真空泵抽速和真空機(jī)組配置的幾個(gè)問(wèn)題|資料

　　一、泵的抽速定義為在一定的吸入壓力下，單位時(shí)間通過(guò)泵口被抽除的氣體的體積。一個(gè)完正的真空系統(tǒng)，不論是為了何種應(yīng)用，都應(yīng)有一個(gè)需要抽成真空的容器或室體，一套真空機(jī)組，也可能是一臺(tái)真空泵，還有連接管道、閥門(mén)、冷阱等。而管道、閥門(mén)、冷阱等作為組成真空系統(tǒng)的部件，對(duì)氣體的流動(dòng)都有一定的阻礙作用。反過(guò)來(lái)說(shuō)它們對(duì)氣體的流動(dòng)都有一定的通導(dǎo)能力，這種能力稱(chēng)之為流導(dǎo)。這在氣體的流動(dòng)中是一個(gè)很重要的概念，它的定義為單位壓差下的流量。氣體的自然流動(dòng)總是從高壓流向低壓，上述任一部件，當(dāng)兩端的壓力分別為P1、P2時(shí)，而流過(guò)的氣體量為Q，則該部件流導(dǎo)

U=Q/(P1-P2)

不同的真空系統(tǒng)部件的流導(dǎo)可以通過(guò)計(jì)算、模擬、測(cè)量等方法確定，它除了與幾何形狀有關(guān)外，還與氣體的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。不同部件的流導(dǎo)是可以進(jìn)行串并聯(lián)的。

不同部件的流導(dǎo)串并聯(lián)

　　真空泵是為了抽除真空容器內(nèi)的氣體，但往往泵的抽氣口不能直接與被抽容器相連接，由于工藝上的需要或是降低有油蒸汽污染的真空機(jī)組的污染程度，必須通過(guò)冷阱、閥門(mén)、管道才能與被抽氣容器連接，由于每種真空部件都有確定的流導(dǎo)，所以可以說(shuō)泵必須通過(guò)一定的流導(dǎo)才能與被抽容器連接，如圖所示，圖中泵與真空室之間的連接管道可以包括冷阱和閥門(mén)等。假定泵與真空室之間的流導(dǎo)為U，則泵必須通過(guò)流導(dǎo)U才能對(duì)真空室抽氣，其抽氣能力要受到限制，此時(shí)對(duì)容器的抽氣作用真正有意義的應(yīng)是真空室抽氣口處的有效抽速S0。如泵的標(biāo)稱(chēng)抽速為S，那么根據(jù)氣體作穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)流量守恒的定律可以導(dǎo)出S0，S和U之間滿(mǎn)足的關(guān)系

上式稱(chēng)之為真空基本方程，它是真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所依據(jù)的基本規(guī)律。

根據(jù)真空基本方程，可從數(shù)學(xué)上得到兩個(gè)極端的結(jié)果，即當(dāng)流導(dǎo)U非常大時(shí)，真空室的有效抽速S0可以近似等于泵的抽速S；當(dāng)泵的抽速S非常大時(shí)，或者流導(dǎo)U非常小時(shí)，真空室的有效抽速S0近似等于流導(dǎo)U。上述結(jié)果從物理上可能更易理解，從真空室抽氣口抽除的氣體必須經(jīng)過(guò)流導(dǎo)U（即管道、閥門(mén)等）才能被真空泵抽除，只不過(guò)被抽除的氣體從真空室抽氣口向泵口運(yùn)動(dòng)過(guò)程是從高壓向低壓的流動(dòng)，而從泵口被抽除是從低壓向高壓的基于某種抽氣原理的強(qiáng)制流動(dòng)。如流導(dǎo)U非常大，即通過(guò)它的氣體量不受限制，那么泵的抽氣能力就決定于自身的抽速大小，這與泵口直接與真空室相連接是一樣的。但如果泵的抽速非常大，這也就是相對(duì)于泵的抽速流導(dǎo)U非常小，此時(shí)泵的實(shí)際抽氣能力并不決定于它的抽速大小而決定于氣體通過(guò)流導(dǎo)U的能力，流導(dǎo)的數(shù)值恰為泵的有效抽速S0。

