關于真空泵的抽速和真空機組的配置|資料

一、泵的抽速定義為在一定的吸入壓力下，單位時間通過泵口被抽除的氣體的體積。一個完正的真空系統(tǒng)，不論是為了何種應用，都應有一個需要抽成真空的容器或室體，一套真空機組，也可能是一臺真空泵，還有連接管道、閥門、冷阱等。而管道、閥門、冷阱等作為組成真空系統(tǒng)的部件，對氣體的流動都有一定的阻礙作用。反過來說它們對氣體的流動都有一定的通導能力，這種能力稱之為流導。這在氣體的流動中是一個很重要的概念，它的定義為單位壓差下的流量。氣體的自然流動總是從高壓流向低壓，上述任一部件，當兩端的壓力分別為P1、P2時，而流過的氣體量為Q，則該部件流導

U=Q/(P1-P2)

不同的真空系統(tǒng)部件的流導可以通過計算、模擬、測量等方法確定，它除了與幾何形狀有關外，還與氣體的流動狀態(tài)有關。不同部件的流導是可以進行串并聯(lián)的。

真空泵是為了抽除真空容器內(nèi)的氣體，但往往泵的抽氣口不能直接與被抽容器相連接，由于工藝上的需要或是降低有油蒸汽污染的真空機組的污染程度，必須通過冷阱、閥門、管道才能與被抽氣容器連接，由于每種真空部件都有確定的流導，所以可以說泵必須通過一定的流導才能與被抽容器連接，如圖所示，圖中泵與真空室之間的連接管道可以包括冷阱和閥門等。假定泵與真空室之間的流導為U，則泵必須通過流導U才能對真空室抽氣，其抽氣能力要受到限制，此時對容器的抽氣作用真正有意義的應是真空室抽氣口處的有效抽速S0。如泵的標稱抽速為S，那么根據(jù)氣體作穩(wěn)定流動時流量守恒的定律可以導出S0，S和U之間滿足的關系

上式稱之為真空基本方程，它是真空系統(tǒng)設計中所依據(jù)的基本規(guī)律。

根據(jù)真空基本方程，可從數(shù)學上得到兩個極端的結果，即當流導U非常大時，真空室的有效抽速S0可以近似等于泵的抽速S；當泵的抽速S非常大時，或者流導U非常小時，真空室的有效抽速S0近似等于流導U。上述結果從物理上可能更易理解，從真空室抽氣口抽除的氣體必須經(jīng)過流導U（即管道、閥門等）才能被真空泵抽除，只不過被抽除的氣體從真空室抽氣口向泵口運動過程是從高壓向低壓的流動，而從泵口被抽除是從低壓向高壓的基于某種抽氣原理的強制流動。如流導U非常大，即通過它的氣體量不受限制，那么泵的抽氣能力就決定于自身的抽速大小，這與泵口直接與真空室相連接是一樣的。但如果泵的抽速非常大，這也就是相對于泵的抽速流導U非常小，此時泵的實際抽氣能力并不決定于它的抽速大小而決定于氣體通過流導U的能力，流導的數(shù)值恰為泵的有效抽速S0。

為了盡量發(fā)揮泵的抽氣能力，最大限度的加大流導U是最有效的方法，但往往難于實現(xiàn)。而一味增大泵的抽速更不切實際。所以采用晝量大的流導和選用晝量大的抽速的泵就非常值得權衡。從真空基本方程可以知道，有效抽速S0隨S或U都是單調(diào)遞增的函數(shù)。真空基本方程描述的內(nèi)容并不深奧，但也沒有淺顯到可以作為每個人的常識，所以在不少的應用領域，用戶往往忽略流導對泵抽速的限制，而造成真空技術應用的效果大受影響。

二、對于一個沒有漏氣，也沒有放氣的真空系統(tǒng)如真空室體積為V，真空室有效抽速為S0，則隨著抽氣的過程，真空室內(nèi)壓力隨時間遵從如下的變化規(guī)律

