真空泵在工程設計中的應用

周 宏

（浙江省天正設計工程有限公司，浙江杭州 310030）

1 前言

真空泵是利用機械、物理、化學或者物理化學的方法，通過對被抽容器抽氣而獲得真空的一種設備。真空狀態下，一般用氣體的稀薄程度來表示氣體的壓力，數值越小表示氣體越稀薄。

所謂極限真空(真空度)就是把真空泵與檢測容器連接在一起，放入待測試氣體，然后進行連續抽氣，當罐內氣體壓力下降到一定數值，并維持此數值時，該數值稱為泵的極限真空。此值越小說明越接近理論真空。（絕對真空度-相對真空度=當地大氣壓）。按真空度大致可劃分為水泵（粗真空），壓強約1.333～100kPa；油泵（次高真空），壓強約0.133～133.3Pa；擴散泵（高真空），壓強0.133Pa 以下。

在化工設計中，真空泵是常用的設備之一。真空泵種類繁多，如何進行真空泵的選型是設計工作需要解決的問題。通過研究總結真空泵的種類原理特點，可以有的放矢地在設計中進行真空泵的選型。

2 原理及分類

2.1 按工作原理可分為抽除式泵、捕集式泵

（1）抽除式泵。其原理是通過抽吸系統中的氣體，將其排至系統外來獲得真空。例如液環泵、旋片泵、滑閥泵、羅茨泵、擴散泵、往復泵等。

（2）捕集式泵。其原理是捕集系統中的氣體分子，將其直接吸附在泵的工作壁面上而不排出系統。例如吸附泵等。

2.1.1 抽除式泵

主要包括變容真空泵和動量傳輸泵

（1）變容真空泵。是利用泵腔容積的周期變化來完成吸氣排氣，達到抽氣目的。可分為往復式及旋轉式。往復式泵是利用泵腔內活塞往復運動而將氣體吸入、壓縮并排出的泵。旋轉式泵是利用泵腔內轉子的旋轉運動將氣體吸入、壓縮并排出的泵。變容真空泵可分為：油封式泵（主要包括旋片、定片、滑閥、余擺線式等）、液環泵、羅茨泵等。

（2）動量傳輸泵。是依靠高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體分子，氣體分子從泵的入口傳輸到出口。主要包括：

①分子真空泵。是在分子流區域內依靠高速運動的剛體表面傳遞給氣體分子動量，使氣體分子在剛體表面運動方向上產生定向流動，從而達到抽氣目的獲得真空的泵。主要有牽引分子泵、渦輪分子泵和兩者的組合。

②噴射式真空泵。主要包括以下幾種：

噴射泵。利用文丘里效應的壓力降產生的高速射流而把氣體輸送到出口的一種動量傳輸泵?？煞譃橐后w噴射泵、氣體噴射泵、蒸汽噴射泵。

擴散泵。以低壓油或汞等高速蒸汽流作為工作介質，氣體分子擴散到蒸汽射流中，然后被送到出口。它適于在分子流狀態，氣體分子密度始終很低。

擴散噴射泵。是一種由擴散泵與噴射泵的組合。例如油增壓泵。

③離子傳輸泵。是將被電離的氣體在電磁場或電場的作用下，輸送到出口的動量傳輸泵。

2.1.2 捕集式泵

主要包括吸附泵（利用表面吸附劑的物理吸附作用來抽氣的一種捕集式真空泵）、吸氣劑泵（利用吸氣劑以化學結合方式捕獲氣體的一種真空泵；吸氣劑通常是金屬或合金，存在形式是以塊狀或沉積新鮮薄膜形式，比如升華泵）、吸氣劑離子泵（將被電離的氣體通過電場、電磁場作用吸附在有吸氣材料的表面，以達到抽氣目的的泵）、低溫泵（利用低溫表面捕集氣體的泵）。

3 常用泵的工作機制

1）液環泵。液環泵葉片的葉輪是偏心地裝在圓柱形泵殼內的。當葉輪旋轉時，形成了液環，液環內表面與葉輪輪轂相切。以葉輪下部0°為起點，順時針方向計，葉輪在旋轉前180°時小腔容積由小變大，氣體被吸入端面上的吸氣口，吸氣完畢小腔與吸氣口隔絕；繼續旋轉，小腔由大變小，氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時，氣體被排出泵外。

2）旋片泵。旋片式泵的轉子偏心安裝在泵腔內，上部緊貼泵腔內壁，轉子槽內圓周方向均分有三個旋片，當轉子高速旋轉時，在離心力作用下旋片緊貼泵腔內壁，泵腔被分成三個相互隔離、容積周期性可變的工作腔，當進氣腔容積擴大而吸氣，當排氣腔容積縮小而壓縮氣體，由此來獲得真空。

