一、真空概念

半导体及电子行业接触的真空一般指的是气压比一标准大气压小的气体空间，是指稀薄的气体状态，又可分为极高真空、高真空、中真空和低真空，分类如下表所示：

普通真空泵，压强可达到1.333~100kPa(10~760mmHg)为“粗”真空； 

油泵，压强可达0.133~133.3Pa(0.001~1mmHg)为“次高”真空 ；

扩散泵，压强可达0.133Pa以下，(10-3mmHg)为“高”真空；

不同真空度状况下分子密度状态： 

二、真空泵

真空泵是最主要的真空装备、从产生真空原理上分为：容积式真空泵（如液环泵，螺杆泵，罗茨泵等）；

动量传递式真空泵（如分子泵：喷射真空泵:扩散泵均属于此类）；

气体捕集式真空泵（如钛升华、锆铝合金吸气泵、低温泵溅射离子泵、热蒸发钛升华泵等）。

01液环真空泵

水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的，因此它属于变容式真空泵。

水环真空泵由于用水或其它液体做工作液，所以其抽气性能及真空度受工作液的温度影响较大，如果工作液的温度较高，真空泵的入口真空度达到液体的饱和蒸汽压，水（液）环真空泵便会产生气蚀现象。

气蚀的存在对泵的寿命损害比较大，主要表现为叶轮叶片的根部及排气圆盘的排气口附近，有规则的气蚀冲击孔。

为了避免气蚀的产生，可以降低工作液的温度，或者降低真空泵的使用真空度，极限压力为3300~5000Pa之间。

02 旋片式真空泵

如图为旋片泵的工作原理示意图。旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。

在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子，转子外圆与泵腔内表面相切（二者有很小的间隙），转子槽内装有带弹簧的二个旋片。

旋转时，靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触，转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。 

 旋片式真空泵极限压力为0.05~1Pa。主要适合于高真空，洁净空气的工况

03 滑阀式真空泵

工 作原理与旋片式真空泵相似，但对泵腔没有磨擦，因此稳定性要好于旋片式真空泵。

04 往复式真空泵

往复泵的结构如上图所示，主要部件有气缸及在其中做往复直线运动的活塞，活塞的驱动是用曲柄连杆机构来完成的。

除上述主要部件外还有排气阀和吸气阀等重要部件，以及机座、曲轴箱、动密封和静密封等辅助部件。

运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。当活塞在气缸内从左端向右端运动时，由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。

当活塞达到最右位置时，气缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀关闭。

气缸内的气体随站活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。

当活塞再左向右运动时，又重复前一循环，如此反复下去，被抽容器内最终达到某一稳定的平衡压力。

为提高抽气效率，一般在气缸的两端均设有吸气阀和排气阀，然后用管路将气缸两端的吸气口和排气口并联起来。

往复真空泵从安装形式来分，有卧式往复真空泵及立式往复真空泵；从油润滑来分，有有油往复真空泵及无油往复真空泵。卧式往复真空泵一般为有油式，立式多为无油式。

05 喷射真空泵

水喷射真空泵工作原理如图所示，高压水泵产生的具有一定压力的水通过喷嘴在吸入室内高速喷出，将水的压力能转变成动能，吸入室内的气体被高速射流挟带，是吸入室内的压力降低，被抽气体从吸入室的吸入口进入，从而实现抽真空的功能。

水喷射真空泵的动设备为一台高压水泵，关键部件为喷嘴，所以此泵结构简单，维修频率低。

06 罗茨真空泵

罗茨泵的结构如上图所示。在泵腔内，有二个“8”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。

在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙，可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故高、中真空泵需要前级泵。

罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外，还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度，可将罗茨泵串联使用。 

罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转，被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内，再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态，所以，在泵腔内气体没有压缩和膨胀。 

但当转子顶部转过排气口边缘，v0空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压强较高，则有一部分气体返冲到空间v0中去，使气体压强突然增高。当转子继续转动时，气体排出泵外。

罗茨真空泵分为常规罗茨泵及气冷直排大气罗茨泵，常规罗茨泵承受的压差小大约为3000~6000Pa，所以常规罗茨泵必须带前级泵预抽，不能直接排大气。气冷罗茨泵因为增加了热量平衡装置可以直接排大气，气冷罗茨真空泵的极限压力为13000Pa。

