油封機(jī)械真空泵（簡(jiǎn)稱機(jī)械泵）廣泛應(yīng)用于真空系統(tǒng)中，多數(shù)作為前級(jí)真空泵。由于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)清潔真空的要求愈來(lái)愈普遍，因此機(jī)械泵中的油蒸氣返油問(wèn)題便愈來(lái)愈受到重視。我們把機(jī)械泵油流向高真空端的現(xiàn)象叫做機(jī)械泵的返油。

用機(jī)械泵抽氣系統(tǒng)獲得較清潔真空，防止機(jī)械泵返油的方法有許多種，如在真空系統(tǒng)的前級(jí)管路上裝設(shè)各種類型的擋油阱（吸附阱、液氮冷阱、離子阱及半導(dǎo)體制冷的冷阱等），或利用氣體粘滯性流動(dòng)時(shí)的阻擋作用減少機(jī)械泵油蒸氣進(jìn)入高真空側(cè)等，都可以降低機(jī)械泵的返油率。

1.設(shè)置吸附阱

在真空系統(tǒng)的前級(jí)管路上設(shè)置吸附阱，用吸附劑捕獲機(jī)械泵的返流油蒸氣，是防止機(jī)械泵油污染真空系統(tǒng)的簡(jiǎn)便方法。吸附劑靠物理吸附或化學(xué)吸附捕獲油蒸汽分子。

常用的吸附劑有：五氧化二磷、分子篩、活性氧化鋁、活性碳等，各種吸附劑的擋油效果見(jiàn)表1。

?表1? 機(jī)械泵無(wú)油抽氣系統(tǒng)用吸附阱

由表1可見(jiàn)，活性氧化鋁擋油效果最好。即使在部分吸附劑吸水飽和情況下，也能使雙級(jí)機(jī)械泵的返油率降低99％；活性炭雖然可以使返油率減少99％，但由于粒度小，使阱的流導(dǎo)變小，引起機(jī)械抽速損失達(dá)95％以上。

除此以外，活性炭強(qiáng)度低，易破碎，易掉粉，分子篩在干燥情況下，可以使返油率降低99.8％，但吸水以后效果較差。分子篩易破碎、易掉粉，進(jìn)入到機(jī)械泵中會(huì)影響泵的抽氣性能。

從表中看到3A分子篩有65％的擋油效率，說(shuō)明在機(jī)械泵返流的油蒸氣中，分子量低、直徑小的油蒸氣分子相當(dāng)多。

13X分子篩的擋油效果相當(dāng)好（再生后其擋油率可達(dá)99.8%），但是一旦它的表面吸附水汽后，擋油效果就會(huì)顯著下降，由于水汽的置換作用，會(huì)從已吸收的沾污物中釋放出質(zhì)量數(shù)為85和86的成份。

活性氧化鋁的擋油效果更佳，它在吸附水汽后仍有較好的擋油效果（擋油率99.7 ％），但由于水汽慢慢的放出，會(huì)延緩真空度的提高；它在前級(jí)管道使用有比較好的效果，分子量大于80的有機(jī)分子幾乎全部被吸收掉。

活性碳阱的擋油效果也很好，只是它的顆粒太小，會(huì)過(guò)多地降低流導(dǎo)，同時(shí)，它的粉末更容易流動(dòng)到真空系統(tǒng)的內(nèi)部各處。

真空工程上，使用氧化鋁阱較為普遍，將它與機(jī)械真空泵聯(lián)合使用，可以用于無(wú)油真空系統(tǒng)的預(yù)抽系統(tǒng)上。

目前，用國(guó)產(chǎn)的Al203做吸附劑，可使機(jī)械泵的返油率降低99.7％。每克Al203吸收0.11克水后，擋油效果仍保持82％，經(jīng)過(guò)再生后，擋油效率可達(dá)99.2％。

氧化鋁使用前，先在大氣下加熱兩小時(shí)進(jìn)行活化處理，然后再裝入阱中使用。

左一：圖1 吸附阱；左二：圖2 活性氧化鋁阱示意圖 1-不銹鋼網(wǎng)；2-活性氧化鋁；左三：圖3具有吸附阱擋油裝置的前級(jí)管道 1、2、3-閥門(mén)；4-吸附阱

