真空泵原理是什麼？

真空泵可以分為兩類：氣體輸運泵（gas transfer pump）和氣體捕獲泵（entrapment pump）。通俗地說氣體輸運泵就是把腔體內的氣體分子搬運到腔體外面去，而氣體捕獲泵則是通過物理或化學方法把腔體內的氣體分子固定下來，從而達到降壓的目的。

氣體輸運泵可以分為：正排量泵（positive-displacement pump）和分子運動真空泵（kinetic vaccum pump）。旋轉機械泵（rotatory mechanical pump）和羅氏泵（roots pump）都屬於正排量泵，分子運動真空泵則包括擴散泵（diffusion pump）和渦輪分子泵（turbomolecular pump）。

氣體捕獲泵通過捕獲氣體分子實現降低氣壓，一般包括吸附泵（adsorption pump），濺射離子泵（sputter-ion pump）和低溫泵（cryogenic pump），其中吸附泵和低溫泵的原理類似，所以下面我們將只介紹低溫泵的物理原理。

旋轉機械泵示意圖。

旋轉機械泵一般用於對較大系統的粗抽真空，為了使活塞在旋轉過程中緊貼器壁，同時也是為了潤滑，旋轉機械泵使用「油」做潤滑劑，單級泵可以抽到10的-2次方托（torr，約等於1mm汞柱，760分之一標準大氣壓或1.333mbar），兩級可以抽到10的-4次方托。要想氣壓再低就需要在此基礎上使用擴散泵或渦輪分子泵了。旋轉機械泵泵出的氣體有一定刺激性（如包含油的顆粒等），我們需要用專門的管道把它們引導到室外排放。

羅氏泵示意圖。

羅氏泵是旋轉機械泵的變種，它裡面有兩個8字形的轉子壓縮並泵出氣體，由於轉子之間咬合的很緊密，這種泵甚至不需要使用「油」來密封，羅氏泵有很高的轉速，在擁有一個前級泵（旋轉機械泵）的情況下，羅氏泵甚至可以達到10的-5次方托。羅氏泵一般用於化學氣相沉積（CVD），工作氣壓為約1托。

擴散泵示意圖。

與機械泵不同，擴散泵沒有「運動」部件。擴散泵一般用於10的-2次方托以下，最低可以達到比10的-10次方托還低。擴散泵不能直接把氣體排放到大氣里，擴散泵必須使用前級泵，以使得擴散泵的出氣口維持在大約0.1托。擴散泵一般使用硅油（silicone oil）做工作介質，硅油沸騰氣化後形成高速的蒸汽流，這些「硅油蒸汽流」由頂部注入腔體，裹挾殘留的氣體分子從底部離開腔體，達到抽真空的目的。

擴散泵的一個致命缺陷是，油的迴流（backstreaming）會「污染」腔體。由於這個原因，擴散泵不能用於表面分析和薄膜生長。為了盡量避免「油迴流」造成的影響，我們在擴散泵的上方會放一個冷凝盤（cold cap），使硅油蒸汽在上面冷凝下來。

渦輪分子泵示意圖。

渦輪分子泵使用高速旋轉的葉片使殘存氣體分子從腔體中泵出，葉片轉速高達2萬到3萬轉每分鐘。渦輪分子泵也需要使用前級泵。渦輪分子泵能夠實現「無油」真空，最低氣壓可達10的-10次方托，儘管十分昂貴，目前已廣泛應用於薄膜的生長和表徵中。

低溫泵示意圖：殘存氣體分子在如圖多孔物質（活性木炭4）處凝結，時間久了無法凝結更多分子，造成低溫泵效率的降低，此時需要更換多孔物質，這被稱為低溫泵的再生。

低溫泵的原理是使殘存氣體分子在低溫下發生冷凝，從而降低腔體內的氣壓。低溫泵可以製備非常乾淨的從10的-3到10的-10次方托的真空。低溫泵的使用也需要前級泵。由於低分子量的氣體更難發生冷凝，在高真空環境中殘存的氣體將以氦和氫為主。

濺射離子泵示意圖。

最後介紹濺射離子泵。這種泵使用高電壓使殘留氣體分子發生電離，陽離子撞擊陰極，使陰極的鈦原子被撞擊出來，暴露形成「新鮮」的鈦表面可以吸附腔體內的殘留氣體，從而獲得更高的真空度。

真空泵是用各種方法在某一封閉空間中產生、改善和維持真空的裝置。真空泵可以定義為：利用機械、物理、化學或物理化學的方法對被抽容器進行抽氣而獲得真空的器件或設備。隨著真空應用的發展，真空泵的種類已發展了很多種，其抽速從每秒零點幾升到每秒幾十萬、數百萬升。極限壓力(極限真空)從粗真空到10-12Pa以上的極高真空範圍。

