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4.1 真空泵的工作原理和性能

4.1.1 真空泵的分类

真空泵分为气体输送泵和气体吸附或捕集泵。气体输送式真 空泵可以连续使用，而气体吸附真空泵具有有限的气体吸收 能力，并且必须在一定的过程时间间隔进行再生。

气体输送泵，分为容积式真空泵和动量传递真空泵。容积泵 将密封空间中的气体排到大气或下级泵中。动量传递泵通过 机械驱动或蒸汽射流在运动方向对气体进行加速来抽出气。 气体吸附真空泵通过吸气或在合适温度冷凝气体的方式将气 体吸附到特别的活性表面上。吸附泵通过蒸发和/或升华或溅 射不断地产生纯净的吸气面。如果要抽出的气体粒子在与吸 气面进行相互作用之前在离子泵中被电离了，则它们在溅射 清洁吸气面的同时被溅射的材料掩盖。非蒸散型吸气剂 (NEG) 包括高反应性的合金，其主要由锆或钛组成，并且具 有非常大的比表面积。 气体可以通过微孔渗透到吸气材料的 深层内部，并在那里结合成稳定的化合物。
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    图 4.1: 真空概览

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4.1.2 抽速和气流量

抽速
  • S_0=\frac{dV}{dt}

(公式 1-17) 是通过真空泵入口横截面的平均体积流量。在 抽气特征图中，Y 轴上显示的是体积流率或抽速， X 轴上显 示的是入口压力。由泵几何形状决定的，泵可达到的最大抽 速被称为额定抽速。 抽速的测定在基本标准 ISO 21360- 1:2012 中进行了说明。抽速以单位 m3 · s-1 表示。单位 m³ · h-1, l · s-1 和 l · min-1 也是常用单位。

气流量
  • q_{pV}=S\cdot p=\frac{dV}{dt}\cdot p

(公式 1-16) 作为入口压力函数，表示真空泵中的气体流 量。它以 Pa · m3 · s-1 或 hPa · l · s-1 = mbar · l · s-1 表示。 如果抽气系统由气体容积泵组成，所有串联连接的泵都具有 相同的气流量。
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4.1.3 极限压力和本底压力

极限压力 pc 是在无气体进入的限定条件下由盲板法兰连接的 真空泵渐进的最低压力。在极限压力下，泵的抽速将为零， 因为只有其自身的返流损失将被抽出。极限压力是理论值。 现在用本底压力代替极限压力。获得本底压力的条件在标准 ISO 21360-1:2012 中有规定。由于必须在指定时间内获得本 底压力，其通常高于极限压力。
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4.1.4 压缩比

  • K_0=\frac{p_{outlet}}{p_{inlet}}

    公式 4-1: 压缩比

在盲法兰连接入口的情况下，压缩比(由于零流量，被称为 K0 通过出口侧压力测量而得到，前提是出口不是恒定的大 气压。
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4.1.5 串联系统的抽速

真空泵具有抽速 S0 和压缩比 K0。泵通过缝隙具有返流损 失，返流流导为 CRCR。 设入口压力为 pinlet 且排气压力为 poutlet 。抽速为 Sb 的前级泵被连接到出口侧。 例如，罗茨泵 机组或涡轮分子泵机组。


抽速为 S 的整个机组抽出的气体量
  • q_{pV}=p_{inlet}\cdot S=p_{outlet}\cdot S_{b}=S_0\cdot p_{inlet}-C_{R}(p_{outlet}-p_{inlet})

    公式 4-2: 机组的气体流量

对于返流流导 CR, 适用以下公式，其中 CR<<S0
  • C_{R}=\frac{S_0}{K_0}

    公式 4-3: 返流流导

且对于实际压缩比
  • C_{R}=\frac{p_{inlet}}{p_{outlet}}=\frac{S}{S_{b}}

    公式 4-4: 实际压缩比

使用以上公式，可以得出两级泵系统的抽速 S 为
  • S=\frac{S_0}{1-\frac{1}{K_0}+\frac{S_0}{K_0\cdot S_{b}}}

    公式 4-5: 抽速递推公式

该公式也可以用作多级泵串联系统的递推公式，其中最后一 级泵抽速 Sb 和中间泵的 K0 和 S0.

