第3章　真空獲得技術與設備

3.1　概述

用來獲得、改善和維持真空的裝置稱為真空泵，是獲得真空的主要手段，廣泛應用于機械、冶金、化工、醫療、食品、電子、半導體、能源、高能物理、航空和航天等領域中。

近年來，已研制出從大氣壓到高真空僅用一臺泵就能實現的新型真空泵。但一般來說，為了獲得高真空、超高真空及極高真空，還要釆用多臺真空泵構成機組來完成抽氣任務。因此，了解各種真空泵的工作原理、主要性能、結構特點等，對于正確選擇經濟適用的真空泵是非常重要的。

本章將重點介紹真空泵基本參數、術語及各類真空泵工作壓力范圍、常用真空泵的類型、工作原理、主要性能參數及其技術指標。

3.1.1　真空泵基本參數

①極限壓力　將真空泵與標準測試罩相連，在不引入氣體正常工作情況下，進行長時間連續抽氣，當測試罩內的氣體壓力不再下降，而維持某一定值時，此壓力即為泵的極限壓力，其單位為Pa，用pu表示。

②流量　在真空泵的吸氣口處，單位時間內流過的氣體量稱為泵的流量，其單位為Pa·m3/s或Pa·L/s，用Q表示。

③抽氣速率　單位時間內流過泵入口的氣體體積稱為泵的抽氣速率，抽氣速率的單位為m3/s或L/s，用S表示。

一般真空泵的抽氣速率與氣體種類有關，因此給定的泵的抽氣速率均表示對某種氣體的抽氣速率，如無特殊標明，多指對空氣的抽氣速率。

泵對給定氣體A的抽氣速率SA為氣體A流過泵入口的流量QA與氣體A的分壓力pA的比值如下式所示

④啟動壓力　指泵無損壞啟動并有抽氣作用時的壓力，其單位為Pa。

⑤前級壓力　指排氣壓力低于101325Pa的真空泵的出口壓力，其單位是Pa。

⑥最大前級壓力　指超過了它能使泵損壞的前級壓力，其單位是Pa。

⑦最大工作壓力　指對應最大抽氣量的入口壓力，在此壓力下，泵能連續工作而不惡化或損壞，其單位是Pa。

⑧壓縮比　指泵對給定氣體的出口壓力與入口壓力之比。

⑨何氏系數　泵抽氣通道面積上的實際抽速與該處按分子瀉流計算的理論抽速之比。

⑩抽速系數　泵的實際抽速與泵入口面積按分子瀉流計算的理論抽速之比。

?返流率　指泵按規定條件工作時，與抽氣方向相反而通過泵入口單位面積、單位時間的泵液的質量流，其單位是g/（cm2·s）。

?水蒸氣允許量　指泵在正常環境條件下，氣鎮泵在連續工作時能抽除的水蒸氣質量流率，其單位是kg/h。

?最大允許水蒸氣入口壓力　指在正常環境條件下，氣鎮泵在連續工作時所能抽除的水蒸氣的最高入口壓力，其單位是Pa。

3.1.2　真空泵型號編制方法

（1）真空泵型號組成

真空泵型號由基本型號和輔助型號兩部分組成，左邊部分為基本型號，右邊部分為輔助型號，兩者中間用橫直線隔開，如圖3-1所示。

個別規格泵的進氣口徑相同而抽氣速率不等，則可同時標出抽氣速率，單位：L/s。

（2）真空泵型號示例

①W-35B　往復真空泵，抽氣速率為35L/s，第二次改型設計；

②2X-15A雙級旋片式真空泵，抽氣速率為15L/s，第一次改型設計；

③XD-63　單級多旋片式真空泵，抽氣速率為63m3/h；

④ZJ-600羅茨真空泵，抽氣速率為600L/s；

⑤YZ-150余擺線真空泵，抽氣速率為150L/s；

⑥3L-160三極濺射離子泵，抽氣速率為160L/s；

⑦F-160　分子泵，進氣口徑為160mm；

⑧K-800　油擴散真空泵，進氣口徑為800mm；

