后，关闭加热器。在真空容器冷却后，则可达到所需本底压力。

在压力小于 10^-8 hPa 时，应只使用金属密封件，以避免FPM 密封件的高解吸率。

在压力高达 10^-10 hPa 时，可以很容易的将金属容器中的泄漏率和渗透率保持足够低。

2.2.3.2 使用涡轮分子泵抽吸高气体负荷

涡轮分子泵在高气体负荷下受到高应力的影响。气体摩擦加热转子。最大气体负荷受到许可的转子温度 120°C 的限制。当温度高于此水平时，在不可预测的时间内会发生不可逆的转子塑性形变。

通过测量转子温度和限制最高温度，可防止抽速 > 1,000 l s^-1 的 HiPace 系列泵出现过热。过程的精确描述允许对大量泵的转子温度进行预估，并针对安全操作和长期稳定性对操作窗口进行限定。

用于抽吸大气体负荷的涡轮分子泵的适用性可受到转子和定子设计以及精确控制泵中温度分布曲线的影响。例如， ATH-M 系列泵明确是为大气体流量和比较高的工艺压力而设计的。这些涡轮分子泵是专为半导体行业中的镀膜和干式蚀刻工艺开发的。它们在此所面临的具体挑战是抽吸腐蚀性介质、加热使用泵以防止工艺化学品或副产品的冷凝，以及高分子气体特别大的工艺气体流量。这些开发也可用在太阳能和 LED 照明行业的应用中。这些涡轮分子泵的设计也让它们可用在前级泵和涡轮分子泵之间具有高输送压力的装载气锁中以及具有高冷却水温度的工艺操作条件下。

专为实现低压而设计的真空泵因其具有较高压缩比而更适用于小分子气体的抽气，还可在限制范围内用于具有大气流量的真空过程。由于摩擦功率与圆周速度的平方成正比，所以有必要降低在高气体负荷下操作的泵的 RPM。这意味着，较高气体负荷的获得是以转速为代价，特别是以压缩比为代价。这一措施可延长泵的操作窗口。

抽吸大分子稀有气体，如氪或氙时，要特别注意。由于原子量较高，这些重型惰性气体在撞击转子时会产生大量的热。又由于其热容量特别低，它们只能传输很少的热量到定子或外壳上，这将导致转子温度很高。因此，与具有较低质量，即较高的流动性和碰撞频率的气体分子或单原子气体相比，这些气体的最大气体抽吸量相对较低。

当与过程气体一起作业时，涡轮分子泵执行两个重要功能:

将操作室快速排空至本底压力(通过表面和基底脱气实现清洁的初始条件)
在真空过程(涂料、蚀刻等)中将所需压力保持在恒定水平

操作过程中的气体流量 QQ 和工作压力 pprocesspprocess 通常是指定的，因此操作室的体积流量也是指定的。

S=\frac{Q}{p_{process}}

将在所需气体流量的基础上选择涡轮分子泵。在目录中，为各个泵指定了各种气体的最大允许气体流量。

图 2.7: 不同涡轮分子泵在高工艺压力下的气体吞吐量

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在图 2.7 中，给出了带有 NW 250 法兰的不同涡轮分子泵的气体流量曲线图。ATH 2303 前级泵是来自半导体行业中常用的罗茨泵组。两个泵的流量必须相同，因为同一气流将连续通过两个泵:

S_{fore-vacuum}=\frac{Q}{p_{fore-vacuum}}

通过 RPM 或调节阀，可将工艺室的抽速限制为所需的水平。通过改变涡轮分子泵的转速进行压力调节是有害的，转子高惯性会阻碍转子转速变化过快。在某些操作窗口中，可通过调节前级泵的转速来控制压力。

图 2.8: 具有压力和流量调节功能的真空系统

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让我们以真空工艺系统为例，如图 2.8 所示，并具有以下参数 Q = 3.0 Pa m³ s⁻¹，操作气体氩 pprocess = 5 Pa

其中

S=\frac{Q}{p_{process}}

我们获得涡轮分子泵的公称抽速为 600 l s^-1。在这样高的操作压力下，不可能达到涡轮分子泵的最大抽速。因此，我们选择 ATH 2303 M 类型的涡轮分子泵 (2)，该泵带有一个防弹护板，在该压力下仍然能达到超过 800 l/s的抽速，另外选择 A 603 P 类型的前级泵。使用这样的操作泵，我们能够达到3.0 Pa 的前级压力和0.24 hPa m³ s^-1 的气体流量。涡轮泵的最大前级压力为 3.3 hPa，尽管使用的是热要求较高的操作气体氩，这一配置仍是可行的。

通过质量流量调节器 (5) 允许工艺气体进入工艺室 (1)。受压力pprocesspprocess 控制的蝶阀 (4) 调节涡轮分子泵 (2) 的抽速。在操作步骤执行完后，关闭气体供应且控制阀打开，彻底排空操作室，直到达到最终压力。与此同时，将新的工件装载到操作室。