真空擦拭机真空吸附及掉料警报技术研究

吴 坤

（深圳聚顶科技有限公司，广东深圳 518000）

1 真空擦拭机的真空工作原理

一个标准大气压力是1.01×105Pa。“真空”是指气体压力小于一个大气压力时的气体状况。在真空状况下，单位容积中的气体分子数量减少，分子平均自由程提高，而气体分子内部、气体分子和其他粒子间的彼此撞击也相应减小。这种特性已被广泛应用在科学研究、工业生产等的诸多行业中。比如，加速设备，电子器件，大规模集成电路，高热核化学反应，空气环境条件建模，最大真空度冶炼工艺过程技术等。在高真空中，因材料中易挥发性物质的损失，以及表面吸附层的改变，物质表面特征也相应发生了变化。从20世纪70年代至今，对表面科学的研究较多，它不但具有很强的基础理论性，而且还有很重要的应用研究价值。随着现代科技、工业的发展，获得并保持真空已形成了一项专业的技术——真空技术，它主要包括：真空的获得、真空测量、检漏、最大真空度控制系统的工程设计等。

一般将真空区域区分为若干范围，不同的真空范围需要使用不同的抽气装置和检测仪表，分类如表1所示。

表1 真空区域划分及测量仪器

2 真空的获得

2.1 机械泵

机械泵是通过使用机械方式使工作室的气容量周期性地增加或者减少来实现抽气功能的。属于这一类别的还有活塞抽气机和双转子抽气机等。这都是同一类低压真空泵，在单独应用时也能获得低压真空，在真空机组中主要用于前级泵。

旋片式真空泵构造原理如图1所示。主体元件是圆筒形定子、偏心转子和旋片。旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C 三部分，当转子按箭头方向旋转时，与吸气口相通的空间A 的容积是逐渐增大的，此时处于吸气步骤。而与排气口相通的空间C 的容积是逐渐缩小的，此时处于排气步骤。居中的空间B 的容积也是逐渐减小的，此时处于压缩过程。由于空间A的容积是逐渐增大（即膨胀），气体压强降低，旋片真空泵的入口处外部气体压强大于空间A 内的压强，因此将气体吸入。当空间A 与吸气口隔绝时，即转至空间B 的位置，气体开始被压缩，容积逐渐缩小，最后与排气口相通。当被压缩气体超过排气压强时，排气阀被压缩气体推开，气体穿过油箱内的油层排至大气中。由旋片真空泵的连续运转，达到连续抽气的目的。转子不断转动，上述过程将不断重复，以便将与进气口相通的容器内废气继续抽取，从而达到真空状况。

图1 旋片式机械泵结构

马达泵在实际工作流程中，由于马达转动在高转速运转，而两旋片又在不断伸缩，在定子与传动、旋片与定子、旋片与传动各自的相接触处均产生了摩擦，并且为了要实现相应运转，活动零部分必须彼此间保持一定的公差，即存在着小缝隙。所以整个泵体都需要浸渍在机械泵油中，方可运行。泵油也起着保护润滑和制冷的功用。

2.1.1 机械泵使用注意事项

（1）机械泵转子移动方位应当按泵上的规定方位，不得改变。否则会将泵油压进真空系统。

（2）因为被吸气在油泵里被挤出，而挤出比又很高，如废气中存在水蒸汽，因为挤出而凝成液态混入泵油中出不去。所以，普通机械泵并不能用来抽水蒸汽，或含水蒸汽含量较多的废气，有气镇设备的机械泵，才适宜抽出含蒸汽的空气。

（3）在机械泵停车后，要避免出现回油的现象。为此停机后需使进风口直接与大气周围环境接触，也可在机械泵进气口接上电气阀，当停机时，将电磁阀断开后靠空气弹簧帮助下回转。

2.1.2 机械泵的主要参数

（1）抽气速率。指在抽气机的进口空气处于规定压强范围内时，在单位时限内流入抽气机的气体容量。而通过转片式真空泵的结构，它的抽速可以用二旋片运转一周，所扫过空气的体积和旋子的速度来求出。这个抽速是在进风口达到大气最大压强时的抽速。是抽出空气的最大抽速。在抽出空气机铭板上所提供的抽速，一般指的就是最大抽速。

（2）极限真空度。指空气被吸容器内部，并经机械泵充分喘气后可以获得的最高真空度。如果在喘气很长时间后曲线逐渐平直，则表示碳相图不再下降，即已达到了极限的最大真空度。通常，机械泵的极限真空度是0.1Pa。机械泵的极限真空度主要取决于：出口处装有单面阀，只有在内的废气压强大于阀口外压强时，才冲开单面阀并向外排放废气，到了与外面压强相当时单面阀关掉。此时，因为具有无效空间，因此废气不可能全部排除，它将利用小间隙重新返回进风口。抽气很长时间之后，当真空度达到一定值时，气体虽经压缩，但碳相图变化仍不大，冲不开单向阀门，也排不出去，从而产生了极限最大真空度。机械泵油中具有一定的饱和蒸汽压强，在常压下泵油中所溶度的废气，在周围压强下降或气温增加时就会放气。

2.2 定容法测量抽速实验

在真空体系中，对规定体积的被吸容器，由于气体逐渐地被抽取，而容器内压力包括吸气机进口部的压力都不断减小，所以每次抽取的气体就不断下降，吸速也不断改变。这样，抽气机的吸速也是在某一瞬时压力下，被吸气体体积对时间的导数。若测出容器内不同时刻的压强，并作压强随时间变化的抽气曲线，即可计算出抽速。