⑨Z-400油擴散噴射泵，進氣口徑為400mm；

⑩S-400升華泵，進氣口徑為400mm；

?GL-100鋯鋁吸氣劑泵，進氣口徑為100mm；

?DZ-160制冷機低溫泵，進氣口徑為160mm；

?IF-3分子篩吸附泵，裝入分子篩質量為3kg；

?3P0.63-50/0.6-10三級水蒸氣噴射泵，吸入壓力為0.63kPa，抽氣量為50kg/h，工作蒸汽壓力為0.6MPa，其中可凝性氣體量為10kg/h。

3.1.3　真空泵的分類

真空泵按其工作原理可分為兩大類。

（1） 氣體輸送泵

其原理是將氣體由泵的入口端壓縮到出口端，并排除泵體外。也稱為排出型真空泵。例如：利用膨脹-壓縮-排出原理的旋轉式機械真空泵；利用氣體黏滯牽引作用的蒸汽流噴射泵；利用高速表面牽引力作用的蓋德型分子泵、利用渦輪葉片排除氣體的渦輪分子泵。

（2） 氣體捕集泵

其原理是利用各種吸氣作用將氣體吸附在泵內以達到降低被抽空間氣體壓力的目的。例如：利用電離吸氣作用的離子泵；利用物理或化學吸附作用的吸附泵、吸氣劑泵、低溫冷凝泵等。在這類泵中氣體分子并不排出泵外，而是被暫時或永久地儲存于泵內，也稱俘獲型真空泵。

按真空泵腔是否有油分為有油泵和無油泵。無油泵系指不用油作為工作液及不用油（或脂）的真空泵，如低溫泵、磁懸浮分子泵和濺射離子泵等，而脂潤滑與油潤滑的渦輪分子泵不是無油泵。近十年來在低真空及中真空領域，出現了“干式”真空泵，這類泵腔中不用油作為工作介質，如渦旋泵、螺桿泵、爪式泵及膜片泵等，但這類泵的軸承軸封多用脂潤滑，嚴格意義上也不屬于無油泵的范疇。它具有結構簡單、操作容易、維護方便、不會污染環境等優點。

無油真空泵耐用性好，是一種應用范圍非常廣泛的獲得真空的基本設備。

近年來隨著機械加工技術的進步和對清潔真空的要求，在一些生產工藝中，尤其是在半導體和液晶顯示器的生產中，對真空環境清潔度的要求也越來越高，傳統的有油真空泵已經不能滿足，干式真空泵應運而生。無油真空泵在我國是一新興產業，而無油泵代替有油泵是大勢所趨，尤其是我國加入WTO以后，國外無油泵對有油泵的替代率超過50%，與國際接軌、與國外合作，發展自己的無油泵迫在眉睫。提早介入無油泵的開發不僅可以為企業帶來豐厚的利潤，還能帶來巨大的社會效益。清潔無油真空泵代替有油泵將成為行業趨勢。

常用真空泵的分類如圖3-2所示：

3.1.4　各類真空泵工作壓力范圍

隨著真空技術在生產和科學研究領域中對其工作壓力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共同抽氣后才能滿足生產和科學研究過程的要求。由于真空應用部門所涉及的工作壓力的范圍很寬，因此任何一種類型的真空泵都不可能適用于所有的工作壓力范圍，只能根據不同的工作壓力范圍和不同的工作要求，使用不同類型的真空泵。任何真空泵，在工作期間除了抽氣作用，總是伴隨著出現一些破壞抽氣的效應。例如，氣體被壓縮后要反擴散、分子被吸附后還會脫附等，這些現象稱為氣體的返流。只有在抽氣作用強于返流時，泵才能有效地工作。因此每種泵都有自己的有效運用壓力范圍及固有特點。設計、制造及運用各種真空泵都是以加強抽氣作用、抑制返流為目的的。表3-3所列為常用的各種真空泵的類型及其應用范圍。

注：此表僅作為選擇真空泵的參考，不能視為工作壓力范圍。