真空泵的選擇與工作原理

　　一、選用真空泵時(shí)，需要注意下列事項(xiàng)：

　　1、真空泵的工作壓強(qiáng)應(yīng)該滿足真空設(shè)備的極限真空及工作壓強(qiáng)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(shè)備真空度半個(gè)到一個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　2、正確地選擇真空泵的工作點(diǎn)。每種泵都有一定的工作壓強(qiáng)范圍，如：擴(kuò)散泵為10-3~10-7mmHg，在這樣寬壓強(qiáng)范圍內(nèi)，泵的抽速隨壓強(qiáng)而變化，其穩(wěn)定的工作壓強(qiáng)范圍為5×10-4~5×10-6mmHg。因而，泵的工作點(diǎn)應(yīng)該選在這個(gè)范圍之內(nèi)，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(qiáng)應(yīng)小于1×10-5mmHg為好。

　　3、真空泵在其工作壓強(qiáng)下，應(yīng)能排走真空設(shè)備工藝過程中產(chǎn)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(shí)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(bǔ)充才能滿足抽氣要求。如鈦升華泵對(duì)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(duì)稱陰極濺射離子泵)對(duì)氬有一定的抽速，兩者組合起來，便會(huì)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(yù)真空;有的真空泵出口壓強(qiáng)低于大氣壓，需要前級(jí)泵，故都需要把泵組合起來使用。

　　5、真空設(shè)備對(duì)油污染的要求。若設(shè)備嚴(yán)格要求無油時(shí)，應(yīng)該選各種無油泵，如：水環(huán)泵、分子篩吸附泵、濺射離子泵、低溫泵等。如果要求不嚴(yán)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(dá)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(shí)，需要知道氣體成分，針對(duì)被抽氣體選擇相應(yīng)的泵。如果氣體中含有蒸氣、顆粒、及腐蝕性氣體，應(yīng)該考慮在泵的進(jìn)氣口管路上安裝輔助設(shè)備，如冷凝器、除塵器等。

　　7、真空泵排出來的油蒸氣對(duì)環(huán)境的影響如何。如果環(huán)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(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)工藝過程及環(huán)境有無影響。若工藝過程不允許，應(yīng)選擇無振動(dòng)的泵或者采取防振動(dòng)措施。

　　9、真空泵的價(jià)格、運(yùn)轉(zhuǎn)及維修費(fèi)用。

　　二、水環(huán)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(shí)，需要注意以下兩個(gè)方面： 1.盡可能要求在高效區(qū)內(nèi)，也就是在臨界真空度或臨界排氣壓力的區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。

　　2.應(yīng)避免在最大真空度或最大排氣壓力附近運(yùn)行。在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，不僅效率極低，而且工作很不穩(wěn)定，易產(chǎn)生振動(dòng)和噪音。對(duì)于真空度較高的真空泵而言，在此區(qū)域之內(nèi)運(yùn)行，往往還會(huì)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的明顯標(biāo)志是泵內(nèi)有噪音和振動(dòng)。汽蝕會(huì)導(dǎo)致泵體、葉輪等零件的損壞，以致泵無法工作。

　　根據(jù)以上原則，當(dāng)泵所需的真空度或氣體壓力不高時(shí)，可優(yōu)先在單級(jí)泵中選取。如果真空度或排氣壓力較高，單級(jí)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(shí)較平坦，可選用兩級(jí)泵。如果真空度要求在-710mmHg以上，可選用水環(huán)-大氣泵或水環(huán)-羅茨真空機(jī)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?yàn)閱巫饔帽玫臉?gòu)造簡單，容易制造和維護(hù)，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(jī)使用，則選用雙作用的泵比較合適。因?yàn)殡p作用泵的氣量大，體積小，重量輕，徑向力能得到自動(dòng)平衡，軸不容易產(chǎn)生疲勞斷裂，泵的使用壽命較長。

