朱超

摘要：對(duì)真空機(jī)械的基本概念及真空泵種類(lèi)進(jìn)行了簡(jiǎn)介；介紹了真空泵選用時(shí)應(yīng)考慮的主要因素、選用方法，真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要步驟；概述了真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組配方法。

關(guān)鍵詞：真空 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工作壓力

引言

研習(xí)與應(yīng)用真空工程技術(shù)可分成真空機(jī)械的選用與系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)理論等兩方面來(lái)著手，而認(rèn)識(shí)與了解真空機(jī)械又是真空環(huán)境產(chǎn)生的起始，換句話說(shuō)也就是研習(xí)與應(yīng)用真空工程技術(shù)所必備的基礎(chǔ)，因此本文擬就真空機(jī)械的相關(guān)內(nèi)容做一概略說(shuō)明，并進(jìn)一步述及真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步概念。真空機(jī)械所涵括的內(nèi)容主要為真空泵及其系統(tǒng)的管路與管件，當(dāng)然也包括真空計(jì)等構(gòu)件甚至真空泵所使用的潤(rùn)滑油；雖然真空系統(tǒng)的管路與管件略異于一般機(jī)械裝置，但基本上差異不大除非是高度真空以上者[1]，因此以下仍以真空泵為主要敘述內(nèi)容。

1.真空泵

欲了解真空泵首需從其分類(lèi)談起，基本上分成機(jī)械壓箱式與表面吸附式等兩大類(lèi)，機(jī)械壓縮式真空泵的操作原理是借機(jī)械式動(dòng)作自系統(tǒng)（所欲產(chǎn)生的真空室或填空腔）中抽取其內(nèi)的氣體分子，接著在泵中進(jìn)行傳遞、壓縮、排氣等過(guò)程，以使系統(tǒng)漸進(jìn)地達(dá)到負(fù)壓狀態(tài)（效果即所謂的抽真空）而表面吸附式真空泵則是利用一些物理現(xiàn)象或化學(xué)作用以達(dá)到抽真空的效果；一般而言機(jī)械壓縮式真空泵常用于中低真空的抽氣泵或是作為高度真空系統(tǒng)的前級(jí)泵（即所謂的粗抽），表面吸附式真空泵則大多用于高度真空系統(tǒng)者且需配合一些前級(jí)泵以建構(gòu)的。下面介紹幾種常見(jiàn)的真空泵。

1.1真空泵簡(jiǎn)介

常見(jiàn)的油封式機(jī)械真空泵主要有旋片泵、滑片泵、旋塞泵以及水環(huán)泵，利用水形成一封環(huán)以到空間隔離而壓箱及傅遞的目的即一般所謂的納氏泵[2]，大部分應(yīng)用在紙漿樂(lè)丶化工胴槽或大空間的粗抽等系統(tǒng)）等型式，前三種型式較為常見(jiàn)，茲分別說(shuō)明于后。[3]

（1）旋片泵

旋片泵是屬于三連桿機(jī)構(gòu)，由一圓型轉(zhuǎn)子的主動(dòng)件及一滑行對(duì)等組成者，滑行對(duì)即是設(shè)于轉(zhuǎn)子上的溝槽中的一對(duì)旋片，此旋片并被中置彈簧頂向兩側(cè)以使緊貼在定子的內(nèi)壁上，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)旋片末端與定子內(nèi)壁的接觸則如同一凸輪對(duì)滑動(dòng)者此種結(jié)構(gòu)另又稱(chēng)的 Gaede type型旋片泵。轉(zhuǎn)子與定子是一不同心的圓型件運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中使轉(zhuǎn)子內(nèi)的旋片與定子內(nèi)壁所成的空間達(dá)到壓縮氣體與傳遞的作用，在壓縮室的真空油除了擔(dān)任潤(rùn)滑與排熱的作用外，尙兼具氣密的效果。

（2）滑片泵

滑片泵亦是屬于三連桿機(jī)械構(gòu)件，由一如同凸輪圓形偏心轉(zhuǎn)子主動(dòng)件及一滑動(dòng)葉片組成。滑動(dòng)葉片是借助定子外部的彈簧級(jí)平衡桿而緊頂住轉(zhuǎn)子外緣的，由于定子與偏心轉(zhuǎn)子為同軸，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)滑動(dòng)葉片會(huì)在定子上平移。這種結(jié)構(gòu)相較于旋片泵者恰互為倒置，故其功能甚為相似，運(yùn)轉(zhuǎn)與特性亦大致相若，唯轉(zhuǎn)子因有偏心致使振動(dòng)較大，且因有彈簧機(jī)構(gòu)故結(jié)構(gòu)上較不牢固。

（3）旋塞泵

旋塞泵是屬于四連桿機(jī)構(gòu)，由一如同凸輪的圓型偏心轉(zhuǎn)子主動(dòng)件及旋塞而粗成，定子為一固型的腔室與偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸同心，同時(shí)與常見(jiàn)的往復(fù)式壓縮機(jī)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)互為倒置。旋塞由滑針得引連按于轉(zhuǎn)子上，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)因循心的故而藉由活動(dòng)閣節(jié)做栘運(yùn)動(dòng)活動(dòng)關(guān)節(jié)對(duì)固定桿的一點(diǎn)而做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子動(dòng)作時(shí)旋塞即搖動(dòng)使具有壓縮傳遞氣體的作用。

