真空泵基础知识大揭秘：还有你不知道的这些干货

真空泵基础知识大揭秘：还有你不知道的这些干货

真空泵是从容器或者系统中抽除气体，使其处于低于大气压状态的设备，是用来产生、改善和维持真空的装置。通俗理解，真空泵是用来产生“负压”，而空气压缩机是用来产生“正压”的。

真空是指用来描述低于大气压力或大气质量密度的稀薄气体状态或基于该状态环境的通用术语。简言之，真空也就是说该空间内的气体分子密度低于该地区大气压的气体分子密度。完全没有气体的空间状态称为绝对真空，而绝对真空实际上是不存在的。

真空度则是表示真空状态下气体的稀薄程度，通常用压力值来表示。当代真空科学技术的发展水平，已可获得从大气到10-14Pa宽达19个数量级的压力范围。随着真空获得技术和真空测量技术的不断发展，这个范围的下限正在不断降低。

真空度的压力计量单位按国际单位制和我国法定计量单位采用Pa。由于一些历史原因，常用单位还有巴（bar）、毫巴（mbar）、毫米汞柱（mmHg）、托（Torr）。Torr作为真空度的计量单位是1958年第四届国际真空会议上决定采用的，是为纪念发现真空的托里拆利（Torricelli）。真空度的上限是一个标准大气压，即760mmHg，将1Torr定义为1mmHg，即大气压力的1/760。此外，在真空度较低（压力高于100Pa）的情况下，在有些行业，常用真空度的百分数δ作为测量单位。若已知真空度的百分数δ，可用下式求出气体压力p。

式中：
p——气体的压力，Pa；
δ——真空度的百分数，%。

流量

在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体量称为泵的流量，在真空技术中，流量的单位用帕立方米每秒（Pa·m3/s）或帕立方米每小时（Pa·m3/h）等来表示。通常泵要给出流量与入口压力的关系曲线。

极限压力（极限真空）

将真空泵与检测容器相连，进行长时间连续地抽气，当容器内的气体压力不再下降，而维持某一定值时，此压力即为泵的极限压力，其单位用 Pa表示。

抽气速率

在真空泵的吸气口处，单位时间内流过的气体的体积称为泵的抽气速率。即气体 A 的抽气速率s（A m3/s）为流量Q（A Pa ·m3/s）除以测试罩内这种气体A的分压力pA而得。如：

从当代真空科学技术的发展水平，可获得从大气到10-11Pa宽达15个数量级的压力范围。今后随着真空获得和真空测量技术的提高，这个范围的下限还会不断降低。人们为了真空科学交流，常把这么宽的压力范围分为几个区域。目前划分真空区域的方法较多。

根据真空状态中，真空度越高，气体状态就越稀薄，气体分子的物理性就逐渐发生变化等规律，把气体分子数的量变直到引起真空性质的质变过程来作为划分真空区域的依据是比较合适的，这些真空区域划分为低真空、中真空、高真空、超高真空、极高真空，如表1所示。

表1 真空度划分

一般来说，为了获得高真空、超高真空及极高真空，通常串联多台真空泵构成机组形式来完成抽气任务。

真空泵种类非常多，按其工作原理，基本上可以分为气体输送泵和气体捕集泵两种类型（见图1）。

气体输送泵是主要类型，而绝大多数气体输送泵的工作原理和结构与空气压缩机基本相同和类似，我们理解起来相对较为容易。

图1 真空泵的分类

一种能使气体不断吸入和排出泵外，以达到抽气目的的真空泵。这种气体输送泵分为变容式和动量传输式两大类。

变容真空泵

变容真空泵是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气、压缩和排气的装置。这种泵分为往复式和旋转式两种。

