真空泵的選擇與工作原理

　　一、選用真空泵時，需要注意下列事項：

　　1、真空泵的工作壓強應該滿足真空設備的極限真空及工作壓強要求。如：真空鍍膜要求1×10-5mmHg的真空度，選用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。通常選擇泵的真空度要高于真空設備真空度半個到一個數量級。

　　2、正確地選擇真空泵的工作點。每種泵都有一定的工作壓強范圍，如：擴散泵為10-3~10-7mmHg，在這樣寬壓強范圍內，泵的抽速隨壓強而變化，其穩定的工作壓強范圍為5×10-4~5×10-6mmHg。因而，泵的工作點應該選在這個范圍之內，而不能讓它在10-8mmHg下長期工作。又如鈦升華泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作壓強應小于1×10-5mmHg為好。

　　3、真空泵在其工作壓強下，應能排走真空設備工藝過程中產生的全部氣體量。

　　4、正確地組合真空泵。由于真空泵有選擇性抽氣，因而，有時選用一種泵不能滿足抽氣要求，需要幾種泵組合起來，互相補充才能滿足抽氣要求。如鈦升華泵對氫有很高的抽速，但不能抽氦，而三極型濺射離子泵，(或二極型非對稱陰極濺射離子泵)對氬有一定的抽速，兩者組合起來，便會使真空裝置得到較好的真空度。另外，有的真空泵不能在大氣壓下工作，需要預真空;有的真空泵出口壓強低于大氣壓，需要前級泵，故都需要把泵組合起來使用。

　　5、真空設備對油污染的要求。若設備嚴格要求無油時，應該選各種無油泵，如：水環泵、分子篩吸附泵、濺射離子泵、低溫泵等。如果要求不嚴格，可以選擇有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、擋油阱等，也能達到清潔真空要求。

　　6、了解被抽氣體成分，氣體中含不含可凝蒸氣，有無顆粒灰塵，有無腐蝕性等。選擇真空泵時，需要知道氣體成分，針對被抽氣體選擇相應的泵。如果氣體中含有蒸氣、顆粒、及腐蝕性氣體，應該考慮在泵的進氣口管路上安裝輔助設備，如冷凝器、除塵器等。

　　7、真空泵排出來的油蒸氣對環境的影響如何。如果環境不允許有污染，可以選無油真空泵，或者把油蒸氣排到室外。

　　8、真空泵工作時產生的振動對工藝過程及環境有無影響。若工藝過程不允許，應選擇無振動的泵或者采取防振動措施。

　　9、真空泵的價格、運轉及維修費用。

　　二、水環式真空泵的選擇

　　(一)、泵類型的確定

　　泵的類型主要由工作所需的氣量、真空度或排氣壓力而定。 泵工作時，需要注意以下兩個方面： 1.盡可能要求在高效區內，也就是在臨界真空度或臨界排氣壓力的區域內運行。

　　2.應避免在最大真空度或最大排氣壓力附近運行。在此區域內運行，不僅效率極低，而且工作很不穩定，易產生振動和噪音。對于真空度較高的真空泵而言，在此區域之內運行，往往還會發生汽蝕現象，產生這種現象的明顯標志是泵內有噪音和振動。汽蝕會導致泵體、葉輪等零件的損壞，以致泵無法工作。

　　根據以上原則，當泵所需的真空度或氣體壓力不高時，可優先在單級泵中選取。如果真空度或排氣壓力較高，單級泵往往不能滿足，或者，要求泵在較高真空度情況下仍有較大氣量，即要求性能曲線在較高真空度時較平坦，可選用兩級泵。如果真空度要求在-710mmHg以上，可選用水環-大氣泵或水環-羅茨真空機組作為抽真空裝置。 如果只作真空泵用，則選用單作用泵比較好。因為單作用泵的構造簡單，容易制造和維護，且在高真空情況下抗汽蝕性好。如果僅作較大氣量的壓縮機使用，則選用雙作用的泵比較合適。因為雙作用泵的氣量大，體積小，重量輕，徑向力能得到自動平衡，軸不容易產生疲勞斷裂，泵的使用壽命較長。

　　(二)、根據系統所需的氣量選擇真空泵

　　初步選定了泵的類型之后，對于真空泵，還要根據系統所需的氣量來選用泵的型號。關于真空泵的抽速選擇及抽氣時間計算可參照：真空計算公式。

　　真空常用公式：

　　1、玻義爾定律

　　體積V，壓強P，P•V=常數 一定質量的氣體，當溫度不變時，氣體的壓強與氣體的體積成反比。 即P1/P2=V2/V1

　　2、蓋•呂薩克定律

　　當壓強P不變時，一定質量的氣體，其體積V與絕對溫度T成正比： V1/V2=T1/T2=常數 當壓強不變時，一定質量的氣體，溫度每升高(或P降低)1℃，則它的體積比原來增加(或縮小)1/273