其中P0為t=0時的壓力，即起始壓力，t=V/S0稱為時間常數(shù)。

以上規(guī)律揭示，每經(jīng)過約的時間，真空室內(nèi)壓力降低一個數(shù)量級，顯然t越小，壓力下降越快，當V一定時，有效抽速S0越大，才能越小。

然而沒有一個真空系統(tǒng)是不漏氣，不放氣的，即使真的不漏氣，放氣總是存在的，實際上（3）式反映的是泵在抽除真空室內(nèi)空間氣體的過程中壓力的變化規(guī)律。當壓力較高時，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量相對空間的氣體量較小時，其影響可以忽略，可以認為近似滿足不漏氣和不放氣的條件，也就是（3）的規(guī)律能近似成立。當壓力較低時，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量不可忽略甚至成為主要的氣體負載時，（3）的規(guī)律就要發(fā)生偏離，表現(xiàn)在壓力下降變?yōu)榫徛?，一般發(fā)生這一轉(zhuǎn)變的壓力在0.5Pa左右，因此一個真空系統(tǒng)典型的抽氣過程先是壓力下降很快，到某一壓力開始變慢。由于一個合格的真空系統(tǒng)對其漏率有嚴格的要求，所以放氣是影響系統(tǒng)壓力降低的主要因素，而放氣是一個緩慢的過程，即使采用烘烤等強化措施，要達到某一預定的壓力，往往要經(jīng)過很長的時間。

任何真空系統(tǒng)都希望盡量縮短抽氣的時間，這關系到提高效率和降低能耗，但并不是所有的真空應用都具有縮短抽氣時間的條件?？梢园巡煌恼婵諔梅譃閮纱箢悾阂活愂遣桓膽]系統(tǒng)內(nèi)的放氣量，而只有真空度的要求；另一類是要求真空室內(nèi)充分的放氣，即放氣率要降到某一臨界值。這兩類不同的應用對泵配置的要求是不一樣的。對于前一類應用，如真空度要求在0.5pa以上，只要時間常數(shù)足夠的小，便可晝量縮短抽氣的時間。但如真空度要求在0.5Pa以下，就必須改慮放氣對壓力變化的影響。放氣量隨時間的變化緩慢。特別是在無烘烤的情況下。要在預定較短的時間內(nèi)達到較高的真空度，就必須以較大的抽速抽除較大的放氣量。也就是說如放氣量為Q，泵的有效抽速為S0，則可達到平衡壓力P=Q/S0。如平衡壓力確定，則達到的時間越短，要求泵的有效抽速就越大。蒸發(fā)鍍膜就是典型的這類的應用，由于蒸鍍的速度快，時間短，所以不考慮放氣量的影響（即活性氣體的影響）。但蒸發(fā)粒子的能量低，要求絕大部分粒子無碰撞地沉積到工件上，以保證結合力及減少散射，這就要求真空室內(nèi)的平均自由程不小于蒸發(fā)源到工件的距離，與此相應的壓力約在1×10-2Pa，這便是蒸發(fā)鍍膜對真空度的要求。

