真空机械的选用与系统设计

朱超

摘要：对真空机械的基本概念及真空泵种类进行了简介；介绍了真空泵选用时应考虑的主要因素、选用方法，真空系统设计的主要步骤；概述了真空系统设计与组配方法。

关键词：真空 系统设计 工作压力

引言

研习与应用真空工程技术可分成真空机械的选用与系统设计及基础理论等两方面来着手，而认识与了解真空机械又是真空环境产生的起始，换句话说也就是研习与应用真空工程技术所必备的基础，因此本文拟就真空机械的相关内容做一概略说明，并进一步述及真空系统设计的初步概念。真空机械所涵括的内容主要为真空泵及其系统的管路与管件，当然也包括真空计等构件甚至真空泵所使用的润滑油；虽然真空系统的管路与管件略异于一般机械装置，但基本上差异不大除非是高度真空以上者[1]，因此以下仍以真空泵为主要叙述内容。

1.真空泵

欲了解真空泵首需从其分类谈起，基本上分成机械压箱式与表面吸附式等两大类，机械压缩式真空泵的操作原理是借机械式动作自系统（所欲产生的真空室或填空腔）中抽取其内的气体分子，接着在泵中进行传递、压缩、排气等过程，以使系统渐进地达到负压状态（效果即所谓的抽真空）而表面吸附式真空泵则是利用一些物理现象或化学作用以达到抽真空的效果；一般而言机械压缩式真空泵常用于中低真空的抽气泵或是作为高度真空系统的前级泵（即所谓的粗抽），表面吸附式真空泵则大多用于高度真空系统者且需配合一些前级泵以建构的。下面介绍几种常见的真空泵。

1.1真空泵简介

常见的油封式机械真空泵主要有旋片泵、滑片泵、旋塞泵以及水环泵，利用水形成一封环以到空间隔离而压箱及傅递的目的即一般所谓的纳氏泵[2]，大部分应用在纸浆乐丶化工胴槽或大空间的粗抽等系统）等型式，前三种型式较为常见，兹分别说明于后。[3]

（1）旋片泵

旋片泵是属于三连杆机构，由一圆型转子的主动件及一滑行对等组成者，滑行对即是设于转子上的沟槽中的一对旋片，此旋片并被中置弹簧顶向两侧以使紧贴在定子的内壁上，转动时旋片末端与定子内壁的接触则如同一凸轮对滑动者此种结构另又称的 Gaede type型旋片泵。转子与定子是一不同心的圆型件运转过程中使转子内的旋片与定子内壁所成的空间达到压缩氣体与传递的作用，在压缩室的真空油除了担任润滑与排热的作用外，尙兼具气密的效果。

（2）滑片泵

滑片泵亦是属于三连杆机械构件，由一如同凸轮圆形偏心转子主动件及一滑动叶片组成。滑动叶片是借助定子外部的弹簧级平衡杆而紧顶住转子外缘的，由于定子与偏心转子为同轴，转子转动时滑动叶片会在定子上平移。这种结构相较于旋片泵者恰互为倒置，故其功能甚为相似，运转与特性亦大致相若，唯转子因有偏心致使振动较大，且因有弹簧机构故结构上较不牢固。

（3）旋塞泵

旋塞泵是属于四连杆机构，由一如同凸轮的圆型偏心转子主动件及旋塞而粗成，定子为一固型的腔室与偏心转子的转轴同心，同时与常见的往复式压缩机的曲柄滑块机构互为倒置。旋塞由滑针得引连按于转子上，当转动时因循心的故而藉由活动阁节做栘运动活动关节对固定杆的一点而做回转运动，当转子动作时旋塞即摇动使具有压缩传递气体的作用。

1.2 真空泵的选用

由有关真空技术的文献资料得知目前高科技产业（如光学丶半导体、分析仪器等）几乎都会涉及到真空泵技术[4]， 真空泵技术这些产业中站着极为重要的地位。因此如何选择合适的真空泵必需考虑周全，否则事后的修补工作是一相当吃力的工作，甚至无法补弥，下列所列的考虚因素可提供一些实质上的参考：

