真空系统设计（机械捕集器的基本计算）

2.3.1.3机械捕集器的基本计算

捕集器(阱类)的计算是一个相当复杂的问题,既有空间分子 的运动问题,也有气固界面物理现象;既有宏观的分子动量迁移,

图2-50水冷机械捕集器

1一外壳;2—捕集片;3—法兰;4一水管接头;5—水套

图2-51锥状环形机械捕集器

图2-52水冷机械捕集器

1一水管;2—捕集片;3一密封圈;4一法兰;5一接头

图2-53倒塔形机械捕集器

能量(热量)传递和质量扩散问题,又有表面物理和表面化学的机理。目前,机械捕集器的设计计算重点主要是:结构简单、屏蔽效果 好、流导大。综观现状,其流导的计算方法基本有三种:(1)利用实验得到的“比流导”数据进行计算;(2)把捕集器看成是异型截 面管道串、并联而成的复杂管道,根据本书第2章流导计算公式计算:(3)利用蒙特卡洛法(Monte Carlo method )算出并得到实验证实的成果进行计算。

A利用“比流导”计算

在真空系统中,尤其是主抽泵入口处所用的机械捕集器,绝大多 数都要在机械阻挡的基础上,对捕集片进行冷却,以提高捕集效果。

常用的水冷捕集器的流导可由下式求得:

式中,C为比流导,(1/(s·cm2)),查表2-16;A为捕集器入口截面积,cm2。

若捕集器不用水冷却,则式(2-12)要引入一个温度影响系数 l,则有:

若冷凝剂是“干冰”(固体CO2),取l=1.2;若是液氮,则取 l=1.7。

B利用蒙特卡洛法所得数据计算

在分子流状态下,用蒙特卡洛法从理论上算出的流导和实测值非 常相近,因此,可以利用这些成果进行计算。由于捕集器的流导在分 子流态时,可以用相同截面尺寸的孔口的流导乘以传输几率P,故有下式:

中,P为传输几率,可由表2-16或相关曲线查得;CA为与捕集器同口径的小孔流导;T为绝对温度;为摩尔质量;A为捕集器的入口面积。

用蒙特卡洛法计算的P值示于图2-54~图2-59。图中所示为单百叶窗式和人字形闭光障板的几何结构与传输几率P的关系曲线。

由图可知,对于比值A/B>5的几何结构,传输几率P,值并不显著增加。而且在两种情形中,发现θ=60°的流导比θ=45°和θ=30°角的流导要好。对于相同的角和A/B值,人字形障板(图2-55)的P值差不多是单百叶窗式障板P值的一半。对一个被人字形障板全遮蔽的孔而言,最大的传输几率P值为0.28(图2-55)。在实际真空系统中,往往把机械捕集器的捕集片(挡板)与致冷剂相连,其结果使捕集器的有效气体通过面积稍微减小。因此,一个设计合理的人字形捕集器,实际的P值为0.2。综上所述,百叶窗式障板和人字 形障板的传输几率P,是障板长度A、间距B及叶片与水平夹角θ的函数。试验表明,人字形障板的θ=50°~60°为宜。

图2-54单百叶窗式障板的Pr值

图2-55障板与扩散泵连接后的Pr值

图2-56障板的Pr值

图2-56障板的Pr值

图2-56所示为具有圆形挡片和两个节流端(双折流板)障板的传输几率P半径为R的圆筒两端向内卷边,形成长度为l、半径为R的孔的圆筒。在l/2处同轴装置半径为R的圆板而构成一个机械捕集器。该捕集器的传输几率随l/R和R/Ro变化。由图可见,Pr在0.1~0.5范围内选取,它比人字形叶片捕集器的传输几率P有显著增加。图2-57所示为蒸气流泵顶部障板的传输几率与几何尺寸的特性曲线;图中A的情况与图2-56所示的几何结构相同。在蒸气流泵入口处装置一个R/R0=1.5的双折流板,这两个结合部件的传输几率P,随l/R及一级喷嘴在折流板中的位置而变化。图中B的情况为在蒸气流泵入口处装置一个R/R=1.5的双折流板,表示分子经过泵的喷嘴外缘和管口内边缘间的环形空间的传输几率P。图中C的情况与B相似,但配置不同。

图2-58障板的Pr值

图2-59障板与扩散泵连接后的Pr值

图2-58所示为只有圆形挡片和一个节流端(单折流板)障板的 传输几率,其传输几率P是lR和M/l的函数。图2-59所示是用在蒸气流泵上部的与图2-58类同障板的传输几率。当M/L=0.26时, 大弯管障板可分两种:有凸出端的圆形弯头障板和方形弯头障板,如图2-60和图2-61所示。这两种几何形状的障板捕集器,实际上是障板-阀组合体。在蒸气流泵入口与高真空管道联结处时时可见。扩大障板直径可以降低障板对泵有效抽速的影响,其中圆形挡片的直径与小孔的直径相同。原则上这种挡片可以摆动盖住某个小孔。这种结构障板的试验表明,当W/D>1.3时,可得到大的传输几率P 该种障板捕集器的结构形式、尺寸比例和相应的传输几率示于图2-60和图2-61中

图2-60圆形弯头障板的传输几率

I一桶形弯头;Ⅱ一有挡油帽的桶形弯头;Ⅲ一在扩散泵上的桶形弯头; Ⅳ有人字形障板的桶形弯头

图2-61方形弯头障板的传输几率

I一方形弯头;Ⅱ一有挡油帽的方形弯头;Ⅲ一在扩散泵上的方形弯头

图2-62为几种典型障板的分子与器壁的平均碰撞次数,该值是由蒙特卡洛法求得的。由图中可知,分子至少要进行四次以上的碰撞。

此外,在真空系统中蒸气流泵入口与高真空管道或被抽容器之间 的连接,通常用锥形管过渡,它也具有障板效应,其传输几率P与R1/R2、l/R2之间的函数关系如图2-63所示。