一、真空概念

半導(dǎo)體及電子行業(yè)接觸的真空一般指的是氣壓比一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓小的氣體空間，是指稀薄的氣體狀態(tài)，又可分為極高真空、高真空、中真空和低真空，分類如下表所示：

普通真空泵，壓強(qiáng)可達(dá)到1.333~100kPa(10~760mmHg)為“粗”真空；?

油泵，壓強(qiáng)可達(dá)0.133~133.3Pa(0.001~1mmHg)為“次高”真空 ；

擴(kuò)散泵，壓強(qiáng)可達(dá)0.133Pa以下，(10-3mmHg)為“高”真空；

不同真空度狀況下分子密度狀態(tài)：?

二、真空泵

真空泵是最主要的真空裝備、從產(chǎn)生真空原理上分為：容積式真空泵（如液環(huán)泵，螺桿泵，羅茨泵等）；

動(dòng)量傳遞式真空泵（如分子泵：噴射真空泵:擴(kuò)散泵均屬于此類）；

氣體捕集式真空泵（如鈦升華、鋯鋁合金吸氣泵、低溫泵濺射離子泵、熱蒸發(fā)鈦升華泵等）。

01液環(huán)真空泵

水環(huán)泵是靠泵腔容積的變化來實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣的，因此它屬于變?nèi)菔秸婵毡谩?/p>

水環(huán)真空泵由于用水或其它液體做工作液，所以其抽氣性能及真空度受工作液的溫度影響較大，如果工作液的溫度較高，真空泵的入口真空度達(dá)到液體的飽和蒸汽壓，水（液）環(huán)真空泵便會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

氣蝕的存在對泵的壽命損害比較大，主要表現(xiàn)為葉輪葉片的根部及排氣圓盤的排氣口附近，有規(guī)則的氣蝕沖擊孔。

為了避免氣蝕的產(chǎn)生，可以降低工作液的溫度，或者降低真空泵的使用真空度，極限壓力為3300~5000Pa之間。

02?旋片式真空泵

如圖為旋片泵的工作原理示意圖。旋片泵主要由泵體、轉(zhuǎn)子、旋片、端蓋、彈簧等組成。

在旋片泵的腔內(nèi)偏心地安裝一個(gè)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外圓與泵腔內(nèi)表面相切（二者有很小的間隙），轉(zhuǎn)子槽內(nèi)裝有帶彈簧的二個(gè)旋片。

旋轉(zhuǎn)時(shí)，靠離心力和彈簧的張力使旋片頂端與泵腔的內(nèi)壁保持接觸，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋片沿泵腔內(nèi)壁滑動(dòng)。?

?旋片式真空泵極限壓力為0.05~1Pa。主要適合于高真空，潔凈空氣的工況

03?滑閥式真空泵

工 作原理與旋片式真空泵相似，但對泵腔沒有磨擦，因此穩(wěn)定性要好于旋片式真空泵。

04?往復(fù)式真空泵

往復(fù)泵的結(jié)構(gòu)如上圖所示，主要部件有氣缸及在其中做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的活塞，活塞的驅(qū)動(dòng)是用曲柄連桿機(jī)構(gòu)來完成的。

除上述主要部件外還有排氣閥和吸氣閥等重要部件，以及機(jī)座、曲軸箱、動(dòng)密封和靜密封等輔助部件。

運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)的作用，使氣缸內(nèi)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞在氣缸內(nèi)從左端向右端運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣缸的左腔體積不斷增大，氣缸內(nèi)氣體的密度減小，而形成抽氣過程，此時(shí)被抽容器中的氣體經(jīng)過吸氣閥5進(jìn)入泵體左腔。

當(dāng)活塞達(dá)到最右位置時(shí)，氣缸左腔內(nèi)就完全充滿了氣體。接著活塞從右端向左端運(yùn)動(dòng)，此時(shí)吸氣閥關(guān)閉。

氣缸內(nèi)的氣體隨站活塞從右向左運(yùn)動(dòng)而逐漸被壓縮，當(dāng)氣缸內(nèi)氣體的壓力達(dá)到或稍大于一個(gè)大氣壓時(shí)，排氣閥4被打開，將氣體排到大氣中，完成一個(gè)工作循環(huán)。

當(dāng)活塞再左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，又重復(fù)前一循環(huán)，如此反復(fù)下去，被抽容器內(nèi)最終達(dá)到某一穩(wěn)定的平衡壓力。

為提高抽氣效率，一般在氣缸的兩端均設(shè)有吸氣閥和排氣閥，然后用管路將氣缸兩端的吸氣口和排氣口并聯(lián)起來。

往復(fù)真空泵從安裝形式來分，有臥式往復(fù)真空泵及立式往復(fù)真空泵；從油潤滑來分，有有油往復(fù)真空泵及無油往復(fù)真空泵。臥式往復(fù)真空泵一般為有油式，立式多為無油式。

