真空機械的選用與系統設計

朱超

摘要：對真空機械的基本概念及真空泵種類進行了簡介；介紹了真空泵選用時應考慮的主要因素、選用方法，真空系統設計的主要步驟；概述了真空系統設計與組配方法。

關鍵詞：真空 系統設計 工作壓力

引言

研習與應用真空工程技術可分成真空機械的選用與系統設計及基礎理論等兩方面來著手，而認識與了解真空機械又是真空環境產生的起始，換句話說也就是研習與應用真空工程技術所必備的基礎，因此本文擬就真空機械的相關內容做一概略說明，并進一步述及真空系統設計的初步概念。真空機械所涵括的內容主要為真空泵及其系統的管路與管件，當然也包括真空計等構件甚至真空泵所使用的潤滑油；雖然真空系統的管路與管件略異于一般機械裝置，但基本上差異不大除非是高度真空以上者[1]，因此以下仍以真空泵為主要敘述內容。

1.真空泵

欲了解真空泵首需從其分類談起，基本上分成機械壓箱式與表面吸附式等兩大類，機械壓縮式真空泵的操作原理是借機械式動作自系統（所欲產生的真空室或填空腔）中抽取其內的氣體分子，接著在泵中進行傳遞、壓縮、排氣等過程，以使系統漸進地達到負壓狀態（效果即所謂的抽真空）而表面吸附式真空泵則是利用一些物理現象或化學作用以達到抽真空的效果；一般而言機械壓縮式真空泵常用于中低真空的抽氣泵或是作為高度真空系統的前級泵（即所謂的粗抽），表面吸附式真空泵則大多用于高度真空系統者且需配合一些前級泵以建構的。下面介紹幾種常見的真空泵。

1.1真空泵簡介

常見的油封式機械真空泵主要有旋片泵、滑片泵、旋塞泵以及水環泵，利用水形成一封環以到空間隔離而壓箱及傅遞的目的即一般所謂的納氏泵[2]，大部分應用在紙漿樂丶化工胴槽或大空間的粗抽等系統）等型式，前三種型式較為常見，茲分別說明于后。[3]

（1）旋片泵

旋片泵是屬于三連桿機構，由一圓型轉子的主動件及一滑行對等組成者，滑行對即是設于轉子上的溝槽中的一對旋片，此旋片并被中置彈簧頂向兩側以使緊貼在定子的內壁上，轉動時旋片末端與定子內壁的接觸則如同一凸輪對滑動者此種結構另又稱的 Gaede type型旋片泵。轉子與定子是一不同心的圓型件運轉過程中使轉子內的旋片與定子內壁所成的空間達到壓縮氣體與傳遞的作用，在壓縮室的真空油除了擔任潤滑與排熱的作用外，尙兼具氣密的效果。

（2）滑片泵

滑片泵亦是屬于三連桿機械構件，由一如同凸輪圓形偏心轉子主動件及一滑動葉片組成。滑動葉片是借助定子外部的彈簧級平衡桿而緊頂住轉子外緣的，由于定子與偏心轉子為同軸，轉子轉動時滑動葉片會在定子上平移。這種結構相較于旋片泵者恰互為倒置，故其功能甚為相似，運轉與特性亦大致相若，唯轉子因有偏心致使振動較大，且因有彈簧機構故結構上較不牢固。

（3）旋塞泵

旋塞泵是屬于四連桿機構，由一如同凸輪的圓型偏心轉子主動件及旋塞而粗成，定子為一固型的腔室與偏心轉子的轉軸同心，同時與常見的往復式壓縮機的曲柄滑塊機構互為倒置。旋塞由滑針得引連按于轉子上，當轉動時因循心的故而藉由活動閣節做栘運動活動關節對固定桿的一點而做回轉運動，當轉子動作時旋塞即搖動使具有壓縮傳遞氣體的作用。

1.2 真空泵的選用

由有關真空技術的文獻資料得知目前高科技產業（如光學丶半導體、分析儀器等）幾乎都會涉及到真空泵技術[4]， 真空泵技術這些產業中站著極為重要的地位。因此如何選擇合適的真空泵必需考慮周全，否則事后的修補工作是一相當吃力的工作，甚至無法補彌，下列所列的考虛因素可提供一些實質上的參考：

