正航仪器整理无油干式机械真空泵
(一)概述
无油干式机械真空泵 ( 以下简称干式机械泵 ) 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机械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。
(二)活塞式无油机械真空泵
这种泵技术要求不太复杂，容易制造，其结构示意图见图 24 。
该泵的外形呈扁方形，是由四个阶梯形活塞及四个阶梯形气缸组成。与电机直联的轴通过四根连杆带动四个活塞。活塞的背 面空间由次级活塞抽气，以减少泄漏和降低极限压力。每个气缸都有进气阀与排气阀。四个活塞组成三个压缩级，为了增加抽速，活塞 1 和活塞 2 是并联的，为了便于泵在大气压力下的启动，设置了辅助排气阀 1 ，当活塞 l 、 2 的排气压力高于大气压力时，有一部分气体通过阀 1 排入大气，当其排气压力低于大气压力时，则排出气体依次进入第三个、第四个气缸压缩后排出泵外。泵的压缩比可达到 105 ，泵的极限压力可达 1.3Pa 。泵气缸的内表面衬有聚合材料，以降低摩擦系数与磨损。这种泵的功率消耗低，散热条件较好，不需要冷却水。
(三)螺杆式无油机械真空泵
螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右螺杆作高速转动，利用泵壳和相互啮 合的螺旋将螺旋槽分隔成多个空间、形成多个级，气体在相等的各个槽内 ( 柱形等螺距 ) 进行传输运动，但无压缩，只有螺杆最末端的螺旋结构对气体有压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度，以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能 有很大影响。在设计螺杆各部的间隙时，要考虑膨胀、加工及装配精度和工作环境 ( 如抽除含粉尘气体等 ) 等。该泵与罗茨真空泵一样不设排气阀。
图 25 为日本橙山工业株式会社的 SDV-1500 泵的结构示意图。泵是立式结构，进气口在上方，排气口在中部，下部为电机和润滑油池。螺杆转子呈中空形，为悬臂支承结构。同步传动齿轮位于轴承支座下面。 变频电机通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短，且立式结构对排除含微尘气体较为有利。泵外壳有水冷却，泵维修也便利。
这种类型的泵如果选用适当的较简单螺杆牙型截面，则制造简单，可保证很高的加工精度，且容易动平衡。
(四)爪形转子干式机械真空泵
1. 爪形转子干式机械真空泵工作原理
爪形转子干式机械真空泵 ( 以下简称爪式泵 ) 在泵壳内具有两个共轭啮合的爪形转子。与罗茨真空泵类似，转子由一对同步高精度齿轮来带动旋转并固定相位。转子型线由六段摆线和圆弧组成，转子之间及转子 与泵壳之间并不接触，留有微小的间隙。气体的进气口和排气口均设在泵壳的端面上，分别由两个转子端面周期性的定时开闭，具有阀的调节作用。
从爪式泵的工作原理看，它属于旋转式容积真空泵。图 26 表示爪式泵的抽气工作过程。由图可见，泵腔被爪型转子分隔成吸气腔和排气腔两部分。图 26(a) 是泵在吸气和排气的过程，泵吸气腔随着转子的旋转，容积逐渐增大，吸入气体；而排气腔容积则逐渐减小，对气体进行压缩，从而排出气体。图 26(b) 是泵转子刚好位于吸气和排气终止位置，吸气口和排气口被转子的侧壁封住。此时吸气腔的容积最大为 Vs ，在两个转子之间还封存了部分未被排出的处于排气压力状态的气体，其容积为 Vc ，这部分气体经过两次膨胀后将被带回到吸气腔中。图 (c) 是转子正好处于换向的瞬间，转子从该位置再转过一微小角度，则转子间封存的部分气体将膨胀到环形空间去，这便是转子封存携带的气体的第一次膨胀过程。通过 这次膨胀，转子间封存气体的压力降低，而环形空间内的压力则由于封存携带气体的进入而升高，从而增加泵的压缩比和节省泵的压缩功率。图 (d) 是转子将要进行下一次吸气时的位置。这时转子间封闭被带回去的剩余气体将和吸气口相通，这部分气体经过第一次膨胀后，压力已经降低了。随着转子的继续转 动，吸气腔容积的增大，这部分气体将进行第二次膨胀。转子从图 (d) 位置继续转动，吸气腔容积逐渐增大，进行吸气。排气腔容积逐渐减小，由于排气口尚未打开，因此气体被压缩，压缩量随排气口上限位置的变化而变化，这种压缩 过程是罗茨真空泵所不具备的，所以爪式泵的压缩比要远高于罗茨真空泵。当排气口与排气腔中的压缩气体接通时，被压缩气体或排到级间通道从而进入到下一级， 或冲开排气阀，排到大气中去。随着泵转子的连续旋转，以上吸气和排气过程循环进行，实现了泵的连续抽气目的。泵转子每转一周，吸气和排气各进行一次。
通过以上分析可知，爪式真空泵同时具有罗茨真空泵和旋片真空泵的优点。
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