為了盡量發(fā)揮泵的抽氣能力，最大限度的加大流導(dǎo)U是最有效的方法，但往往難于實(shí)現(xiàn)。而一味增大泵的抽速更不切實(shí)際。所以采用晝量大的流導(dǎo)和選用晝量大的抽速的泵就非常值得權(quán)衡。從真空基本方程可以知道，有效抽速S0隨S或U都是單調(diào)遞增的函數(shù)。真空基本方程描述的內(nèi)容并不深?yuàn)W，但也沒(méi)有淺顯到可以作為每個(gè)人的常識(shí)，所以在不少的應(yīng)用領(lǐng)域，用戶(hù)往往忽略流導(dǎo)對(duì)泵抽速的限制，而造成真空技術(shù)應(yīng)用的效果大受影響。

二、對(duì)于一個(gè)沒(méi)有漏氣，也沒(méi)有放氣的真空系統(tǒng)如真空室體積為V，真空室有效抽速為S0，則隨著抽氣的過(guò)程，真空室內(nèi)壓力隨時(shí)間遵從如下的變化規(guī)律

其中P0為t=0時(shí)的壓力，即起始?jí)毫Γ瑃=V/S0稱(chēng)為時(shí)間常數(shù)。

　　以上規(guī)律揭示，每經(jīng)過(guò)約的時(shí)間，真空室內(nèi)壓力降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，顯然t越小，壓力下降越快，當(dāng)V一定時(shí)，有效抽速S0越大，才能越小。

然而沒(méi)有一個(gè)真空系統(tǒng)是不漏氣，不放氣的，即使真的不漏氣，放氣總是存在的，實(shí)際上（3）式反映的是泵在抽除真空室內(nèi)空間氣體的過(guò)程中壓力的變化規(guī)律。當(dāng)壓力較高時(shí)，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量相對(duì)空間的氣體量較小時(shí)，其影響可以忽略，可以認(rèn)為近似滿(mǎn)足不漏氣和不放氣的條件，也就是（3）的規(guī)律能近似成立。當(dāng)壓力較低時(shí)，系統(tǒng)的漏氣量和放氣量不可忽略甚至成為主要的氣體負(fù)載時(shí)，（3）的規(guī)律就要發(fā)生偏離，表現(xiàn)在壓力下降變?yōu)榫徛话惆l(fā)生這一轉(zhuǎn)變的壓力在0.5Pa左右，因此一個(gè)真空系統(tǒng)典型的抽氣過(guò)程先是壓力下降很快，到某一壓力開(kāi)始變慢。由于一個(gè)合格的真空系統(tǒng)對(duì)其漏率有嚴(yán)格的要求，所以放氣是影響系統(tǒng)壓力降低的主要因素，而放氣是一個(gè)緩慢的過(guò)程，即使采用烘烤等強(qiáng)化措施，要達(dá)到某一預(yù)定的壓力，往往要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間。

任何真空系統(tǒng)都希望盡量縮短抽氣的時(shí)間，這關(guān)系到提高效率和降低能耗，但并不是所有的真空應(yīng)用都具有縮短抽氣時(shí)間的條件。可以把不同的真空應(yīng)用分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是不改慮系統(tǒng)內(nèi)的放氣量，而只有真空度的要求；另一類(lèi)是要求真空室內(nèi)充分的放氣，即放氣率要降到某一臨界值。這兩類(lèi)不同的應(yīng)用對(duì)泵配置的要求是不一樣的。對(duì)于前一類(lèi)應(yīng)用，如真空度要求在0.5pa以上，只要時(shí)間常數(shù)足夠的小，便可晝量縮短抽氣的時(shí)間。但如真空度要求在0.5Pa以下，就必須改慮放氣對(duì)壓力變化的影響。放氣量隨時(shí)間的變化緩慢。特別是在無(wú)烘烤的情況下。要在預(yù)定較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的真空度，就必須以較大的抽速抽除較大的放氣量。也就是說(shuō)如放氣量為Q，泵的有效抽速為S0，則可達(dá)到平衡壓力P=Q/S0。如平衡壓力確定，則達(dá)到的時(shí)間越短，要求泵的有效抽速就越大。蒸發(fā)鍍膜就是典型的這類(lèi)的應(yīng)用，由于蒸鍍的速度快，時(shí)間短，所以不考慮放氣量的影響（即活性氣體的影響）。但蒸發(fā)粒子的能量低，要求絕大部分粒子無(wú)碰撞地沉積到工件上，以保證結(jié)合力及減少散射，這就要求真空室內(nèi)的平均自由程不小于蒸發(fā)源到工件的距離，與此相應(yīng)的壓力約在1×10-2Pa，這便是蒸發(fā)鍍膜對(duì)真空度的要求。