圖1所示的吸附阱：在一根圓柱管（φ50×125）的兩端加固定網(wǎng)，管中放置吸附劑。

圖2是一個(gè)實(shí)用活性氧化鋁阱，阱內(nèi)放置Φ3～10mm的球狀吸附劑，擋油率可達(dá)99％，主要應(yīng)用在抽氣系統(tǒng)的前級(jí)管道上。

阱吸收水汽后，可在真空中加熱300℃后保持1～2小時(shí)進(jìn)行再生；為避免水汽凝結(jié)在管道壁上，管道應(yīng)加溫至150℃或從上游充入少量氣體。

最好是在真空系統(tǒng)外的大氣下加熱至300℃烘烤 1～2小時(shí)，然后趁熱（高于100℃）把氧化鋁倒入阱內(nèi)，隨即與大氣隔離封閉。

將活性金屬吸附劑（例如鎳）化學(xué)沉積在氧化鋁上，可以得到幾百m2/g的活性表面；當(dāng)用作前級(jí)吸附阱時(shí)，提高吸附劑的溫度可以增加油蒸氣的化學(xué)吸附量而同時(shí)減少水汽的物理吸附量。試驗(yàn)表明，其性能優(yōu)于類似的活性氧化鋁阱。

為了縮短排氣時(shí)間，可在吸附阱旁并聯(lián)一根旁通管道，如圖3所示，在101325～10Pa的壓力范圍內(nèi)，打開(kāi)真空閥3通過(guò)旁通管道抽氣；當(dāng)壓力降到10Pa左右時(shí)，真空閥3關(guān)閉，改由吸附阱通道抽氣。

圖3中的真空閥2的作用如下：當(dāng)機(jī)械泵停止抽氣不工作時(shí)，將吸附阱與真空泵隔開(kāi)，以免吸附阱大量吸收油蒸氣；其次，當(dāng)真空系統(tǒng)從大氣下啟動(dòng)并通過(guò)旁通管道抽氣時(shí)，它與閥1一起不讓大量的潮濕空氣通過(guò)吸附阱，同時(shí)避免氣流沖擊吸附劑引起吸附劑粉末飛揚(yáng)。

閥2可采用自動(dòng)壓差旁通閥門(mén)。利用壓縮彈簧在大氣壓力下使閥門(mén)處于旁通狀態(tài)，機(jī)械泵直接接通真空系統(tǒng)。當(dāng)入口壓力降低時(shí)，閥片兩面壓差驅(qū)使閥板逐步下壓，真空系統(tǒng)逐漸接通吸附阱，當(dāng)?shù)竭_(dá)5Pa時(shí)，便完全接通吸附阱并關(guān)閉旁通管道閥。

在真空系統(tǒng)前級(jí)管路上設(shè)置分子篩阱時(shí)，為了避免吸收過(guò)多的水分，通常也采用旁路安裝。在1000Pa以前用旁路抽氣，氣流不經(jīng)過(guò)分子篩；在1000Pa以后關(guān)掉旁路，讓氣流經(jīng)過(guò)分子篩阱排出。

2.采用離子阱

離子阱的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示，一般將離子阱安裝在油封機(jī)械真空泵的入口管路上。離子阱是利用冷陰極磁場(chǎng)約束氣體放電的原理，在一個(gè)水冷圓柱狀陰極筒的中心插入一根棒狀陽(yáng)極（Ua=3kV），由一環(huán)狀永久磁鐵提供一個(gè)軸向磁場(chǎng)。離子阱工作在10～10-2Pa壓力范圍內(nèi)，如果放電強(qiáng)度足夠大，當(dāng)油蒸氣分子穿過(guò)放電空間時(shí)，將被電子和離子轟擊打成碎片。然后在電極表面上聚合生成高分子量的碳?xì)涔虘B(tài)膜。

?圖4 離子阱原理示意圖：（a）橫截面的電子軌跡；（b）結(jié)構(gòu)示意圖

?圖5 帶水冷擋板離子阱：1－陽(yáng)極；2－磁鋼；3－水冷擋板；4－陰極殼體

圖5示出一種帶水冷擋板的離子阱原理圖。阱由陽(yáng)極、陰極、水冷板及磁鋼組成。陽(yáng)極接3kV正高壓，陰極是阱殼體（接地）。磁鋼裝在殼體外面，水冷板處于殼體內(nèi)部，對(duì)著機(jī)械泵的抽氣口。

