真空泵

真空泵（Vacuum Pump）是一种利用机械或物理化学方法抽除封闭容器内气体，产生、改善和维持容器内真空度的设备。真空泵具有产生负压、增加制动力、降低真空室内的气体压力及抽取特殊气体的作用。真空泵主要应用于机械、冶金、化工、医疗、食品、电子、半导体、能源、高能物理、航天航空等领域。

真空泵最早由奥托·冯·居里克（Otto Von Guericke）在1654年发明。第一个真空泵比较粗糙，连接处通过浸水保持密封。1657年，居里克进行了著名的马德堡半球实验，证明了大气压可以产生巨大的力量。在居里克真空泵的基础上，波义耳（Robert Boyle）和胡克（Robert Hooke）进行了大量的优化设计，不久之后，波义耳（Robert Boyle）设计出一个经过改进的活塞泵，是由罗伯特·胡克（Robert Hooke）制造的。大约在同一时间，西门托学院利用水银气压计头部的真空空间进行实验，被认为是一个单冲程水银泵。

1854年，盖斯勒（Heinrich Geissler）在波恩开了一家制造科学仪器的商店，并于1855年设计了水银气泵。1682年，波义耳（Robert Boyle）提出了双缸泵，双缸泵指的是其中一个活塞上的大气压力完成了提升另一个活塞所需的大部分工作。豪克斯比（Haukesbee）在1705年制造出了进一步得到改进的双缸泵。19世纪末，弗勒斯（Kaufmann）引入了气缸油泵，这种泵基本上仍然是圆柱形真空泵的模式。基于托里拆利（Torricelli）不断地重复试验，为了在经典的研究和气体放电中产生高真空，其使用了盖斯勒（Geissler）和托普勒（Toepler）式的泵。1905年开始了新的时代，考夫曼（Kaufmann）推出了一个连续旋转的汞泵，但是很快被盖德（Gaede）的旋转汞泵所取代。16和17世纪水泵的原型是由盖德等人引进的箱式泵。1912年，盖德发明一个基于全新原理的泵，即分子泵，这种所谓的分子泵能够产生极低的压力。后来在1915年，盖德利用汞蒸汽射流携带的气体分子来实现高真空。这些蒸汽流泵随后得到了大规模的发展，开始逐渐应用于世界各地。

真空泵是一种利用机械或物理化学方法抽除封闭容器内气体，产生、改善和维持容器内真空度的设备。常见真空泵的原理和结构如下：

1.基本构造。

往复式真空泵结构图

往复式真空泵基本结构

2.基本原理。泵运转时，在电机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使得汽缸内的活塞做往复运动。当活塞在气缸内从左向右运动时，由于气缸左腔体积的不断增大，气缸内气体的密度减小，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，当活塞到最右边位置时，气缸左腔内就完全充满了气体，接着活塞向左运动，此时吸气阀5关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压强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。当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容内的气体压力达到要求时为止。

1.基本构造。水环真空泵主要由排气口、橡胶球、泵体、吸气口、叶轮、木环构成。

水环真空泵构造图

2.基本原理。当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触（实际上叶片在水环内有一定的插入深度）。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

1.基本构造。

旋片真空泵构造图

旋片真空泵基本构造

2.基本原理。旋片真空泵的主要部分浸没在真空油中，可以密封各个部件的间隙。泵上有镇气阀，当需要抽吸含有少量可凝性气体的混合气时，把经过控制的气流引到泵的压缩腔内，提高混合气的压强， 使得可凝性气体在分压尚未达到泵腔温度下的饱和值时，被排出泵外。

