氣鎮是什麼以及其運作方式為何？

透過以下方式分享：

氣鎮設施由 Wolfgang Gaede 於 1935 年在抑制蒸氣在幫浦中的凝結時所開發。在迴轉葉片、迴轉活塞及擺線幫浦中使用的氣鎮設施不僅允許抽排永久氣體，還允許抽排更大量的凝結氣體。

氣鎮的優點

氣鎮設施 (見圖 2.13) 可防止蒸氣在幫浦的幫浦腔室中凝結。抽排蒸氣時，這些蒸氣可能只會在幫浦溫度下壓縮到最高達其飽和蒸氣壓力。例如，如果在 158°F (70°C) 的幫浦溫度之下抽排水蒸氣，蒸氣只能壓縮到 312 mbar (水在 158°F (70°C) 之下的飽和蒸氣壓力 (見表 XIII))。進一步壓縮時，水蒸氣會凝結，而不升高壓力。在幫浦中不會產生過壓，排氣閥也不會開啟。水蒸氣會在幫浦中保持為水，並隨幫浦的油乳化。這會很快速地損害油的潤滑屬性，幫浦甚至可能會在吸入太多水時卡死。

運作原理

在實際壓縮製程開始之前 (見圖 2.13)，精確定義的空氣量 (「氣鎮」) 會進入幫浦的幫浦腔體中。其數量會達到使幫浦的壓縮比降到最大 10:1 為止。現在由幫浦吸入的蒸氣可在達到其冷凝點之前與氣鎮一起壓縮，並從幫浦中排出。但是，所吸入的蒸氣分壓不會超過特定值。它必須低到在壓縮係數為 10 的情況下，蒸氣無法在幫浦的操作溫度下凝結的程度。抽排水蒸氣時，此臨界值稱為「水氣耐受度」。

圖 2.14 中顯示的是在抽排凝結蒸氣時，在迴轉葉片幫浦中發生的含及不含氣鎮的抽氣製程。

抽排蒸氣時，必須滿足兩個需求：
1) 蒸氣必須處於操作溫度。
2) 氣鎮閥必須開啟。
(在氣鎮閥開啟時，幫浦溫度會升高約 50°F (10°C)。在抽排蒸氣之前，幫浦應在氣鎮閥開啟的情況下操作半個小時)。

表 XIII 水在從 -148°F (-100°C) 到 +284°F (+140°C) 的溫度範圍內時的飽和壓力 p5 與蒸氣密度 eD

圖 2.13 具有氣鎮的迴轉葉片幫浦內的工作製程

1–2 抽吸
2–5 壓縮
3–4 氣鎮入口
5–6 排氣

圖 2.14 抽排凝結物質時，不含及含氣鎮裝置之迴轉葉片幫浦中的抽氣製程圖。

a) 無氣鎮

1) 幫浦連接至容器，其已幾乎沒有空氣 (70 mbar) – 因此它必須大部分輸送蒸氣微粒
2) 幫浦腔室與容器分隔開來 – 壓縮開始
3) 幫浦腔室的內容物目前已壓縮，使蒸氣凝結以形成水滴 – 尚未達到過壓
4) 殘留空氣現在僅產生必要的過壓並開啟排放閥，但蒸氣已凝結，幫浦中的水滴滴落。

b) 有氣鎮
1) 幫浦連接至容器，其已幾乎沒有空氣 (70 mbar) – 因此它必須大部分輸送蒸氣微粒
2) 幫浦腔室與容器分隔開來 – 現在將外部額外空氣填充至幫浦腔室所經由的氣鎮閥會開啟 – 此額外空氣稱為氣鎮
3) 將排氣閥按開，蒸氣與氣體微粒會被推出 – 由於補充氣鎮空氣的關係，發生此情況所需要的過壓會非常早達到，因為一開始時，完整抽氣製程凝結無法發生
4) 幫浦排放更多空氣與蒸氣

同時抽排氣體和蒸氣

同時從真空系統中抽排永久氣體與凝結蒸氣時，永久氣體的數量將經常足以防止幫浦內的蒸氣發生任何凝結情況。幫浦中可在無凝結情況下抽排的蒸氣量可以如下計算：

(2.1)

其中：pvapor = 是蒸氣在幫浦進氣處的分壓。
p_perm = 是所有抽排的永久氣體在幫浦進氣處的總壓力。
p_vapor,sat = 是抽排蒸氣的飽和壓力，視溫度而定 (見圖 2.15)。
p_sum = p_exhaust + Δp_valve + Δp_exhaust 過濾器
Δp_valve = 是跨排氣閥的壓差，其數量根據幫浦類型及操作條件為 0.2 ... 0.4 bar。
Δp_exhaust 過濾器 = 是跨排氣過濾器的壓差，數量為 0 ... 0.5 bar。

圖 2.15 飽和蒸氣壓力：溫度表

範例

對於串聯安裝外部油霧過濾器的迴轉葉片幫浦，會抽排水蒸氣與空氣的混合。以下值可用於套用方程式 (2.1)：

空氣/水蒸氣混合中水蒸氣的壓力不得超過混合總壓力的 23 %。

水氣耐受度

在以上所做出的與水氣耐受度主題相關的一般考量因素中，有一個重要特殊情況是關於抽排水蒸氣。根據 PNEUROP，水氣耐受度的定義如下：

「水氣耐受度是真空幫浦在額定環境溫度與壓力條件 (68°F/20°C，1013 mbar) 之下，能夠持續吸入及輸送純水蒸氣的最高壓力。其以 mbar 為單位」。它會指定為 P_W,O。

將方程式 (2.3) 套用至此特殊情況表示：

(2.4)

如果針對氣鎮使用了 50 % 濕度的大氣，則 p_vapor, g.b. = 13 mbar；B/S = 0.10 – 這在實務中是一個常見的數字 – 且 p_sum (總排氣壓力) = 1330 mbar，水氣耐受度 p_W,0 作為圖 2.16 中的最低曲線所表示的蒸氣溫度的函數。其他曲線對應於水蒸氣-空氣混合的抽排，因此 p_perm = p_air O)，由符號 p_L 以 millibar 為單位表示。在這些情況下，叫大量的水蒸氣分壓 p_w 可如圖所示抽排。在型錄中提供的 p_W,0 的數字煙此參考了下限，且在安全範圍內。

圖 2.16 可在氣鎮閥開啟且幫浦中無凝結的情況下抽排的水蒸氣分壓 pw，作為空氣各分壓 pL 的幫浦溫度的函數。最下方的曲線對應於幫浦的水氣耐受度 pw,o。

根據方程式 2.4，氣鎮 B 中的增加會提升水氣耐受度 p_W,0。實務上，B 的增加，尤其是在單級段氣鎮幫浦受到在氣鎮閥開啟的情況下操作的氣鎮幫浦的可達到極限真空會隨著氣鎮 B 的增加而越來越糟的這個事實所限制。類似的考量因素也適用於水氣耐受度 p_vapor 的一般方程式 2.3。

在抽氣製程開始時，氣鎮幫浦應一律在氣鎮閥開啟的情況下操作。在幾乎所有情況下，容器壁上會存在一層薄薄的水，這層水只會逐漸的蒸發。為了達到低極限真空壓力，氣鎮閥只應在已抽出蒸氣後關閉。Leybold 幫浦一般提供 33 到 66 mbar 之間的水氣耐受度。雙級段幫浦可提供對應於其級段之間壓縮比的其他水氣耐受度層級 – 前提是它們具有不同大小的幫浦腔體。