真空泵的选择与工作原理

　　真空泵的选择与工作原理

　　一、选用真空泵时，需要注意下列事项：

　　1、真空泵的工作压强应该满足真空设备的极限真空及工作压强要求。如：真空镀膜要求1×10-5mmHg的真空度，选用的真空泵的真空度至少要5×10-6mmHg。通常选择泵的真空度要高于真空设备真空度半个到一个数量级。

　　2、正确地选择真空泵的工作点。每种泵都有一定的工作压强范围，如：扩散泵为10-3~10-7mmHg，在这样宽压强范围内，泵的抽速随压强而变化，其稳定的工作压强范围为5×10-4~5×10-6mmHg。因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在10-8mmHg下长期工作。又如钛升华泵可以在10-2mmHg下工作，但其工作压强应小于1×10-5mmHg为好。

　　3、真空泵在其工作压强下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。

　　4、正确地组合真空泵。由于真空泵有选择性抽气，因而，有时选用一种泵不能满足抽气要求，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足抽气要求。如钛升华泵对氢有很高的抽速，但不能抽氦，而三极型溅射离子泵，(或二极型非对称阴极溅射离子泵)对氩有一定的抽速，两者组合起来，便会使真空装置得到较好的真空度。另外，有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空;有的真空泵出口压强低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。

　　5、真空设备对油污染的要求。若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：水环泵、分子筛吸附泵、溅射离子泵、低温泵等。如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施，如加冷阱、障板、挡油阱等，也能达到清洁真空要求。

　　6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸气，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。如果气体中含有蒸气、颗粒、及腐蚀性气体，应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。

　　7、真空泵排出来的油蒸气对环境的影响如何。如果环境不允许有污染，可以选无油真空泵，或者把油蒸气排到室外。

　　8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响。若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。

　　9、真空泵的价格、运转及维修费用。

　　二、水环式真空泵的选择

　　(一)、泵类型的确定

　　泵的类型主要由工作所需的气量、真空度或排气压力而定。 泵工作时，需要注意以下两个方面： 1.尽可能要求在高效区内，也就是在临界真空度或临界排气压力的区域内运行。

　　2.应避免在最大真空度或最大排气压力附近运行。在此区域内运行，不仅效率极低，而且工作很不稳定，易产生振动和噪音。对于真空度较高的真空泵而言，在此区域之内运行，往往还会发生汽蚀现象，产生这种现象的明显标志是泵内有噪音和振动。汽蚀会导致泵体、叶轮等零件的损坏，以致泵无法工作。

　　根据以上原则，当泵所需的真空度或气体压力不高时，可优先在单级泵中选取。如果真空度或排气压力较高，单级泵往往不能满足，或者，要求泵在较高真空度情况下仍有较大气量，即要求性能曲线在较高真空度时较平坦，可选用两级泵。如果真空度要求在-710mmHg以上，可选用水环-大气泵或水环-罗茨真空机组作为抽真空装置。 如果只作真空泵用，则选用单作用泵比较好。因为单作用泵的构造简单，容易制造和维护，且在高真空情况下抗汽蚀性好。如果仅作较大气量的压缩机使用，则选用双作用的泵比较合适。因为双作用泵的气量大，体积小，重量轻，径向力能得到自动平衡，轴不容易产生疲劳断裂，泵的使用寿命较长。

　　(二)、根据系统所需的气量选择真空泵

　　初步选定了泵的类型之后，对于真空泵，还要根据系统所需的气量来选用泵的型号。关于真空泵的抽速选择及抽气时间计算可参照：真空计算公式。

　　真空常用公式：

　　1、玻义尔定律

　　体积V，压强P，P•V=常数 一定质量的气体，当温度不变时，气体的压强与气体的体积成反比。 即P1/P2=V2/V1

　　2、盖•吕萨克定律

　　当压强P不变时，一定质量的气体，其体积V与绝对温度T成正比： V1/V2=T1/T2=常数 当压强不变时，一定质量的气体，温度每升高(或P降低)1℃，则它的体积比原来增加(或缩小)1/273

　　3、查理定律

　　当气体的体积V保持不变，一定质量的气体，压强P与其绝对温度T成正比，即： P1/P2=T1/T2 在一定的体积下，一定质量的气体，温度每升高(或降低)1℃，它的压强比原来增加(或减少)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=压强(托)　　V=体积(升) t=时间(秒)

