真空度隨真空管道長(zhǎng)度變化規(guī)律研究

王成勇

（深南電路有限公司，廣東 深圳 518053）

1 前言

PCB鉆孔生產(chǎn)加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的鉆屑，為了促使鉆屑順利的排放，各PCB鉆孔機(jī)設(shè)備生產(chǎn)商均會(huì)對(duì)相應(yīng)的真空度提出要求。PCB生產(chǎn)廠商為了確保鉆孔質(zhì)量，均會(huì)在廠房設(shè)計(jì)過程中依照相應(yīng)要求設(shè)計(jì)相應(yīng)的抽真空系統(tǒng)。但是，由于鉆孔車間往往存在多臺(tái)鉆孔機(jī)，如何根據(jù)鉆孔機(jī)真空度指標(biāo)要求和場(chǎng)地布局的實(shí)際情況，確保每一臺(tái)鉆孔機(jī)均符合相應(yīng)技術(shù)要求，成為PCB廠家在真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

2 當(dāng)前PCB鉆孔真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)依據(jù)

PCB抽真空系統(tǒng)考慮到成本因素和施工因素，為了解決各臺(tái)鉆孔機(jī)距離抽真空機(jī)遠(yuǎn)近不一的實(shí)際情況，根據(jù)鉆孔機(jī)的真空度要求，依據(jù)鉆孔機(jī)距離真空泵的距離遠(yuǎn)近，設(shè)計(jì)不同的抽真空管道管徑和不同的管道長(zhǎng)度。在抽真空風(fēng)速大約25 m/s條件下，該種設(shè)計(jì)參考的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

在具體的抽真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工中，相關(guān)人員根據(jù)該表數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算廠房中各位置的鉆孔機(jī)預(yù)期可以達(dá)到的真空度狀態(tài)，以滿足實(shí)際的工藝要求。

3 直線型管道真空度損失數(shù)據(jù)分析

通過對(duì)直線型管道數(shù)據(jù)的分析不難發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

（1）隨著管道直徑變小，每米管道導(dǎo)致的真空度損失逐漸變大，且管徑尺寸與每米長(zhǎng)度真空度損失呈現(xiàn)反比例關(guān)系。

表1 不同管道直徑每米真空度損耗值

（2）直線型管道尺寸變小的比例與真空度損失的反向比例相同。例如：Φ650下降到1/5，即Φ130時(shí)，其對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度真空損失，亦從4.67 Pa上升到23.39 Pa，上升5倍；Φ500下降到1/1.85，即Φ270時(shí)，其對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度真空損失，亦從6.08 Pa上升到11.26 Pa，上升1.85倍。

4 直線型管道真空度損失假設(shè)和推理討論

從以上的數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)直線型管道的真空度損失存在固定的規(guī)律，如果發(fā)現(xiàn)該規(guī)律的原因，對(duì)真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)存在較大的幫助。

根據(jù)流體理論我們知道：越靠近管壁的流體其流速越低，與管壁直接接觸的流體其流動(dòng)速度可以視作零速度。其簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 管徑較小的中心流速受影響示意圖

抽真空過程中，氣體在真空管道中流動(dòng)，由于氣體本身的密度較小，各分子間距較大，氣體分子間的“粘性”遠(yuǎn)比液體分子間的“粘性”小得多?？梢约僭O(shè)管道壁對(duì)氣流的影響如圖2狀態(tài)：當(dāng)氣體離開管壁一個(gè)較小的距離之后，其速度即和管道中間的流動(dòng)達(dá)成一致，離開這一管壁距離之后，管壁對(duì)氣體的流動(dòng)影響可以忽略不計(jì)。鑒于氣體的分子間的距離比液體分子間的距離遠(yuǎn)出很多，該距離與液體相比，會(huì)非常小，且由于該影響主要來自于氣體分子與管壁的撞擊，我們可以假設(shè)：目前測(cè)試的直線型實(shí)驗(yàn)管道中均存在一個(gè)與管壁距離相等的氣體流動(dòng)速度漸變的區(qū)域，如圖3和圖4：雖然管道的直徑R1和R2不同，但受影響的氣流距管道壁的距離D卻相同。

