吳 坤

（深圳聚頂科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 真空擦拭機的真空工作原理

一個標準大氣壓力是1.01×105Pa?！罢婵铡笔侵笟怏w壓力小于一個大氣壓力時的氣體狀況。在真空狀況下，單位容積中的氣體分子數(shù)量減少，分子平均自由程提高，而氣體分子內(nèi)部、氣體分子和其他粒子間的彼此撞擊也相應(yīng)減小。這種特性已被廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等的諸多行業(yè)中。比如，加速設(shè)備，電子器件，大規(guī)模集成電路，高熱核化學(xué)反應(yīng)，空氣環(huán)境條件建模，最大真空度冶煉工藝過程技術(shù)等。在高真空中，因材料中易揮發(fā)性物質(zhì)的損失，以及表面吸附層的改變，物質(zhì)表面特征也相應(yīng)發(fā)生了變化。從20世紀70年代至今，對表面科學(xué)的研究較多，它不但具有很強的基礎(chǔ)理論性，而且還有很重要的應(yīng)用研究價值。隨著現(xiàn)代科技、工業(yè)的發(fā)展，獲得并保持真空已形成了一項專業(yè)的技術(shù)——真空技術(shù)，它主要包括：真空的獲得、真空測量、檢漏、最大真空度控制系統(tǒng)的工程設(shè)計等。

一般將真空區(qū)域區(qū)分為若干范圍，不同的真空范圍需要使用不同的抽氣裝置和檢測儀表，分類如表1所示。

表1 真空區(qū)域劃分及測量儀器

2 真空的獲得

2.1 機械泵

機械泵是通過使用機械方式使工作室的氣容量周期性地增加或者減少來實現(xiàn)抽氣功能的。屬于這一類別的還有活塞抽氣機和雙轉(zhuǎn)子抽氣機等。這都是同一類低壓真空泵，在單獨應(yīng)用時也能獲得低壓真空，在真空機組中主要用于前級泵。

旋片式真空泵構(gòu)造原理如圖1所示。主體元件是圓筒形定子、偏心轉(zhuǎn)子和旋片。旋片把轉(zhuǎn)子、泵腔和兩個端蓋所圍成的月牙形空間分隔成A、B、C 三部分，當轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時，與吸氣口相通的空間A 的容積是逐漸增大的，此時處于吸氣步驟。而與排氣口相通的空間C 的容積是逐漸縮小的，此時處于排氣步驟。居中的空間B 的容積也是逐漸減小的，此時處于壓縮過程。由于空間A的容積是逐漸增大（即膨脹），氣體壓強降低，旋片真空泵的入口處外部氣體壓強大于空間A 內(nèi)的壓強，因此將氣體吸入。當空間A 與吸氣口隔絕時，即轉(zhuǎn)至空間B 的位置，氣體開始被壓縮，容積逐漸縮小，最后與排氣口相通。當被壓縮氣體超過排氣壓強時，排氣閥被壓縮氣體推開，氣體穿過油箱內(nèi)的油層排至大氣中。由旋片真空泵的連續(xù)運轉(zhuǎn)，達到連續(xù)抽氣的目的。轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，上述過程將不斷重復(fù)，以便將與進氣口相通的容器內(nèi)廢氣繼續(xù)抽取，從而達到真空狀況。

圖1 旋片式機械泵結(jié)構(gòu)

馬達泵在實際工作流程中，由于馬達轉(zhuǎn)動在高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，而兩旋片又在不斷伸縮，在定子與傳動、旋片與定子、旋片與傳動各自的相接觸處均產(chǎn)生了摩擦，并且為了要實現(xiàn)相應(yīng)運轉(zhuǎn)，活動零部分必須彼此間保持一定的公差，即存在著小縫隙。所以整個泵體都需要浸漬在機械泵油中，方可運行。泵油也起著保護潤滑和制冷的功用。

2.1.1 機械泵使用注意事項

（1）機械泵轉(zhuǎn)子移動方位應(yīng)當按泵上的規(guī)定方位，不得改變。否則會將泵油壓進真空系統(tǒng)。

（2）因為被吸氣在油泵里被擠出，而擠出比又很高，如廢氣中存在水蒸汽，因為擠出而凝成液態(tài)混入泵油中出不去。所以，普通機械泵并不能用來抽水蒸汽，或含水蒸汽含量較多的廢氣，有氣鎮(zhèn)設(shè)備的機械泵，才適宜抽出含蒸汽的空氣。

（3）在機械泵停車后，要避免出現(xiàn)回油的現(xiàn)象。為此停機后需使進風(fēng)口直接與大氣周圍環(huán)境接觸，也可在機械泵進氣口接上電氣閥，當停機時，將電磁閥斷開后靠空氣彈簧幫助下回轉(zhuǎn)。