1.基本构造。

滑阀真空泵基本构造

滑阀真空泵基本构造

2.基本原理。在滑环上固定的长方形滑杆，能在装于泵体中的滑动导轨中上下滑动和左右摆动。泵腔被滑环和滑杆分隔成A、B两个工作室。偏心轮逆时针方向旋转时，B室容积逐渐减小，吸入的气体逐渐被压缩，压力逐渐增高。同时，A室容积则逐渐扩大，其中的气体压力不断降低，被抽气体便从滑杆的腔孔源源不断地从吸气口吸入A室。当B室气体压力上升到高于大气压力时，便推开排气阀排入大气；而A室容积则达到最大值，这时吸气终了，从而完成一个工作循环。偏心轮连续不断地旋转，气体便不断地被吸入，压缩和排出而达到连续抽气的目的。

1.基本构造。

罗茨真空泵结构图

罗茨真空泵基本结构

2.基本原理。罗茨真空泵的工作原理是在泵工作时，主动转子4和从动转子3紧贴泵体向相反的方向旋转，从抽真空进气口2吸进空气，从排气口5排出气体，实现抽真空的目的。

1.基本构造。水蒸气喷射泵主要是由过滤器、吸入口、扩散管、喉管等结构组成。

水蒸汽喷射泵基本构造

2.基本原理。蒸汽通过拉瓦尔喷嘴，减压增速，蒸汽的势能转变为动能并以超音速喷入混合室，与被抽介质混合，进行能量交换，混合后的气体进入扩压器，减速增压，动通转化为压强能，为了减少后级泵的抽气负荷，配置冷凝器，通过有一定温差的两种介质对流，进行热交换，达到冷凝高温介质目的。

1.基本构造。油扩散泵主要由喷嘴、泵体、导流管、加热器、控温装置等组成。

油扩散泵基本构造

2.基本原理。扩散泵油锅中的泵油在真空中加热到沸腾温度（约200℃），产生大量的油蒸气，油蒸气经导流管由各级喷嘴定向高速喷出。由于扩散泵进气口附近被抽气体的分压力高于蒸气流中该气体的分压力，所以被抽气体分子就不断的扩散到蒸气流中。油蒸气撞击被抽气体分子，是被抽气体分子沿蒸气流束的方向高速运动。气体分子碰到泵壁又反射回来，再碰到蒸气流的碰撞而重新沿蒸气流方向流向泵壁。经过几次碰撞后，气体分子被压缩到低真空端，再由下几级喷嘴喷出的蒸气流进行多级压缩，最后由前级泵抽走。而油蒸气在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到油锅中重新被加热，如此循环工作。

1.基本构造。

溅射离子泵结构图

溅射离子泵结构

2.基本原理。溅射离子泵工作时，空间电子在磁场的作用下，在阳极筒中，做螺旋运动，与气体分子磁撞，使气体分子电离，电离后会产生离子，飞向阴极，将大量的钛原子溅射上来，并且沉积在阳极筒的内壁，及阴极板上，产生抽气作用，轰击阴极产生的二次电子，参与气体的电离。电子最终在损失能量后，被阳极吸收。

1.基本构造。

典型制冷机低温泵结构

2.基本原理。低温泵是能够达到极限真空的泵，低温泵内有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板，能够使得气体凝结，保持凝结物的蒸汽压力低于泵等的极限压力，达到抽气的作用。低温泵的主要作用有低温冷凝、低温吸附及低温捕集。

真空泵按照真空度进行分类，可以分为低真空泵、中真空泵、高真空泵及超高真空泵四种类型。1.低真空泵。低真空泵指的是压强大于1.33Pa的真空泵，如往复式、旋转式、水环式、喷射式及吸附式真空泵等。

水环真空泵

往复式真空泵

2.中真空泵。中真空泵指的是压强在10~1.33Pa的真空泵，如罗茨真空泵、多级喷射式真空泵等。

罗茨真空泵

多级喷射泵

3.高真空泵。高真空泵指的是压强在10~10Pa的真空泵，如各种扩散泵及分子泵。

扩散泵

分子泵

4.超高真空泵。超高真空泵指的是压强小于<10Pa的真空泵，如离子泵、低温泵等。

低温泵

真空泵按照结构进行分类，可以分为机械式真空泵、射流式真空泵、及其他类型真空泵。1.机械式真空泵。机械式真空泵是靠机械动作使泵腔工作容积发生周期变化来实现抽气作用的真空泵，如往复式真空泵、旋转式真空泵等。