1.2 真空泵的選用

由有關(guān)真空技術(shù)的文獻(xiàn)資料得知目前高科技產(chǎn)業(yè)（如光學(xué)丶半導(dǎo)體、分析儀器等）幾乎都會(huì)涉及到真空泵技術(shù)[4]， 真空泵技術(shù)這些產(chǎn)業(yè)中站著極為重要的地位。因此如何選擇合適的真空泵必需考慮周全，否則事后的修補(bǔ)工作是一相當(dāng)吃力的工作，甚至無(wú)法補(bǔ)彌，下列所列的考虛因素可提供一些實(shí)質(zhì)上的參考：

（1）何種氣體需被抽出系統(tǒng)，所需的抽氣效率如何？

（2）是否含有水蒸汽及此水蒸汽是否為主要處理對(duì)象？

（3）到達(dá)預(yù)定的壓力或抽氣循環(huán)需時(shí)多久，其普遍性如何？

（4）需要怎樣的操作壓力？

（5）所需的真空系是否允許殘余油氣或各種碳?xì)浠衔锏拇嬖?？是否含有毒性氣體、易燃或爆炸性氣體、腐蝕性氣體？

如何選擇適用的真空泵首先必需知道其用途及其因應(yīng)的泵工作壓力。這當(dāng)中必需了解哪些泵可從大氣壓下啟動(dòng)或哪些系統(tǒng)需從大氣下啟動(dòng)如水環(huán)泵、油封式機(jī)械真空泵、吸附泵等即是可以由大氣壓下啟動(dòng)，如工作壓力需在7.5×10-2torr以下啟動(dòng)者則需借助泵組合方式以達(dá)成的，此時(shí)主泵及補(bǔ)助泵的搭配與選擇便相當(dāng)重要了；此外，除了對(duì)各類(lèi)型空泵需相當(dāng)清楚外各類(lèi)型空泵間的差異比較亦需有所認(rèn)知，即露常見(jiàn)的真空泵的差異、特性比較等相關(guān)

數(shù)據(jù)。

2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 真空系統(tǒng)的計(jì)算

有了真空機(jī)械的基礎(chǔ)知識(shí)后，進(jìn)一步即是如何設(shè)計(jì)真空系統(tǒng)，換句話說(shuō)，如何構(gòu)成真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)的構(gòu)成與設(shè)計(jì)主要在于決定怎樣裝置與如何抽取系統(tǒng)的氣體以達(dá)到設(shè)置上的目的，因此系統(tǒng)抽取的氣體量與所需要的時(shí)間便是首要的計(jì)算

工作。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組配

真空系統(tǒng)的組配與使用目的或終極壓力有關(guān)。有些系統(tǒng)用單一個(gè)真空泵即可達(dá)成其使用目的，有些又因被抽吸的氣（汽）體性質(zhì)而需使用粗抽泵，事實(shí)上系統(tǒng)真空度要求較高者大多需采用機(jī)械助力型系統(tǒng)?；镜恼婵粘槿∠到y(tǒng)首先經(jīng)由旁路利用粗抽泵將系統(tǒng)抽至約1.0Pa，當(dāng)系統(tǒng)一但達(dá)到約1.OPa時(shí)即關(guān)閉旁路閥再啟動(dòng)擴(kuò)散泵繼續(xù)抽，由于擴(kuò)散泵不適用于泵出口壓力高過(guò)10.0Pa的狀況，因此粗抽泵依然需持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)；有些泵則是泵的入口壓力不可太低，否則效率不佳，甚至無(wú)法抽吸，或系統(tǒng)的氣體有可能間歇性產(chǎn)生。于此情形下亦需有粗抽泵設(shè)置的必要；這些系統(tǒng)就的偵測(cè)或各泵運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換可以用自動(dòng)控制的方式設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)配備設(shè)計(jì)尚需有各種關(guān)斷防止油氣回流、破空，尤其是水蒸汽冷凝裝置，以防止進(jìn)人系統(tǒng)或后段泵。采用液態(tài)氮冷卻液可以冷凝系統(tǒng)中的水蒸汽，以防止水蒸汽進(jìn)入后段的擴(kuò)散泵。[5]

一般而言真空系統(tǒng)工作壓力范圍介于0.10MPa～0.01MPa，且需具良好的捕集效率與潔凈環(huán)境時(shí)，采用擴(kuò)散泵即可滿足需求。若要求再低，則需另行加裝離子泵或低溫泵搭配。于低溫系統(tǒng)中經(jīng)常需利用到所謂的抽真空隔熱，即是如何產(chǎn)生真空環(huán)境的技術(shù)應(yīng)用，當(dāng)然抽真空隔熱所需使用的真空度級(jí)次并不需達(dá)到前面所述的真空系統(tǒng)工作壓力范圍。

結(jié)語(yǔ)

目前高科技產(chǎn)業(yè)（如光學(xué)、半導(dǎo)體、分析儀器等）幾乎都會(huì)涉及到真空技術(shù)， 真空技術(shù)這些產(chǎn)業(yè)中有著極為重要的地位，本文對(duì)真空機(jī)械作了了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)真空泵的選用與設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，可以對(duì)真空泵的實(shí)際應(yīng)用提供一些參考。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 巫修海，張寶夫，陳文華. 嚴(yán)格密封型螺桿真空泵轉(zhuǎn)子型線研究[J]. 真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào). 2015， 35（8）： 947-954.

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