　　(二)、根據(jù)系統(tǒng)所需的氣量選擇真空泵

　　初步選定了泵的類型之后，對(duì)于真空泵，還要根據(jù)系統(tǒng)所需的氣量來選用泵的型號(hào)。關(guān)于真空泵的抽速選擇及抽氣時(shí)間計(jì)算可參照：真空計(jì)算公式。

　　真空常用公式：

　　1、玻義爾定律

　　體積V，壓強(qiáng)P，P?V=常數(shù) 一定質(zhì)量的氣體，當(dāng)溫度不變時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與氣體的體積成反比。 即P1/P2=V2/V1

　　2、蓋?呂薩克定律

　　當(dāng)壓強(qiáng)P不變時(shí)，一定質(zhì)量的氣體，其體積V與絕對(duì)溫度T成正比： V1/V2=T1/T2=常數(shù) 當(dāng)壓強(qiáng)不變時(shí)，一定質(zhì)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(dāng)氣體的體積V保持不變，一定質(zhì)量的氣體，壓強(qiáng)P與其絕對(duì)溫度T成正比，即： P1/P2=T1/T2 在一定的體積下，一定質(zhì)量的氣體，溫度每升高(或降低)1℃，它的壓強(qiáng)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(qiáng)(托)　　V=體積(升) t=時(shí)間(秒)

　　6、通導(dǎo)：

　　C=Q/(P2-P1) (升/秒)

　　7、真空抽氣時(shí)間：

　　對(duì)于從大氣壓到1托抽氣時(shí)間計(jì)算式： t=8V/S (經(jīng)驗(yàn)公式)

　　V為體積，S為抽氣速率，通常t在5~10分鐘內(nèi)選擇。

　　8、維持泵選擇： S維=S前/10

　　9、擴(kuò)散泵抽速估算： S=3D2 (D=直徑cm)

　　10、羅茨泵的前級(jí)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(tǒng)漏率(mmHg?l/s) V-系統(tǒng)容積(l) P1-真空泵停止時(shí)系統(tǒng)中壓強(qiáng)(mmHg) P2-真空室經(jīng)過時(shí)間t后達(dá)到的壓強(qiáng)(mmHg) t-壓強(qiáng)從P1升到P2經(jīng)過的時(shí)間(s)

　　12、粗抽泵的抽速選擇：

　　S=Q1/P預(yù) (l/s) S=2.3V?lg(Pa/P預(yù))/t

　　S-機(jī)械泵有效抽速 Q1-真空系統(tǒng)漏氣率(托?升/秒) P預(yù)-需要達(dá)到的預(yù)真空度(托) V-真空系統(tǒng)容積(升) t-達(dá)到P預(yù)時(shí)所需要的時(shí)間 Pa-大氣壓值(托)

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

　　14、擴(kuò)散泵抽速計(jì)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(nèi)油柱上升格數(shù)(格) t-油柱上升n格所需要的時(shí)間(秒) P-在泵口附近測得的壓強(qiáng)(托) K-滴管系數(shù)(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(shù)(格) Υ0-油的比重(克/厘米3) Υm-汞的比重(克/厘米3) Pa-當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)(托) △Vt-滴管的刻度上的一格的對(duì)應(yīng)的容積(升/格)

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

　　1、真空的定義

　　真空系統(tǒng)指低于該地區(qū)大氣壓的稀簿氣體狀態(tài)

　　2、真空度

　　處于真空狀態(tài)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(zhuǎn)換

　　1托=133.322帕　或　1帕=7.5×10-3托

　　5、平均自由程

　　作無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)的氣體粒子，相繼兩次碰撞所飛越的平均距離，用符號(hào)“λ”表示。

　　6、流量

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

　　7、流導(dǎo)

　　表示真空管道通過氣體的能力。單位為升/秒(L/s)，在穩(wěn)定狀態(tài)下，管道流導(dǎo)等于管道流量除以管道兩端壓強(qiáng)差。符號(hào)記作“U”。

