真空泵知識

1 概述
1.1 真空的獲得方法
人們通常把能夠從密閉容器中排出氣體或使容器中的氣體分子數(shù)目不斷減少的設(shè)備稱為真空獲得設(shè)備或真空泵。目前在真空技術(shù)中，采用各種不同的方法，已經(jīng)能夠獲得和測量從大氣壓力105Pa到10-13Pa，寬達(dá)18個(gè)數(shù)量級的壓力范圍。顯然，只用一種真空泵，獲得這樣寬的低壓空間的氣體狀態(tài)，是十分困難的。
在真空獲得技術(shù)中，目前用以獲得真空的技術(shù)方法有兩種，一種是通過某此機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)把氣體直接從密閉容器中排出；另一種是通過物理、化學(xué)等方法將氣體分子吸附或冷凝在低溫表面上。利用這兩種方法所制造的各種真空泵種類較多，分類方法各異，但是，最常用的方法還是按泵的工作原理或其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)加以分類。這一點(diǎn)，我們將在下一節(jié)中介紹。
1.2 真空泵的分類
按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，即氣體傳輸泵和氣體捕集泵。隨著真空應(yīng)用技術(shù)在生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中對其應(yīng)用壓強(qiáng)范圍的要求越來越寬，大多需要由幾種真空泵組成真空抽氣系統(tǒng)共同抽氣后才能滿足生產(chǎn)和科學(xué)研究過程的要求，因此選用不同類型真空泵組成的真空抽氣機(jī)組進(jìn)行抽氣的情況較多。為了方便起見，將這些泵按其工作原理或其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行一些具體的詳細(xì)的分類是必要的。現(xiàn)分述如下：
1.2.1 氣體傳輸泵
氣體傳輸泵是一種能使氣體不斷的吸入和排出，借以達(dá)到抽氣目的的真空泵，這種泵基本上有兩種類型：
1）變?nèi)菡婵毡?
變?nèi)菡婵毡檬抢帽们蝗莘e的周期性變化來完成吸氣和排氣過程的一種真空泵。氣體在排出前被壓縮。這種泵分為往復(fù)式及旋轉(zhuǎn)式兩種：
⑴往復(fù)真空泵：是利用泵腔內(nèi)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入、壓縮并排出。因此，又稱為活塞式真空泵。
⑵旋轉(zhuǎn)真空泵：是利用泵腔內(nèi)活塞做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將氣體吸入，壓縮并排出。旋轉(zhuǎn)真空泵又有如下幾種型式：
①油封式真空泵：它是利用油類密封各運(yùn)動(dòng)部件之間的間隙，減少有害空間的一種旋轉(zhuǎn)變?nèi)菡婵毡?。這種泵通常帶有氣鎮(zhèn)裝置，故又稱氣鎮(zhèn)式真空泵。按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分為如下五種型式。
a)旋片式真空泵：轉(zhuǎn)子以一定的偏心距裝在泵殼內(nèi)并與泵殼內(nèi)表面的固定面靠近，在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有兩個(gè)（或兩個(gè)以上）旋片，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)旋片能沿其徑向槽往復(fù)滑動(dòng)且與泵殼內(nèi)壁始終接觸，此旋片隨轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)，可將泵腔分成幾個(gè)可變?nèi)莘e。
b）滑閥式真空泵：在偏心轉(zhuǎn)子外部裝有一個(gè)滑閥，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滑閥沿泵殼內(nèi)壁滑動(dòng)和滾動(dòng)，滑閥上部的滑閥桿能在可擺動(dòng)的滑閥導(dǎo)軌中滑動(dòng)，而把泵腔分成兩個(gè)可變?nèi)莘e。
c）定片式真空泵：在泵殼內(nèi)裝有一個(gè)與泵內(nèi)表面靠近的偏心轉(zhuǎn)子，泵殼上裝有一個(gè)始終與轉(zhuǎn)子表面接觸的徑向滑片，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，滑片能上、下滑動(dòng)將泵腔分成兩個(gè)可變?nèi)莘e。
d）余擺線式真空泵：在泵腔內(nèi)偏心裝有一個(gè)型線為余擺線的轉(zhuǎn)子，它沿泵腔內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)并將泵腔分成兩個(gè)可變?nèi)莘e。
e）多室旋片式真空泵：在一個(gè)泵殼內(nèi)并聯(lián)裝有由同一個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的多個(gè)獨(dú)立工作室的旋片真空泵。
②干式真空泵：它是一種不用油類（或液體）密封的變?nèi)菡婵毡谩?
