真空擦拭機(jī)真空吸附及掉料警報(bào)技術(shù)研究

吳 坤

（深圳聚頂科技有限公司，廣東深圳 518000）

1 真空擦拭機(jī)的真空工作原理

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力是1.01×105Pa?！罢婵铡笔侵笟怏w壓力小于一個(gè)大氣壓力時(shí)的氣體狀況。在真空狀況下，單位容積中的氣體分子數(shù)量減少，分子平均自由程提高，而氣體分子內(nèi)部、氣體分子和其他粒子間的彼此撞擊也相應(yīng)減小。這種特性已被廣泛應(yīng)用在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等的諸多行業(yè)中。比如，加速設(shè)備，電子器件，大規(guī)模集成電路，高熱核化學(xué)反應(yīng)，空氣環(huán)境條件建模，最大真空度冶煉工藝過程技術(shù)等。在高真空中，因材料中易揮發(fā)性物質(zhì)的損失，以及表面吸附層的改變，物質(zhì)表面特征也相應(yīng)發(fā)生了變化。從20世紀(jì)70年代至今，對表面科學(xué)的研究較多，它不但具有很強(qiáng)的基礎(chǔ)理論性，而且還有很重要的應(yīng)用研究價(jià)值。隨著現(xiàn)代科技、工業(yè)的發(fā)展，獲得并保持真空已形成了一項(xiàng)專業(yè)的技術(shù)——真空技術(shù)，它主要包括：真空的獲得、真空測量、檢漏、最大真空度控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)等。

一般將真空區(qū)域區(qū)分為若干范圍，不同的真空范圍需要使用不同的抽氣裝置和檢測儀表，分類如表1所示。

表1 真空區(qū)域劃分及測量儀器

2 真空的獲得

2.1 機(jī)械泵

機(jī)械泵是通過使用機(jī)械方式使工作室的氣容量周期性地增加或者減少來實(shí)現(xiàn)抽氣功能的。屬于這一類別的還有活塞抽氣機(jī)和雙轉(zhuǎn)子抽氣機(jī)等。這都是同一類低壓真空泵，在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)也能獲得低壓真空，在真空機(jī)組中主要用于前級泵。

旋片式真空泵構(gòu)造原理如圖1所示。主體元件是圓筒形定子、偏心轉(zhuǎn)子和旋片。旋片把轉(zhuǎn)子、泵腔和兩個(gè)端蓋所圍成的月牙形空間分隔成A、B、C 三部分，當(dāng)轉(zhuǎn)子按箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，與吸氣口相通的空間A 的容積是逐漸增大的，此時(shí)處于吸氣步驟。而與排氣口相通的空間C 的容積是逐漸縮小的，此時(shí)處于排氣步驟。居中的空間B 的容積也是逐漸減小的，此時(shí)處于壓縮過程。由于空間A的容積是逐漸增大（即膨脹），氣體壓強(qiáng)降低，旋片真空泵的入口處外部氣體壓強(qiáng)大于空間A 內(nèi)的壓強(qiáng)，因此將氣體吸入。當(dāng)空間A 與吸氣口隔絕時(shí)，即轉(zhuǎn)至空間B 的位置，氣體開始被壓縮，容積逐漸縮小，最后與排氣口相通。當(dāng)被壓縮氣體超過排氣壓強(qiáng)時(shí)，排氣閥被壓縮氣體推開，氣體穿過油箱內(nèi)的油層排至大氣中。由旋片真空泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。轉(zhuǎn)子不斷轉(zhuǎn)動，上述過程將不斷重復(fù)，以便將與進(jìn)氣口相通的容器內(nèi)廢氣繼續(xù)抽取，從而達(dá)到真空狀況。

圖1 旋片式機(jī)械泵結(jié)構(gòu)

馬達(dá)泵在實(shí)際工作流程中，由于馬達(dá)轉(zhuǎn)動在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，而兩旋片又在不斷伸縮，在定子與傳動、旋片與定子、旋片與傳動各自的相接觸處均產(chǎn)生了摩擦，并且為了要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)，活動零部分必須彼此間保持一定的公差，即存在著小縫隙。所以整個(gè)泵體都需要浸漬在機(jī)械泵油中，方可運(yùn)行。泵油也起著保護(hù)潤滑和制冷的功用。

