EPIC午餐和学习系列:真空泵

EPIC模块化过程系统设计，制造和安装完整的模块化过程系统．很多时候，这些模块化的过程系统涉及真空泵的使用。EPIC模块化工艺组织了一次午餐，并学习了真空泵，以更新和扩展我们的工艺工程师对这一关键工艺设备的知识。

Tuthill和IPEG在Kinny真空泵上享用午餐，了解ePIC的流程工程师，涵盖真空泵能力和品种。史诗与各种真空泵制造商和供应商一起工作，而不仅仅是Kinney泵。类似的信息可以从其他真空泵制造商和供应商中找到，包括Haggedorn和Gannon，Grainger，Dekker，Edwards，Venturi等。史诗通过这篇博客展示了真空泵的历史，现代类型和公共用途用于真空泵，以及由Tuthill提供的真空泵选择指南的概要。

真空泵的历史

• • 早期历史：真空泵的早期实验

  • 1850年 - 1900年：真空泵技术爆炸

  • 1900 - 1950年:工业用真空泵开发

  • 1950年至今：现代泵开发

早期历史

真空泵的历史始于17^TH.世纪。真空泵是17世纪其他几项著名发明之一^TH.包括摆钟、望远镜、温度计、气压计和显微镜。

真空泵的制造者是抽吸泵，据思想是由1206 A.D的阿拉伯工程师发明的。在雷根的RENERI中，在1631年提出了真空的初步实验。在1640年，第一个实际创造真空的实验是由Gasparo Berti与水道仪和后来的vincenzioViviani和/或Evangelista Toricelli（关于世卫组织设计并在玻璃管中设计和进行实验的辩论）。Blaise Pascal还进行了实验，以进一步证明在Toricelli实验中产生真空。

17世纪时，罗马教皇认为真空实验是一件令人厌恶的事情，在他的统治下的国家是非常危险的。这是在双教宗时期，所以涉及真空的实验在改革国家和法国进行，因为法国教皇同情大多数被罗马教皇拒绝的东西。

第一个真空泵是由1640年代后期的Otto Von Guericke创建的。他的第一个实验与一个填缝的木桶，他以快速的速度抽水。空气冲过木桶的毛孔来填充空的空间可以听到可听到的声音。在他的第二个实验中，他将铜球连接到泵并直接泵出水。在第一次尝试清空铜球时，它将其沉默地折叠，因为它归因于大气压力的Von Guericke。制作更精确的球形容器一秒钟，这次是成功的，一轮实验。

Otto Van Guericke最着名的真空实验是在1654年进行的Magdeburg半球实验，在此期间他证明了，如果空气从整体中除去（创造真空），那么没有力量可以分离整体的两半。Van Guericke通过表明马的团队无法将两个半球分开，从疏散空气中的两个半球。

Casper Schott于1657年发布了一本书，详细介绍了Von Guericke的真空实验，在整个欧洲传播了这个想法。罗伯特·博伊尔看到了Von Guericke的设计，并用一个改进的真空泵，带有一个活塞的活塞，罗伯特胡克建于1658年。博伊尔还通过将汞压力计放置在密封的钟罩内并用泵抽空罐来制定一种测量真空的方法。

活塞泵和压力计是近200年来唯一的真空泵和压力表技术。对设计进行了改进，双活塞泵成为标准设计。直到19世纪50年代，真空泵主要用于实验和娱乐，它们所能达到的压力有限。

1850年 - 1900年

在1850年至1900年间，真空泵技术突飞猛进，部分原因是白炽灯行业的需求。在这50年的时间里，压力降低了60年，并建立了排气泵设备和避免摩擦油管的工业最佳实践。1874年，麦克劳德发明了真空计，其原理是用水压柱将气体压缩到一个可读的较高压力，通过波义耳定律可以得到原始压力。

1855年由Heinrich Geissler开发的汞活塞泵，于1865年由Sprengel改进。该泵的发展是实现较低压力的主要因素，具有爱迪生实现10^－3在1880年通过使用多个这些泵的系统进行托特。Geissler的发明最终导致了真空管的发展。

19世纪70年代，威廉·克鲁克斯(William crokes)用磨砂玻璃接头取代了所有的橡胶管接头，并第一个在使用前对系统进行加热来去除气体。爱迪生使用了克鲁克斯的技术来改善白炽灯的真空，到19世纪70年代末，这些技术已经被工业所采用。