如何在盡量短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到這一壓力，就對(duì)泵的有效抽速提出了要求，原則是時(shí)間越短，由于放氣量越大，有效抽速就要求越大。所以蒸發(fā)鍍膜一般配置抽速?gòu)?qiáng)大的油擴(kuò)散泵機(jī)組，功率有數(shù)十千瓦，幾分鐘至十幾分鐘內(nèi)便可達(dá)到工作真空度，但該系統(tǒng)對(duì)工件造成的油蒸汽污染是難以避免的，特別是塑料金屬化膜層易發(fā)黃。目前渦輪分子泵抽速滿(mǎn)足不了大型蒸發(fā)鍍的需要。而大抽速的低溫泵又是工業(yè)化規(guī)模鍍膜所承受不了的。根據(jù)被抽空間氣體負(fù)載的特性，利用分子增壓泵抽除永久性氣體，結(jié)合低溫冷凝水捕集泵抽除水蒸汽，有望實(shí)現(xiàn)大抽速獲得清潔真空的全新抽氣工藝。真空室內(nèi)壓力在0.5Pa以上時(shí)，主要?dú)怏w成份是永久性氣體，而0.5Pa以下的主要?dú)怏w成份是水蒸汽（90%）。由于分子增壓泵具有超強(qiáng)的中真空抽氣能力，從100Pa到0.5Pa抽氣時(shí)間極短，而在0.1Pa以后啟用低溫冷凝水捕集泵，可在較短時(shí)間內(nèi)使室內(nèi)壓力降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到1×10-2Pa。對(duì)于3-5m3的大型蒸發(fā)鍍膜設(shè)備，配置3-4臺(tái)1000升/秒的分子增壓泵和一臺(tái)功率5kw的低溫冷凝水捕集泵便能實(shí)現(xiàn)上述的抽氣工藝，這無(wú)疑具有開(kāi)創(chuàng)性。對(duì)于后一類(lèi)應(yīng)用，由于放氣量變化依賴(lài)于溫度和時(shí)間，而與氣相空間的壓力關(guān)系不大，只要壓力低于現(xiàn)存吸附量所對(duì)應(yīng)的平衡壓力即可，一般在抽氣過(guò)程中均滿(mǎn)足此條件。因此，用強(qiáng)勁的抽速即使在很短的時(shí)間內(nèi)把空間壓力降至很低，依然不能明顯減少真空室內(nèi)的放氣量，而必須配置合適的抽速，在合理的烘烤溫度下，在合理的時(shí)間內(nèi)使放氣量達(dá)到工藝要求的水準(zhǔn)，這一般要?dú)v經(jīng)數(shù)十分鐘的時(shí)間。這類(lèi)應(yīng)用較為典型的有鈦金行業(yè)的濺射鍍膜和離子鍍膜,稀土永磁材料熔煉等。其中，過(guò)量的活性氣體會(huì)影響膜層的品質(zhì)和材料的質(zhì)量，因此工藝中均有一段較長(zhǎng)時(shí)間的精抽過(guò)程。