2.1.1 機(jī)械泵使用注意事項(xiàng)

（1）機(jī)械泵轉(zhuǎn)子移動方位應(yīng)當(dāng)按泵上的規(guī)定方位，不得改變。否則會將泵油壓進(jìn)真空系統(tǒng)。

（2）因?yàn)楸晃鼩庠谟捅美锉粩D出，而擠出比又很高，如廢氣中存在水蒸汽，因?yàn)閿D出而凝成液態(tài)混入泵油中出不去。所以，普通機(jī)械泵并不能用來抽水蒸汽，或含水蒸汽含量較多的廢氣，有氣鎮(zhèn)設(shè)備的機(jī)械泵，才適宜抽出含蒸汽的空氣。

（3）在機(jī)械泵停車后，要避免出現(xiàn)回油的現(xiàn)象。為此停機(jī)后需使進(jìn)風(fēng)口直接與大氣周圍環(huán)境接觸，也可在機(jī)械泵進(jìn)氣口接上電氣閥，當(dāng)停機(jī)時(shí)，將電磁閥斷開后靠空氣彈簧幫助下回轉(zhuǎn)。

2.1.2 機(jī)械泵的主要參數(shù)

（1）抽氣速率。指在抽氣機(jī)的進(jìn)口空氣處于規(guī)定壓強(qiáng)范圍內(nèi)時(shí)，在單位時(shí)限內(nèi)流入抽氣機(jī)的氣體容量。而通過轉(zhuǎn)片式真空泵的結(jié)構(gòu)，它的抽速可以用二旋片運(yùn)轉(zhuǎn)一周，所掃過空氣的體積和旋子的速度來求出。這個(gè)抽速是在進(jìn)風(fēng)口達(dá)到大氣最大壓強(qiáng)時(shí)的抽速。是抽出空氣的最大抽速。在抽出空氣機(jī)銘板上所提供的抽速，一般指的就是最大抽速。

（2）極限真空度。指空氣被吸容器內(nèi)部，并經(jīng)機(jī)械泵充分喘氣后可以獲得的最高真空度。如果在喘氣很長時(shí)間后曲線逐漸平直，則表示碳相圖不再下降，即已達(dá)到了極限的最大真空度。通常，機(jī)械泵的極限真空度是0.1Pa。機(jī)械泵的極限真空度主要取決于：出口處裝有單面閥，只有在內(nèi)的廢氣壓強(qiáng)大于閥口外壓強(qiáng)時(shí)，才沖開單面閥并向外排放廢氣，到了與外面壓強(qiáng)相當(dāng)時(shí)單面閥關(guān)掉。此時(shí)，因?yàn)榫哂袩o效空間，因此廢氣不可能全部排除，它將利用小間隙重新返回進(jìn)風(fēng)口。抽氣很長時(shí)間之后，當(dāng)真空度達(dá)到一定值時(shí)，氣體雖經(jīng)壓縮，但碳相圖變化仍不大，沖不開單向閥門，也排不出去，從而產(chǎn)生了極限最大真空度。機(jī)械泵油中具有一定的飽和蒸汽壓強(qiáng)，在常壓下泵油中所溶度的廢氣，在周圍壓強(qiáng)下降或氣溫增加時(shí)就會放氣。

2.2 定容法測量抽速實(shí)驗(yàn)

在真空體系中，對規(guī)定體積的被吸容器，由于氣體逐漸地被抽取，而容器內(nèi)壓力包括吸氣機(jī)進(jìn)口部的壓力都不斷減小，所以每次抽取的氣體就不斷下降，吸速也不斷改變。這樣，抽氣機(jī)的吸速也是在某一瞬時(shí)壓力下，被吸氣體體積對時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。若測出容器內(nèi)不同時(shí)刻的壓強(qiáng)，并作壓強(qiáng)隨時(shí)間變化的抽氣曲線，即可計(jì)算出抽速。