如何在盡量短的時間內(nèi)達到這一壓力，就對泵的有效抽速提出了要求，原則是時間越短，由于放氣量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸發(fā)鍍膜一般配置抽速強大的油擴散泵機組，功率有數(shù)十千瓦，幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)便可達到工作真空度，但該系統(tǒng)對工件造成的油蒸汽污染是難以避免的，特別是塑料金屬化膜層易發(fā)黃。目前渦輪分子泵抽速滿足不了大型蒸發(fā)鍍的需要。而大抽速的低溫泵又是工業(yè)化規(guī)模鍍膜所承受不了的。根據(jù)被抽空間氣體負載的特性，利用分子增壓泵抽除永久性氣體，結合低溫冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望實現(xiàn)大抽速獲得清潔真空的全新抽氣工藝。真空室內(nèi)壓力在0.5Pa以上時，主要氣體成份是永久性氣體，而0.5Pa以下的主要氣體成份是水蒸汽（90%）。由于分子增壓泵具有超強的中真空抽氣能力，從100Pa到0.5Pa抽氣時間極短，而在0.1Pa以后啟用低溫冷凝水捕集泵，可在較短時間內(nèi)使室內(nèi)壓力降低1個數(shù)量級，達到1×10-2Pa。對于3-5m3的大型蒸發(fā)鍍膜設備，配置3-4臺1000升/秒的分子增壓泵和一臺功率5kw的低溫冷凝水捕集泵便能實現(xiàn)上述的抽氣工藝，這無疑具有開創(chuàng)性。對于后一類應用，由于放氣量變化依賴于溫度和時間，而與氣相空間的壓力關系不大，只要壓力低于現(xiàn)存吸附量所對應的平衡壓力即可，一般在抽氣過程中均滿足此條件。因此，用強勁的抽速即使在很短的時間內(nèi)把空間壓力降至很低，依然不能明顯減少真空室內(nèi)的放氣量，而必須配置合適的抽速，在合理的烘烤溫度下，在合理的時間內(nèi)使放氣量達到工藝要求的水準，這一般要歷經(jīng)數(shù)十分鐘的時間。這類應用較為典型的有鈦金行業(yè)的濺射鍍膜和離子鍍膜,稀土永磁材料熔煉等。其中，過量的活性氣體會影響膜層的品質(zhì)和材料的質(zhì)量，因此工藝中均有一段較長時間的精抽過程。

對于鍍膜室為1m3左右的濺射或離子鍍膜設備，一般配置4000升/秒抽速的真空機組，為了促使真空室和工件更快地放氣，往往烘烤到300℃的溫度。值得強調(diào)的是，在鈦金鍍膜中，泵的抽速大小，泵的特性、抽氣工藝及所需的沉積壓力之間表現(xiàn)出的辯正關系。在一個鍍膜周期中，真空機組的抽氣可以分為三個階段，即精抽階段，輝光轟擊和濺射沉積階段。精抽的目的是為了減少真空室內(nèi)的放氣量,其結果主要決定于烘烤溫度和抽氣時間,與空間壓力關系不大,特別是壓力在同數(shù)量級內(nèi)。因此，主泵的抽速在適當?shù)牟町悆?nèi)，精抽的效果是一樣的，真空室內(nèi)的放氣率都可降低到相同的水平，盡管所對應的極限真空不同。具體地講1000升/秒分子增壓泵和1500升/秒的渦輪分子泵在這一階段抽氣的效果是相同的。輝光轟擊階段，由于此時放電壓力在2Pa左右，一般來講主泵的抽氣能力受到影響，傳統(tǒng)地均采用節(jié)流的方法以犧牲抽速來換取泵的穩(wěn)定工作，擴散泵和渦輪分子泵都是如此，尤其是擴散泵抽速損失更大，相應地放電的氬氣流量也明顯減少。然而這一階段只有大的有效抽速，大的氬氣流量才能獲得更好的轟擊清洗的效果。在這一點上分子增壓泵是有明顯的優(yōu)勢。在最后的濺射沉積階段典型的工作壓力為0.5Pa，擴散泵和渦輪分子泵仍需節(jié)流，且不說在該種情況下，沉積的壓力難于穩(wěn)定，減小的抽氣速率勢必要讓精抽過程中所達到的活性氣體（放氣）的分壓明顯地回升。在放氣量一定的情況下，活性氣體的分壓高低決定了對沉積膜層質(zhì)量的影響。能以滿抽速穩(wěn)定抽氣的分子增壓泵，在此又一次顯示了它的優(yōu)越性。

三、不同的真空系統(tǒng)要求的真空度不同。因此往往必須由一套真空機組來完成。即由工作在不同壓力范圍的真空泵串接起來，高真空一側(cè)的真空泵能達到系統(tǒng)要求的真空度，而低真空一側(cè)的真空泵是直排大氣的。顯然最簡單的真空機組就是一臺直排大氣的真空泵。但高真空系統(tǒng)一般需要三級機組，中真空一般需要二級機組。一臺高真空泵和一臺低真空泵難于組成有效的高真空機組。