（1）何種氣體需被抽出系統，所需的抽氣效率如何？

（2）是否含有水蒸汽及此水蒸汽是否為主要處理對象？

（3）到達預定的壓力或抽氣循環需時多久，其普遍性如何？

（4）需要怎樣的操作壓力？

（5）所需的真空系是否允許殘余油氣或各種碳氫化合物的存在？是否含有毒性氣體、易燃或爆炸性氣體、腐蝕性氣體？

如何選擇適用的真空泵首先必需知道其用途及其因應的泵工作壓力。這當中必需了解哪些泵可從大氣壓下啟動或哪些系統需從大氣下啟動如水環泵、油封式機械真空泵、吸附泵等即是可以由大氣壓下啟動，如工作壓力需在7.5×10-2torr以下啟動者則需借助泵組合方式以達成的，此時主泵及補助泵的搭配與選擇便相當重要了；此外，除了對各類型空泵需相當清楚外各類型空泵間的差異比較亦需有所認知，即露常見的真空泵的差異、特性比較等相關

數據。

2 真空系統設計

2.1 真空系統的計算

有了真空機械的基礎知識后，進一步即是如何設計真空系統，換句話說，如何構成真空系統。真空系統的構成與設計主要在于決定怎樣裝置與如何抽取系統的氣體以達到設置上的目的，因此系統抽取的氣體量與所需要的時間便是首要的計算

工作。

2.2 系統設計與組配

真空系統的組配與使用目的或終極壓力有關。有些系統用單一個真空泵即可達成其使用目的，有些又因被抽吸的氣（汽）體性質而需使用粗抽泵，事實上系統真空度要求較高者大多需采用機械助力型系統。基本的真空抽取系統首先經由旁路利用粗抽泵將系統抽至約1.0Pa，當系統一但達到約1.OPa時即關閉旁路閥再啟動擴散泵繼續抽，由于擴散泵不適用于泵出口壓力高過10.0Pa的狀況，因此粗抽泵依然需持續運轉；有些泵則是泵的入口壓力不可太低，否則效率不佳，甚至無法抽吸，或系統的氣體有可能間歇性產生。于此情形下亦需有粗抽泵設置的必要；這些系統就的偵測或各泵運轉的轉換可以用自動控制的方式設計實現。系統配備設計尚需有各種關斷防止油氣回流、破空，尤其是水蒸汽冷凝裝置，以防止進人系統或后段泵。采用液態氮冷卻液可以冷凝系統中的水蒸汽，以防止水蒸汽進入后段的擴散泵。[5]

一般而言真空系統工作壓力范圍介于0.10MPa～0.01MPa，且需具良好的捕集效率與潔凈環境時，采用擴散泵即可滿足需求。若要求再低，則需另行加裝離子泵或低溫泵搭配。于低溫系統中經常需利用到所謂的抽真空隔熱，即是如何產生真空環境的技術應用，當然抽真空隔熱所需使用的真空度級次并不需達到前面所述的真空系統工作壓力范圍。

結語

目前高科技產業（如光學、半導體、分析儀器等）幾乎都會涉及到真空技術， 真空技術這些產業中有著極為重要的地位，本文對真空機械作了了簡要介紹，對真空泵的選用與設計進行了闡述，可以對真空泵的實際應用提供一些參考。

參考文獻：

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

[2] 翁建武，周君斐，羅根松，等. 羅茨真空泵特性指標及測試方法研究[J]. 真空. 2015， 52（2）： 7-11.

[3] 趙凡，張世偉，韓進，等. 螺桿真空泵技術領域的專利分析[J]. 真空. 2016， 53（1）： 26-31.

[4] 巫修海，張寶夫，陳文華. 嚴格密封型螺桿真空泵轉子型線研究[J]. 真空科學與技術學報. 2015， 35（8）： 947-954.

[5] 顧志云，林曉真，房大明. 真空泵工作液冷卻水系統改造效果的合理評估[J]. 電站輔機. 2015， 36（3）： 34-36.