真空泵在工程设计中的应用

周 宏

（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州 310030）

1 前言

真空泵是利用机械、物理、化学或者物理化学的方法，通过对被抽容器抽气而获得真空的一种设备。真空状态下，一般用气体的稀薄程度来表示气体的压力，数值越小表示气体越稀薄。

所谓极限真空(真空度)就是把真空泵与检测容器连接在一起，放入待测试气体，然后进行连续抽气，当罐内气体压力下降到一定数值，并维持此数值时，该数值称为泵的极限真空。此值越小说明越接近理论真空。（绝对真空度-相对真空度=当地大气压）。按真空度大致可划分为水泵（粗真空），压强约1.333～100kPa；油泵（次高真空），压强约0.133～133.3Pa；扩散泵（高真空），压强0.133Pa 以下。

在化工设计中，真空泵是常用的设备之一。真空泵种类繁多，如何进行真空泵的选型是设计工作需要解决的问题。通过研究总结真空泵的种类原理特点，可以有的放矢地在设计中进行真空泵的选型。

2 原理及分类

2.1 按工作原理可分为抽除式泵、捕集式泵

（1）抽除式泵。其原理是通过抽吸系统中的气体，将其排至系统外来获得真空。例如液环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵、扩散泵、往复泵等。

（2）捕集式泵。其原理是捕集系统中的气体分子，将其直接吸附在泵的工作壁面上而不排出系统。例如吸附泵等。

2.1.1 抽除式泵

主要包括变容真空泵和动量传输泵

（1）变容真空泵。是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气排气，达到抽气目的。可分为往复式及旋转式。往复式泵是利用泵腔内活塞往复运动而将气体吸入、压缩并排出的泵。旋转式泵是利用泵腔内转子的旋转运动将气体吸入、压缩并排出的泵。变容真空泵可分为：油封式泵（主要包括旋片、定片、滑阀、余摆线式等）、液环泵、罗茨泵等。

（2）动量传输泵。是依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体分子，气体分子从泵的入口传输到出口。主要包括：

①分子真空泵。是在分子流区域内依靠高速运动的刚体表面传递给气体分子动量，使气体分子在刚体表面运动方向上产生定向流动，从而达到抽气目的获得真空的泵。主要有牵引分子泵、涡轮分子泵和两者的组合。

②喷射式真空泵。主要包括以下几种：

喷射泵。利用文丘里效应的压力降产生的高速射流而把气体输送到出口的一种动量传输泵。可分为液体喷射泵、气体喷射泵、蒸汽喷射泵。

扩散泵。以低压油或汞等高速蒸汽流作为工作介质，气体分子扩散到蒸汽射流中，然后被送到出口。它适于在分子流状态，气体分子密度始终很低。

扩散喷射泵。是一种由扩散泵与喷射泵的组合。例如油增压泵。

③离子传输泵。是将被电离的气体在电磁场或电场的作用下，输送到出口的动量传输泵。

2.1.2 捕集式泵

主要包括吸附泵（利用表面吸附剂的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵）、吸气剂泵（利用吸气剂以化学结合方式捕获气体的一种真空泵；吸气剂通常是金属或合金，存在形式是以块状或沉积新鲜薄膜形式，比如升华泵）、吸气剂离子泵（将被电离的气体通过电场、电磁场作用吸附在有吸气材料的表面，以达到抽气目的的泵）、低温泵（利用低温表面捕集气体的泵）。

3 常用泵的工作机制

1）液环泵。液环泵叶片的叶轮是偏心地装在圆柱形泵壳内的。当叶轮旋转时，形成了液环，液环内表面与叶轮轮毂相切。以叶轮下部0°为起点，顺时针方向计，叶轮在旋转前180°时小腔容积由小变大，气体被吸入端面上的吸气口，吸气完毕小腔与吸气口隔绝；继续旋转，小腔由大变小，气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体被排出泵外。

2）旋片泵。旋片式泵的转子偏心安装在泵腔内，上部紧贴泵腔内壁，转子槽内圆周方向均分有三个旋片，当转子高速旋转时，在离心力作用下旋片紧贴泵腔内壁，泵腔被分成三个相互隔离、容积周期性可变的工作腔，当进气腔容积扩大而吸气，当排气腔容积缩小而压缩气体，由此来获得真空。

