真空系统的组成与设计概述之真空机组

1.2真空机组
真空机组是将真空泵与相应的真空元件按其性能要求组合起来构成的抽气装置。其特点是结构紧凑,安装使用方便。
真空抽气机组可分为低真空抽气机组、中真空抽气机组、高真空抽气机组、超高真空抽气机组、无油真空抽气机组等。真空机组的名称以主泵命名。
1.2.1低真空抽气机组
低真空抽气机组的主要特点是工作压力高、排气量大,但抽速比高真空抽气机组低,多用于真空室的粗抽以及放气量很大、工作压力高的真空输送、真空浸渍、真空过滤、真空干燥、真空脱气(钢水处理)等装置中。
低真空抽气机组的主泵常用往复式真空泵、油封式机械泵、干式机械泵、水喷射泵、水蒸气喷射泵、水环泵、分子筛吸附泵、湿式罗茨泵等直排大气真空泵,使用低真空抽气机组,还需要根据被抽气的清洁程度、湿度或其他特殊要求,配置必要的除尘器、水气分离器、油水分离器、干燥阱等部件。
1.2.1.1油封机械泵机组抽除可凝性气体的措施
油封机械泵不适于抽除含有大量水蒸气的气体。水蒸气在压缩过程中会凝结成水滴,并与泵油混合形成悬浮液,破坏泵的抽气性能使泵的真空度下降。一般采取的措施有:使用带有气镇装置的油封机械泵,并将泵的工作温度控制在75~90℃之间,以减少气镇阀负担在机组中安装水汽分离器或油水分离装置,处理混有水的机械泵油,处理过的油再进入泵中使用;用各种干燥吸附剂做成捕集阱吸收水蒸气;使用各种冷凝器或冷阱,不仅能有效地吸附水蒸气,同时还可以阻挡机械泵向真空室的返流。
1.2.1.2常用机组形式
图1-6为油封机械泵低真空抽气机组，图1-7为油封机械泵加挡油阱的低真空抽气机组,适用于化学气相沉积装置、真空包装、医药工业等领域。

图1-6油封机械泵低真空抽气机组图1-7有挡油阱的低真空抽气机组
1-机械泵;2-放气阀;3-热偶真空规；4-管道阀1-机械泵;2一放气阀;3一挡油阱；
4—热偶真空规;5-管道阀
图1-8为双级水环泵-大气喷射泵机组。双级水环泵和大气喷射泵串联组成的机组的极限压力为1300Pa。工作时,先开动水环泵,以获得大气喷射泵所需的预压力,使大气喷射泵的进气口与出气口之间有压力差,大气通过喷射进入泵内形成高速运动气流,将被抽气体吸入,经扩压器被水环泵排走。该机组适用于真空蒸发、真空浓缩、真空浸渍、真空干燥、真空冷冻等工艺过程。

图1-8双级水环泵-大气喷射泵机组
1一水环泵;2一止回阀;3一管道阀;4一大气喷射泵;5一空气进入阀;
6一排气阀;7一气水分离器;8—排水口
1.2.2中真空抽气机组
中真空抽气机组常用的主泵有油增压泵、罗茨泵(机械增压泵)等,适用于需要大抽速和获得中真空的各种真空系统中,可广泛用于镀膜机、真空冶炼、真空热处理、化工、医药、电工、焊接等行业。
1.2.2.1罗茨泵(机械增压泵)-油封机械泵机组
图1-9所示为以罗茨泵为主泵,油封机械泵为前级泵的中真空抽气机组。整套机组可安置在一个机架上,结构紧凑,使用方便。