05?噴射真空泵

水噴射真空泵工作原理如圖所示，高壓水泵產(chǎn)生的具有一定壓力的水通過噴嘴在吸入室內(nèi)高速噴出，將水的壓力能轉(zhuǎn)變成動(dòng)能，吸入室內(nèi)的氣體被高速射流挾帶，是吸入室內(nèi)的壓力降低，被抽氣體從吸入室的吸入口進(jìn)入，從而實(shí)現(xiàn)抽真空的功能。

水噴射真空泵的動(dòng)設(shè)備為一臺(tái)高壓水泵，關(guān)鍵部件為噴嘴，所以此泵結(jié)構(gòu)簡單，維修頻率低。

06?羅茨真空泵

羅茨泵的結(jié)構(gòu)如上圖所示。在泵腔內(nèi)，有二個(gè)“8”字形的轉(zhuǎn)子相互垂直地安裝在一對平行軸上，由傳動(dòng)比為1的一對齒輪帶動(dòng)作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵殼內(nèi)壁之間，保持有一定的間隙，可以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的真空泵，通常壓縮比很低，故高、中真空泵需要前級泵。

羅茨泵的極限真空除取決于泵本身結(jié)構(gòu)和制造精度外，還取決于前級泵的極限真空。為了提高泵的極限真空度，可將羅茨泵串聯(lián)使用。?

羅茨泵的工作原理與羅茨鼓風(fēng)機(jī)相似。由于轉(zhuǎn)子的不斷旋轉(zhuǎn)，被抽氣體從進(jìn)氣口吸入到轉(zhuǎn)子與泵殼之間的空間v0內(nèi)，再經(jīng)排氣口排出。由于吸氣后v0空間是全封閉狀態(tài)，所以，在泵腔內(nèi)氣體沒有壓縮和膨脹。?

但當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過排氣口邊緣，v0空間與排氣側(cè)相通時(shí)，由于排氣側(cè)氣體壓強(qiáng)較高，則有一部分氣體返沖到空間v0中去，使氣體壓強(qiáng)突然增高。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，氣體排出泵外。

羅茨真空泵分為常規(guī)羅茨泵及氣冷直排大氣羅茨泵，常規(guī)羅茨泵承受的壓差小大約為3000~6000Pa，所以常規(guī)羅茨泵必須帶前級泵預(yù)抽，不能直接排大氣。氣冷羅茨泵因?yàn)樵黾恿藷崃科胶庋b置可以直接排大氣，氣冷羅茨真空泵的極限壓力為13000Pa。

羅茨真空泵工作原理：

圖為羅茨泵轉(zhuǎn)子由0°轉(zhuǎn)到180°的抽氣過程。在0°位置時(shí)（圖中a），下轉(zhuǎn)子從泵入口封入v0體積的氣體。

當(dāng)轉(zhuǎn)到45°位置時(shí)（圖中b），該腔與排氣口相通。由于排氣側(cè)壓強(qiáng)較高，引起一部分氣體返沖過來。

當(dāng)轉(zhuǎn)到90°位置時(shí)（圖中c），下轉(zhuǎn)子封入的氣體，連同返沖的氣體一起排向泵外。這時(shí)，上轉(zhuǎn)子也從泵入口封入v0體積的氣體。

當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)到135°時(shí)（圖中d），上轉(zhuǎn)子封入的氣體與排氣口相通，重復(fù)上述過程。180°（圖e）位置和0°位置是一樣的。轉(zhuǎn)子主軸旋轉(zhuǎn)一周共排出四個(gè)v0體積的氣體。

07?爪形真空泵

爪形真空泵為多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每級泵均應(yīng)嚴(yán)格控制端面間隙，即四級泵需嚴(yán)格控制8個(gè)端面間隙，泵在運(yùn)行時(shí)的熱膨脹及抽除粉未等時(shí)容易造成泵的故障，另外爪式泵的多級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特性決定了其裝配的復(fù)雜性，一般人員很難達(dá)到裝配要求。

因爪形真空泵為多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，排氣通道復(fù)雜，在抽除可凝性氣體時(shí)（例如：水蒸汽，有機(jī)溶劑氣體等），在泵腔內(nèi)壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的液體，這部分液體進(jìn)入泵的端面造成泵的負(fù)載明顯變大，四級爪形真空泵有8個(gè)端面，不宜抽除大量可凝性氣體。