旋片真空泵

2.射流式真空泵。射流式真空泵无机械运动部件，主要靠通过喷嘴的高速射流来抽真空，如水蒸气喷射泵、空气喷射泵、水喷射泵以及各种扩散泵等。

蒸汽喷射泵

3.其他类型真空泵。其他类型真空泵指的是获得高真空、极高真空或高纯洁真空的泵，如吸附泵、分子泵、离子泵、冷凝泵等。

吸附泵

1.真空泵能够安全地抽吸和移除矿坑的废物；2.真空泵具有避免泄漏以及控制气味的能力，能够使得固体材料的运输变得更加安全；3.真空泵能够使得部分危险的材料得到相对安全的运输，保护环境；4.真空泵可以迅速清除堵塞的排水系统中的废弃物品，提高时间的利用率；

1.真空泵可能会出现液塞情况，阻碍真空泵的使用；2.真空泵内流体的蒸气可能会限制真空泵的吸入压力；3.真空泵由于密封胶流体的蒸汽压力，在工作温度下可获得的真空是有限的。

真空泵使用来获得、维持及改善真空的装置，其应用领域有机械、冶金、化工、医疗、食品、电子、半导体、能源、高能物理、航天航空等。

1.产生负压。真空泵可以利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件和设备，可以改善、产生和维持真空。如在塑料加工中，通过真空泵产生负压将塑料片材吸附得到模型表面上，制成产品。2.增加制动力。真空泵输出的主要是动力伺服系统产生的压力，在真空泵不能正常工作的时候，仍然可以由人力来驱动液压系统，起到助力的作用。如汽车中真空泵等的应用，主要是用来增加制动的。3.降低真空室内的气体压力。真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。比如用在真空泵包装领域时。如食品加工、食品包装、食品贮藏等。4.抽取特殊气体。真空泵可以抽取特殊类的气体，主要体现在石油化工、制药、食品加工以及冶金制造业中。真空泵可抽除酸性气体和易燃易爆的气体。如生产硫酸时，抽取酸性气体等。

真空泵型号是由基本型号和辅助型号两部分组成的。图中1、2、3部分是基本型号，4、5、6部分是辅助型号，两部分之间用横直线隔开。

真空泵型号组成

真空泵名称、代号

真空泵特性

真空泵型号示例

2020年以来，真空泵行业结构转型趋势明显，干式螺杆真空泵的出现替代了大部分油螺杆真空泵，在制药、医疗器械、半导体行业均有应用。随着全球半导体市场的稳步增长，干式真空泵在半导体领域的应用市场空间不断增长。干式真空泵是半导体各制程中必备的通用设备，应用于单晶拉晶、刻蚀、CVD、封装、测试等清洁或严苛制程，后期干式真空泵的需求会不断增长。

截止2007年，全球真空泵的销售额在20亿美元左右，每年递增7%，中国的销售额在1.5亿元左右，真空泵的生产主要集中在水环真空泵，滑阀泵及罗茨真空泵等。 2019年，半导体领域是规模最大的下游市场，占比37%，规模约17.3亿欧元。2023年全球硅片环节真空泵市场将达14.2亿元，其中新增装机市场10.4亿元，维修市场3.8亿元；从电池片真空泵市场需求来看，2023年电池片环节真空泵市场将达12.5亿元，其中新增装机市场5.3亿元，维修市场7.2亿元，维修和替换需求将贡献更多市场增量。光伏装机持续高增长，能够带动光伏真空泵市场需求。2021年全球光伏新增装机170GW，创历史新高。其中，中国光伏新增装机54.88GW，增长13.9％；欧盟新增装机25.9GW，增长近34％；印度新增装机11.89GW，同比增长218％左右。在光伏发电成本持续下降推动下，全球光伏新增装机仍将快速增长，预计2025年全球新增装机量将达到270GW。