圖2 管徑較大的中心空氣流速不受影響示意圖

圖3 直徑R2氣體流動(dòng)受影響的位置

圖4 直徑R1氣體流動(dòng)受影響的位置

根據(jù)以上模型，形成假設(shè)條件：（1）管道內(nèi)氣體的流動(dòng)速度僅受管壁影響。（2）該影響與距管壁的距離有關(guān)系，且該距離是一固定值。（3）該距離在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)的直線型管道中遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道直徑。

假設(shè)條件下的計(jì)算推理：

鑒于氣體的流速從管壁開始向管中心逐步達(dá)到最大流動(dòng)速度是一漸變的過程，我們可以把這一空氣流速漸變的距離平均值看做受影響的空氣層距離，設(shè)該受影響的距離為D。

在管道半徑為R的管道中受影響的氣體區(qū)域則為：

流動(dòng)速度受影響氣體占總氣體比例=受影響的氣體面積/氣流總面積

= 管道周長(zhǎng)×D/管道總面積

= （D×2×Π×R）/（Π×R×R）= 2D/R

鑒于受影響的氣體是主要的壓力損失原因，把該比例作為壓力損失的關(guān)系式。

即式（1）：

把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入公式1進(jìn)行計(jì)算求出：2D=1520

暫時(shí)把2D稱為：氣體管道摩擦損失常數(shù)

把實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)量的管道半徑代入公式1，計(jì)算預(yù)測(cè)相應(yīng)的壓力損失，發(fā)現(xiàn)計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際測(cè)定的壓力損失數(shù)據(jù)幾乎一樣。用公式1檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，均在誤差范圍之內(nèi)，該公式可以簡(jiǎn)化在簡(jiǎn)化后作為PCB鉆孔工序在設(shè)計(jì)抽真空系統(tǒng)的理論依據(jù)。

即式（2）：

其中：1520為直線真空管道每米氣體管道摩擦損失常數(shù)

式（2）可以作為工程師在風(fēng)速設(shè)計(jì)約25 m/s抽真空系統(tǒng)時(shí)的各種管道的壓力損失計(jì)算，從而避免了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記憶和查找，使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)單易行。

5 總結(jié)和討論

5.1 總結(jié)

在PCB真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)速約25 m/s需要考慮真空度隨直線型管道長(zhǎng)度的變化時(shí)，可以利用真空負(fù)壓摩擦損失系數(shù)1520/管道半徑mm，直接計(jì)算預(yù)測(cè)各種管道每米真空度損失Pa。

5.2 討論

（1）根據(jù)假設(shè)條件氣體管道摩擦常數(shù)當(dāng)管道足夠小時(shí)，即：氣體流動(dòng)速度受影響的距離，大于管道半徑時(shí)，真空負(fù)壓摩擦損失系數(shù)1520將失去意義。估計(jì)本論文涉及的管道半徑小于1.52 mm時(shí)，所有數(shù)據(jù)將不再有效，具體情況，仍需要繼續(xù)研究。

（2）當(dāng)設(shè)計(jì)風(fēng)速出現(xiàn)變化時(shí)，真空負(fù)壓摩擦損失系數(shù)1520是否需要修正，其二者之間是否存在某種比例關(guān)系的聯(lián)系，仍需要繼續(xù)研究

（3）當(dāng)管道表面粗糙度出現(xiàn)巨大變化時(shí)，氣體管道摩擦常數(shù)或許會(huì)依該情況出現(xiàn)相應(yīng)變化。真空負(fù)壓摩擦損失系數(shù)1520是否需要做相應(yīng)的修正，仍需要繼續(xù)研究。

（4）由于實(shí)驗(yàn)溫度是在室溫下進(jìn)行，當(dāng)溫度出現(xiàn)大的變化情況，真空負(fù)壓摩擦損失系數(shù)1520是否有效，仍需要繼續(xù)研究

6 鳴謝

在撰寫該文的過程中，得到了本公司同事范永振先生和覃建國先生的大力協(xié)助。范永振先生是本公司基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)專家，對(duì)直線型管道的真空負(fù)壓損失數(shù)據(jù)做了較多的實(shí)證；覃建國先生是本公司的鉆孔機(jī)械加工技術(shù)專家，為本文所關(guān)心的不同真空負(fù)壓損失對(duì)PCB鉆機(jī)的實(shí)際影響情況做了大量的對(duì)比。

參考資料

[1]劉超. 工程流體力學(xué)[M]. 大連海事大學(xué)出版社.

[2]全陸詩. 通風(fēng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 徐氏基金會(huì)出版.