1892年，Fluess开发并制造了一种改进的固体活塞泵，采用油密封活塞和机械阀门，被称为Geryk泵。该泵已广泛应用于灯具行业，取代传统的手动汞柱塞泵。1905年，盖德发明了旋转水银泵，也可以由马达驱动，并取代了格里克泵。到1900年，压力为10^－6托特可以实现。

1900 - 1950年

真空技术的发展在20世纪20年代继续加速。这一时期的大多数进步归功于德国的盖德和美国的朗缪尔。

1905年Gaede发明的旋转水银泵代表了高真空泵设计的重大改进，并被广泛应用于灯具和真空管行业。1907年，盖德还开发了旋转油泵，用作水银泵的前泵。

Gaede在1913年发明了分子阻力泵，该泵具有一个泵口，两个定子和三个转子。在接下来的30年里，这种泵的设计得到了改进，达到了更高的泵送速度。Holweck在1923年改进了设计，Seigbahn也在20世纪20年代做出了贡献，这导致了10的压力^－7托尔通常是用分子阻力泵达到的。在现代，分子阻力泵最近与涡轮泵一起重新进入工业领域。

汞蒸汽扩散泵取代了分子阻力泵，由Gaede和Langmuir独立开发。Langmuir的版本有更高的泵送速度，并且可以实现10^－8托特;它很快被行业采用。Burch于1928年推出了油代替汞的使用。扩散泵是最受欢迎的高真空泵30年，然后在1958年被溅射离子泵取代。

在此时间段内，在压力表面积中拍摄了大步迈出。探索了许多探索真空测量的方法，包括：Sutherlands规格依赖于气体粘度（发明1897，测量到10^－４Torr)，朗缪尔的测量仪，它使用石英纤维来测量振动的振幅(1913,10^－４Torr），Pirani的规格根据气体的电阻变化测量来自热丝的热损失（1906,10^－４用热电偶测量灯丝温度变化的热电偶计(1906,10^－４Torr)， Knudson的辐射计计(1910,10^－6Torr），以及各种机械仪，包括Bourdon隔膜表（1929）。仍然使用皮拉尼和热电偶规格，Bourdon隔膜仪也是如此。

高真空范围内的压力非常难以测量。在1916年之前，唯一可用于此范围的仪表是McLeod测量仪和Dushman的旋转磁盘计，这是一个向纺纱旋转器计的前光标。这两种类型都限于10^－7托。

1916年巴克利发明了热阴极电离计，它有一个圆柱形离子收集器，围绕着圆柱形网格和轴向灯丝，有很大的表面积，测量的极限压力为10^－8托，X射线限制。热阴极电离计几乎是唯一用于测量高真空的规格直到1950年。

1937年，潘宁发明了磁场中的冷阴极电离计，被称为潘宁或菲利普斯电离计。这个指标没有突破10^－8虽然科学家们开始了解某些东西限制了衡量，但他们还没有知道这是X射线限制。

1950年至今

贝亚德-阿尔珀特测量仪发明于1950年，可以测量到10^-11Torr，导致超高真空和现代真空泵的时代。所有现代泵都在1850年至1950年间发展的泵中找到它们的根源。在1950年至今的现代泵开发的良好资源可以在“真空科学和技术：20世纪的先驱”中找到：由保罗A编辑。红发。

现代真空泵

• • 容积式泵

  • 分子或动量转移泵

  • 诱捕泵

  • 泵性能考虑因素

  • 真空泵性能措施

泵的类型

今天有三类真空泵是：

容积式泵-低真空泵。泵内的一个机械装置反复膨胀一个腔体，使气体进入腔体，然后密封腔体，气体排放到大气中。类型包括:

• • 升压泵
  • 隔膜泵
  • 外部叶片泵
  • 液环泵
  • 罗茨泵
  • 多级增压泵
  • 活塞泵
  • 旋转叶片泵
  • 螺丝泵
  • 滚动泵
  • 托普勒泵
  • 转子活塞泵

分子或动量转移泵-最常见的泵类型，通常与排量泵结合使用，以达到高真空。高密度流体(如油或汞)的高速喷射或高速旋转的叶片将气体分子击出腔室。动量输送泵通常不能直接排到大气压力中，所以它们必须排到一个通常由机械容积泵产生的较低等级的真空中。类型包括:

