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膜片真空泵是摆动式容积泵,属于气体传输真空泵类别。它们属于粗真空泵,在只需要几毫巴压力的实验室中发挥着重要作用。这种泵常用于制药或医疗工艺的化学实验室以及其他应用。
膜片真空泵为单级或多级干式压缩真空泵(目前生产的膜片泵最多有四级)。在这种真空泵中,膜片边张紧在泵头与泵壳壁之间(图 2.1)。膜片在连杆和偏心装置的作用下,以摆动的方式移动。抽取或压缩室的容积会周期性地变大和变小,从而实现抽气操作。阀的布置方式可在泵室容积变大时使阀对进气管路打开。在压缩过程中,泵室与排气管路连通。膜片在齿轮室和泵室之间提供密封,以保持无油和无润滑剂(干式压缩真空泵)。只有膜片和阀会接触被抽的介质。若膜片上有 PTFE(特氟龙)涂层,并且进气阀和排气阀是由高度氟化弹性体制成,比如 Leybold 莱宝的 DIVAC 真空泵,就可以泵腐蚀性蒸汽和气体,非常适合化学实验室中的真空应用。
图 2.1 膜片泵的泵级设计示意图。
1) 泵壳盖 2) 阀 3) 泵盖 4) 膜片盘 5) 膜片 6) 膜片支撑盘 7) 连杆 8) 偏心盘
如今,膜片泵变得越来越重要,这主要是因为用户越来越重视环保。膜片泵不会产生任何废水,因此在许多应用中取代了射水式真空泵。总体而言,与射水泵相比,膜片真空泵可节省高达 90% 的运行成本。与旋片泵相比,膜片泵的泵室完全无油。从设计上来讲,它无需使用油浸式轴封。
膜片的弹性变形能力有限,因此只能实现相对较低的抽速。鉴于这种抽气原理,泵内存在一个被称为“死区”的容积 - 此处的气体无法被移至排气管路。在随后的抽气过程中,这些留在泵内的气体会膨胀进入并填充正在膨胀的泵室,因此,随着进气压力降低,流入的新气体量越来越少。因此,这会导致容积效率持续降低。膜片真空泵所能达到的压缩比最高只能是“死区”和泵室最大容积的比值。对于单级膜片真空泵,可达到的最终压力约为 80 mbar。两级泵(比如 Leybold 莱宝的 DIVAC 真空泵)可达到约 10 mbar(见图 2.2),三级泵可达到约 2 mbar,四级膜片泵可达到约 5 ·10-1 mbar。
图 2.2 双级膜片泵的工作原理。在连杆转动一圈的四个后续阶段 (a-d),会打开和关闭阀、通道和抽气机构