第3章　真空获得技术与设备

3.1　概述

用来获得、改善和维持真空的装置称为真空泵，是获得真空的主要手段，广泛应用于机械、冶金、化工、医疗、食品、电子、半导体、能源、高能物理、航空和航天等领域中。

近年来，已研制出从大气压到高真空仅用一台泵就能实现的新型真空泵。但一般来说，为了获得高真空、超高真空及极高真空，还要釆用多台真空泵构成机组来完成抽气任务。因此，了解各种真空泵的工作原理、主要性能、结构特点等，对于正确选择经济适用的真空泵是非常重要的。

本章将重点介绍真空泵基本参数、术语及各类真空泵工作压力范围、常用真空泵的类型、工作原理、主要性能参数及其技术指标。

3.1.1　真空泵基本参数

①极限压力　将真空泵与标准测试罩相连，在不引入气体正常工作情况下，进行长时间连续抽气，当测试罩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，其单位为Pa，用pu表示。

②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，其单位为Pa·m3/s或Pa·L/s，用Q表示。

③抽气速率　单位时间内流过泵入口的气体体积称为泵的抽气速率，抽气速率的单位为m3/s或L/s，用S表示。

一般真空泵的抽气速率与气体种类有关，因此给定的泵的抽气速率均表示对某种气体的抽气速率，如无特殊标明，多指对空气的抽气速率。

泵对给定气体A的抽气速率SA为气体A流过泵入口的流量QA与气体A的分压力pA的比值如下式所示

④启动压力　指泵无损坏启动并有抽气作用时的压力，其单位为Pa。

⑤前级压力　指排气压力低于101325Pa的真空泵的出口压力，其单位是Pa。

⑥最大前级压力　指超过了它能使泵损坏的前级压力，其单位是Pa。

⑦最大工作压力　指对应最大抽气量的入口压力，在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏，其单位是Pa。

⑧压缩比　指泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。

⑨何氏系数　泵抽气通道面积上的实际抽速与该处按分子泻流计算的理论抽速之比。

⑩抽速系数　泵的实际抽速与泵入口面积按分子泻流计算的理论抽速之比。

⑪返流率　指泵按规定条件工作时，与抽气方向相反而通过泵入口单位面积、单位时间的泵液的质量流，其单位是g/（cm2·s）。

⑫水蒸气允许量　指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时能抽除的水蒸气质量流率，其单位是kg/h。

⑬最大允许水蒸气入口压力　指在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时所能抽除的水蒸气的最高入口压力，其单位是Pa。

3.1.2　真空泵型号编制方法

（1）真空泵型号组成

真空泵型号由基本型号和辅助型号两部分组成，左边部分为基本型号，右边部分为辅助型号，两者中间用横直线隔开，如图3-1所示。

个别规格泵的进气口径相同而抽气速率不等，则可同时标出抽气速率，单位：L/s。

（2）真空泵型号示例

①W-35B　往复真空泵，抽气速率为35L/s，第二次改型设计；

②2X-15A双级旋片式真空泵，抽气速率为15L/s，第一次改型设计；

③XD-63　单级多旋片式真空泵，抽气速率为63m3/h；

④ZJ-600罗茨真空泵，抽气速率为600L/s；

⑤YZ-150余摆线真空泵，抽气速率为150L/s；

⑥3L-160三极溅射离子泵，抽气速率为160L/s；

⑦F-160　分子泵，进气口径为160mm；

⑧K-800　油扩散真空泵，进气口径为800mm；

⑨Z-400油扩散喷射泵，进气口径为400mm；

⑩S-400升华泵，进气口径为400mm；

⑪GL-100锆铝吸气剂泵，进气口径为100mm；

⑫DZ-160制冷机低温泵，进气口径为160mm；

⑬IF-3分子筛吸附泵，装入分子筛质量为3kg；

⑭3P0.63-50/0.6-10三级水蒸气喷射泵，吸入压力为0.63kPa，抽气量为50kg/h，工作蒸汽压力为0.6MPa，其中可凝性气体量为10kg/h。

3.1.3　真空泵的分类

真空泵按其工作原理可分为两大类。

（1） 气体输送泵

其原理是将气体由泵的入口端压缩到出口端，并排除泵体外。也称为排出型真空泵。例如：利用膨胀-压缩-排出原理的旋转式机械真空泵；利用气体黏滞牵引作用的蒸汽流喷射泵；利用高速表面牵引力作用的盖德型分子泵、利用涡轮叶片排除气体的涡轮分子泵。

（2） 气体捕集泵

其原理是利用各种吸气作用将气体吸附在泵内以达到降低被抽空间气体压力的目的。例如：利用电离吸气作用的离子泵；利用物理或化学吸附作用的吸附泵、吸气剂泵、低温冷凝泵等。在这类泵中气体分子并不排出泵外，而是被暂时或永久地储存于泵内，也称俘获型真空泵。

按真空泵腔是否有油分为有油泵和无油泵。无油泵系指不用油作为工作液及不用油（或脂）的真空泵，如低温泵、磁悬浮分子泵和溅射离子泵等，而脂润滑与油润滑的涡轮分子泵不是无油泵。近十年来在低真空及中真空领域，出现了“干式”真空泵，这类泵腔中不用油作为工作介质，如涡旋泵、螺杆泵、爪式泵及膜片泵等，但这类泵的轴承轴封多用脂润滑，严格意义上也不属于无油泵的范畴。它具有结构简单、操作容易、维护方便、不会污染环境等优点。

无油真空泵耐用性好，是一种应用范围非常广泛的获得真空的基本设备。

近年来随着机械加工技术的进步和对清洁真空的要求，在一些生产工艺中，尤其是在半导体和液晶显示器的生产中，对真空环境清洁度的要求也越来越高，传统的有油真空泵已经不能满足，干式真空泵应运而生。无油真空泵在我国是一新兴产业，而无油泵代替有油泵是大势所趋，尤其是我国加入WTO以后，国外无油泵对有油泵的替代率超过50%，与国际接轨、与国外合作，发展自己的无油泵迫在眉睫。提早介入无油泵的开发不仅可以为企业带来丰厚的利润，还能带来巨大的社会效益。清洁无油真空泵代替有油泵将成为行业趋势。

常用真空泵的分类如图3-2所示：

3.1.4　各类真空泵工作压力范围

随着真空技术在生产和科学研究领域中对其工作压力范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求。由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。任何真空泵，在工作期间除了抽气作用，总是伴随着出现一些破坏抽气的效应。例如，气体被压缩后要反扩散、分子被吸附后还会脱附等，这些现象称为气体的返流。只有在抽气作用强于返流时，泵才能有效地工作。因此每种泵都有自己的有效运用压力范围及固有特点。设计、制造及运用各种真空泵都是以加强抽气作用、抑制返流为目的的。表3-3所列为常用的各种真空泵的类型及其应用范围。

注：此表仅作为选择真空泵的参考，不能视为工作压力范围。