對(duì)于鍍膜室為1m3左右的濺射或離子鍍膜設(shè)備，一般配置4000升/秒抽速的真空機(jī)組，為了促使真空室和工件更快地放氣，往往烘烤到300℃的溫度。值得強(qiáng)調(diào)的是，在鈦金鍍膜中，泵的抽速大小，泵的特性、抽氣工藝及所需的沉積壓力之間表現(xiàn)出的辯正關(guān)系。在一個(gè)鍍膜周期中，真空機(jī)組的抽氣可以分為三個(gè)階段，即精抽階段，輝光轟擊和濺射沉積階段。精抽的目的是為了減少真空室內(nèi)的放氣量,其結(jié)果主要決定于烘烤溫度和抽氣時(shí)間,與空間壓力關(guān)系不大,特別是壓力在同數(shù)量級(jí)內(nèi)。因此，主泵的抽速在適當(dāng)?shù)牟町悆?nèi)，精抽的效果是一樣的，真空室內(nèi)的放氣率都可降低到相同的水平，盡管所對(duì)應(yīng)的極限真空不同。具體地講1000升/秒分子增壓泵和1500升/秒的渦輪分子泵在這一階段抽氣的效果是相同的。輝光轟擊階段，由于此時(shí)放電壓力在2Pa左右，一般來(lái)講主泵的抽氣能力受到影響，傳統(tǒng)地均采用節(jié)流的方法以犧牲抽速來(lái)?yè)Q取泵的穩(wěn)定工作，擴(kuò)散泵和渦輪分子泵都是如此，尤其是擴(kuò)散泵抽速損失更大，相應(yīng)地放電的氬氣流量也明顯減少。然而這一階段只有大的有效抽速，大的氬氣流量才能獲得更好的轟擊清洗的效果。在這一點(diǎn)上分子增壓泵是有明顯的優(yōu)勢(shì)。在最后的濺射沉積階段典型的工作壓力為0.5Pa，擴(kuò)散泵和渦輪分子泵仍需節(jié)流，且不說(shuō)在該種情況下，沉積的壓力難于穩(wěn)定，減小的抽氣速率勢(shì)必要讓精抽過(guò)程中所達(dá)到的活性氣體（放氣）的分壓明顯地回升。在放氣量一定的情況下，活性氣體的分壓高低決定了對(duì)沉積膜層質(zhì)量的影響。能以滿(mǎn)抽速穩(wěn)定抽氣的分子增壓泵，在此又一次顯示了它的優(yōu)越性。

三、不同的真空系統(tǒng)要求的真空度不同。因此往往必須由一套真空機(jī)組來(lái)完成。即由工作在不同壓力范圍的真空泵串接起來(lái)，高真空一側(cè)的真空泵能達(dá)到系統(tǒng)要求的真空度，而低真空一側(cè)的真空泵是直排大氣的。顯然最簡(jiǎn)單的真空機(jī)組就是一臺(tái)直排大氣的真空泵。但高真空系統(tǒng)一般需要三級(jí)機(jī)組，中真空一般需要二級(jí)機(jī)組。一臺(tái)高真空泵和一臺(tái)低真空泵難于組成有效的高真空機(jī)組。