③液環(huán)式真空泵：帶有多葉片的轉(zhuǎn)子偏心裝在泵殼內(nèi)，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時(shí)，把液體（通常為水或油）拋向泵殼形成泵殼同心的液環(huán)，液環(huán)同轉(zhuǎn)子葉片形成了容積周期變化的幾個(gè)小容積，故亦稱旋轉(zhuǎn)變?nèi)菡婵毡谩?
④羅茨真空泵：泵內(nèi)裝有兩個(gè)相反方向同步旋轉(zhuǎn)的雙葉形或多葉形的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子同泵殼內(nèi)壁之間均保持一定的間隙。它屬于旋轉(zhuǎn)變真空泵。機(jī)械增壓泵即為這種型式的真空泵。
2）動(dòng)量傳輸泵
這種泵是依靠高速旋轉(zhuǎn)的葉片或高速射流，把動(dòng)量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續(xù)不斷地從泵的入口傳輸?shù)匠隹?。具體可分為下述幾種類型。
⑴分子真空泵：它是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把能量傳輸給氣體分子，使之壓縮、排氣的一種真空泵。它有如下幾種型式：
①牽引分子泵：氣體分子與高速運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動(dòng)量，被送到出口，因此，是一種動(dòng)量傳輸泵。
②渦輪分子泵：泵內(nèi)裝有帶槽的圓盤或帶葉片的轉(zhuǎn)子，它在定子圓盤（或定片）間旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子圓周的線速度很高。這種泵通常在分子流狀態(tài)下工作。
③復(fù)合分子泵：它是由渦輪式和牽引式兩種分子泵串聯(lián)組合起來的一種復(fù)合式分子真空泵。
⑵噴射真空泵：它是利用文丘里（Venturi）效應(yīng)的壓力降產(chǎn)生的高速射流把氣體輸送到出口的一種動(dòng)量傳輸泵，適于在粘滯流和過渡流狀態(tài)下工作。這種泵又可詳細(xì)地分成以下幾種：
①液體噴射真空泵：以液體（通常為水）為工作介質(zhì)的噴射真空泵。
②氣體噴射真空泵：以非可凝性氣體作為工作介質(zhì)的噴射真空泵。
③蒸氣噴射真空泵：以蒸氣（水、油或汞等蒸氣）作為工作介質(zhì)的噴射真空泵。
⑶擴(kuò)散泵：以低壓高速蒸氣流（油或汞等蒸氣）作為工作介質(zhì)的噴射真空泵。氣體分子擴(kuò)散到蒸氣射流中，被送到出口。在射流中氣體分子密度始終是很低的，這種泵適于在分子流狀態(tài)下工作。可分為：
①自凈化擴(kuò)散泵：泵液中易揮發(fā)的雜質(zhì)經(jīng)專門的機(jī)械輸送到出口而不回到鍋爐中的一種油擴(kuò)散泵。
②分餾式擴(kuò)散泵：這種泵具有分餾裝置，使蒸氣壓強(qiáng)較低的工作液蒸氣進(jìn)入高真空工作的噴嘴，而蒸氣壓強(qiáng)較高的工作液蒸氣進(jìn)入低真空工作的噴嘴，它是一種多級油擴(kuò)散泵。
⑷擴(kuò)散噴射泵：它是一種有擴(kuò)散泵特性的單級或多級噴嘴與具有噴射真空泵特性的單級或多級噴嘴串聯(lián)組成的一種動(dòng)量傳輸泵。油增壓泵即屬于這種型式。
⑸離子傳輸泵：它是將被電離的氣體在電磁場或電場的作用下，輸送到出口的一種動(dòng)量傳輸泵。
1.2.2 氣體捕集泵