真空區域的劃分

真空泵的分類

按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分為兩種類型，即變容真空泵和動量傳輸泵。

變容真空泵是利用泵腔容積的周期變化來完成吸氣和排氣以達到抽氣目的的真空泵。氣體在排出泵腔前被壓縮。

動量傳輸泵（分子真空泵）依靠高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳輸給氣體或氣體分子，使氣體連續不斷地從泵的入口傳輸到出口。（單獨段介紹）

變容真空泵又分為：往複式，旋轉式（旋片式、滑閥式、液環式、羅茨式、螺旋式、爪形轉子式），其它型式。

各類真空泵工作壓力範圍

真空泵的規格及型號表示法：

國產的各種機械真空泵的型號通常是用漢語拼音字母來表示。漢語拼音字母表示泵的類型；字母前的數字表示泵的級數，單級時「1」省略；字母后邊橫線後的數字表示泵的抽速(L/S) 。

國產真空泵型號對照表

常用真空泵技術

蒸汽噴射泵

濕式泵（液環真空泵、旋轉葉片泵）

乾式泵（羅茨泵、螺桿泵、爪式泵）

1、蒸汽噴射泵

噴射真空泵工作原理：蒸汽噴射真空泵有一定壓強的工作的真空泵設備，蒸汽通過拉瓦爾噴咀，減壓增速，蒸汽的勢能轉變為動能並以超音速噴入混合室，與被抽介質混合，進行能量交換，混合後的氣體進入擴壓器，減速增壓，動通轉化為壓強能，為了減少後級泵的抽氣負荷，配置冷凝器，通過有一定溫差的兩種介質對流，進行熱交換，達到冷凝高溫介質目的，排到大氣壓。工作原理如下圖所示：

常用真空泵技術

2、濕式泵：液環真空泵

在圓形泵體（A）內，在相對於泵體中心線為偏心的軸上裝有一個葉輪（B）。轉動的葉輪的離心作用迫使工作液通過通道（D）流向腔體周邊形成環流（C）。

泵起作用時，被輸送的氣體混合物經過中間板（E）上的吸入口（H）進入葉輪，在泵入口處形成真空。氣體混合物充入位於液環內徑和葉輪葉片根部之間的葉輪腔內。當葉輪轉動時，葉輪葉片浸沒在液環中的程度增加，而使液環和葉輪葉片根部之間的容積減少。結果是氣體混合物受到壓縮，直至到達中間板中（K）的排放口（J）。氣體混合物通過排放口排出。

在壓縮循環過程中，熱傳遞到液環。為了使溫度保持在工作液的蒸發點以下，必須進行冷卻。通過連續不斷地向液環添加冷的工作液來達到冷卻的目的。添加的工作液量與經過排放口與壓縮氣體混合物一起排放的工作液排放量相等。氣體混合物和工作液最終經過泵出口進行分離。

液環泵按不同結構可分成如下幾種類型：

(1) 單級單作用液環泵單級是指只有一個葉輪，單作用是指葉輪每旋轉一周，吸氣、排氣各進行一次。這種泵的極限真空較高，但抽速和效率較低。 (2) 單級雙作用液環泵單級是指只有一個葉輪，雙作用是指葉輪每旋轉一周，吸氣、排氣各進行二次。在相同的抽速條件下，雙作用液環泵比單作用液環泵大大減少尺寸和重量。由於工作腔對稱分布於泵輪轂兩側，改善了作用在轉子上的載荷。此種泵的抽速較大，效率也較高。

(3)雙級液環泵大多是單作用泵串聯而成。實質上是兩個單級單作用的液環泵的葉輪共用一根心軸聯接而成。它的主要特點是在較高真空度下，仍然具有較大的抽速，而且工作狀況穩定。