2.3 油擴(kuò)散泵

油擴(kuò)散泵的油一般選用分子量大，飽和蒸氣壓低，較黏度的油品，泵油用規(guī)定功率的電炊具升溫后，產(chǎn)生大量高壓蒸氣在各噴氣孔高速（速度可達(dá)200～300 m/s）噴出，使噴氣孔周圍的壓力逐漸減小，附近氣體隨即向噴氣孔區(qū)彌散，油蒸氣被供熱力套冷卻后，形成的油滴再返回泵底循環(huán)系統(tǒng)利用，而空氣分子在此時(shí)向噴氣孔向下凝聚。如此三個(gè)噴氣孔逐級起作用，使進(jìn)風(fēng)口的空氣分子凝聚在出氣口，然后再由機(jī)械泵把凝聚起來的氣體抽取，可見擴(kuò)散泵與機(jī)械泵之間必須串接利用，才能使形成的抽氣過程獲得較高最大真空度。通常，三級油擴(kuò)散泵的限制真空度是10-5Pa。影響極限真空度的最主要原因，是油蒸發(fā)壓與氣體分子間的逆擴(kuò)散。如加低溫冷凝阱（放置干冰或液氮等），以阻截石油蒸氣分子進(jìn)入體系中，并引入低蒸氣壓擴(kuò)散泵油，則可使極限真空度增加1～2個(gè)數(shù)量級。玻璃擴(kuò)散泵的最大吸速通常為每秒數(shù)十升，而金屬材料擴(kuò)散泵則高達(dá)每秒數(shù)百升。金屬材料擴(kuò)散泵不可獨(dú)立工作，必須要用機(jī)械泵作前級泵，泵體要豎直，按規(guī)定量加油和選擇加熱器電爐工作功率；牢記先通供熱能，之后再加溫。

2.4 真空泵運(yùn)轉(zhuǎn)性能參數(shù)

最初工作壓強(qiáng)是指真空泵啟動運(yùn)行前，被吸空間或泵進(jìn)口處所達(dá)到的壓力數(shù)據(jù)，若超過該壓力數(shù)值，真空泵即無法運(yùn)轉(zhuǎn)。

最大反壓強(qiáng)是指維持真空泵通常運(yùn)行狀況，泵的輸出處所能承受的最大壓強(qiáng)，又稱臨界反壓強(qiáng)。真空泵輸出處壓強(qiáng)超過最大反壓強(qiáng)，將不能運(yùn)行。油擴(kuò)散泵的最大反壓強(qiáng)約為30 Pa。

最大限制氣壓是指在真空泵進(jìn)口端經(jīng)充分抽空后可以獲得的最大限制氣壓，也稱為限制真空。

3 真空測量

3.1 靜態(tài)變形真空計(jì)

截面寬度為長橢圓形的薄壁金屬彎曲式，一端閉合，另一端與真空倉相連，當(dāng)管內(nèi)壓力差發(fā)生變化時(shí)，該金屬彎曲形式在內(nèi)部壓力差影響下產(chǎn)生彈性變化，這一變化傳遞給發(fā)訊器，并通過刻度讀取。如指針式壓力最大真空度計(jì)等，這類真空計(jì)適合于量測粗的真空度。

3.2 熱偶真空計(jì)（熱偶規(guī)）

熱偶真空計(jì)中采用的測壓器件即是熱偶規(guī)，其結(jié)構(gòu)中留有管道與熱真空控制系統(tǒng)相連。當(dāng)發(fā)熱絲中通以一定流量氣體時(shí)，其操作環(huán)境溫度將決定于周圍的散熱要求。又因?yàn)闅怏w熱導(dǎo)率隨壓力而改變，所以發(fā)熱絲的操作環(huán)境溫度也將隨壓力而變化，與發(fā)熱絲相連的熱電偶也將產(chǎn)生不同的熱電位，并由此建立起規(guī)管內(nèi)碳相圖和熱電位之間的關(guān)聯(lián)。經(jīng)校準(zhǔn)定標(biāo)后，就可以使用測定熱電位值來制定測試的碳相圖值。而熱偶真空計(jì)的測試區(qū)域通常是20～10-1Pa。但使用時(shí)需要按規(guī)定時(shí)限調(diào)整到所預(yù)設(shè)的熱電流設(shè)計(jì)值。