4.1.6 气镇

空气或其他非冷凝气体通过某种方式被允许进入真空泵，该 方式被称为气镇。如果泵内存在相应温度下无气镇会冷凝的 蒸汽，则气镇使出口阀在蒸汽冷凝前打开，且蒸汽与镇流气 体一起被排出。大气以及所选惰性气体被用作镇流气体。气 镇的使用会略微增加真空泵所能达到的本底压力。 因此，对于气镇真空泵，同时规定有气镇和无气镇的本底压 力。
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4.1.7 水蒸汽耐受性/水蒸汽的能力

水蒸汽耐受性 pw 是真空泵在正常环境条件下 (20 °C, p0 = 1,013 hPa) 可连续吸入和对应的蒸气。 它可从给定温度下的 抽速、气镇流量、相对湿度和饱和蒸气压计算得出。
  • p_{W}=\frac{q_{pV,\,Ballast}\cdot(p_{S}-p_{a})}{S\cdot(\alpha\cdot p_0-p_{S})}

    公式 4-6: 水蒸汽耐受性

  • pW​ 水蒸汽耐受性
  • qpV,Ballast​ 气镇流量
  • S 泵的抽速
  • pS水蒸气在排气温度下的饱和蒸气压
  • pa​ 空气中水蒸气的分压
  • p0​ 大气压
  • α 修正系数，无因次

修正系数将打开出口阀所需压力高于大气压的这一事实考虑 在内。在我们的例子中，可以将 αα 假定为1.1。

水蒸汽耐受性具有的压力大小，以 hPa 表示。

DIN 28426 描述了使用间接方法来确定水蒸汽耐受性。 水蒸 汽耐受性随泵的排气温度上升而增加，且随气镇流量 qpV,ballast 的增加而增加。其在较高环境压力下减少。

在无气镇的情况下，出口温度小于 100°C 的真空泵不能抽出 即使少量的纯净水蒸气。如果水蒸气在无气镇的情况下被泵 吸入， 冷凝物将溶解在泵油中。因此，本底压力将会上升， 冷凝物可能会导致泵体腐蚀破坏。

排水蒸气能力是真空泵在环境条件(20 °C 和 1,013 hPa)下 可以连续吸入和抽出水蒸气的最大水量
  • q_{m,\,water}=p_{W}\cdot S\cdot M\cdot(RT)^{-1}

    公式 4-7: 抽水蒸气能力

  • qm,water​ 抽水蒸气能力
  • M 水的摩尔质量
  • R 一般气体常数
  • T 绝对温度


抽水蒸气的能力以 g · h-1表示。因此，它是水蒸气质量流 率。 通常用于在公式中的 cW 表示抽水蒸气的容量。
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4.1.8 密封气体

当抽吸腐蚀性气体时，存在气体可能破坏泵部件的风 险。 为 了避免该危险，敏感部件必须用连续的惰性气体流保护起 来。 因此，泵体内设有特殊的进气系统，凭借该系 统，气体 在规定的位置流入泵系统。 在涡轮分子泵中，主要是轴承和 电机舱需要保护。 在电机舱中吸入密封气体能够避免侵蚀性 气体与润滑剂或轴承中的腐蚀敏感成分发生化学反应以及防 止灰尘和粒子进入润滑剂腔、与润滑剂混合。使用密封气体 可以保护电机及防止粒子进入和导致轴与紧急轴承接触， 也 建议免润滑的涡轮分子泵使用

除轴承密封气体外，干式前级泵也有净化气体注入嘴可注入 泵内。 净化气体流量使用校准喷嘴上游的压力调节器或流量 调节器 (质量流量控制器或 MFC)进行调节，以及通过压力 传感器和开关进行监控。