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隔膜幫浦如何運作?

隔膜真空幫浦是震盪排氣幫浦。此類幫浦屬於氣體傳輸真空幫浦系列。它們所提供的範圍代表它們屬於粗真空的類別。它們在只需要幾 mbar 壓力的實驗室中很重要。除了其他應用領域外,這可使它們運用於製藥或醫學製程的化學實驗室。 

運作原理

隔膜真空幫浦是單級段或多級段乾燥壓縮真空幫浦 (製造最多四個級段的隔膜幫浦)。隔膜的圓周會在幫浦頭與外殼壁之間拉緊 (圖 2.1)。它會透過連接桿與偏心的方式震盪移動。抽氣或壓縮室的體積會定期增加或減少,進而影響抽氣動作。閥的安排方式為在幫浦腔體增加體積的階段中,它會對進氣管線開啟。在壓縮期間,幫浦腔體會連結至排氣管線。隔膜在齒輪室與幫浦腔體之間提供密封,使其保持無油及潤滑 (乾燥壓縮真空幫浦)。隔膜與閥是唯一與要抽排介質接觸的元件。當像 Leybold 的 DIVAC 一樣,為隔膜包覆 PTFE (Teflon) 以及製造高氟化合成橡膠的進氣與排氣閥時,便可以抽排侵蝕性的蒸氣與氣體。因此它很適合用於化學實驗室中的真空應用。

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圖 2.1 隔膜幫浦級段設計的示意圖。

1) 外殼蓋 2) 閥 3) 蓋 4) 隔膜盤 5) 隔膜 6) 隔膜支撐盤 7) 連接桿 8) 偏心盤

隔膜幫浦的優點

最近,隔膜幫浦變得越來越重要,主要是由於環境的原因。它們是水噴射幫浦的替代品,因為隔膜幫浦不會產生任何廢水。整體而言,相較於水噴射幫浦,隔膜真空幫浦可以節省最多 90% 的操作成本。相較於迴轉葉片幫浦,隔膜幫浦的幫浦腔體完全無油。在設計上,無須將軸密封浸入油中。 

隔膜幫浦的限制

由於隔膜具有有限的彈性可變形性,因此只會達到相對較低的抽氣速度。對此抽氣原理而言,體積會保持在上方中央,即所謂的「死角」,氣體無法從此處移至排氣管線。保持在排氣壓力的氣體量會在後續抽吸行程期間膨脹至膨脹幫浦腔體,進而填滿該腔體,這樣當進氣壓力降低時,流入的新氣體量就會逐漸減少。因此,體積效率會持續變糟。隔膜真空幫浦無法達到「死角」與幫浦腔體最大體積之間比率以外的更高壓縮比。對於單級段隔膜真空幫浦,可達到的極限真空壓力約為 80 mbar。諸如 Leybold 的 DIVAC 之類的雙級段幫浦可以達到約 10 mbar (見圖 2.2),三級段幫浦可以達到約 2 mbar,四級段隔膜幫浦可以達到約 5 ·10-1 mbar。 

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圖 2.2 雙級段隔膜幫浦的操作原理。開啟及關閉閥時,轉動連接桿的後續四個階段 (a-d) 中的路徑與抽氣機構

與其他幫浦和應用的相容性

提供如此低的極限真空壓力的隔膜幫浦,例如三頭與 4 頭隔膜幫浦,都適合作為具有完全整合分子牽曳級段之渦輪分子幫浦 (複合式或寬廣範圍渦輪分子幫浦) 的前級幫浦。如此便可得到絕對無油的幫浦系統,這對涉及質譜分析系統與測漏儀的測量安排而言極為重要。相較於迴轉葉片幫浦,測漏儀的幫浦組合提供了沒有氦氣會在隔膜幫浦中自然溶解,並進而能夠完全避免可能的氦氣背景累積的優點。但是,即使是 4 頭隔膜幫浦,油封迴轉葉片幫浦或渦卷幫浦的極限真空壓力仍明顯較優。

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參考

真空符號

作為幫浦系統中幫浦類型與零件之視覺表示的真空技術圖中常用符號的詞彙表

 

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單位詞彙表

真空技術中使用之測量單位與符號意義,以及歷史單位之現代對應項的概觀

 

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參考與來源

與真空技術的基本知識相關的參考、來源與進一步閱讀

 

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