2.1.2 機械泵的主要參數(shù)

（1）抽氣速率。指在抽氣機的進口空氣處于規(guī)定壓強范圍內(nèi)時，在單位時限內(nèi)流入抽氣機的氣體容量。而通過轉(zhuǎn)片式真空泵的結(jié)構(gòu)，它的抽速可以用二旋片運轉(zhuǎn)一周，所掃過空氣的體積和旋子的速度來求出。這個抽速是在進風(fēng)口達到大氣最大壓強時的抽速。是抽出空氣的最大抽速。在抽出空氣機銘板上所提供的抽速，一般指的就是最大抽速。

（2）極限真空度。指空氣被吸容器內(nèi)部，并經(jīng)機械泵充分喘氣后可以獲得的最高真空度。如果在喘氣很長時間后曲線逐漸平直，則表示碳相圖不再下降，即已達到了極限的最大真空度。通常，機械泵的極限真空度是0.1Pa。機械泵的極限真空度主要取決于：出口處裝有單面閥，只有在內(nèi)的廢氣壓強大于閥口外壓強時，才沖開單面閥并向外排放廢氣，到了與外面壓強相當時單面閥關(guān)掉。此時，因為具有無效空間，因此廢氣不可能全部排除，它將利用小間隙重新返回進風(fēng)口。抽氣很長時間之后，當真空度達到一定值時，氣體雖經(jīng)壓縮，但碳相圖變化仍不大，沖不開單向閥門，也排不出去，從而產(chǎn)生了極限最大真空度。機械泵油中具有一定的飽和蒸汽壓強，在常壓下泵油中所溶度的廢氣，在周圍壓強下降或氣溫增加時就會放氣。

2.2 定容法測量抽速實驗

在真空體系中，對規(guī)定體積的被吸容器，由于氣體逐漸地被抽取，而容器內(nèi)壓力包括吸氣機進口部的壓力都不斷減小，所以每次抽取的氣體就不斷下降，吸速也不斷改變。這樣，抽氣機的吸速也是在某一瞬時壓力下，被吸氣體體積對時間的導(dǎo)數(shù)。若測出容器內(nèi)不同時刻的壓強，并作壓強隨時間變化的抽氣曲線，即可計算出抽速。

2.3 油擴散泵

油擴散泵的油一般選用分子量大，飽和蒸氣壓低，較黏度的油品，泵油用規(guī)定功率的電炊具升溫后，產(chǎn)生大量高壓蒸氣在各噴氣孔高速（速度可達200～300 m/s）噴出，使噴氣孔周圍的壓力逐漸減小，附近氣體隨即向噴氣孔區(qū)彌散，油蒸氣被供熱力套冷卻后，形成的油滴再返回泵底循環(huán)系統(tǒng)利用，而空氣分子在此時向噴氣孔向下凝聚。如此三個噴氣孔逐級起作用，使進風(fēng)口的空氣分子凝聚在出氣口，然后再由機械泵把凝聚起來的氣體抽取，可見擴散泵與機械泵之間必須串接利用，才能使形成的抽氣過程獲得較高最大真空度。通常，三級油擴散泵的限制真空度是10-5Pa。影響極限真空度的最主要原因，是油蒸發(fā)壓與氣體分子間的逆擴散。如加低溫冷凝阱（放置干冰或液氮等），以阻截石油蒸氣分子進入體系中，并引入低蒸氣壓擴散泵油，則可使極限真空度增加1～2個數(shù)量級。玻璃擴散泵的最大吸速通常為每秒數(shù)十升，而金屬材料擴散泵則高達每秒數(shù)百升。金屬材料擴散泵不可獨立工作，必須要用機械泵作前級泵，泵體要豎直，按規(guī)定量加油和選擇加熱器電爐工作功率；牢記先通供熱能，之后再加溫。

2.4 真空泵運轉(zhuǎn)性能參數(shù)

最初工作壓強是指真空泵啟動運行前，被吸空間或泵進口處所達到的壓力數(shù)據(jù)，若超過該壓力數(shù)值，真空泵即無法運轉(zhuǎn)。

最大反壓強是指維持真空泵通常運行狀況，泵的輸出處所能承受的最大壓強，又稱臨界反壓強。真空泵輸出處壓強超過最大反壓強，將不能運行。油擴散泵的最大反壓強約為30 Pa。

最大限制氣壓是指在真空泵進口端經(jīng)充分抽空后可以獲得的最大限制氣壓，也稱為限制真空。

3 真空測量

3.1 靜態(tài)變形真空計

截面寬度為長橢圓形的薄壁金屬彎曲式，一端閉合，另一端與真空倉相連，當管內(nèi)壓力差發(fā)生變化時，該金屬彎曲形式在內(nèi)部壓力差影響下產(chǎn)生彈性變化，這一變化傳遞給發(fā)訊器，并通過刻度讀取。如指針式壓力最大真空度計等，這類真空計適合于量測粗的真空度。