這有幾方面的原因。流量的連續(xù)性就是其中之一。高真空泵都有前級耐壓的限制，即前級高于某一壓力，泵就不能正常工作。而當前級泵達到這一臨界壓力時，往往抽速會減小，這樣前級泵的排氣流量可能會小于主泵的排氣流量，這種流量的不一致破壞了流量連續(xù)性的要求，必然會引起真空機組不能正常工作。但如在高低真空泵之間再連接一臺中真空泵，便可起到承上啟下的作用，流量連續(xù)，而且各泵皆可工作在 狀態(tài)。羅茨泵能工作在中真空范圍，是最適合的，故又稱羅茨增壓泵，由于其壓縮比不高，正好可連接幾Pa至幾百Pa的范圍。當三級高真空機組進入較高的真空度時，由于主泵的排氣流量明顯減少，此時僅靠一臺較小的前級泵便可維持抽氣的連續(xù)性，在實際運用中這是經(jīng)常采用的方法，這樣可減少機組的能耗。高真空機組往往需要三級機組的另一個原因歸結于高真空泵的吸入壓力的限制。泵都有起始工作壓強，傳統(tǒng)的高真空泵都在幾Pa的范圍。因此前級泵必須預抽到這一壓力主泵才能開始工作。但直排大氣的前級泵抽至這一壓力往往需要較長的時間，因為隨著壓力降低泵的抽速在減小，特別是對于周期性抽氣的真空機組，對達到工作真空度的時間是有要求的，預抽時間越長，進入工作真空度的時間也越長，故增加一臺中真空泵與前級低真空泵配合，可在較短的時間達到主泵可以工作的壓力，這樣可以使系統(tǒng)盡快地進入工作壓力，保證了設備的使用效率。

羅茨泵和油增壓泵都可以作為中真空泵，分子增壓泵有極高的壓縮比，這除了使它能獲得清潔真空外還具有優(yōu)異的高真空性能，同時在中真空范圍也有超強的抽氣能力。這就使分子增壓泵成為目前唯一兼有中高真空性能的真空泵，所以只需要與低真空泵配合便能組成性能堪比三級機組的高真空機組。具體地講由于分子增壓泵耐壓高，所以可使前級泵易于處于高流量狀態(tài)；而分子增壓泵吸入壓力高，減緩了前級泵的預抽負擔。分子增壓泵可以在100-50Pa工作，前級泵從大氣到這一壓力，基本遵從每經(jīng)過時間壓力降低一個數(shù)量級的規(guī)律，因此，機組可以具有很高的抽氣效率。簡化高真空機組，取消羅茨泵是分子增壓泵的又一個優(yōu)勢。對于較大型的高真空應用設備，也可適當加強前級泵的預抽能力，進一步縮短抽氣時間，由于預抽時間與整個排氣過程相比很短，所以前級泵的使用時間也很短，因此可以兼作多套設備的預抽作用，而這往往是非?，F(xiàn)實的。這就使規(guī)?；瘧玫恼婵諜C組得到大大的簡化。在某些中真空應用中，需要進入10-1Pa范圍，這對羅茨泵的二級機組往往難于實現(xiàn)，而使用二級羅茨泵串接的三級機組可使真空度提高一個數(shù)量級而進入10-1Pa，所以中真空應用也常用三級機組。由于分子增壓泵在10-1Pa可以滿抽速，所以亦可以在三級中真空機組中取代兩級羅茨泵。一般地講，長時間工作在中真空的低端壓力范圍的羅茨泵，分子增壓泵可以完全取代。而長時間工作在中真空高端壓力范圍的羅茨泵相對而言應該較少，因為這一壓力范圍前級泵往往還具有強勁的抽速。這從宏觀上預測了分子增壓泵取代羅茨泵的前景。

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