這種泵是一種使氣體分子被吸附或凝結(jié)在泵的內(nèi)表面上，從而減小了容器內(nèi)的氣體分子數(shù)目而達(dá)到抽氣目的的真空泵，有以下幾種型式。
1）吸附泵
它主要依靠具有大表面的吸附劑（如多孔物質(zhì)）的物理吸附作用來抽氣的一種捕集式真空泵。
2）吸氣劑泵
它是一種利用吸氣劑以化學(xué)結(jié)合方式捕獲氣體的真空泵。吸氣劑通常是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式存在的金屬或合金。升華泵即屬于這種型式。
3）吸氣劑離子泵
它是使被電離的氣體通過電磁場或電場的作用吸附在有吸氣材料的表面上，以達(dá)到抽氣的目的。它有如下幾種型式。
⑴蒸發(fā)離子泵：泵內(nèi)被電離的氣體吸附在以間斷或連續(xù)方式升華（或蒸發(fā)）而覆在泵內(nèi)壁的吸氣材料上，以實(shí)現(xiàn)抽氣的一種真空泵。
⑵濺射離子泵：泵內(nèi)被電離的氣體吸附在由陰極連續(xù)濺射散出來的吸氣材料上，以實(shí)現(xiàn)抽氣目的的一種真空泵。
4）低溫泵
利用低溫表面捕集氣體的真空泵
1.3 真空泵的性能參數(shù)及使用范圍
1.3.1 真空泵的性能參數(shù)
1）真空泵的極限壓強(qiáng)
泵的極限壓強(qiáng)單位是Pa，是指泵在入口處裝有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)罩并按規(guī)定條件工作，在不引入氣體正常工作的情況下，趨向穩(wěn)定的最低壓強(qiáng)。
2）真空泵的抽氣速率
泵的抽氣速率單位是m3/s或l/s，是指泵裝有標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)罩，并按規(guī)定條件工作時(shí)，從試驗(yàn)罩流過的氣體流量與在試驗(yàn)罩指定位置測得的平衡壓強(qiáng)之比。簡稱泵的抽速。
3）真空泵的抽氣量
真空泵的抽氣量單位是Pa m3/s或Pa l/s。是指泵入口的氣體流量。
4）真空泵的起動(dòng)壓強(qiáng)
真空泵的起動(dòng)壓強(qiáng)單位為Pa，它是指泵無損壞起動(dòng)并有抽氣作用時(shí)的壓強(qiáng)。
5）泵的前級壓強(qiáng)
真空泵的前級壓強(qiáng)單位是Pa，它是指排氣壓強(qiáng)低于一個(gè)大氣壓的真空泵的出口壓強(qiáng)。
6）真空泵的最大前級壓強(qiáng)
真空泵口最大前級壓強(qiáng)單位是Pa，它是指超過了能使泵損壞的前級壓強(qiáng)。
7）真空泵的最大工作壓強(qiáng)
真空泵的最大工作壓強(qiáng)單位是Pa，它是指對應(yīng)最大抽氣量的入口壓強(qiáng)。在此壓強(qiáng)下，泵能連續(xù)工作而不惡化或損壞。
8）壓縮比
壓縮比是指泵對給定氣體的出口壓強(qiáng)與入口壓強(qiáng)之比。
9）何氏系數(shù)
泵抽氣通道面積上的實(shí)際抽速與該處按分子瀉流計(jì)算的理論抽速之比。
10）抽速系數(shù)
泵的實(shí)際抽速與泵入口處按分子瀉流計(jì)算的理論抽速之比。
11）返流率
泵的返流率單位是g/cm2.s。它是指泵按規(guī)定條件工作時(shí)，通過泵入口單位面積的泵流質(zhì)量流率。
12）水蒸氣允許量
水蒸氣的允許量單位是kg/h，它是指泵在正常環(huán)境條件下，氣鎮(zhèn)泵在連續(xù)工作時(shí)能抽除的水蒸氣質(zhì)量流量。