• 往复式真空泵利用泵腔内活塞的往复运动，将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式真空泵。
• 旋转式真空泵
  利用泵腔内转子的旋转运动，将气体吸入、压缩并排出。属于此类的真空泵种类最多。
• A.油封式机械泵利用油类密封各运动部件的间隙，减少有害空间的一种旋转式变容真空泵。
  这种泵通常带有气镇装置（防止蒸汽凝结从而避免油污染），故称气镇式真空泵。
  按其结构特点分为旋片泵、定片泵、滑阀泵、余摆线泵及多室旋片泵等。
• B.无油真空泵
  目前所谓的干式真空泵，一般通用的说法是：能在大气压到10-2Pa的压力范围内工作的真空泵，在泵的抽气流道（如泵腔）中，不能使用任何油类和密封液体，排气口与大气相通，能连续向大气中排气的真空泵，即称为干式真空泵。
  按其工作原理分，也可分为容积式干式泵，如多级罗茨泵、多级活塞泵、爪型泵、螺杆泵、涡旋泵等；
  此外还有动量传输式干式泵，如涡轮干式泵、离心干式泵等。这种泵的抽气不再有油的污染。
• C.液环真空泵
  带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当转子旋转时，把液体（水或油类）抛向泵壳，形成与泵壳同心的液环，液环同转子上的叶片形成了容积周期性变化的几个小容积，实现吸气、压缩和排气，由于液环起到压缩气体的作用，故又称它为液体活塞真空泵。
• D.罗茨真空泵
  泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶或多叶形的转子，转子间、转子与泵壳内壁之间均保持有一定的间隙。它属于无内压缩的真空泵。按用途又分为湿式罗茨泵、直排大气式罗茨泵和机械增压泵等类型。

动量传输式真空泵

动量传输式真空泵是利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体或气体分子，使之吸入、压缩、排气的一种真空泵。这种泵可分为以下几种类型：

• 分子真空泵
  利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之压缩、排气的一种真空泵。它有如下几种形式。
• A.牵引分子泵
  高速旋转的转子表面与气体分子相碰，把动量传给气体分子，将气体分子拖动到泵的出口排出。
• B.涡轮分子泵
  泵内装有多级带槽的圆盘或叶片的转子，在定子圆盘（或定子）间旋转，转子的圆周线速度很高，这种泵通常在分子流状态下工作。
• C.复合式分子泵
  是由涡轮分子泵和牵引分子泵经优化组合，串联起来工作的一种真空泵，可在分子流或过渡流状态下工作。
• 喷射真空泵
  利用文丘里效应的压力降产生的高速射流把气体输送到泵出口的一种动量传输泵，适于在黏滞流和过渡流状态下工作的真空泵。这种泵又可细分为以下几种。
• A.水喷射泵
  以水为工作介质的喷射真空泵。
• B.气体喷射泵
  以非可凝性气体（如空气）作为工作介质的喷射泵。
• C.蒸汽喷射泵
  以蒸汽（水、油或汞等蒸汽）作为工作介质的喷射泵。其中水蒸气喷射泵应用较多，油蒸气喷射泵，也称作油增压泵或称油扩散喷射泵。
• 扩散泵 ：以油或汞蒸汽作为工作介质。

气体捕集泵

气体捕集泵一种将被抽气体吸附或凝结在泵内表面上的真空泵，它分为以下几种。

• 吸附泵 ：主要依靠具有大表面积的吸附剂的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵，如吸附阱、吸气剂泵。
  此外还有连续不断形成新鲜的吸气剂膜的捕集式真空泵，如溅射离子泵、热蒸发的升华泵等。
• 低温泵 ：利用低温表面来冷凝捕集气体的真空泵，如冷凝泵、小型制冷机低温泵等。

