ITER导体总体气密性检测系统的真空抽气系统及运行流程
ITER导体总体气密性检测系统的真空抽气过程包括粗抽阶段和主抽阶段。粗抽阶段是用3 台15 L/s TRP- 48 机械泵粗抽，真空杜瓦压强由大气压降至10 Pa;主抽阶段是用1 台1600 L/s 复合分子泵与1 台15 L/s TRP- 48机械泵组成的泵组主抽，真空杜瓦压强由10 Pa降到1×10- 3 Pa。
真空系统的抽气方程
V*dP/dt = -SeP+Qout+Ql+QP+Qe (1)
其中微漏(Ql)，真空系统漏孔的漏气量。渗漏(Qp)，即大气通过真空室壁结构材料扩散到真空室内部的气体流量。蒸发(Qe)，空气中的水分或是工艺中的液体在真空中蒸发出来，这是在低真空常常发生的现象。在高真空，特别是高温装置中，固体和液体都有一定的饱和蒸汽压。当温度一定时，材料的饱和蒸汽压是一定的，因而蒸汽流量就是个常量。表面放气(Qout)，即材料吸附和吸收的气体通过暴露在真空中的表面释放出来的气体。
1、粗抽时间
为了简化计算，把分子泵入口以上和真空室出口一段管路(包括阀)看成是预抽时的被抽容器。因为这段管道直径很大，流导很大，这样处理是合适的。此阶段真空杜瓦内包含的大气为主要气载，可忽略其他气源。所要达到的预真空度为10 Pa。由大气压抽到10 Pa 的时间由下式计算：
t = Kq*V/Sln Pi/P(2)
式中t———抽气时间，h;V———真空系统体积，m3;S ———泵对系统的有效抽速，m3h- 1;Pi ———真空设备初始压力，Pa;P ———真空设备经过t 时间后的压力，Pa;Kq———修正系数(与压力有关，修正系数见表1)
表1 不同压强下计算抽气时间的修正系数
公式中各参数取值如下：V=92.55 m3，Pi=105 Pa，P=10 Pa，S=162 m3/h，计算可得: t =7.56 h
2、主抽气时间
真空室压强为10 Pa 时，关闭粗抽泵阀门，打开分子泵抽气口处插板阀，此时抽气管道中气流多半处于过渡流或者分子流状态。由于过渡态流导的计算比较复杂和过渡流存在的时间比较短，工程上允许用分子流态代替计算。
图2 分子泵抽气管道简图
由图2 可知，主泵抽气管道由短管和闸板阀串联组成，插板阀全开孔径与短管孔径相当，则抽气管道近似看作内径D=25.5 cm， 长度L=29.4+10=39.4 cm 的短管(L/D≤20)。气体运动处在分子流状态，抽气管道的流导以克劳辛系数计算，20℃空气分子流时通过圆管道的流导公式如下：
C = 11.6Aa (3)
其中C———分子流时对20℃空气流导，L/s；A———入口面积，cm2；a———克劳辛系数
查表“圆柱管克劳辛系数与管的相对长度关系”(《真空设计手册》P123)，由L/r=3.09，得a=0.42。
则抽气管道的流导：C = 2488.2 L/s主抽泵组对系统的有效抽速：
Se =1/(1/S +1/C) (4)
其中Se———对系统的有效抽速，L/s；S———主抽泵组的名义抽速，L/s；C———主抽管道的流导，L/s
计算得：Se = 973.8 L/s = 3505.68 m3/h。处在常温下的真空杜瓦，在高真空抽气过程中，对于抽气时间计算问题，可以忽略渗漏和蒸发，微漏漏率Ql≤1.0×10- 10 Pa·m3/s，也可忽略，表面放气Qout 为时间的函数，将它们带入抽气方程整理为：
CF 函数为基本初等函数的简单变形，在其定义域内都收敛，而PI 函数是由一系列的幂级数构成的，一般而言，在其定义域内有收敛有发散的，所以，需要求出PI 函数的收敛区间。由莱布尼茨定理可知,PI 函数收敛的条件为：
φr+1/φr<1
其中φr+1 为第r+1 项级数的绝对值，φr 为第r 项级数的绝对值。计算整理可得收敛区间为：
t >[n- (r- 1)]/[n- (r- 2)]·1/a(9)
为了求出数值解，将幂级数进行10 项展开，出气率指数n 一般在- 1 和- 0.4 之间，此杜瓦内表面都为金属，n=- 1 则t >1.111*1/a 。
因a = S/V= 973.80/92550=0.01 s-1，
则PI 函数的收敛半径为(111.1 s，+∞)(n=- 1)。第二阶段抽气方程自变量t 在收敛半径内结合CF 和PI 函数，整理得：
已知此方程的初始条件，利用Matlab 软件计算真空度由10 Pa 到1×10- 3 Pa 抽气时间。
图3 高真空抽气P- t 曲线
这两种计算高真空抽气时间的方法是运用了数学方法，将容器中空间气体负载对抽气的影响进行考虑，特别积分法与Runge- Kutta 法运用到系统高真空抽气时间计算，使计算结果更准确。
相关阅读：