3）滑阀泵。滑阀式泵是通过滑阀机构来改变吸气腔容积，从而获得真空的泵。

4）罗茨泵。罗茨泵是依靠泵腔内一对叶形转子同步或者反向旋转来推压气体从而实现抽气获得真空的泵。此泵不可以单独抽气，需配油封、水环作为前级泵后才可直排大气。

5）扩散泵。扩散泵喷口中喷出高速蒸汽流等，在分子流条件下，气体分子不断向蒸汽流中扩散，同时被蒸汽带向泵出口处，然后逐级被压缩，再由前级泵排除，由此获得真空。

6）往复泵。往复泵是依靠活塞来回周期性地运动，造成气缸周期性的增大缩小来吸入和排出气体，获得真空的泵。

4 常用泵的真空度和适用范围

1）液环泵是一种粗真空泵。液环泵中气体压缩是等温的，所以可用于抽除易燃易爆的气体，此外还可用于抽除含尘、含水的气体。受工作液饱和蒸气压的限制，真空度低。用水做工作液，极限真空2 000 ～4 000Pa；用油作工作液，极限真空约130Pa。

2）旋片泵是一种油封式机械真空泵。它可直接从大气压起动抽气；可单独做低真空泵用，也可与其他高真空泵组合作为前级泵用；体积小、重量轻、噪音低，特别适合实验室使用；该泵不可用来抽含氧过高的、有毒的易爆的或与泵油发生化学作用的或对黑色金属有腐蚀作用的气体。极限真空≤1.3Pa。

3）滑阀泵是一种油封式机械真空泵。常用在大型真空设备上，具有高真空、低噪音、少震动，寿命长，不易漏油的特点，可用于抽有较高温度、有轻微粉尘和腐蚀性的气体，特别是含少量水蒸气的混合气体。分为单级和双级两种型式。单级泵的极限压力对小泵≤0.6Pa，对大泵≤1.3Pa（均关气镇），双级泵的极限压力≤0.06Pa（关气镇）。抽速大于150L/s 的滑阀泵多采用单级型式。

4）罗茨泵是一种变容真空泵。特点是启动快，耗功少，运转维护费用低，抽速大、效率高，对被抽气体中含少量水蒸气和灰尘不敏感，在100 ～1Pa 压力范围内有较大抽气速率，能迅速排除突然放出的气体，不需要油润滑；转速可高达3 450 ～4 100r/min；抽气速率为30 ～10 000L/s。极限真空：单级泵为6.5×102Pa，双级泵为1×103Pa。

5）扩散泵是一种动量传输泵。特点是可获得高真空，用于真空冶炼镀膜、空间模拟实验和对油污染不敏感的真空系统。极限真空为10-4～10-5Pa。

6）往复泵是一种变容真空泵，有干式和湿式之分。抽气量范围大，可达15 ～5 500L/s，抽气效率不高。不适用抽除腐蚀性或含微小颗粒的气体，如果被抽气体中含颗粒，进口处必装过滤器。单级泵极限真空约为400 ～103Pa，双级泵极限真空约为1Pa。

5 选型

真空泵在工程系统中有不同的用途，按用途可分为∶①主抽气泵。②预抽气泵。放置在主抽气泵前，在大气状态下直接开始抽吸到某一压力，然后由主抽气泵接着继续进行抽吸工作。③前级泵。放置在主抽气泵后，主抽气泵不能将所抽气体直接排入大气时，串接前级泵进行排送。④维持泵。当主抽气泵停止工作后，用来继续抽吸维持系统压力的泵。在选型中首先要了解泵的用途，然后要满足以下需求：

1）满足工艺真空度要求。选型时真空度要满足工艺要求，且一般高于真空设备真空度的半个到一个数量级。例如绝对压强要求高于3 300Pa 则优先选水环泵；绝对压强要求低于3300Pa，选择旋片式或更高真空级别的泵。

2）满足工艺抽气量(抽气速率) 的要求：抽气量是真空泵在它的工作压力下，排出气液固的能力。

根据需要形成真空的体积和达到的时间（一般可选5～10min），一般可按以下经验公式[1]估算抽气速率S：S=(V/t)×ln(P1/P2) 。其中：S为真空泵抽气速率(L/s)；V为真空室容积(L)；t为达到要求真空度所需时间(s)；P1为初始压强(Pa) ；P2为要求压强(Pa)。

6 案例

根据不同工作要求，选用不同类型的真空泵。为了使用方便和满足各种工艺过程的需要，一般会将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。

例如：某药厂反应釜需要真空操作，介质为含丙酮的料液，有一定的洁净要求。考虑到真空有一定的洁净要求，真空度要求也比较高，选用了罗茨-立式无油往复泵机组。以ZJ 型罗茨泵为主泵, 以WLW 型立式无油往复泵为前级泵串连而成。无油往复泵采用无油自润滑材料，可获得洁净真空。克服了无油往复泵在—定压力下抽气速率低的缺点，同时又保留罗茨泵启动快、抽气速率较大的优点。

7 结论

通过真空泵种类原理特点的研究，可以更好地在工程设计中进行真空泵的选用，提高工程设计质量。