2.3 油扩散泵

油扩散泵的油一般选用分子量大，饱和蒸气压低，较黏度的油品，泵油用规定功率的电炊具升温后，产生大量高压蒸气在各喷气孔高速（速度可达200～300 m/s）喷出，使喷气孔周围的压力逐渐减小，附近气体随即向喷气孔区弥散，油蒸气被供热力套冷却后，形成的油滴再返回泵底循环系统利用，而空气分子在此时向喷气孔向下凝聚。如此三个喷气孔逐级起作用，使进风口的空气分子凝聚在出气口，然后再由机械泵把凝聚起来的气体抽取，可见扩散泵与机械泵之间必须串接利用，才能使形成的抽气过程获得较高最大真空度。通常，三级油扩散泵的限制真空度是10-5Pa。影响极限真空度的最主要原因，是油蒸发压与气体分子间的逆扩散。如加低温冷凝阱（放置干冰或液氮等），以阻截石油蒸气分子进入体系中，并引入低蒸气压扩散泵油，则可使极限真空度增加1～2个数量级。玻璃扩散泵的最大吸速通常为每秒数十升，而金属材料扩散泵则高达每秒数百升。金属材料扩散泵不可独立工作，必须要用机械泵作前级泵，泵体要竖直，按规定量加油和选择加热器电炉工作功率；牢记先通供热能，之后再加温。

2.4 真空泵运转性能参数

最初工作压强是指真空泵启动运行前，被吸空间或泵进口处所达到的压力数据，若超过该压力数值，真空泵即无法运转。

最大反压强是指维持真空泵通常运行状况，泵的输出处所能承受的最大压强，又称临界反压强。真空泵输出处压强超过最大反压强，将不能运行。油扩散泵的最大反压强约为30 Pa。

最大限制气压是指在真空泵进口端经充分抽空后可以获得的最大限制气压，也称为限制真空。

3 真空测量

3.1 静态变形真空计

截面宽度为长椭圆形的薄壁金属弯曲式，一端闭合，另一端与真空仓相连，当管内压力差发生变化时，该金属弯曲形式在内部压力差影响下产生弹性变化，这一变化传递给发讯器，并通过刻度读取。如指针式压力最大真空度计等，这类真空计适合于量测粗的真空度。

3.2 热偶真空计（热偶规）

热偶真空计中采用的测压器件即是热偶规，其结构中留有管道与热真空控制系统相连。当发热丝中通以一定流量气体时，其操作环境温度将决定于周围的散热要求。又因为气体热导率随压力而改变，所以发热丝的操作环境温度也将随压力而变化，与发热丝相连的热电偶也将产生不同的热电位，并由此建立起规管内碳相图和热电位之间的关联。经校准定标后，就可以使用测定热电位值来制定测试的碳相图值。而热偶真空计的测试区域通常是20～10-1Pa。但使用时需要按规定时限调整到所预设的热电流设计值。

3.3 超高真空电离规

圆筒型电离规测量真空度的限制不应该低于5×10-6Pa，因为被增加的电子设备在被珊极吸收后，会释放较软的X 辐照。X 光线照到吸收极上，产生了电光效果，故在吸收极电路中产生了与碳相图不符的光电本底电流。

1950 年在诺丁汉（NottinghAm）提出了上述解释后，贝阿德（Bayard）和阿尔伯特（Alpert〉给出了B-A 规的基本结构。集阴极使用孔径约为0.1 mm的细钨丝，放在栅极的正中央，即管子的正中心，而阴极则在栅极外侧，此结构的优点是集阴极体积（也就是接受x 射线的面积）减小了1000倍，因而可以使光电压降低了1000倍，B-A 规的检测范围也可以扩展到了10-5Pa，同时由于集电极与栅极组成了圆柱形电场技术，使栅极空间中99%的范围内电子都能产生离子化效应，所以虽然比收集极体积降低了1000倍，但精度基本上仍与圆筒形的离子化规接近，且由于每个高压极均由丝组成，所以易于加热除气，更适合与超高的真空度测试。

4 掉料警报检漏技术

4.1 静态升压法

首先把真空控制器抽至一定的真空度下，用真空阀把控制器与真空泵分离，如果控制器内压强维持恒定并变化得很少，就表示此控制器不外泄，但如果控制器内压强增大的很大，就说明此控制器外泄，由于此法简便，可适用于所有的真空控制器。但此法并不可确定漏孔部位和宽度。

4.2 高频火花检漏仪

作为玻璃最大真空度系统的防掉料检漏，该检漏装置构成的主要是一塔式输入电流线圈。在接收线圈的初级用振动火花隙，激励谐振电源回路产生的减幅式高频率输出电压，在接收线圈数较多的时候次级形成了高频高压，在次级线圈高压端用一簧片引出，在弹簧尖端处由于高频高压将产生几条雷电式跳舞动作的放电火花。在检漏时，先把弹簧尖端移动到待查玻璃管附近，如果没有漏洞，则弹簧尖端和玻璃间仍是雷电式跳舞动作的火花，并可观察管内气体被激发放电的颜色变化。当出现渗漏现象时，原来几条跳舞动作的火花，汇集成一个强烈的火花束，束的尾部指向漏洞所在处。当火花通过检漏装置后略作移动时，火花束尾部并不动，而该处就是漏子。利用火花检漏仪查找玻璃体系的泄漏是很简单的方法。还可以通过火花检漏仪根据激起真空系统内气体燃烧释放产生的颜色粗略估算真空度，并通过废气充放发电颜色的改变情况来确定体系中有无漏料。

5 结束语

文章对擦拭机设计中的问题进行了研究，许多关键的技术有待进一步研究，相关的理论有待进一步深化，特别是擦拭机的可靠性、适应能力以及制造成本等问题急需解决。因此，作为多学科交叉的特种机器技术，尚有诸多问题亟待进一步研究。