• • 扩散泵 - 使用致密流体的喷气机将气体分子推出腔室
  • 涡轮分子泵 - 利用高速旋转刀片清除气体分子室

诱捕泵-适用于短时间内超高真空需求。这种类型的泵捕获固体或吸收状态的气体。这些可以添加到泵系统，以达到超高真空，但它们需要定期维护，限制了它们的使用。类型包括:

• • 低温折叠
  • 离子泵
  • Non-evaporative getter
  • 吸附泵

泵可以用于单个应用，也可以串联或并联，形成泵系统。容积泵可以通过机械方式产生部分真空，可用于许多低真空情况。

为了更高的真空要求，最常见的系统是一系列两个或更多泵，带有正排量泵背衬分子泵。正排量泵用于快速清除气体腔室，并且可以串联或平行使用一个或多个较低的液滴，以使压力降至系统要求。

泵性能考虑因素

由于其复杂性，高真空系统通常必须为所需申请而定制。高真空系统存在几个挑战。必须考虑建筑材料，因此在暴露于真空时不会损坏垫圈，密封件和其他泵组件。油，润滑脂，橡胶和塑料材料可能不适用于高真空系统。高真空系统通常用金属室和金属垫圈密封构成，而不是在许多正排量泵中发现的橡胶垫圈。

许多高真空系统都是在高温下烘烤，以便在真空形成之前排出所吸收的气体。在作业过程中，泵部件的气体排出会导致效率低下，并可能导致泵故障。被抽到真空中的气体分子大小也会产生问题。更小的分子更容易泄漏或被吸收。

超高真空系统面临着进一步的挑战。施工材料和排气问题应予以详细注意。这些系统通常由不锈钢和金属垫圈合口法兰构成，整个系统通常在真空下烘烤，以尽可能减少排气。这些系统中的一些也被液氮冷却，以进一步减少排气和低温泵系统。

必须进一步考虑超高真空系统中的泄漏路径。必须正确地检查硬质金属（包括不锈钢），腔室壁的孔隙率和金属凸缘的晶体方向的吸收率。

综上所述，在选择真空泵或真空抽气系统时应仔细考虑以下几点:

• • 吸收率
  • 录取与蒸汽的入场
  • 化学宽容
  • 尘埃宽容
  • 流
  • 液体宽容
  • 材料的建筑
  • 除了潜在的潜力
  • 各种分子尺寸的性能
  • 腔室墙壁的孔隙率
  • 压力
  • 可靠性
  • 密封材料
  • 服务时间间隔
  • 振动宽容

真空泵性能指标:

泵送速度- 泵在入口处的体积流量（体积/单位）。平均体积流量可以根据化学成分气体而变化

吞吐量- [泵送速度X气体压力=吞吐量]，以压力体积/时间为单位测量。在恒定温带吞吐量=泵的质量流量。

吞吐量(泄漏或回流)-是指[容积泄漏率X压力(泄漏的真空侧)=泄漏或回流吞吐量]。

泄漏，蒸发，升华和后游吞吐量始终是恒定的。正排量和分子泵具有恒定的泵送速度，但随着压力下降，体积含量较低，呈指数逐渐降低吞吐量和质量流量。

如何选择真空泵

从Tuthill Kinney真空泵选择导向器

以下是Tuthill的真空泵选择指南的示例。史诗与各种真空泵制造商和供应商一起工作，而不仅仅是Kinney泵。我们认为这个特殊的指导有用，但是可以从其他真空泵制造商和供应商中找到类似的信息，包括Haggedorn和Gannon，Grainger，Dekker，Edwards，Venturi等。

联系Tuthill要么IPEG有关以下指南的更多信息。

1.Determine以英寸的汞，托，或mbar *的所需真空水平，并在垂直尺度上定位它

2.根据系统体积，抽空时间，气体负荷和泄漏，在水平尺度上计算立方英尺/分钟/分钟立方英尺或立方米/分钟的所需容量。

3.从VERICLE和水平尺度的点投影的线路的盒子相交显示了所选择的压力和容量的可能泵

4.将“其他因素”进一步缩小您的选择

*注 - 1 Torr = 1mm汞绝对压力。将英寸的汞真空转换为Torr：

Torr =（30英寸真空）x 25.4海拔

例:20英寸Hg = (30 - 20) x 25.4 = 254

如何计算泵容量立方英尺每分钟(CFM)或立方米每小时(m^3./小时)