图1-9罗茨泵-油封机械泵机组
(a)通过罗茨泵泵腔粗抽的机组;(b)设有旁通粗抽管道的机组
作为主泵的罗茨真空泵,可选择ZJ型普通罗茨泵,也可选用带旁通阀罗茨泵。前者须在系统被前级泵抽到罗茨泵允许启动压力时才能启动主泵工作;后者由于带旁通阀,罗茨泵在较高入口压力时运转不发生过载和过热,因此主泵可以在前级泵工作后,根据系统的实际情况来决定它的启动压力。对于小型机组,还可以两泵同时启动,以加大抽速和缩短抽气时间。
1.2.2.2罗茨泵-水环泵机组
图1-10所示为罗茨泵-水环泵机组,它适合抽除含有大量水蒸气的气体,如真空浓缩、真空干燥,特别适宜于弱酸气体及含有少量细微粉尘气体的抽除。对于粉尘或水蒸气量较少的工作环境,水环泵可以直接通过罗茨泵泵腔对系统进行粗抽(见图1-10a);如果被抽容器中(或真空工艺进行中)的粉尘(水蒸气)量较大,则需要另设旁通粗抽管道(见图1-10b)。

图1-10罗茨泵水环泵机组
1.2.2.3双罗茨泵为主泵的中真空抽气机组
为了提高真空机组的抽气性能,达到较低的极限压力和改善低入口压力时的抽速特性,对大型真空机组配用较小规格的前级泵,可以组成由两个罗茨泵串联作为主泵的三级抽气机组,如图1-11和图1-12所示。双级罗茨泵加油封机械泵机组可以获得比双级罗茨泵加水环泵机组更低的极限压力,但是后者更适合在粉尘或水蒸气量较大的环境下抽气。

图1-11双级罗茨泵加油封机械泵机组图图1-12双级罗茨泵加水环泵机组
图1-13所示为两级罗茨泵与一级水环泵(水环泵的极限压力Po=6700Pa)及气镇式油封机械泵的联合机组,极限压力可达10-2Pa。当需要抽除大量的水蒸气时,关闭阀门7,用水环泵作粗抽泵和前级泵;当水蒸气分压降低到一定程度后,关闭阀5,打开阀7,用气镇式油封机械泵作前级泵。

图1-13两级罗茨泵-水环泵、油封机械泵联合机组
1—冷凝器;2-RVT600罗茨泵;3-RVT150罗茨泵;4—粗抽阀;5,7-前级阀;6-水环泵;8—油封式机械泵
1.2.3高真空抽气机组
高真空抽气机组工作在分子流状态下,与低真空抽气机组相比,其特点是工作压力较低(10-1~10-5Pa)、排气量小、抽速大。机组的主泵通常为扩散泵、扩散增压泵、分子泵、钛升华泵、低温冷凝泵善低入等。这些泵不能直接对大气工作,因此需要配置粗抽泵和前级泵。有些高真空抽气机组的扩散泵还配有前级维持泵或贮气罐,以防止气体压力波动,改善机组的抽气性能。
1.2.4超高真空抽气机组
超高真空抽气机组工作在10-5~10-10Pa的超高真空压力范围内,除了要求真空室的材料出气率很低、漏气率很小、能经受200~450℃高温烘烤外,对机组的要求还有:
(1)主泵的极限真空度高,至少在10-7~10-8Pa以上。
(2)在超高真空的工作压力范围内主泵应具有一定的抽速。
(3)机组的主泵或主泵进气口以上部分能承受200~450℃的高温烘烤。
(4)来自主泵的返流气体(包括工作液蒸气及解析的气体)的分压力足够低。
(5)对被抽气体选择性强的主泵,要配备足够大的辅助泵。
(6)机组主泵进气口以上的管道、阀门等部件,对材料的选择和密封要特别慎重。一般采用出气率较低的不锈钢和金属密封材料,以耐高温烘烤。
1.3典型真空系统
真空系统按其工作压力分类,可分为:(1)粗真空系统(工作压力大于1330Pa);(2)低真空系统(工作压力在1330~0.13Pa);(3)高真空系统(工作压力在0.13~1.3×10-5Pa);(4)超高真空系统(工作压力在1.3×10-5~1.3×10-10Pa);（5）极高真空系统（工作压力低于1.3×10-10Pa）
按真空系统所要求的清洁程度分,有:(1)有油真空系统(真空室有油蒸气污染);(2)无油真空系统(真空室无油蒸气污染)。