（1）何种气体需被抽出系统，所需的抽气效率如何？

（2）是否含有水蒸汽及此水蒸汽是否为主要处理对象？

（3）到达预定的压力或抽气循环需时多久，其普遍性如何？

（4）需要怎样的操作压力？

（5）所需的真空系是否允许残余油气或各种碳氢化合物的存在？是否含有毒性气体、易燃或爆炸性气体、腐蚀性气体？

如何选择适用的真空泵首先必需知道其用途及其因应的泵工作压力。这当中必需了解哪些泵可从大气压下启动或哪些系统需从大气下启动如水环泵、油封式机械真空泵、吸附泵等即是可以由大气压下启动，如工作压力需在7.5×10-2torr以下启动者则需借助泵组合方式以达成的，此时主泵及补助泵的搭配与选择便相当重要了；此外，除了对各类型空泵需相当清楚外各类型空泵间的差异比较亦需有所认知，即露常见的真空泵的差异、特性比较等相关

数据。

2 真空系统设计

2.1 真空系统的计算

有了真空机械的基础知识后，进一步即是如何设计真空系统，换句话说，如何构成真空系统。真空系统的构成与设计主要在于决定怎样装置与如何抽取系统的气体以达到设置上的目的，因此系统抽取的气体量与所需要的时间便是首要的计算

工作。

2.2 系统设计与组配

真空系统的组配与使用目的或终极压力有关。有些系统用单一个真空泵即可达成其使用目的，有些又因被抽吸的气（汽）体性质而需使用粗抽泵，事实上系统真空度要求较高者大多需采用机械助力型系统。基本的真空抽取系统首先经由旁路利用粗抽泵将系统抽至约1.0Pa，当系统一但达到约1.OPa时即关闭旁路阀再启动扩散泵继续抽，由于扩散泵不适用于泵出口压力高过10.0Pa的状况，因此粗抽泵依然需持续运转；有些泵则是泵的入口压力不可太低，否则效率不佳，甚至无法抽吸，或系统的气体有可能间歇性产生。于此情形下亦需有粗抽泵设置的必要；这些系统就的侦测或各泵运转的转换可以用自动控制的方式设计实现。系统配备设计尚需有各种关断防止油气回流、破空，尤其是水蒸汽冷凝装置，以防止进人系统或后段泵。采用液态氮冷却液可以冷凝系统中的水蒸汽，以防止水蒸汽进入后段的扩散泵。[5]

一般而言真空系统工作压力范围介于0.10MPa～0.01MPa，且需具良好的捕集效率与洁净环境时，采用扩散泵即可满足需求。若要求再低，则需另行加装离子泵或低温泵搭配。于低温系统中经常需利用到所谓的抽真空隔热，即是如何产生真空环境的技术应用，当然抽真空隔热所需使用的真空度级次并不需达到前面所述的真空系统工作压力范围。

结语

目前高科技产业（如光学、半导体、分析仪器等）几乎都会涉及到真空技术， 真空技术这些产业中有着极为重要的地位，本文对真空机械作了了简要介绍，对真空泵的选用与设计进行了阐述，可以对真空泵的实际应用提供一些参考。

参考文献：

[1] 杨乃恒. 干式真空泵的原理、特征及其应用[J]. 真空. 2000， 15（3）： 1-9.

[2] 翁建武，周君斐，罗根松，等. 罗茨真空泵特性指标及测试方法研究[J]. 真空. 2015， 52（2）： 7-11.

[3] 赵凡，张世伟，韩进，等. 螺杆真空泵技术领域的专利分析[J]. 真空. 2016， 53（1）： 26-31.

[4] 巫修海，张宝夫，陈文华. 严格密封型螺杆真空泵转子型线研究[J]. 真空科学与技术学报. 2015， 35（8）： 947-954.

[5] 顾志云，林晓真，房大明. 真空泵工作液冷却水系统改造效果的合理评估[J]. 电站辅机. 2015， 36（3）： 34-36.