CFM中的泵容量必须足以达到泵降速度和处理气体负载和/或泄漏。泵的选择应根据两个数字的较高。

泵下

1.确定FT中的系统或过程的体积^3.(或米^3.）

2.从图表中确定泵降因子

3.划分系统FT的音量^3.(或米^3.)乘以设计的停泵时间(分钟或小时)，再乘以停泵系数

公式:英国《金融时报》系统卷^3.(或米^3.）X泵向下=泵容量
期望停机时间最小(或小时)&bbsp;(见图)CFM(或m^3./小时)

气体荷载

如果你知道气体量在标准条件下(760托，70华氏度)(1013毫巴，0摄氏度)，使用这个公式:

英语的单位:

体积X760X温度（华氏度）+ 460= CFM中的泵容量
压力在托尔530

对于公制单位：

体积X1013X温度(摄氏度)+ 273=泵容量，单位为m^3./H
（在M.^3./h)压力在mbar 273

如果你知道质量流气体的单位为磅/小时(或公斤/小时)，使用以下公式:

英文单位：

气体流量(磅/小时)X材料系数(见下文)= CFM中的泵容量
托尔的压力

对于公制单位：

气体流量(kg/hr) X物料系数(见下文)=泵容量，单位为m^3./H
压力mbar

材料因素:公制单位

AIR 169 842
水272 1354.

其他因素

真空泵与工艺连接的真空管道的设计可能会影响真空泵的选择。管道过长或直径过小都会降低抽速。对于小容积的快速泵降，应将管道的容积作为要抽真空的一部分。

在考虑为某一应用选择替代泵时，要考虑以下因素:

1. 1. 是泵送干燥还是有蒸汽载荷的气体？
   2. 气体是否清洁？它被灰尘或化学物质污染了吗？
   3. 比较替代品的功耗。
   4. 如有需要，是否有冷却水?空气冷却是一个选择吗?

图表的特定泵类型

KT单级旋转活塞泵

典型应用:真空包装、真空炉、真空镀膜

KT泵是一种安静运行的真空泵，在低压和高压下都有很高的抽吸能力。三缸活塞设计是动态平衡和实际振动自由。泵活塞与气缸之间没有金属对金属的接触;间隙充满了油。所有型号包括一个完整的，正压润滑系统。KT水泵是水冷式的，但部分型号也有风冷系统。可调节气体压载阀作为处理水和其他蒸汽负荷的标准设备包括在内。LP系列KT泵还包括一个完整的油雾消除器和一个紧凑、低调的泵。

KC, KTC

典型应用:抽真空制冷系统，液化气储存，刹车填充系统，低压化学气相沉积，硅晶体生长，泄漏检测

KC和KTC旋转活塞泵从机械泵实现最低可能的压力，建议用于操作压力低于0.1托（0.13毫巴）的应用。没有金属 - 金属接触与充满油的间隙。KC和KTC泵是空气冷却的，除了水冷的KTC-112除外。可调节气体压载阀作为处理水和其他蒸汽负荷的标准设备包括在内。三重活塞设计是动态余额和实际振动。

KD和KDH单级双工旋转活塞泵

典型应用:干燥室，脱气器，灌装机械，工艺室的排气

KD和KDH真空泵是皮带传动的低速旋转活塞泵。这些泵坚固可靠;有些已经在系统中运行了70多年。这种可靠性是由于没有金属对金属接触，因为间隙充满了油。气体镇流器和大的油容量使KD和KDH型号能够处理中等的水和其他蒸汽负荷。KD模型为风冷型，KDH模型为水冷型。

KLRC液环真空泵

典型应用：化学和药物加工，蒸汽回收，脱气，挤出机，结晶器，中央真空系统

KLRC液环泵适用于泵送湿混合物和均匀的液体段塞。它们是标准的，所有的铁结构(没有黄色金属)和316不锈钢。液环泵通常需要水冷却，但也有风冷系统。完整的工程系统解决方案，包括仪表、控制、管道和阀门;也可提供独立的液体回收和再循环。KLRC液环泵的压力可低至4 Torr (5.3 mbar a)。低压力性能受密封液体的蒸汽压力的限制，密封液体可以是水，油或工艺液体。