3.3 超高真空電離規(guī)

圓筒型電離規(guī)測量真空度的限制不應(yīng)該低于5×10-6Pa，因?yàn)楸辉黾拥碾娮釉O(shè)備在被珊極吸收后，會釋放較軟的X 輻照。X 光線照到吸收極上，產(chǎn)生了電光效果，故在吸收極電路中產(chǎn)生了與碳相圖不符的光電本底電流。

1950 年在諾丁漢（NottinghAm）提出了上述解釋后，貝阿德（Bayard）和阿爾伯特（Alpert〉給出了B-A 規(guī)的基本結(jié)構(gòu)。集陰極使用孔徑約為0.1 mm的細(xì)鎢絲，放在柵極的正中央，即管子的正中心，而陰極則在柵極外側(cè)，此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是集陰極體積（也就是接受x 射線的面積）減小了1000倍，因而可以使光電壓降低了1000倍，B-A 規(guī)的檢測范圍也可以擴(kuò)展到了10-5Pa，同時(shí)由于集電極與柵極組成了圓柱形電場技術(shù)，使柵極空間中99%的范圍內(nèi)電子都能產(chǎn)生離子化效應(yīng)，所以雖然比收集極體積降低了1000倍，但精度基本上仍與圓筒形的離子化規(guī)接近，且由于每個(gè)高壓極均由絲組成，所以易于加熱除氣，更適合與超高的真空度測試。

4 掉料警報(bào)檢漏技術(shù)

4.1 靜態(tài)升壓法

首先把真空控制器抽至一定的真空度下，用真空閥把控制器與真空泵分離，如果控制器內(nèi)壓強(qiáng)維持恒定并變化得很少，就表示此控制器不外泄，但如果控制器內(nèi)壓強(qiáng)增大的很大，就說明此控制器外泄，由于此法簡便，可適用于所有的真空控制器。但此法并不可確定漏孔部位和寬度。

4.2 高頻火花檢漏儀

作為玻璃最大真空度系統(tǒng)的防掉料檢漏，該檢漏裝置構(gòu)成的主要是一塔式輸入電流線圈。在接收線圈的初級用振動火花隙，激勵(lì)諧振電源回路產(chǎn)生的減幅式高頻率輸出電壓，在接收線圈數(shù)較多的時(shí)候次級形成了高頻高壓，在次級線圈高壓端用一簧片引出，在彈簧尖端處由于高頻高壓將產(chǎn)生幾條雷電式跳舞動作的放電火花。在檢漏時(shí)，先把彈簧尖端移動到待查玻璃管附近，如果沒有漏洞，則彈簧尖端和玻璃間仍是雷電式跳舞動作的火花，并可觀察管內(nèi)氣體被激發(fā)放電的顏色變化。當(dāng)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象時(shí)，原來幾條跳舞動作的火花，匯集成一個(gè)強(qiáng)烈的火花束，束的尾部指向漏洞所在處。當(dāng)火花通過檢漏裝置后略作移動時(shí)，火花束尾部并不動，而該處就是漏子。利用火花檢漏儀查找玻璃體系的泄漏是很簡單的方法。還可以通過火花檢漏儀根據(jù)激起真空系統(tǒng)內(nèi)氣體燃燒釋放產(chǎn)生的顏色粗略估算真空度，并通過廢氣充放發(fā)電顏色的改變情況來確定體系中有無漏料。

5 結(jié)束語

文章對擦拭機(jī)設(shè)計(jì)中的問題進(jìn)行了研究，許多關(guān)鍵的技術(shù)有待進(jìn)一步研究，相關(guān)的理論有待進(jìn)一步深化，特別是擦拭機(jī)的可靠性、適應(yīng)能力以及制造成本等問題急需解決。因此，作為多學(xué)科交叉的特種機(jī)器技術(shù)，尚有諸多問題亟待進(jìn)一步研究。