罗茨真空泵工作原理：

图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。在0°位置时（图中a），下转子从泵入口封入v0体积的气体。

当转到45°位置时（图中b），该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高，引起一部分气体返冲过来。

当转到90°位置时（图中c），下转子封入的气体，连同返冲的气体一起排向泵外。这时，上转子也从泵入口封入v0体积的气体。

当转子继续转到135°时（图中d），上转子封入的气体与排气口相通，重复上述过程。180°（图e）位置和0°位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。

07 爪形真空泵

爪形真空泵为多级串联结构，每级泵均应严格控制端面间隙，即四级泵需严格控制8个端面间隙，泵在运行时的热膨胀及抽除粉未等时容易造成泵的故障，另外爪式泵的多级串联的结构特性决定了其装配的复杂性，一般人员很难达到装配要求。

因爪形真空泵为多级串联结构，排气通道复杂，在抽除可凝性气体时（例如：水蒸汽，有机溶剂气体等），在泵腔内压缩时会产生较多的液体，这部分液体进入泵的端面造成泵的负载明显变大，四级爪形真空泵有8个端面，不宜抽除大量可凝性气体。

08 螺杆真空泵

优点：寿命长、能耗低、无油污染。

两螺杆经精细动平衡校正，由轴承支撑，安装在泵壳中，螺杆与螺杆之间都有一定的间隙，因此泵工作时，相互之间无磨擦，运转平稳，噪音低，工作腔无需润滑油，因此，干式螺杆泵能抽除含有大量水蒸汽及少量粉尘的气体场合，极限真空更高，消耗功率更低，具有节能，免维修等优点。它是油封式真空泵的更新换代产品。

干式螺杆真空泵由于其优越的性能，在欧美和日本目前已经成为微电子、半导体、制药、精密加工等行业首选真空获得设备。

传动轴连接主动转子，通过同步齿轮带动从动转子旋转，在壳体上开有冷却水通道，用来冷却转子和排气口温度，同步齿轮及轴承用油润滑，轴承和壳体内部通过密封件来密封以达到无油的效果。

干式螺杆真空泵同无油螺杆压缩机在密封和润滑上结构类似，一般真空泵的排气端用机械式密封件，进气侧通常用双唇形密封件。

在传动方式上，目前通用的是直连电机，用联轴器与转子连接，极少数用皮带或者传动链传动。

获得超高真空需要考虑因素如下：

a.影响极限压强的因素

✔ 表面脱附

✔ 体内扩散逸出

✔ 大气渗透作用

✔ 材料的饱和蒸汽压

b.材料的选择与处理

烘烤、Ar离子放电清洗

c.泵的选用   

部分真空泵的主要特点及比较：

a.粗抽泵对照表：

b.不同类型真空泵应用范畴：

螺杆真空泵与爪形真空泵的特点对比：

共同点：

同为干式真空泵，具备干式真空泵的共同优点;  

对被抽系统无污染，可获得洁净真空泵腔内无油，非常容易实现对溶剂的回收;结构紧凑，占地面积小；

单泵即可达到30Pa~5Pa的极限压力，工作范围较宽；

因工作过程中无废油、废水的排放，对环境无污染；

对冷却水的要求较低，对于泵的冷却，普通的循环水即可满足要求，且冷却水量较小，根据系统工况配用合适的罗茨真空泵可组成干式真空泵机组，可大大提高低压区的抽气速率并减小功耗。

不同点：

因爪形真空泵为多级串联结构，每级泵均应严格控制端面间隙，即四级泵需严格控制8个端面间隙，泵在运行时的热膨胀及抽除粉未等时容易造成泵的故障；另外爪式泵的多级串联的结构特性决定了其装配的复杂性，一般人员很难达到装配要求；

而螺杆真空泵仅需严格控制定位端的一个端面间隙，及转子间的先对间隙即可，对装配人员要求相对较低。设备运行更稳定，检修更方便。

四级爪形真空泵有8个端面，不宜抽除大量可凝性气体，排气通道复杂，在抽除可凝性气体时（例如：水蒸汽，有机溶剂气体等），在泵腔内压缩时会产生较多的液体，这部分液体进入泵的端面造成泵的负载明显变大；

