真空泵的種類

Types of  Industrial Vacuum Pumps Elmo Rietschle Banner

真空泵的種類

真空是用於包裝、裝瓶、乾燥、脫氣、取放等各種工業製程的工具。工業真空泵用於在這些製程中建立、改善和維持真空。工業真空技術有許多種類,本文將探討這些技術。要了解哪種類型的真空最適合您和您的應用,了解每種類型技術的特點、優點和運作原理至關重要。本文將回顧最常見的工業真空泵類型、其工作原理以及最適合的應用類型。

工業真空泵的基本運作原理

無論技術類型為何,工業真空泵的基本運作原理都是相同的。

真空泵可將空氣分子(和其他氣體)從真空室(或串聯的較高真空泵的出氣端)中抽出。當腔體中的壓力降低時,移除額外的分子會變得越來越困難。因此,工業真空系統 (圖 1) 必須能夠在超大壓力範圍的一部分運作,壓力範圍通常從 1 到 10-6 Torr / 1.3 到 13.3 mBar 不等。在研究和科學應用中,此範圍可擴展至 10-9 Torr 或更低。為了達到此目的,在標準真空系統中會使用不同類型的幫浦,每種幫浦都涵蓋一定比例的壓力範圍,並且有時會串聯操作。

工業真空系統的壓力範圍

工業真空系統可分為以下幾組壓力範圍:

  • 粗真空/低真空:1000 至 1 mbar / 760 至 0.75 Torr
  • 精細/中等真空:1 至 10-3 mbar / 0.75 至 7.5-3 Torr
  • 高真空:10-3 至 10-7 mbar / 7.5-3 至 7.5-7 Torr
  • 超高真空:10-7 至 10-11 mbar / 7.5-7 至 7.5-11 Torr
  • 極高真空: < 10-11 mbar / < 7.5-11 Torr
適用於這些真空範圍的不同類型幫浦可分為前級幫浦 (Primary (Backing) Pumps)、增壓幫浦 (Booster Pumps) 和後級幫浦 (Secondary (High Vacuum) Pumps):高、極高和超高真空壓力範圍。
真空泵有兩種基本類別:氣體傳輸泵和夾氣或俘虜泵(圖 1)。
Pressure Ranges of Industrial Vacuum System picture
圖 1;真空泵的類型

氣體輸送幫浦

轉移泵透過動量交換(動力作用)或正位移來轉移氣體分子。從幫浦排出的氣體分子數量與進入幫浦的相同,排出時氣體略高於大氣壓力。 壓縮比是排氣壓力 (出口) 與所獲得的最低壓力 (入口) 之比。

動力輸送幫浦

動力輸送泵使用高速葉片或引入的蒸氣將瓦斯導向出口,其工作原理是動量傳遞。這些類型的幫浦可以在低壓力下達到高壓縮比,但通常沒有密封容積。

正排量

透過機械方式捕捉一定體積的氣體並使其通過幫浦的幫浦稱為正排量幫浦。通常在單一驅動軸上設計為多段式,隔離的體積以較高壓力壓縮成較小的體積,最後將壓縮氣體排出至大氣或下一個幫浦。為了提供更高的真空度和流量,通常會串聯使用兩個輸送幫浦。 

如前所述,正排量真空泵用於產生低真空。這種類型的真空泵,會擴大一個空腔,讓氣體流出密封的環境或腔室。之後,密封空腔,使其排入大氣中。正排量真空泵的原理是透過擴大容器的體積來產生真空。舉例來說,在手動水泵中,一個機械裝置會將一個小的密封空腔擴大,以產生深度真空。由於壓力的關係,腔體中的一些流體被推入泵的小腔體中。之後,再將幫浦的空腔從腔體中封閉,打開到大氣中,然後再擠壓回微小尺寸。正排量真空泵的另一個例子就像是隔膜肌肉會擴張胸腔,使肺的容積增加。膨脹的結果是產生部分真空並降低壓力,然後由大氣壓力推入的空氣填滿。正排量真空泵的例子有液環式真空泵浦和羅茨鼓風機,這些泵浦在各行各業中被廣泛使用,以在密閉空間中產生真空。