　　U=Q/(P2- P1)

　　8、壓力或壓強(qiáng)

　　氣體分子作用于容器壁的單位面積上的力，用“P”表示。

　　9、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

　　壓強(qiáng)為每平方厘米101325達(dá)因的氣壓，符號(hào)：(Atm)。

　　10、極限真空

　　真空容器經(jīng)充分抽氣后，穩(wěn)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(jīng)12小時(shí)煉氣，再經(jīng)12小時(shí)抽真空，最后一個(gè)小時(shí)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(qiáng)和溫度下，單位時(shí)間內(nèi)由泵進(jìn)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(jì)

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

　　13、電離真空計(jì)(又收熱陰極電離計(jì))

　　由筒狀收集極，柵網(wǎng)和位于柵網(wǎng)中心的燈絲構(gòu)成，筒狀收集極在柵網(wǎng)外面。熱陰極發(fā)射電子電離氣體分子，離子被收集極收集，根據(jù)收集的離子流大小來測量氣體壓強(qiáng)的真空計(jì)。

　　14、復(fù)合真空計(jì)

　　由熱偶真空計(jì)與熱陰極電離真空計(jì)組成，測量范圍從大氣~10-5Pa。

　　15、冷陰極電離計(jì)

　　陽極筒的兩端有一對(duì)陰極板，在外加磁場作用，陽極筒內(nèi)形成潘寧放電產(chǎn)生離子，根據(jù)陰極板收集的離子流的大小來測定氣體壓強(qiáng)的真空計(jì)。

　　16、電阻真空計(jì)

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

　　17、麥克勞真空計(jì)(壓縮式真空計(jì))

　　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(qiáng)的一種絕對(duì)真空計(jì)。

　　18、B-A規(guī)

　　這是一種陰極與收集極倒置的熱陰極電離規(guī)。收集極是一根細(xì)絲，放在柵網(wǎng)中心，燈絲放在柵網(wǎng)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(huán)真空泵

　　泵的葉輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生水環(huán)。由于轉(zhuǎn)子偏心旋轉(zhuǎn)而使水環(huán)與葉片間容積發(fā)生周期性改變而進(jìn)行抽氣的機(jī)械真空泵。

　　20、往復(fù)真空泵

　　利用活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行抽氣的機(jī)械真空泵。

　　21、油封機(jī)械真空泵

　　用油來保持密封的機(jī)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(duì)同步高速旋轉(zhuǎn)的鞋底形轉(zhuǎn)子的機(jī)械真空泵，此泵不可以單獨(dú)抽氣，前級(jí)需配油封、水環(huán)等可直排大氣的真空泵。

　　23、渦輪分子真空泵

　　有一高速旋轉(zhuǎn)的葉輪，當(dāng)氣體分子與高速旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片相碰撞時(shí)就被驅(qū)向出氣口再由前級(jí)泵抽除。

　　24、油擴(kuò)散真空泵

　　擴(kuò)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(kuò)散，并被蒸汽帶向泵出口處逐級(jí)被壓縮后再由前級(jí)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(zhèn)閥

　　油封機(jī)械真空泵的壓縮室上開一小孔，并裝上調(diào)節(jié)閥，當(dāng)打開閥并調(diào)節(jié)入氣量，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jié)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(zhèn)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(dá)到干燥目的。

　　29、真空蒸鍍

　　在真空環(huán)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(huán)境下沸點(diǎn)低的特點(diǎn)來干燥物品的方法。

　　31、真空系統(tǒng)常用名稱

　　(1)主泵：在真空系統(tǒng)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(jī)中的油擴(kuò)散泵就是主泵。

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

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

　　(4)維持泵：在真空系統(tǒng)中，氣量很小時(shí)，不能有效地利用前級(jí)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(kuò)散泵出口處配一臺(tái)小型旋片泵，就是維持泵。

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