3.2 熱偶真空計（熱偶規(guī)）

熱偶真空計中采用的測壓器件即是熱偶規(guī)，其結(jié)構(gòu)中留有管道與熱真空控制系統(tǒng)相連。當發(fā)熱絲中通以一定流量氣體時，其操作環(huán)境溫度將決定于周圍的散熱要求。又因為氣體熱導(dǎo)率隨壓力而改變，所以發(fā)熱絲的操作環(huán)境溫度也將隨壓力而變化，與發(fā)熱絲相連的熱電偶也將產(chǎn)生不同的熱電位，并由此建立起規(guī)管內(nèi)碳相圖和熱電位之間的關(guān)聯(lián)。經(jīng)校準定標后，就可以使用測定熱電位值來制定測試的碳相圖值。而熱偶真空計的測試區(qū)域通常是20～10-1Pa。但使用時需要按規(guī)定時限調(diào)整到所預(yù)設(shè)的熱電流設(shè)計值。

3.3 超高真空電離規(guī)

圓筒型電離規(guī)測量真空度的限制不應(yīng)該低于5×10-6Pa，因為被增加的電子設(shè)備在被珊極吸收后，會釋放較軟的X 輻照。X 光線照到吸收極上，產(chǎn)生了電光效果，故在吸收極電路中產(chǎn)生了與碳相圖不符的光電本底電流。

1950 年在諾丁漢（NottinghAm）提出了上述解釋后，貝阿德（Bayard）和阿爾伯特（Alpert〉給出了B-A 規(guī)的基本結(jié)構(gòu)。集陰極使用孔徑約為0.1 mm的細鎢絲，放在柵極的正中央，即管子的正中心，而陰極則在柵極外側(cè)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是集陰極體積（也就是接受x 射線的面積）減小了1000倍，因而可以使光電壓降低了1000倍，B-A 規(guī)的檢測范圍也可以擴展到了10-5Pa，同時由于集電極與柵極組成了圓柱形電場技術(shù)，使柵極空間中99%的范圍內(nèi)電子都能產(chǎn)生離子化效應(yīng)，所以雖然比收集極體積降低了1000倍，但精度基本上仍與圓筒形的離子化規(guī)接近，且由于每個高壓極均由絲組成，所以易于加熱除氣，更適合與超高的真空度測試。

4 掉料警報檢漏技術(shù)

4.1 靜態(tài)升壓法

首先把真空控制器抽至一定的真空度下，用真空閥把控制器與真空泵分離，如果控制器內(nèi)壓強維持恒定并變化得很少，就表示此控制器不外泄，但如果控制器內(nèi)壓強增大的很大，就說明此控制器外泄，由于此法簡便，可適用于所有的真空控制器。但此法并不可確定漏孔部位和寬度。

4.2 高頻火花檢漏儀

作為玻璃最大真空度系統(tǒng)的防掉料檢漏，該檢漏裝置構(gòu)成的主要是一塔式輸入電流線圈。在接收線圈的初級用振動火花隙，激勵諧振電源回路產(chǎn)生的減幅式高頻率輸出電壓，在接收線圈數(shù)較多的時候次級形成了高頻高壓，在次級線圈高壓端用一簧片引出，在彈簧尖端處由于高頻高壓將產(chǎn)生幾條雷電式跳舞動作的放電火花。在檢漏時，先把彈簧尖端移動到待查玻璃管附近，如果沒有漏洞，則彈簧尖端和玻璃間仍是雷電式跳舞動作的火花，并可觀察管內(nèi)氣體被激發(fā)放電的顏色變化。當出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象時，原來幾條跳舞動作的火花，匯集成一個強烈的火花束，束的尾部指向漏洞所在處。當火花通過檢漏裝置后略作移動時，火花束尾部并不動，而該處就是漏子。利用火花檢漏儀查找玻璃體系的泄漏是很簡單的方法。還可以通過火花檢漏儀根據(jù)激起真空系統(tǒng)內(nèi)氣體燃燒釋放產(chǎn)生的顏色粗略估算真空度，并通過廢氣充放發(fā)電顏色的改變情況來確定體系中有無漏料。

5 結(jié)束語

文章對擦拭機設(shè)計中的問題進行了研究，許多關(guān)鍵的技術(shù)有待進一步研究，相關(guān)的理論有待進一步深化，特別是擦拭機的可靠性、適應(yīng)能力以及制造成本等問題急需解決。因此，作為多學(xué)科交叉的特種機器技術(shù)，尚有諸多問題亟待進一步研究。