第三讲：机械真空泵

第三讲：机械真空泵 [简介]: 真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。

一、机械真空泵的分类及主要性能参量 (一)机械真空泵的分类 真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10-12Pa以上的超高真空范围。

由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。

凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，称为机械真空泵。机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下：

1．变容真空泵 它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。

(1)往复式真空泵 利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式真空泵。 (2)旋转式真空泵 利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。它大致有如下几种分类： 1)油封式真空泵 它是利用惠丰石油化工有限公司>真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置。它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。

2)液环真空泵 将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。

3)干式真空泵 它是一种泵内不用油类(或液体)密封的变容真空泵。由于干式真空泵泵腔内不需要工作液体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。

4)罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。

2．动量传输泵 它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。这类泵可分为以下几种形式： (1)分子真空泵 它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为：

1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。

3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 机械真空泵是真空应用领域中使用得最普遍的一类泵，它是真空获得设备的重要组成部分。其详细分类如图1所示。

(二)描述机械真空泵性能的参量 对机械真空泵的性能常用下列参量或其中的几个主要参量来说明。 1．抽气速率(体积流率)(s；单位：m3·s-1；L·s-1) 当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩上指定位置测得的平衡压力之比。简称泵的抽速。即在一定的压力、温度下，真空泵在单位时间内从被抽容器中抽走的气体体积。

2．极限压力（极限真空）（单位：Pa） 泵装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的最低压力。即真空泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最低的稳定的压力。

3．起动压力 泵无损坏起动并有抽气作用的压力

4．前级压力 排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。

5．最大前级压力 超过了能使泵损坏的前级压力。

6．最大工作压力 对应最大抽气量的入口压力。在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏·

7．抽气量（Q单位：Pa·m3·S-1；Pa·L·S-1） 流经泵入口的气体流量。 8．压缩比 泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。

其中泵的抽气速率和极限压力两个参量是在实际应用中选配真空泵的最重要的参量。 (三) 机械真空泵的规格及型号表示法 容积(变容)式机械真空泵系列的抽速分挡(抽速的单位是L·S．1)如下：0·5、1、2、4、8、15、30、70、150、300、600、1200、2500、5000、10000、20000、40000。

国产的各种机械真空泵的型号通常是用汉语拼音字母来表示(如表1所示)。汉语拼音字母表示泵的类型；字母前的数字表示泵的级数，单级时“1”省略；字母后边横线后的数字表示泵的抽速(L/S)。

例：2X一70 2——表示双级； X——表示旋片式真空泵； 70——表示抽气速率为70L／S。

型 号 名 称 型 号 名 称 W WY WL SZ SZB SZZ X 往复式真空泵 移动阀式往复泵 立式往复泵 水环泵 悬臂式结构水环泵 直联式水环泵 旋片式真空泵 H YZ ZJ ZJK F D XZ 滑阀式真空泵 余摆线真空泵 罗茨真空泵 真空电机罗茨真空泵 分子真空泵 定片式真空泵 直联式旋片泵

二、往复式真空泵 往复式真空泵(又称活塞式真空泵)属于低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35oC。往复泵的极限压力，单级为4×102～103Pa，双级可达1Pa。它的排气量较大，抽速范围15～5500L/S。往复泵多用于真空浸渍、钢水真空处理、真空蒸馏、真空结晶、真空过滤等方面抽除气体。

往复式真空泵对于抽除腐蚀性或含有颗粒状灰尘的气体是不适用的。被抽气体中如果含有灰尘，在泵的进亡1处必须加装过滤器。

1．结构原理 往复泵的工作原理，如图2所示。泵的主要部件是气缸1及在其中做往复直线运动的活寨2。活寨的驱动是用曲柄连杆机构3来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5。 泵运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。当汪室在等舸内从存端向右端话动时。由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减少，而形成抽气过程，此时容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，气缸内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压强达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容内的气体压力达到要求时为止。

在实际应用中，为了提高抽气效率，泵多半采用双作用气缸，即活塞能在两个方向(往复)上同时进行压缩和抽气，这主要是依靠配气阀门来实现的。国产的w型往复泵即是单级的双作用泵。

2．结构特点 往复泵有干式和湿式之分。干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物。二者在结构方面没有什么原则性的不同，只是湿式泵内的死空间和配气机构的尺寸比干式泵大一些，因此湿式泵的极限压力要比干式泵的高。往复泵有卧式和立式两种型式(国产为W和WL型)。立式泵从结构和性能上较为先进，它是卧式泵的更新换代产品。如国产的WL系列立式泵与老式W型卧式泵相比，有如下优点：

(1)功率消耗平均减少1/3，节能显著。例如，原W5功率为22KW，而WL-200为15KW；原W4为11KW，而WL-100为7.5KW。

(2)占地面积平均减少2/3。如原W5型占地为3.8m2，而WL一200为1.2m2。 (3)振动降低。WL系列泵消除了横波劣性振动，噪声平均降低5dB以上。 (4)使用寿命长。立式泵由于结构合理，受力均匀，使得各运动部位磨损减轻。

三、水环式真空泵 水环式真空泵是液环式真空泵中最常见的一种。液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。当工作液体为水时，称水环泵。

水环泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。在化工、石油、轻工、医药及食品工业中得到了广泛地应用，如真空过滤、真空送料、真空浓缩、真空脱气等。

单级水环泵的极限压力可达8～2×103Pa，双级水环泵的极限压力可达1×102Pa，排气量为0.25～500m3/h。

1. 工作原理 水环泵工作轮2在泵体l中旋转时形成了水环3和工作室5。水环与工作轮构成了月牙形空间。右边半个月牙形的容积由小变大，形成吸气室。左边的半个月牙形的容积由大变小，构成了压缩过程(相当于排气室)。被抽气体由进气管8和进气口4进入吸气室。转子进一步转动，使气体受压缩，经过排气口6和排气管7排出。排出的气体和水滴由排气管道7进入水箱10，此时气体由水中分离出来，气体经管管道9排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道11排到排水设备中。

水环泵的压缩比由泵的吸气口终了位置和排气口开始位置所决定。因为吸气口终止位置决定着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开始的位置决定着排气时压缩了的气体的体积。对已经确定了结构尺寸的水环泵，可以求出其压缩比。

2．泵的基本类型与特点 水环泵按不同结构可分成如下几种类型： (1) 单级单作用水环泵单级是指只有一个叶轮，单作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行一次。这种泵的极限真空较高，但抽速和效率较低。

(2) 单级双作用水环泵单级是指只有一个叶轮，双作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行二次。在相同的抽速条件下，双作用水环泵比单作用水环泵大大减少尺寸和重量。由于工作腔对称分布于泵轮毂两侧，改善了作用在转子上的载荷。此种泵的抽速较大，效率也较高，但极限真空较低。

(3) 双级水环泵双级水环泵大多是单作用泵串联而成。实质上是两个单级单作用的水环泵的叶轮共用一根心轴联接而成。它的主要特点是在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。

(4) 大气水环泵 大气水环泵实际是大气喷射器串联水环泵的机组。水环泵前面串联大气泵是为了提高极限真空，扩大泵的使用范围。