螺杆真空泵因其排气通道简单，进入泵内的液体可迅速排出，且轴功率无明显增加。

因爪形真空泵为多级串联结构，上级与下级之间均需安装中壁形成内部通道，该内部通道在抽除粉尘等时易堵塞且不易清洗；

而螺杆真空泵的级间无需通道，是直接将气体从吸气侧推送至排气侧，在抽除可凝性气体及粉尘等时不易堵塞且泵腔清洗非常方便：启动泵后直接从泵口充入水或合适的清洗剂即可将泵清洗干净。

其它部分真空泵的特点：

1）水环式真空泵 

优点：结构简单，成本低，应用范围较宽，适合抽除大量水蒸汽，有机溶剂等，对粉尘，颗粒物不敏感，可以实现对易燃易爆的气体的抽除、压缩。

缺点：效率较低，真空度较差，工作液的种类及温度对真空度及抽气速率影响较大，环保压力大。

2）旋片式真空泵

优点：真空度高；

缺点：不适合抽除水蒸汽、有机气体，不能连续抽除大气。

3）滑阀式真空泵

优点：真空度高，使用寿命要好于旋片式真空泵；

缺点：不适合抽除水蒸汽、有机气体，不能连续抽除大气。

部分真空泵使用注意事项

1）水环真空泵

开泵前要进行手动盘车； 进水温度不能太高，最好不要超过30℃；

工作水硬度尽可能小，否则泵内容易结垢；水环真空泵的排气管路不能安装阀门，以免误操作让泵出口带压运行；

水环真空泵出口排水管路尽可能低（距泵中心高度不超过一米），防止工作水不能顺畅排放，影响泵的性能；

水环泵使用真空要避开气蚀条件，否则会影响泵的寿命；

水环真空泵的供水管路要加装手动阀，调节泵的供水大小；

停泵前先关供水阀，让泵内过多的工作水排出；

泵的入口加装单向阀或其它类似阀门，防止停泵时工作水倒灌入系统中；

在结冰的环境中使用时，停泵后将泵内工作水排放彻底，以防结冰冻裂真空泵；

2)罗茨真空泵及螺杆真空泵

a.启动盘车

每次启动真空泵前，操作人员要手动转动泵的联轴器，确保真空泵运转顺畅后，方可做正式启动准备。

如果真空泵转动困难，请用蒸汽清洗2~3分钟，然后用N2吹扫2~5分钟，蒸汽和N2压力不高于0.2MPa，以免损坏真空泵密封。

检查油位是否正常，若油位过低请及时加油。

开启真空泵排气口处放净阀，将管道内的冷凝液排净，以防排气阻力过大，损坏设备甚至造成人身伤害。

开启冷却水，保证冷却水路畅通，冷却水供应充足。

启动前级真空泵，当真空度达到罗茨泵的启动条件后方可启动罗茨泵；

进行了1~4程序后螺杆真空泵可以开机；

b.停机

1.关闭主管路进气阀门。

2.先停罗茨真空泵，再停前级泵；

3.冬季停机时要将冷却水排放干净；

4.关主阀后对泵进行清洗吹扫，再关螺杆泵。

c.日常维护

1.每日检查泵的润滑油颜色、油位，若润滑油变脏、乳化、变稀要及时排查原因，更换新油。

2.每日检查后轴承压盖温度，若温度突然升高要及时停车检查。

3.时刻注意电机电流，若电流突然升高，要及时停机进行排查。

4.每日检查冷却水，出水温度是否过高，高于55℃是要注意检查分析原因冷却水供应是否充足。

5.真空泵在首次运行一个月后，无论润滑油是否异常，都要进行更换。

6.被抽气体中含有可凝性气体，出口分离器内会有冷凝液积存，注意及时放，以免停机时倒吸进入泵腔内。

7.每次停机时要注意观察螺杆真空泵是否快速返向转动超过2秒钟，如果是，请检查单向阀是否出现故障。螺杆真空泵反转气体倒吸很危险！

8.设备运转一年，或长时间停机后再应用，请拆解设备更换轴承及密封件，对设备进行彻底清洗维护。

真空系统典型组成

真空及典型应用领域

常见真空泵故障处理措施：

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