　　3、查理定律

　　當氣體的體積V保持不變，一定質量的氣體，壓強P與其絕對溫度T成正比，即： P1/P2=T1/T2 在一定的體積下，一定質量的氣體，溫度每升高(或降低)1℃，它的壓強比原來增加(或減少)1/273。

　　4、平均自由程：

　　λ=(5×10-3)/P (cm)

　　5、抽速：

　　S=dv/dt (升/秒)或 S=Q/P

　　Q=流量(托•升/秒) P=壓強(托)　　V=體積(升) t=時間(秒)

　　6、通導：

　　C=Q/(P2-P1) (升/秒)

　　7、真空抽氣時間：

　　對于從大氣壓到1托抽氣時間計算式： t=8V/S (經驗公式)

　　V為體積，S為抽氣速率，通常t在5~10分鐘內選擇。

　　8、維持泵選擇： S維=S前/10

　　9、擴散泵抽速估算： S=3D2 (D=直徑cm)

　　10、羅茨泵的前級抽速： S=(0.1~0.2)S羅 (l/s)

　　11、漏率：

　　Q漏=V(P2-P1)/(t2-t1)

　　Q漏-系統漏率(mmHg•l/s) V-系統容積(l) P1-真空泵停止時系統中壓強(mmHg) P2-真空室經過時間t后達到的壓強(mmHg) t-壓強從P1升到P2經過的時間(s)

　　12、粗抽泵的抽速選擇：

　　S=Q1/P預 (l/s) S=2.3V•lg(Pa/P預)/t

　　S-機械泵有效抽速 Q1-真空系統漏氣率(托•升/秒) P預-需要達到的預真空度(托) V-真空系統容積(升) t-達到P預時所需要的時間 Pa-大氣壓值(托)

　　13、前級泵抽速選擇： 排氣口壓力低于一個大氣壓的傳輸泵如擴散泵、油增壓泵、羅茨泵、渦輪分子泵等，它**作時需要前級泵來維持其前級壓力低于臨界值，選用的前級泵必須能將主泵的最大氣體量排走，根據管路中，各截面流量恒等的原則有： PnSg≥PgS 或 Sg≥Pgs/Pn Sg-前級泵的有效抽速(l/s) Pn-主泵臨界前級壓強(最大排氣壓強)(l/s) Pg-真空室最高工作壓強(托) S-主泵工作時在Pg時的有效抽速。

　　14、擴散泵抽速計算公式： S=Q/P=(K•n)/(P•t)(升/秒) 式中：S-被試泵的抽氣速率(l/s) n-滴管內油柱上升格數(格) t-油柱上升n格所需要的時間(秒) P-在泵口附近測得的壓強(托) K-滴管系數(托•升/秒) K=V0•(L/n)•(Υ0/Υm)+Pa△Vt 其中V0-滴管和真空膠管的原始容積(升) L-滴管刻度部分的長度(mm) n-滴管刻度部分的格數(格) Υ0-油的比重(克/厘米3) Υm-汞的比重(克/厘米3) Pa-當地大氣壓強(托) △Vt-滴管的刻度上的一格的對應的容積(升/格)

　　15、旋片真空泵的幾何抽速計算公式： S=πZnLKv(D2-d2)/(24×104) (l/s) 式中：Z為旋片數，n為轉速(轉/分)，L為泵腔長度，D為泵腔直徑，d為轉子直徑(cm)，Kv為容積利用系數(一般取95%)。

　　16、O型橡膠槽深B=0.7D D為橡膠直徑，槽寬C=1.6B

　　17、方形橡膠槽深B=0.8A A為方形橡膠邊長，槽寬C=1.67B

　　三、真空常用名詞術語

　　1、真空的定義

　　真空系統指低于該地區大氣壓的稀簿氣體狀態

　　2、真空度

　　處于真空狀態下的氣體稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”來表示。真空度高表示真空度“好”的意思，真空度低表示真空度“差”的意思。

　　3、真空度單位

　　通常用托(Torr)為單位，近年國際上取用帕(Pa)作為單位。

　　1托=1/760大氣壓=1毫米汞柱

　　4、托與帕的轉換

　　1托=133.322帕　或　1帕=7.5×10-3托

　　5、平均自由程

　　作無規則熱運動的氣體粒子，相繼兩次碰撞所飛越的平均距離，用符號“λ”表示。

　　6、流量

　　單位時間流過任意截面的氣體量，符號用“Q”表示，單位為帕•升/秒(Pa•L/s)或托•升/秒(Torr•L/s)。

　　7、流導

　　表示真空管道通過氣體的能力。單位為升/秒(L/s)，在穩定狀態下，管道流導等于管道流量除以管道兩端壓強差。符號記作“U”。

　　U=Q/(P2- P1)

