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容积式真空泵通常是一种在柱塞、转子、叶片以及阀或类似部件的帮助下,将被抽的气体吸入其中的真空泵,然后可能会对气体进行压缩,接着再排出。抽真空过程通过泵内柱塞的旋转运动实现。我们应将这些泵区分为油封式和干式压缩容积泵。通过使用密封油,单级泵就可以实现高达大约 105 的高压缩比。如果没有密封油,“内部漏气”会大大增加,可达到的压缩比也会相应降低,大约为 10 倍左右。
如分类表 2.1 所示,油封式容积泵包括具有单级和双级设计的旋片泵和滑阀泵,以及单级摆线泵 - 这种泵如今仅剩下历史意义。这些泵都配备一个气镇装置 - 此装置由 Gaede 于 1935 年首次进行了详细描述。在指定的工程限制范围内,气镇装置允许泵抽可凝蒸汽(尤其是水蒸汽),而不会在泵中出现蒸汽凝结。
旋片泵(参见图 2.6)包含一个圆柱形壳体(泵环)(1),里面有一个偏心安装的悬浮开槽转子 (2) 沿箭头方向转动。转子的叶片 (16) 通常在离心力以及弹簧的作用下强制向外,从而使叶片在壳体内滑动。通过进气口 (4) 进入的气体被叶片推动,最终通过油封排气阀 (12) 从泵中排出。
图 2.6 单级旋片泵 (TRIVAC B) 的剖面图
TRIVAC B 系列(图 2.6)只有两个相隔 180° 的叶片。叶片在离心力的作用下强制向外,无需使用弹簧。当环境温度较低时,可能需要使用粘度低的泵油。该泵通过齿轮油泵提供压力润滑。TRIVAC B 系列配备一个特别可靠的防返油阀;进气口和排气口采用水平或垂直布置。油位观察孔和气镇执行器均位于油箱的同一侧(用户友好型设计)。与 TRIVAC BCS 系统结合使用时,它可能配备一系列非常全面的附件,这些附件主要设计用于半导体应用。旋片泵的油壳以及其他油封式容积泵的油壳均用于润滑和密封,也用于填充死腔和开槽。它可以吸收气体压缩产生的热量,即实现散热目的。机油在转子和泵环之间提供密封。这些部件沿一条直线(缸套线)“几乎”相互接触。为了增加油密封的表面积,泵环内集成有一个所谓的密封通道(参见图 2.4)。这可提供更好的密封,并允许达到更高的压缩比或更低的极限压力。
Leybold 莱生生产多个不同系列的旋片泵,这些泵非常适合多种应用,例如高进气压力、低极限压力或半导体行业的应用等。表 2.2 总结了这些泵的一些较为重要的特性。TRIVAC 旋片泵为两级 (TRIVAC B) 泵(参见图 2.7)。与相应的单级泵相比,使用双级油封泵可以获得更低的工作压力和极限压力。这是因为使用单级泵时,机油不可避免地会与外部大气接触,这会从大气中吸入气体并部分逸出至真空侧,从而限制可达到的极限压力。在 Leybold 莱宝制造的油封式两级容积泵中,供应至真空侧泵级的机油已经脱气(图 2.7 中的泵级 1):极限压力几乎位于高真空范围内,最低工作压力则位于中等真空/高真空范围内。注意:所说的高真空级(泵级 1)在机油极少或无机油的情况下运行尽管能够达到极低的极限压力,但在实际应用中会导致相当大的困难,并将严重影响泵的运行。
图 2.4 旋片泵中密封通道的布置,也称为“双密封”。整个密封通道 b 的恒定最小间隙 a
图 2.7 双级旋片泵的示意图(剖面图)
I 高真空级
II 第二个前级真空级
a - 阀挡块
b - 阀的片簧
图 2.9 所示为一体式滑阀泵的剖面图。其中柱塞 (2) 沿偏心装置 (3) 朝箭头方向沿着泵室壁移动。被抽的气体通过进气口 (11) 流入泵,然后通过滑阀 (12) 的进气通道进入泵室 (14)。滑阀与柱塞形成一个装置,并在泵壳中可旋转的阀导向器(铰接杆 13)之间来回滑动。被吸入泵的气体最终进入压缩室 (4)。在转动时,柱塞会压缩此数量的气体,直至其通过油封阀 (5) 排出。与旋片泵一样,油壳用于润滑、密封、填充死腔和冷却。由于泵室被柱塞分成两个空间,每转一圈都完成一个工作循环(参见图 2.10)。滑阀泵有的是单级泵,有的是双级泵。在许多真空过程中,将罗茨泵与单级泵结合使用,可能比仅使用双级泵更具优势。如果这种组合或两级泵均不能满足要求,建议将罗茨泵与双级泵结合使用。这不适合旋片泵与罗茨泵组合的情况。
图 2.9 单级滑阀泵的剖面图
图 2.10 旋转柱塞泵的工作循环
旋片泵和滑阀泵配套提供的电机在 53.6°F (12°C) 的环境温度下并使用我们的专用机油时,可提供足够的功率,以满足最大功率要求(在约 400 mbar 的压力下)。在泵的实际工作范围内,已预热的泵的驱动系统只需要提供约三分之一的电机装机功率(参见图 2.11)。