機(jī)械泵工作時(shí)，返流的油蒸氣碰到阱內(nèi)的水冷板后，被反射到阱的殼體壁上。由于陽(yáng)極與陰極之間有3kV的直流正高壓，電極之間可以產(chǎn)生氣體放電，放電形成的電子在由阱外部磁鋼產(chǎn)生的磁場(chǎng)的引導(dǎo)下進(jìn)行螺旋形運(yùn)動(dòng)，使被抽氣體更為有效地電離。

電離產(chǎn)生的離子在電場(chǎng)作用下，打到陰極（殼體壁）上，把已沉積在殼體壁上的油分子轟擊成碎片，并產(chǎn)生聚合物吸附在阱的內(nèi)壁上。

離子阱的擋油效率可達(dá)99％，這種阱使用維護(hù)簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

3.設(shè)置冷凝擋油阱

在系統(tǒng)的前級(jí)管路上設(shè)置低溫冷凝阱捕獲機(jī)械泵返流的油蒸汽分子，低溫冷凝阱的擋油率因冷阱的幾何形狀而異。對(duì)于低流導(dǎo)的液氮阱，擋油率甚至可達(dá)到99.9％。但半導(dǎo)體致冷冷阱，對(duì)機(jī)械泵油分解的輕餾份（如CH2等）均無(wú)效。

a.液氮擋油阱

液氮冷阱捕獲油蒸氣的原理與擴(kuò)散泵冷阱相同，也是利用低溫表面來(lái)捕獲油蒸氣的。這種阱可以使返油率降低97％。

但是要經(jīng)常補(bǔ)給液氮，否則當(dāng)液面降低后，阱的溫度升高，已捕獲的油分子又會(huì)釋放出來(lái)。鑒于這種原因，工程上使用不多．

b.半導(dǎo)體致冷擋油阱

這種阱致冷原理與半導(dǎo)體溫差制冷障板相同。如果阱的溫度為－40℃，可以使返油率降低75％，可見(jiàn)擋油效果不如上述各類冷阱。

但這種冷阱操作方便，清除油蒸氣分子容易，只要將制冷元件反向接通，冷端會(huì)變?yōu)闊岫?，把吸附的油蒸氣清除?/p>

4.延長(zhǎng)前級(jí)管路和提高前級(jí)壓力

延長(zhǎng)抽氣系統(tǒng)的前級(jí)管路可以明顯降低油蒸氣的返流量，返流量與管路的分子流流導(dǎo)有一定關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明，適當(dāng)延長(zhǎng)前級(jí)真空管路，并且壓力上升至10Pa，油蒸氣的返流率可以降低95％。

圖6給出一只900 L/min的單級(jí)機(jī)械泵接上不同長(zhǎng)度的管路時(shí)，其油蒸氣返流率隨管路長(zhǎng)度變化的實(shí)驗(yàn)曲線，右邊的縱坐標(biāo)標(biāo)出空氣分子流的流導(dǎo)值。

圖6 隨著機(jī)械泵入口所接管道長(zhǎng)度增加返油率下降的曲線（單級(jí)機(jī)械泵抽速15L/s）

5.干式機(jī)械真空泵抽氣

為了避免油蒸氣的返流，可在高真空級(jí)采用干式機(jī)械真空泵，而以一般的油封旋轉(zhuǎn)泵作前級(jí)泵的兩級(jí)抽氣裝置（見(jiàn)圖7），并在級(jí)間充入干燥氮?dú)猓ňS持在5～10Pa）以減少前級(jí)泵的油蒸氣返流量。該系統(tǒng)油蒸氣的返流量可減少90～95％。

也可以在高低真空級(jí)間加一個(gè)活性氧化鋁吸附阱，既可以吸濕，又可以吸附油蒸氣，同時(shí)真空系統(tǒng)不至于因漏入干燥氣體而升壓。

也可以直接采用干式機(jī)械真空泵（例如爪式真空泵或渦旋式真空泵）作前級(jí)泵或低真空無(wú)油抽氣系統(tǒng)。

圖7 干級(jí)與油封級(jí)組合的兩級(jí)裝置：(左) 級(jí)間充入干燥N2氣；(右) 級(jí)間串入一吸附阱

本文聲明 |?本文來(lái)源于《真空系統(tǒng)的操作與維護(hù)第三講》，作者：張以忱。本文僅限學(xué)習(xí)交流使用，如遇侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)刪除。本文章不代表馬德寶真空設(shè)備集團(tuán)的任何見(jiàn)解。