使用范围

各种真空泵的工作压力范围如图2所示。

图2 各种真空泵的工作压力范围

用途

根据真空泵的性能，在各种应用的真空系统中它可承担如下一些工作。

• 主泵 ：在真空系统中，用来获得所要求的真空度的真空泵。
• 粗抽泵 ：从大气压开始，降低系统的压力达到另一抽气系统开始工作的真空泵。
• 前级泵 ：用以使另一个泵的前级压力维持在其最高许可的前级压力以下的真空泵。前级泵也可以做粗抽泵使用。
• 维持泵 ：在真空系统中，当抽气量很小时，不能有效地利用主要前级泵，为此，在真空系统中配置一种容量较小的辅助前级泵，维持主泵正常工作或维持已抽空的容器所需之低压的真空泵。
• 粗（低）真空泵 ：从大气压开始，降低容器压力且工作在低真空范围的真空泵。
• 高真空泵 ：在高真空范围内工作的真空泵。
• 超高真空泵 ：在超高真空范围内工作的真空泵。
• 增压泵 ：装于高真空泵和低真空泵之间，用来提高抽气系统在中间压力范围内的抽气量或降低前级泵容量要求的真空泵（如机械增压泵和油增压泵等）。

各类真空泵适用的工艺类型

• 水环真空泵 ：适用于真空浓缩、真空脱水、真空脱色、真空干燥、真空保鲜、真空储藏、真空输送、真空成型等工艺。
• 往复真空泵 ：适用于真空蒸馏、真空浓缩、真空浸渍、真空过滤、真空造型、真空干燥、钢液真空处理等工艺。往复真空泵与水环真空泵使用的工艺基本相同。但是，往复真空泵不能直接抽水蒸汽，需要抽水蒸汽时一定要配备冷阱，采用制冷系统冷却。
• 油封机械真空泵（包括滑阀泵、旋片泵、定片泵）适合真空蒸馏、真空干燥、真空浸渍、真空烧结、真空绝热、真空钎焊、真空镀膜、真空热处理等工艺中使用。当前，旋片式油封机械真空泵，作为直排大气的前级泵，使用的量大面广。滑阀泵旋片泵
• 罗茨真空泵（机械增压泵） ：适合真空烧结、真空钎焊、真空浸渍、真空干燥、真空镀膜、真空输送、真空冶炼等工艺中使用。绝大部分罗茨泵都不能直排大气，需要配备旋片泵或滑阀作为前级泵使用。湿式罗茨泵可以直排大气，主要用于造纸工业中。
• 油增压泵 ：适合真空冶炼、真空烧结、真空钎焊、真空热处理等工艺中使用。它与机械增压泵相类似，不能直排大气，必须用旋片泵或滑阀泵等作为前级泵。
  
• 油扩散泵 ：适合真空镀膜、真空热处理、真空冶炼、真空提纯、电子真空器件、真空分析仪器、真空检漏仪、宇宙空间真空模拟装置、加速器真空系统等工艺中使用。它适合用来抽取高真空，本身不能直排大气，必须配备前级真空泵。
• 干泵（包括螺杆泵、涡旋泵和爪型泵） ：适合无油清洁的真空工艺过程，例如半导体行业、电子行业、化工行业等各种工艺使用，这几种泵都能直排大气。适合各种真空电子器件、集成电器、分析仪器、表面仪器以及各种要求清洁无油的真空系统中使用。
• 钛泵（包括溅射离子泵、升华泵） ：适合真空镀膜、大规模集成电路、表面物理和表面化学、热核物理、等离子体物理和超导技术等工作中使用。
• 分子泵 ：适合真空镀膜、集成电路、表面物理、表面化学、等离子体物理、光学仪器、热核反应和宇航技术工作中使用。
• 水喷射泵 ：适合真空导料、真空输送、轻工、化工、化纤、制药、涂料、油脂、造纸、烧碱、制糖、食品、制砖和真空除氧等工业领域使用。
• 水蒸气喷射泵 ：适合真空冶烧、真空脱气、真空蒸发、真空干燥和真空回潮等工艺中使用。
• 低温泵 ：适合真空镀膜、表面物理、超导技术和宇航技术等工作中使用。

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