(4)大氣液環泵實際是大氣噴射器串聯液環泵的機組。液環泵前面串聯大氣泵是為了提高極限真空，擴大泵的使用範圍。

濕式泵：旋轉葉片泵

轉子在有柱狀膛孔的定子內 。

轉子有兩個葉片在槽中反向滑動 。

當轉子運轉時，葉片端與油潤滑定子壁接觸。

每轉一次為兩個泵吸循環 —比較小的不平衡力。

濕式泵的主要問題：密封液體供應，污染，廢水處理，腐蝕，蒸汽壓力限制（特別是液環泵），可靠性，運行成本。

3、乾式泵

乾式抽真空：沒有工業生產液流的污染；

深度真空，運轉更靈活；

無廢水，無污染，（較少或）無廢棄物處理費用；

維修成本較低；

在泵排放口立即回收溶劑；

消耗水、電、氣等費用較低→運行成本較低。

技術對比：

乾式泵的成本

投資成本較高，但較低的運行成本。

延長維修服務間隔時間和軸承壽命。

在運轉範圍內，電力消耗較低。因此，在容能比（M3/hr/kW）方面節能效果更好。

無受污染的油要進行處理（除了齒輪箱以外）。

乾式泵技術：泵的類型：羅茨泵、螺桿泵、爪式泵；

羅茨泵：

螺桿泵：

螺桿泵是利用齒輪傳動同步反向旋轉的相互嚙合而不接觸的左螺桿與右螺桿作高速轉動，利用泵殼和相互嚙合的螺旋將螺旋槽分隔成多個空間、形成多個級，氣體在相等的各個槽內（柱形等螺距）進行傳輸運動，但無壓縮，只有螺桿最末端的螺旋結構對氣體有壓縮作用。螺桿的各級間可形成壓力梯度，以分散壓差和提高壓縮比。各部間隙和泵轉速對泵的性能有很大影響。在設計螺桿各部的間隙時，要考慮膨脹、加工及裝配精度和工作環境（如抽除含粉塵氣體等）等。

螺桿泵結構及特點

通過減速或注氣來冷卻—能力降低並減少危險

雙螺桿運轉

不鏽鋼轉子

轉子嚙合匹配

懸臂軸

單級壓縮

產生過多的熱

有很好的液體兼容性

維護保養非常容易

複雜的螺桿結構方式

爪式泵

爪式泵結構特點

氣體壓縮比高

有效的氣體壓縮

工藝材料可以從泵中通過（良好的灰塵處理）

良好的蒸汽輸送和回收

能忍受熱負載

抽空到和擴散泵交接

直接支持工業擴散泵

動量傳遞式真空泵

利用高速旋轉的葉片或高速射流，把動量傳輸給被抽氣體或氣體分子，使氣體不斷地從入口傳輸到出口的真空泵。

分子泵：牽引分子泵、渦輪分子泵和複合分子泵三大類。

噴射真空泵：水噴射泵、氣體噴射泵和蒸汽噴射泵三大類

擴散泵：以油或汞蒸汽作為工作介質。汞擴散泵不帶分餾裝置，油擴散泵有分餾裝置。

噴射真空泵(Jet Vacuum Pump)

噴射真空泵是利用液體或者氣體的高速射流攜帶被抽氣體，使被抽容器內獲得一定真空度的一種低真空泵。

按工作介質可分為水噴射泵、大氣噴射泵和水蒸汽噴射泵

噴射泵特點：

結構簡單、工作穩定可靠；

可抽除含有水蒸汽、粉塵的氣體、易燃易爆氣體和腐蝕性氣體；

抽氣量大，應用廣泛：冶金、化工、食品製造等領域；

缺點：抽氣效率低，能量損失大。

水噴射泵是用水作為工作介質，通過高速射流來引射被抽氣體，使容器達到一定真空度的粗真空獲得設備。

單級泵的極限壓強為3.3kPa，兩級串聯可獲得好一些的真空度，主要受水飽和蒸汽壓的限制。

可單獨使用，也可作為其他真空泵的前級。

噴嘴的作用是將水的壓強轉變成動能，其結構對泵的性能影響較大，常用錐形收縮型、流線型和多孔型。

吸入室一般為圓筒形，截面積為噴嘴出口面積的6-10倍。

擴散器由漸縮段、喉管、漸擴段組成。漸縮段使氣體順利進入喉管(15~30o)；喉管使液體與氣體均勻混合，進行質量遷移和能量傳遞；漸擴段是將氣液混合介質動能轉變為壓力能，使被抽氣體壓縮。(5~8o)

鍋爐內的擴散泵油經電加熱沸騰形成蒸汽；

油蒸汽經過導流管進入傘形噴嘴，形成超音速蒸汽流；

由於存在密度梯度，油蒸汽射流上方的被抽氣體擴散到蒸汽射流內部，獲得動量，被攜帶到泵壁上；

油蒸汽在水冷泵壁上冷凝，釋放出氣體，被前級泵抽走；

冷凝油滴沿泵壁流回鍋爐。

真空泵的工作壓強應該滿足真空設備的極限真空及工作壓強要求。

正確地選擇真空泵的工作點。

真空泵在其工作壓強下，應能排走真空設備工藝過程中產生的全部氣體量。

了解被抽氣體成分，氣體中含不含可凝蒸氣，有無顆粒灰塵，有無腐蝕性等。

真空設備對油污染的要求。若設備嚴格要求無油時，應該選各種無油泵。

真空泵的價格、運轉及維修費用。