夾層泵浦

在真空系統中,能夠捕捉表面氣體分子的幫浦被稱為捕捉幫浦(Capture Pumps)或夾鎖幫浦(Entrapment Pumps)。與真空泵(如傳送泵)相比,這些泵的流量較低,但是它們可以提供極高的真空度,低至 10-12Torr。捕集泵使用低溫冷凝、離子反應或化學反應來運作,沒有移動零件,因此可產生無油真空。
那些利用化學反應工作的 Entrapment Pumps 性能更佳,因為它們通常會放置在需要真空的容器內。空氣分子會形成一層薄膜,這層薄膜會在幫浦運作時與幫浦的內表面產生化學反應而被移除。真空泵與正排量真空泵和動量傳輸真空泵一起使用,可產生超高真空。

濕式或乾式真空泵浦 - 概觀

真空泵技術可視為濕式 (潤滑) 或乾式 (無油或乾式運轉),這取決於壓縮過程中氣體是否接觸到油或水。
濕泵使用油或水潤滑和/或密封本身;這種流體可能會污染泵送(掃過)的氣體。而乾式真空泵抽出的氣體中沒有流體,依靠泵的旋轉和靜止部件之間的精確間隙、乾式聚合物 (PTFE) 密封件或隔膜來分開抽氣機構和氣體,並確保緊密的密封。
然而,乾式並非完全無油,因為泵的齒輪和軸承通常會使用油或油脂。這與真空壓縮側是分開的。乾式幫浦可降低污染和油霧的風險。它們也具有環保效益,不需要像潤滑幫浦一樣棄置油品。

離心泵

離心泵是一種液壓操作的機器,其特點是能夠透過離心力場的作用將能量傳遞至流體(特別是液體)。其主要目的是通過增加壓力來傳輸流體。離心泵可以有不同的結構,但其工作原理和流體動力特性總是相同的。

液環式真空泵浦

液環式真空泵與旋片式真空泵類似,不同之處在於旋片是轉子不可分割的一部分,並會攪動旋轉液環以形成壓縮室密封。轉子是唯一可移動的部分,是一種固有的低摩擦設計。滑動摩擦僅限於軸封。液環幫浦通常由感應馬達提供動力。
液環系統可以是單級或多級。
types of Liquid Ring Vacuum Pumps image
液環真空泵

旋轉爪

迴轉爪式真空泵浦能有效且經濟地產生非接觸式真空。這是因為旋轉爪設計的內部壓縮原理。爪式真空泵以靜態壓縮系統為基礎。與旋轉葉片相反,壓縮是透過體積收縮在內部發生的。
爪泵由兩個轉子組成。它們在壓縮機外殼中以相反的方向轉動,但不會接觸,並保持非常緊密的間隙。它們透過精密齒輪同步運作。當爪在吸氣連接處和軸向吸氣通道上移動時,入口氣體被吸入壓縮室。氣體在壓縮室內經預壓後排出。

旋轉螺桿泵

螺旋式真空泵由兩個平行的螺旋形轉子組成,一個具有右旋螺紋,另一個具有左旋螺紋。這兩個螺絲在壓縮機外殼中轉動時沒有摩擦,而且間隙非常小。
它們透過精密齒輪同步運作。壓縮外殼和特殊形狀的螺絲形成壓縮腔。由於兩個螺絲的旋轉方向相反,與吸氣口相連的腔室被擴大,氣體被輸送至壓縮腔室。然後,腔體從吸氣側軸向移動到壓力側(箭頭)。
在可變螺距機型中,氣體在每次變螺距時被壓縮,並在下一次變螺距前冷卻,從而提高效率。在壓力側,腔體靠著軸向外殼壁移動,體積縮小,直到螺桿前表面打開壓力通道,預壓氣體通過壓力連接排出。使用水冷式外腔實現冷卻。對於某些尺寸的幫浦,可以在幫浦中加入額外的冷卻氣體。

側通道鼓風機

側通道式鼓風機的葉輪直接安裝在馬達軸上,實現無接觸式壓縮。氣體從入口進入。當氣體進入側邊通道時,旋轉的葉輪會沿旋轉方向將速度傳導給氣體。葉輪葉片中的離心力會加速氣體向外擴散,壓力隨之增加。
每次旋轉都會增加動能,導致沿著側通道的壓力進一步增加。側通道在轉子處收窄,將氣體從葉輪葉片上掃下,並通過出口消音器排出泵外。
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Elmo Rietschle 側通道鼓風機