A & T系列液环真空泵

典型应用-过滤，溶剂蒸馏/蒸汽回收，灭菌，高压灭菌器，脱气器，挤出机，脱气器，蒸发器

AF单级“A”系列和两级“T”系列真空泵设计简单，结构坚固，可在最恶劣的工业条件下运行。由于没有金属对金属的接触，这些泵可以连续运行数年，24/7不需要维护。这些“abuser-friendly”泵是无振动和环保的，没有用油用于润滑，没有油排放到大气中。也可提供完整、独立的系统，包括液体回收和再循环。

“A”系列单级泵可降至29”汞柱(25 Torr [33 mbar A]);“T”系列两级泵拉低至4 Torr (5.3 mbar a)。低压力性能受到密封液体的蒸汽压力的限制，密封液体可以是水，油或工艺液体

SDV干式螺杆泵

典型应用：化学和药物加工，溶剂回收，形成，结晶，干蚀刻，溅射，蒸汽回收

SDV干螺杆泵在泵腔中不需要油或水，采用直通式设计，既可以处理可凝结的蒸汽，也可以处理一些固体，不会留下残留物。泵腔内部没有金属对金属的接触，因此磨损大大减少。Kinney SDV干螺杆泵是水冷的，但也有独立的风冷冷却剂再循环系统。

SDV泵是可变螺距的，以提高效率和降低温度。SDV泵也能够从大气压力到1 Torr (1.3 mbar a)的全泵速;然而，SDV可以达到极低的0.01 Torr (0.013 mbar a)的最终真空。完整的工程系统解决方案，包括仪表、控制、管道和阀门，以及自备冷却剂再循环，也可提供。

KSVB/KSV旋片真空泵

典型应用：真空包装，肉类包装，真空夹持和保持，中央真空系统，医疗/牙科真空，电子组装，塑料热成型，食品加工

KSVB / KSV旋转真空泵非常适合在抽吸过滤器安装在泵上时清洁或适度污染的应用。KSVB / KSV泵采用直接驱动电机和整体油雾消除器。气体镇流器阀是蒸汽处理的标准标准。

KVAC旋转叶片真空泵

典型应用：冷冻干燥，过滤，管疏散，真空涂层和沉积，背衬扩散或涡轮分子泵

KVAC旋转叶片真空泵在实验室和工业中有核心。所有型号都包括气体镇流器阀门和KF法兰。股票可从库存提供一系列匹配的KF配件。

工程解决方案

增压/旋转活塞真空泵系统

典型应用：变压器油干燥，真空炉，蒸气涂层，真空包装

Kinney Booster /旋转活塞真空系统在非常低的压力下泵浦高量。高容量的干式旋转叶片真空助力器与较小的旋转活塞真空泵匹配。对于低于1 Torr（1.3毫巴A）的连续操作，真空助力器可以将真空泵的泵送速度提高10或更多，导致具有较高容量系统的规模。为了在更高的压力和更快的疏散时操作，助推器可以大约是活塞泵的容量的两倍。具有直接驱动或V形带驱动助推器和具有牢固耦合助推器的低调系统的常规系统可用。

性能范围从200-2700 CFM(340-4590米^3./h)，极限真空度低至0.2微米。定制工程解决方案10,000 CFM (17000m^3./h)。

增压/液环真空泵系统

典型应用:蒸汽回收，化学处理，干燥器和蒸发器

Kinney增压/液环系统是在低压泵送湿气体混合物的理想选择。可能的密封液体包括水、油和工艺液体。充油系统避免了腐蚀性污染物和密封胶液体蒸汽压力在较高温度下的问题。工艺液体填充系统防止工艺气体受到水或油的污染。

多种多样的两级和三级系统可供选择，包括仪表、冷凝器、部分或全部密封胶液体回收和再循环、管道和阀门。

增压/干螺杆真空泵系统

典型应用:化学和制药加工，半导体加工，溶剂回收，成型，结晶，干蚀刻，溅射，蒸汽回收

这些系统结合了高泵速和深真空水平，并在无油、水或其他密封液体的情况下运行。流量范围为10,000 CFM (17000m^3./ h）真空水平至10微米和下方。可提供完整的工程解决方案，可包括Kinney KDP或SDV真空泵，真空助推器，电动机，直接或V形带驱动，冷却剂再循环系统，仪表，控制，滑动管道和阀门组合。