　　6、通导：

　　C=Q/(P2-P1) (升/秒)

　　7、真空抽气时间：

　　对于从大气压到1托抽气时间计算式： t=8V/S (经验公式)

　　V为体积，S为抽气速率，通常t在5~10分钟内选择。

　　8、维持泵选择： S维=S前/10

　　9、扩散泵抽速估算： S=3D2 (D=直径cm)

　　10、罗茨泵的前级抽速： S=(0.1~0.2)S罗 (l/s)

　　11、漏率：

　　Q漏=V(P2-P1)/(t2-t1)

　　Q漏-系统漏率(mmHg•l/s) V-系统容积(l) P1-真空泵停止时系统中压强(mmHg) P2-真空室经过时间t后达到的压强(mmHg) t-压强从P1升到P2经过的时间(s)

　　12、粗抽泵的抽速选择：

　　S=Q1/P预 (l/s) S=2.3V•lg(Pa/P预)/t

　　S-机械泵有效抽速 Q1-真空系统漏气率(托•升/秒) P预-需要达到的预真空度(托) V-真空系统容积(升) t-达到P预时所需要的时间 Pa-大气压值(托)

　　13、前级泵抽速选择： 排气口压力低于一个大气压的传输泵如扩散泵、油增压泵、罗茨泵、涡轮分子泵等，它**作时需要前级泵来维持其前级压力低于临界值，选用的前级泵必须能将主泵的最大气体量排走，根据管路中，各截面流量恒等的原则有： PnSg≥PgS 或 Sg≥Pgs/Pn Sg-前级泵的有效抽速(l/s) Pn-主泵临界前级压强(最大排气压强)(l/s) Pg-真空室最高工作压强(托) S-主泵工作时在Pg时的有效抽速。

　　14、扩散泵抽速计算公式： S=Q/P=(K•n)/(P•t)(升/秒) 式中：S-被试泵的抽气速率(l/s) n-滴管内油柱上升格数(格) t-油柱上升n格所需要的时间(秒) P-在泵口附近测得的压强(托) K-滴管系数(托•升/秒) K=V0•(L/n)•(Υ0/Υm)+Pa△Vt 其中V0-滴管和真空胶管的原始容积(升) L-滴管刻度部分的长度(mm) n-滴管刻度部分的格数(格) Υ0-油的比重(克/厘米3) Υm-汞的比重(克/厘米3) Pa-当地大气压强(托) △Vt-滴管的刻度上的一格的对应的容积(升/格)

　　15、旋片真空泵的几何抽速计算公式： S=πZnLKv(D2-d2)/(24×104) (l/s) 式中：Z为旋片数，n为转速(转/分)，L为泵腔长度，D为泵腔直径，d为转子直径(cm)，Kv为容积利用系数(一般取95%)。

　　16、O型橡胶槽深B=0.7D D为橡胶直径，槽宽C=1.6B

　　17、方形橡胶槽深B=0.8A A为方形橡胶边长，槽宽C=1.67B

　　三、真空常用名词术语

　　1、真空的定义

　　真空系统指低于该地区大气压的稀簿气体状态

　　2、真空度

　　处于真空状态下的气体稀簿程度，通常用“真空度高”和“真空度低”来表示。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、真空度单位

　　通常用托(Torr)为单位，近年国际上取用帕(Pa)作为单位。

　　1托=1/760大气压=1毫米汞柱

　　4、托与帕的转换

　　1托=133.322帕　或　1帕=7.5×10-3托

　　5、平均自由程

　　作无规则热运动的气体粒子，相继两次碰撞所飞越的平均距离，用符号“λ”表示。

　　6、流量

　　单位时间流过任意截面的气体量，符号用“Q”表示，单位为帕•升/秒(Pa•L/s)或托•升/秒(Torr•L/s)。

　　7、流导

　　表示真空管道通过气体的能力。单位为升/秒(L/s)，在稳定状态下，管道流导等于管道流量除以管道两端压强差。符号记作“U”。

　　U=Q/(P2- P1)

　　8、压力或压强

　　气体分子作用于容器壁的单位面积上的力，用“P”表示。

　　9、标准大气压

　　压强为每平方厘米101325达因的气压，符号：(Atm)。

　　10、极限真空

　　真空容器经充分抽气后，稳定在某一真空度，此真空度称为极限真空。通常真空容器须经12小时炼气，再经12小时抽真空，最后一个小时每隔10分钟测量一次，取其10次的平均值为极限真空值。