08?螺桿真空泵

優(yōu)點(diǎn)：壽命長、能耗低、無油污染。

兩螺桿經(jīng)精細(xì)動(dòng)平衡校正，由軸承支撐，安裝在泵殼中，螺桿與螺桿之間都有一定的間隙，因此泵工作時(shí)，相互之間無磨擦，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音低，工作腔無需潤滑油，因此，干式螺桿泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉塵的氣體場合，極限真空更高，消耗功率更低，具有節(jié)能，免維修等優(yōu)點(diǎn)。它是油封式真空泵的更新?lián)Q代產(chǎn)品。

干式螺桿真空泵由于其優(yōu)越的性能，在歐美和日本目前已經(jīng)成為微電子、半導(dǎo)體、制藥、精密加工等行業(yè)首選真空獲得設(shè)備。

傳動(dòng)軸連接主動(dòng)轉(zhuǎn)子，通過同步齒輪帶動(dòng)從動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，在殼體上開有冷卻水通道，用來冷卻轉(zhuǎn)子和排氣口溫度，同步齒輪及軸承用油潤滑，軸承和殼體內(nèi)部通過密封件來密封以達(dá)到無油的效果。

干式螺桿真空泵同無油螺桿壓縮機(jī)在密封和潤滑上結(jié)構(gòu)類似，一般真空泵的排氣端用機(jī)械式密封件，進(jìn)氣側(cè)通常用雙唇形密封件。

在傳動(dòng)方式上，目前通用的是直連電機(jī)，用聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)子連接，極少數(shù)用皮帶或者傳動(dòng)鏈傳動(dòng)。

獲得超高真空需要考慮因素如下：

a.影響極限壓強(qiáng)的因素

? 表面脫附

? 體內(nèi)擴(kuò)散逸出

? 大氣滲透作用

? 材料的飽和蒸汽壓

b.材料的選擇與處理

烘烤、Ar離子放電清洗

c.泵的選用? ?

部分真空泵的主要特點(diǎn)及比較：

a.粗抽泵對照表：

b.不同類型真空泵應(yīng)用范疇：

螺桿真空泵與爪形真空泵的特點(diǎn)對比：

共同點(diǎn)：

同為干式真空泵，具備干式真空泵的共同優(yōu)點(diǎn);??

對被抽系統(tǒng)無污染，可獲得潔凈真空泵腔內(nèi)無油，非常容易實(shí)現(xiàn)對溶劑的回收;結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積??；

單泵即可達(dá)到30Pa~5Pa的極限壓力，工作范圍較寬；

因工作過程中無廢油、廢水的排放，對環(huán)境無污染；

對冷卻水的要求較低，對于泵的冷卻，普通的循環(huán)水即可滿足要求，且冷卻水量較小，根據(jù)系統(tǒng)工況配用合適的羅茨真空泵可組成干式真空泵機(jī)組，可大大提高低壓區(qū)的抽氣速率并減小功耗。

不同點(diǎn)：

因爪形真空泵為多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，每級泵均應(yīng)嚴(yán)格控制端面間隙，即四級泵需嚴(yán)格控制8個(gè)端面間隙，泵在運(yùn)行時(shí)的熱膨脹及抽除粉未等時(shí)容易造成泵的故障；另外爪式泵的多級串聯(lián)的結(jié)構(gòu)特性決定了其裝配的復(fù)雜性，一般人員很難達(dá)到裝配要求；

而螺桿真空泵僅需嚴(yán)格控制定位端的一個(gè)端面間隙，及轉(zhuǎn)子間的先對間隙即可，對裝配人員要求相對較低。設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定，檢修更方便。

四級爪形真空泵有8個(gè)端面，不宜抽除大量可凝性氣體，排氣通道復(fù)雜，在抽除可凝性氣體時(shí)（例如：水蒸汽，有機(jī)溶劑氣體等），在泵腔內(nèi)壓縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的液體，這部分液體進(jìn)入泵的端面造成泵的負(fù)載明顯變大；

螺桿真空泵因其排氣通道簡單，進(jìn)入泵內(nèi)的液體可迅速排出，且軸功率無明顯增加。

因爪形真空泵為多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，上級與下級之間均需安裝中壁形成內(nèi)部通道，該內(nèi)部通道在抽除粉塵等時(shí)易堵塞且不易清洗；

而螺桿真空泵的級間無需通道，是直接將氣體從吸氣側(cè)推送至排氣側(cè)，在抽除可凝性氣體及粉塵等時(shí)不易堵塞且泵腔清洗非常方便：啟動(dòng)泵后直接從泵口充入水或合適的清洗劑即可將泵清洗干凈。

其它部分真空泵的特點(diǎn)：

1）水環(huán)式真空泵?