13）最大允許水蒸氣入口壓強(qiáng)
最大允許水蒸氣入口壓強(qiáng)單位是Pa 。它是指在正常環(huán)境條件下，氣鎮(zhèn)泵在連續(xù)工作時(shí)所能抽除的水蒸氣的最高入口壓強(qiáng)。

1.3 真空泵在真空系統(tǒng)中所承擔(dān)的工作任務(wù)
由于各種真空泵的性能除均能滿足對容器進(jìn)行抽真空的共同點(diǎn)之外，尚具有不同之處。因此在選用時(shí)必須明確泵在真空系統(tǒng)中所承擔(dān)的工作任務(wù)是十分重要的，泵在各種不同工作領(lǐng)域中所起的作用歸納起來主要有如下幾個(gè)方面
1）在系統(tǒng)中做主泵
所謂主泵就是對真空系統(tǒng)被抽容器直接進(jìn)行抽真空，以獲得滿足工藝要求所需真空度的真空泵。
2）粗抽泵
粗抽泵是指從大氣壓開始降低真空系統(tǒng)壓強(qiáng)達(dá)到另一抽氣系統(tǒng)可以開始工作的真空泵。
3）前級泵
前級泵是指用于使另一個(gè)泵的前級壓強(qiáng)維持在其最高許可的前級壓強(qiáng)以下的真空泵。
4）維持泵
維持泵是指當(dāng)真空系統(tǒng)抽氣很小時(shí)，不能有效的利用主要前級泵。為此，在真空系統(tǒng)中另配一種抽氣速度較小的輔助前級泵來維持主泵的正常工作或維持已抽空的容器所需的低壓的真空泵。
5）粗真空泵或低真空泵
粗、低真空泵是指從大氣開始，降低被抽容器的壓強(qiáng)后工作在低真空或粗真空壓強(qiáng)范圍內(nèi)的真空泵。
6）高真空泵
高真空泵是指在高真空范圍工作的真空泵。
7）超高真空泵
超高真空泵是指在超高真空范圍工作的真空泵。
8）增壓泵
增壓泵通常指工作在低真空泵和高真空泵之間，用以提高抽氣系統(tǒng)在中間壓強(qiáng)范圍的抽氣量或降低前級泵抽氣速率要求的真空泵。
1.4 真空泵型號及規(guī)格的表示方法
根據(jù)中華人民共和國機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T7673-95的規(guī)定，國產(chǎn)各種真空泵是由基本型號和輔助型兩部分組成，兩者中間為一橫線。其表達(dá)型式為123—456。格中數(shù)字123表示基本型號，456表示輔助型號。
國產(chǎn)真空泵的型號通常以表3-2中的漢語拼音字母來表示。若在拼音字母前冠以“2”字，則表示泵在結(jié)構(gòu)上為雙級泵。
某些真空泵系列對其抽氣速率則以幾何級數(shù)來分檔。其單位是“L/S”。共分18個(gè)等級，分別為0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有時(shí)也可用泵的入口尺寸來表示，其單位是“mm”。由于泵的種類較多，選用時(shí)應(yīng)參閱不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品說明書式樣本，是很重要的。
表3-2 常用真空泵的漢語拼音代號及名稱
代 號 名 稱 代 號 名 稱
W 往復(fù)真空泵 Z 油擴(kuò)散噴射泵（油增壓泵）
D 定片真空泵 S 升華泵
X 旋片真空泵 LF 復(fù)合式離子泵
H 滑閥真空泵 GL 鋯鋁吸氣劑泵
ZJ 羅茨真空泵（機(jī)械增壓泵） DZ 制冷機(jī)低溫泵
YZ 余擺線真空泵 DG 灌注式低溫泵
L 濺射離子泵 IF 分子篩吸附泵
XD 單級多旋片式真空泵 SZ 水環(huán)泵
F 分子泵 PS 水噴射泵
K 油擴(kuò)散真空泵 P 水蒸氣噴射泵