3）滑閥泵?；y式泵是通過滑閥機構來改變吸氣腔容積，從而獲得真空的泵。

4）羅茨泵。羅茨泵是依靠泵腔內一對葉形轉子同步或者反向旋轉來推壓氣體從而實現抽氣獲得真空的泵。此泵不可以單獨抽氣，需配油封、水環作為前級泵后才可直排大氣。

5）擴散泵。擴散泵噴口中噴出高速蒸汽流等，在分子流條件下，氣體分子不斷向蒸汽流中擴散，同時被蒸汽帶向泵出口處，然后逐級被壓縮，再由前級泵排除，由此獲得真空。

6）往復泵。往復泵是依靠活塞來回周期性地運動，造成氣缸周期性的增大縮小來吸入和排出氣體，獲得真空的泵。

4 常用泵的真空度和適用范圍

1）液環泵是一種粗真空泵。液環泵中氣體壓縮是等溫的，所以可用于抽除易燃易爆的氣體，此外還可用于抽除含塵、含水的氣體。受工作液飽和蒸氣壓的限制，真空度低。用水做工作液，極限真空2 000 ～4 000Pa；用油作工作液，極限真空約130Pa。

2）旋片泵是一種油封式機械真空泵。它可直接從大氣壓起動抽氣；可單獨做低真空泵用，也可與其他高真空泵組合作為前級泵用；體積小、重量輕、噪音低，特別適合實驗室使用；該泵不可用來抽含氧過高的、有毒的易爆的或與泵油發生化學作用的或對黑色金屬有腐蝕作用的氣體。極限真空≤1.3Pa。

3）滑閥泵是一種油封式機械真空泵。常用在大型真空設備上，具有高真空、低噪音、少震動，壽命長，不易漏油的特點，可用于抽有較高溫度、有輕微粉塵和腐蝕性的氣體，特別是含少量水蒸氣的混合氣體。分為單級和雙級兩種型式。單級泵的極限壓力對小泵≤0.6Pa，對大泵≤1.3Pa（均關氣鎮），雙級泵的極限壓力≤0.06Pa（關氣鎮）。抽速大于150L/s 的滑閥泵多采用單級型式。

4）羅茨泵是一種變容真空泵。特點是啟動快，耗功少，運轉維護費用低，抽速大、效率高，對被抽氣體中含少量水蒸氣和灰塵不敏感，在100 ～1Pa 壓力范圍內有較大抽氣速率，能迅速排除突然放出的氣體，不需要油潤滑；轉速可高達3 450 ～4 100r/min；抽氣速率為30 ～10 000L/s。極限真空：單級泵為6.5×102Pa，雙級泵為1×103Pa。

5）擴散泵是一種動量傳輸泵。特點是可獲得高真空，用于真空冶煉鍍膜、空間模擬實驗和對油污染不敏感的真空系統。極限真空為10-4～10-5Pa。

6）往復泵是一種變容真空泵，有干式和濕式之分。抽氣量范圍大，可達15 ～5 500L/s，抽氣效率不高。不適用抽除腐蝕性或含微小顆粒的氣體，如果被抽氣體中含顆粒，進口處必裝過濾器。單級泵極限真空約為400 ～103Pa，雙級泵極限真空約為1Pa。

5 選型

真空泵在工程系統中有不同的用途，按用途可分為∶①主抽氣泵。②預抽氣泵。放置在主抽氣泵前，在大氣狀態下直接開始抽吸到某一壓力，然后由主抽氣泵接著繼續進行抽吸工作。③前級泵。放置在主抽氣泵后，主抽氣泵不能將所抽氣體直接排入大氣時，串接前級泵進行排送。④維持泵。當主抽氣泵停止工作后，用來繼續抽吸維持系統壓力的泵。在選型中首先要了解泵的用途，然后要滿足以下需求：

1）滿足工藝真空度要求。選型時真空度要滿足工藝要求，且一般高于真空設備真空度的半個到一個數量級。例如絕對壓強要求高于3 300Pa 則優先選水環泵；絕對壓強要求低于3300Pa，選擇旋片式或更高真空級別的泵。

2）滿足工藝抽氣量(抽氣速率) 的要求：抽氣量是真空泵在它的工作壓力下，排出氣液固的能力。

根據需要形成真空的體積和達到的時間（一般可選5～10min），一般可按以下經驗公式[1]估算抽氣速率S：S=(V/t)×ln(P1/P2) 。其中：S為真空泵抽氣速率(L/s)；V為真空室容積(L)；t為達到要求真空度所需時間(s)；P1為初始壓強(Pa) ；P2為要求壓強(Pa)。

6 案例

根據不同工作要求，選用不同類型的真空泵。為了使用方便和滿足各種工藝過程的需要，一般會將各種真空泵按其性能要求組合起來，以機組型式應用。

例如：某藥廠反應釜需要真空操作，介質為含丙酮的料液，有一定的潔凈要求。考慮到真空有一定的潔凈要求，真空度要求也比較高，選用了羅茨-立式無油往復泵機組。以ZJ 型羅茨泵為主泵, 以WLW 型立式無油往復泵為前級泵串連而成。無油往復泵采用無油自潤滑材料，可獲得潔凈真空?？朔藷o油往復泵在—定壓力下抽氣速率低的缺點，同時又保留羅茨泵啟動快、抽氣速率較大的優點。

7 結論

通過真空泵種類原理特點的研究，可以更好地在工程設計中進行真空泵的選用，提高工程設計質量。