　　8、壓力或壓強

　　氣體分子作用于容器壁的單位面積上的力，用“P”表示。

　　9、標準大氣壓

　　壓強為每平方厘米101325達因的氣壓，符號：(Atm)。

　　10、極限真空

　　真空容器經充分抽氣后，穩定在某一真空度，此真空度稱為極限真空。通常真空容器須經12小時煉氣，再經12小時抽真空，最后一個小時每隔10分鐘測量一次，取其10次的平均值為極限真空值。

　　11、抽氣速率

　　在一定的壓強和溫度下，單位時間內由泵進氣口處抽走的氣體稱為抽氣速率，簡稱抽速。即Sp=Q/(P-P0)

　　12、熱偶真空計

　　利用熱電偶的電勢與加熱元件的溫度有關，元件的溫度又與氣體的熱傳導有關的原理來測量真空度的真空計。

　　13、電離真空計(又收熱陰極電離計)

　　由筒狀收集極，柵網和位于柵網中心的燈絲構成，筒狀收集極在柵網外面。熱陰極發射電子電離氣體分子，離子被收集極收集，根據收集的離子流大小來測量氣體壓強的真空計。

　　14、復合真空計

　　由熱偶真空計與熱陰極電離真空計組成，測量范圍從大氣~10-5Pa。

　　15、冷陰極電離計

　　陽極筒的兩端有一對陰極板，在外加磁場作用，陽極筒內形成潘寧放電產生離子，根據陰極板收集的離子流的大小來測定氣體壓強的真空計。

　　16、電阻真空計

　　利用加熱元件的電阻與溫度有關，元件的溫度又與氣體傳導有關的原理，通過電橋電路來測量真空度的真空計。

　　17、麥克勞真空計(壓縮式真空計)

　　將待測的氣體用汞(或油)壓縮到一極小體積，然后比較開管和閉管的液柱差，利用玻義爾定律直接算出氣體壓強的一種絕對真空計。

　　18、B-A規

　　這是一種陰極與收集極倒置的熱陰極電離規。收集極是一根細絲，放在柵網中心，燈絲放在柵網外面，因而減少軟X射線影響，延伸測量下限，可測超高真空。

　　19、水環真空泵

　　泵的葉輪轉子旋轉而產生水環。由于轉子偏心旋轉而使水環與葉片間容積發生周期性改變而進行抽氣的機械真空泵。

　　20、往復真空泵

　　利用活塞的往復運動而進行抽氣的機械真空泵。

　　21、油封機械真空泵

　　用油來保持密封的機械真空泵，可分為定片式、旋片式、滑閥式、余擺線式等。

　　22、羅茨真空泵

　　具有一對同步高速旋轉的鞋底形轉子的機械真空泵，此泵不可以單獨抽氣，前級需配油封、水環等可直排大氣的真空泵。

　　23、渦輪分子真空泵

　　有一高速旋轉的葉輪，當氣體分子與高速旋轉的渦輪葉片相碰撞時就被驅向出氣口再由前級泵抽除。

　　24、油擴散真空泵

　　擴散泵噴口中噴出高速蒸汽流。在分子流條件下，氣體分子不斷地向蒸流中擴散，并被蒸汽帶向泵出口處逐級被壓縮后再由前級泵排除。

　　25、低溫真空泵

　　利用20K以下的低溫表面凝聚吸附氣體的真空泵。

　　26、冷阱(水冷擋板)

　　置于真空容器和泵之間，用于吸附氣體或捕集油蒸汽的裝置。

　　27、氣鎮閥

　　油封機械真空泵的壓縮室上開一小孔，并裝上調節閥，當打開閥并調節入氣量，轉子轉到某一位置，空氣就通過此孔摻入壓縮室以降低壓縮比，從而使大部分蒸汽不致凝結而和摻入的氣體一起被排除泵外起此作用的閥門稱為氣鎮閥。

　　28、真空冷凍干燥

　　真空冷凍干燥，也稱升華干燥。其原理是將材料冷凍，使其含有的水份變成冰塊，然后在真空下使冰升華而達到干燥目的。

　　29、真空蒸鍍

　　在真空環境中，將材料加熱并鍍到基片上稱為真空蒸鍍，或叫真空鍍膜。

　　30、真空干燥

　　利用真空環境下沸點低的特點來干燥物品的方法。

　　31、真空系統常用名稱

　　(1)主泵：在真空系統中，用于獲得所需要真空度來滿足特定工藝要求的真空泵，如真空鍍膜機中的油擴散泵就是主泵。

　　(2)前級泵：用于維持某一真空泵前級壓強低于其臨界前級壓強的真空泵。如羅茨泵前配置的旋片或滑閥泵就是前級泵。

　　(3)粗抽泵：從大氣壓下開始抽氣，并將系統壓力抽到另一真空泵開始工作的真空泵。如真空鍍膜機中的滑閥泵，就是粗油泵。

　　(4)維持泵：在真空系統中，氣量很小時，不能有效地利用前級泵。為此配置一種容量較小的輔助泵來維持主泵工作，此泵叫維持泵。如擴散泵出口處配一臺小型旋片泵，就是維持泵。