這有幾方面的原因。流量的連續(xù)性就是其中之一。高真空泵都有前級(jí)耐壓的限制，即前級(jí)高于某一壓力，泵就不能正常工作。而當(dāng)前級(jí)泵達(dá)到這一臨界壓力時(shí)，往往抽速會(huì)減小，這樣前級(jí)泵的排氣流量可能會(huì)小于主泵的排氣流量，這種流量的不一致破壞了流量連續(xù)性的要求，必然會(huì)引起真空機(jī)組不能正常工作。但如在高低真空泵之間再連接一臺(tái)中真空泵，便可起到承上啟下的作用，流量連續(xù)，而且各泵皆可工作在 狀態(tài)。羅茨泵能工作在中真空范圍，是最適合的，故又稱(chēng)羅茨增壓泵，由于其壓縮比不高，正好可連接幾Pa至幾百Pa的范圍。當(dāng)三級(jí)高真空機(jī)組進(jìn)入較高的真空度時(shí)，由于主泵的排氣流量明顯減少，此時(shí)僅靠一臺(tái)較小的前級(jí)泵便可維持抽氣的連續(xù)性，在實(shí)際運(yùn)用中這是經(jīng)常采用的方法，這樣可減少機(jī)組的能耗。高真空機(jī)組往往需要三級(jí)機(jī)組的另一個(gè)原因歸結(jié)于高真空泵的吸入壓力的限制。泵都有起始工作壓強(qiáng)，傳統(tǒng)的高真空泵都在幾Pa的范圍。因此前級(jí)泵必須預(yù)抽到這一壓力主泵才能開(kāi)始工作。但直排大氣的前級(jí)泵抽至這一壓力往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因?yàn)殡S著壓力降低泵的抽速在減小，特別是對(duì)于周期性抽氣的真空機(jī)組，對(duì)達(dá)到工作真空度的時(shí)間是有要求的，預(yù)抽時(shí)間越長(zhǎng)，進(jìn)入工作真空度的時(shí)間也越長(zhǎng)，故增加一臺(tái)中真空泵與前級(jí)低真空泵配合，可在較短的時(shí)間達(dá)到主泵可以工作的壓力，這樣可以使系統(tǒng)盡快地進(jìn)入工作壓力，保證了設(shè)備的使用效率。

羅茨泵和油增壓泵都可以作為中真空泵，分子增壓泵有極高的壓縮比，這除了使它能獲得清潔真空外還具有優(yōu)異的高真空性能，同時(shí)在中真空范圍也有超強(qiáng)的抽氣能力。這就使分子增壓泵成為目前唯一兼有中高真空性能的真空泵，所以只需要與低真空泵配合便能組成性能堪比三級(jí)機(jī)組的高真空機(jī)組。具體地講由于分子增壓泵耐壓高，所以可使前級(jí)泵易于處于高流量狀態(tài)；而分子增壓泵吸入壓力高，減緩了前級(jí)泵的預(yù)抽負(fù)擔(dān)。分子增壓泵可以在100-50Pa工作，前級(jí)泵從大氣到這一壓力，基本遵從每經(jīng)過(guò)時(shí)間壓力降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的規(guī)律，因此，機(jī)組可以具有很高的抽氣效率。簡(jiǎn)化高真空機(jī)組，取消羅茨泵是分子增壓泵的又一個(gè)優(yōu)勢(shì)。對(duì)于較大型的高真空應(yīng)用設(shè)備，也可適當(dāng)加強(qiáng)前級(jí)泵的預(yù)抽能力，進(jìn)一步縮短抽氣時(shí)間，由于預(yù)抽時(shí)間與整個(gè)排氣過(guò)程相比很短，所以前級(jí)泵的使用時(shí)間也很短，因此可以兼作多套設(shè)備的預(yù)抽作用，而這往往是非常現(xiàn)實(shí)的。這就使規(guī)模化應(yīng)用的真空機(jī)組得到大大的簡(jiǎn)化。在某些中真空應(yīng)用中，需要進(jìn)入10-1Pa范圍，這對(duì)羅茨泵的二級(jí)機(jī)組往往難于實(shí)現(xiàn)，而使用二級(jí)羅茨泵串接的三級(jí)機(jī)組可使真空度提高一個(gè)數(shù)量級(jí)而進(jìn)入10-1Pa，所以中真空應(yīng)用也常用三級(jí)機(jī)組。由于分子增壓泵在10-1Pa可以滿(mǎn)抽速，所以亦可以在三級(jí)中真空機(jī)組中取代兩級(jí)羅茨泵。一般地講，長(zhǎng)時(shí)間工作在中真空的低端壓力范圍的羅茨泵，分子增壓泵可以完全取代。而長(zhǎng)時(shí)間工作在中真空高端壓力范圍的羅茨泵相對(duì)而言應(yīng)該較少，因?yàn)檫@一壓力范圍前級(jí)泵往往還具有強(qiáng)勁的抽速。這從宏觀上預(yù)測(cè)了分子增壓泵取代羅茨泵的前景。