抽真空设备解析

干式机械泵的工作原理简介

干式机械泵是指泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他工作介质，而且泵的极限压力与油封式真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。

目前，真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质，在泵内起冷却、密封、润滑等多种作用。随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大，原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题：一是泵的工作介质返流污染被抽容器，而这种返流在许多情况下影响产品的质量、数量，增加设备的维护成本。其次，由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质，使泵不能正常工作。

对于普通的无油真空系统来说，虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流，但不能彻底解决问题，而且使系统显得复杂。而使用适当型式的干式机械真空泵，则可以达到理想的使用效果。

干式机械真空泵的应用是广泛的，主要有以下几个方面：

1) 低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中；

2) 半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒；

3) 除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺，不希望微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求；

4) 在化学工业、医药工业、食品工业中的蒸馏、干燥、脱泡、包装等，要防止有机溶剂造成污染，适合用干式真空泵；

5) 用做一般无油清洁真空系统的前级泵，以防止油污染。

近年来，干式机械真空泵得到迅速的发展，国外多家大真空公司都研制出了新型的干式械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制工作，如东北大学、沈阳真空技术研究所、上海真空泵厂等。目前，干式机械真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、凸轮式、往复活塞式、膜片式等，这类泵的速度较低，适用于小容量高压缩比（单级压缩比）。非接触型的干式泵有罗茨型、爪型、螺杆型、涡旋型等，其速度较高，适用大容量，低压缩比（指单级压缩比）。不同类型的干式泵具有各自的特点。使用时可根据不同的用途加以选择。

低温泵

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵是获得清洁真空的极限压力最低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。

抽气原理

在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。①低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上，其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时，冷板温度必须低于25K；抽氢时，冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。②低温吸附：气体分子以一个单分子层厚(10-8厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在20K时氢的蒸气压力等于大气压力，用20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。③低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。一般说来，泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时，水的蒸气压已低于

10-8帕。温度为20K时，除氦、氖和氢外，其他气体的蒸气压也低于10-8帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同，泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器，低温板为20K时，泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。

类型

低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。①注入式液氦低温泵：主要由液氦容器、泵体和连接挡板的液氮腔体等部分组成。为了减少液氦消耗，液氦容器的外壁采用双层保温壁并在其间抽成真空。当泵被预抽到10-6帕压力时灌入液氮和液氦，气体凝结在4.2K的工作冷板上。经预抽使氦氢分压到10-12帕数量级，故泵可获得10-11帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕，液氦温度可降到2.3K，则可得到更低的极限压力。②闭路循环气氦制冷机低温泵：它是70年代出现的新型低温泵（图）。这种泵不消耗氦气、操作简便，易于维修，应用日渐广泛。制冷机的制冷介质为气氦，一级冷板温度为50～100K，用来冷凝水蒸汽和预冷其他气体;二级冷板温度为10～20K，用来冷凝氮、氧和氩等气体。在二级冷板的内表面涂以活性炭。活性炭的比表面积为500～2500米2／克，在低温下对氦、氖和氢有很强的吸附能力。冷板由无氧铜制成，表面抛光达到镜面程度，以减小辐射系数。泵的极限压力为10-7～10-8帕，工作压力范围为10-1～10-7帕，要求预抽压力为1帕。制成的产品抽气速率已达60000升／秒（1升= 10-3米3）。此外，尚可根据工艺的特点把抽气冷板安排在被抽容器内，其抽气速率可达到106升／秒以上。

热负载

低油泵的热负载主要是气体的凝结热和周围壁面对工作冷板的辐射热。凝结热与气体种类有关，对于80K、133.322帕·升的氮气冷凝在20K冷板上的凝结热为0.3～0.6焦耳。工作冷板接受的辐射热与周围壁面板温度和工作冷板温度两者4次方之差成正比。因此，4.2K和20K工作冷板均用50～100K的冷板来屏蔽，以减少工作冷板所接受的辐射热。

罗茨泵

罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。罗茨泵在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。

油扩散泵

油扩散泵是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。这种泵的极限真空为10-4～10-5帕，工作压力范围为10-1～10-4帕,抽速范围为几十至十几万升／秒（1升＝10-3米3）。油扩散泵是获得高真空的主要设备，广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。

油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成（见图）。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时,油锅可开始加热。沸