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，成本低，應(yīng)用范圍較寬，適合抽除大量水蒸汽，有機(jī)溶劑等，對粉塵，顆粒物不敏感，可以實(shí)現(xiàn)對易燃易爆的氣體的抽除、壓縮。

缺點(diǎn)：效率較低，真空度較差，工作液的種類及溫度對真空度及抽氣速率影響較大，環(huán)保壓力大。

2）旋片式真空泵

優(yōu)點(diǎn)：真空度高；

缺點(diǎn)：不適合抽除水蒸汽、有機(jī)氣體，不能連續(xù)抽除大氣。

3）滑閥式真空泵

優(yōu)點(diǎn)：真空度高，使用壽命要好于旋片式真空泵；

缺點(diǎn)：不適合抽除水蒸汽、有機(jī)氣體，不能連續(xù)抽除大氣。

部分真空泵使用注意事項(xiàng)

1）水環(huán)真空泵

開泵前要進(jìn)行手動(dòng)盤車；?進(jìn)水溫度不能太高，最好不要超過30℃；

工作水硬度盡可能小，否則泵內(nèi)容易結(jié)垢；水環(huán)真空泵的排氣管路不能安裝閥門，以免誤操作讓泵出口帶壓運(yùn)行；

水環(huán)真空泵出口排水管路盡可能低（距泵中心高度不超過一米），防止工作水不能順暢排放，影響泵的性能；

水環(huán)泵使用真空要避開氣蝕條件，否則會(huì)影響泵的壽命；

水環(huán)真空泵的供水管路要加裝手動(dòng)閥，調(diào)節(jié)泵的供水大??；

停泵前先關(guān)供水閥，讓泵內(nèi)過多的工作水排出；

泵的入口加裝單向閥或其它類似閥門，防止停泵時(shí)工作水倒灌入系統(tǒng)中；

在結(jié)冰的環(huán)境中使用時(shí)，停泵后將泵內(nèi)工作水排放徹底，以防結(jié)冰凍裂真空泵；

2)羅茨真空泵及螺桿真空泵

a.啟動(dòng)盤車

每次啟動(dòng)真空泵前，操作人員要手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)泵的聯(lián)軸器，確保真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)順暢后，方可做正式啟動(dòng)準(zhǔn)備。

如果真空泵轉(zhuǎn)動(dòng)困難，請用蒸汽清洗2~3分鐘，然后用N2吹掃2~5分鐘，蒸汽和N2壓力不高于0.2MPa，以免損壞真空泵密封。

檢查油位是否正常，若油位過低請及時(shí)加油。

開啟真空泵排氣口處放凈閥，將管道內(nèi)的冷凝液排凈，以防排氣阻力過大，損壞設(shè)備甚至造成人身傷害。

開啟冷卻水，保證冷卻水路暢通，冷卻水供應(yīng)充足。

啟動(dòng)前級真空泵，當(dāng)真空度達(dá)到羅茨泵的啟動(dòng)條件后方可啟動(dòng)羅茨泵；

進(jìn)行了1~4程序后螺桿真空泵可以開機(jī)；

b.停機(jī)

1.關(guān)閉主管路進(jìn)氣閥門。

2.先停羅茨真空泵，再停前級泵；

3.冬季停機(jī)時(shí)要將冷卻水排放干凈；

4.關(guān)主閥后對泵進(jìn)行清洗吹掃，再關(guān)螺桿泵。

c.日常維護(hù)

1.每日檢查泵的潤滑油顏色、油位，若潤滑油變臟、乳化、變稀要及時(shí)排查原因，更換新油。

2.每日檢查后軸承壓蓋溫度，若溫度突然升高要及時(shí)停車檢查。

3.時(shí)刻注意電機(jī)電流，若電流突然升高，要及時(shí)停機(jī)進(jìn)行排查。

4.每日檢查冷卻水，出水溫度是否過高，高于55℃是要注意檢查分析原因冷卻水供應(yīng)是否充足。

5.真空泵在首次運(yùn)行一個(gè)月后，無論潤滑油是否異常，都要進(jìn)行更換。

6.被抽氣體中含有可凝性氣體，出口分離器內(nèi)會(huì)有冷凝液積存，注意及時(shí)放，以免停機(jī)時(shí)倒吸進(jìn)入泵腔內(nèi)。

7.每次停機(jī)時(shí)要注意觀察螺桿真空泵是否快速返向轉(zhuǎn)動(dòng)超過2秒鐘，如果是，請檢查單向閥是否出現(xiàn)故障。螺桿真空泵反轉(zhuǎn)氣體倒吸很危險(xiǎn)！

8.設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)一年，或長時(shí)間停機(jī)后再應(yīng)用，請拆解設(shè)備更換軸承及密封件，對設(shè)備進(jìn)行徹底清洗維護(hù)。

真空系統(tǒng)典型組成

真空及典型應(yīng)用領(lǐng)域

常見真空泵故障處理措施：

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