　　11、抽气速率

　　在一定的压强和温度下，单位时间内由泵进气口处抽走的气体称为抽气速率，简称抽速。即Sp=Q/(P-P0)

　　12、热偶真空计

　　利用热电偶的电势与加热元件的温度有关，元件的温度又与气体的热传导有关的原理来测量真空度的真空计。

　　13、电离真空计(又收热阴极电离计)

　　由筒状收集极，栅网和位于栅网中心的灯丝构成，筒状收集极在栅网外面。热阴极发射电子电离气体分子，离子被收集极收集，根据收集的离子流大小来测量气体压强的真空计。

　　14、复合真空计

　　由热偶真空计与热阴极电离真空计组成，测量范围从大气~10-5Pa。

　　15、冷阴极电离计

　　阳极筒的两端有一对阴极板，在外加磁场作用，阳极筒内形成潘宁放电产生离子，根据阴极板收集的离子流的大小来测定气体压强的真空计。

　　16、电阻真空计

　　利用加热元件的电阻与温度有关，元件的温度又与气体传导有关的原理，通过电桥电路来测量真空度的真空计。

　　17、麦克劳真空计(压缩式真空计)

　　将待测的气体用汞(或油)压缩到一极小体积，然后比较开管和闭管的液柱差，利用玻义尔定律直接算出气体压强的一种绝对真空计。

　　18、B-A规

　　这是一种阴极与收集极倒置的热阴极电离规。收集极是一根细丝，放在栅网中心，灯丝放在栅网外面，因而减少软X射线影响，延伸测量下限，可测超高真空。

　　19、水环真空泵

　　泵的叶轮转子旋转而产生水环。由于转子偏心旋转而使水环与叶片间容积发生周期性改变而进行抽气的机械真空泵。

　　20、往复真空泵

　　利用活塞的往复运动而进行抽气的机械真空泵。

　　21、油封机械真空泵

　　用油来保持密封的机械真空泵，可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式等。

　　22、罗茨真空泵

　　具有一对同步高速旋转的鞋底形转子的机械真空泵，此泵不可以单独抽气，前级需配油封、水环等可直排大气的真空泵。

　　23、涡轮分子真空泵

　　有一高速旋转的叶轮，当气体分子与高速旋转的涡轮叶片相碰撞时就被驱向出气口再由前级泵抽除。

　　24、油扩散真空泵

　　扩散泵喷口中喷出高速蒸汽流。在分子流条件下，气体分子不断地向蒸流中扩散，并被蒸汽带向泵出口处逐级被压缩后再由前级泵排除。

　　25、低温真空泵

　　利用20K以下的低温表面凝聚吸附气体的真空泵。

　　26、冷阱(水冷挡板)

　　置于真空容器和泵之间，用于吸附气体或捕集油蒸汽的装置。

　　27、气镇阀

　　油封机械真空泵的压缩室上开一小孔，并装上调节阀，当打开阀并调节入气量，转子转到某一位置，空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比，从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外起此作用的阀门称为气镇阀。

　　28、真空冷冻干燥

　　真空冷冻干燥，也称升华干燥。其原理是将材料冷冻，使其含有的水份变成冰块，然后在真空下使冰升华而达到干燥目的。

　　29、真空蒸镀

　　在真空环境中，将材料加热并镀到基片上称为真空蒸镀，或叫真空镀膜。

　　30、真空干燥

　　利用真空环境下沸点低的特点来干燥物品的方法。

　　31、真空系统常用名称

　　(1)主泵：在真空系统中，用于获得所需要真空度来满足特定工艺要求的真空泵，如真空镀膜机中的油扩散泵就是主泵。

　　(2)前级泵：用于维持某一真空泵前级压强低于其临界前级压强的真空泵。如罗茨泵前配置的旋片或滑阀泵就是前级泵。

　　(3)粗抽泵：从大气压下开始抽气，并将系统压力抽到另一真空泵开始工作的真空泵。如真空镀膜机中的滑阀泵，就是粗油泵。

　　(4)维持泵：在真空系统中，气量很小时，不能有效地利用前级泵。为此配置一种容量较小的辅助泵来维持主泵工作，此泵叫维持泵。如扩散泵出口处配一台小型旋片泵，就是维持泵。