容積真空泵標準釋疑

　　本文對容積真空泵的有關(guān)標準作了評述，提出了一些新的看法和建議，在如何按照國情、貫徹執行國際標準方面，對標準中不夠完整、不夠確切的地方提出了改進(jìn)意見(jiàn)，最后提出了考核節能效益的能效比概念和考核方法。

　　容積真空泵有許多產(chǎn)品標準和試驗方法標準，有的是多年未修改，有的是近些年來(lái)已進(jìn)行了修訂，但還有一些方面需要研究和探討。ISO 也發(fā)布了一些新標準，需要根據我國的具體情況進(jìn)行選擇性的貫徹。對此，根據我們多年的實(shí)踐和研究，提出一些新的看法和見(jiàn)解。

1、基礎壓力與極限壓力

　　1.1、概述和定義

　　極限壓力的定義是：泵裝有標準試驗罩并按規定條件工作，在不引入氣體正常工作的情況下，趨向穩定的最低壓力。這就是說(shuō)，它是一個(gè)無(wú)限的漸近的值，就象數學(xué)中的無(wú)窮小一樣，它是一個(gè)變量，在變化過(guò)程中它永遠也達不到所謂的極限和最低，是一個(gè)無(wú)法測量的值。也正如ISO 21360-2007 指出的，極限壓力是測試罩內漸近的壓力值，它是泵可獲得的最低壓力，但沒(méi)有一個(gè)實(shí)際的測量方法或規范。因此我們通常所測得的所謂極限壓力，只不過(guò)是假定的、人為認定的極限壓力值，因此它沒(méi)有實(shí)際意義。ISO 21360-2007提出了一個(gè)新概念—基礎壓力，它的定義為：真空泵和測試罩達到工作條件后，測試罩內的壓力。又指出，通常測試罩指定位置所測得的壓力即為基礎壓力。我們認為它的定義說(shuō)得不夠明白、不夠確切、也不夠全面。

　　我們認為基礎壓力正確的定義應為：“泵按規定條件工作，在不引入氣體的情況下，標準測試罩內趨向穩定的壓力”。它與原來(lái)的極限壓力的定義相比較，基礎壓力的定義中取消了關(guān)鍵的“最低”一詞，也就沒(méi)有了極限的含義，因此這是一個(gè)可以測量的值，雖然是趨向穩定，但也已經(jīng)離穩定不太遠了。

　　1.2、基礎壓力的測量

　　泵按規定條件工作，在不引入氣體的情況下，至少運轉1h (氣鎮泵應預先在氣鎮狀態(tài)下至少運轉1h)，每間隔30min 測量一次測試罩內壓力，當連續三次測量結果表明壓力不再變化，即認為達到了基礎壓力，分壓和全壓的測量應同時(shí)進(jìn)行。氣鎮泵應在上述測量后，完全打開(kāi)氣鎮閥，泵溫穩定后重新測量氣鎮時(shí)的基礎壓力。

　　1.3、測量?jì)x表

　　分壓一直是用壓縮式真空計測量的，它的工作液是汞，考慮到環(huán)境污染，國際上非常重視限制和禁止使用汞的工作，我國最大的汞使用行業(yè)—氯堿行業(yè)已明確汞污染防治的總體規劃時(shí)間表，2021-2030 年為無(wú)汞化階段。禁止使用汞的時(shí)代終將來(lái)到，但到目前為止還沒(méi)有一種儀表可以取代它來(lái)直接測量分壓，因此這項工作必須抓緊進(jìn)行。在現階段建議用薄膜真空計(加冷阱)來(lái)測量分壓，或者是干脆取消分壓的考核和測量，因為分壓對用戶(hù)來(lái)說(shuō)并沒(méi)有多少實(shí)用意義，國外不少公司也已取消了分壓指標。

　　全壓用薄膜真空計測量。薄膜真空計中常用的是差動(dòng)式雙電容薄膜計，它不但測量精度高，而且測量下限可達10^-3 Pa。它有一個(gè)高真空基準膜盒，薄膜計的示值實(shí)際上是傳感器的測量值與基準膜盒相比較的結果，基準膜盒由于存在著(zhù)放氣和漏氣，它的真空度雖然非常緩慢、但都在不斷地下降，因此薄膜計的零位應該經(jīng)常進(jìn)行校準，尤其是對低量程的1Torr(133Pa)和0.1Torr(13Pa)的傳感器而言，它的影響更大，故基準膜盒應根據具體變化情況，及時(shí)進(jìn)行高真空處理或更換。

　　還有一點(diǎn)必須注意，薄膜真空計在使用中，低量程傳感器絕對不可充入大氣，即使在仃止使用期間，也必須保持在較高的真空狀態(tài)下，以免膜片產(chǎn)生永久變形，影響薄膜真空計的測量準確度。熱傳導真空計從結構上分析，它應該有較好的測量準確度，但市場(chǎng)上各種真空計之間相對誤差較大，即使是同一廠(chǎng)商生產(chǎn)的真空計之間也有類(lèi)似問(wèn)題，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為使用部門(mén)必須要有校準設備，定期進(jìn)行校準，以保證熱傳導真空計的測量準確度，才能滿(mǎn)足泵性能測量的要求。

2、體積流率volume flow rate

　　2.1、體積流率與抽氣速率

　　抽氣速率一詞在我國已經(jīng)沿用了幾十年，嚴格地的說(shuō)，它不規范、不確切。國際標準中早已稱(chēng)為體積流率，但我國的GB/T 3163 真空技術(shù)術(shù)語(yǔ)中，前后存在矛盾。在一般術(shù)語(yǔ)中已有“體積流率”的定義，但在真空泵及有關(guān)術(shù)語(yǔ)中，又有“真空泵的抽氣速率(體積流率)”定義，雖然英譯名已為volume flow rate of a vacuum pump，但中文仍稱(chēng)作抽氣速率(體積流率)，這是不嚴肅的，而且在幾乎所有產(chǎn)品標準中都仍采用抽氣速率，應盡快改正為體積流率。

　　體積流率的定義為：按規定條件工作時(shí)，從標準測試罩流過(guò)的氣體流量與在測試罩指定位置測得的平衡壓力之比。

　　2.2、流量測量裝置

　　在GB/T 19956.1-2005 的附錄A 中給出的滴管流量計中，滴管直徑(mm)為1.5、3、5、10、20、…….、200；而DIN 28427—1983 中規定：滴管內徑不得小于12mm，為什么有這樣的規定?對此我們做了不同直徑滴管測量“體積流率”的對比，如表1 所示。

表1 不同直徑滴管“體積流率”測量對比

　　從對比數據中可以看出，滴管內徑1.5mm 與5mm 相比較，二者所測得的體積流率偏差最大達16%以上。而5mm 滴管與15mm 滴管相比較，則偏差不大。因此1.5mm 和3mm 二種孔徑的滴管不應再使用，5mm 孔徑的滴管雖然偏差較小，也不建議使用。小直徑滴管產(chǎn)生偏差的原因是流動(dòng)阻力大，口徑越小、流速越大，流動(dòng)阻力越大。

　　當年，我們?yōu)榱藬U大滴管的量程，曾嘗試用汞取代變壓器油作滴管流量計的工作液，結果出現了更大的偏差。究其原因是汞的內聚力太強了，它是一種在同種物質(zhì)內部相鄰各部分之間的相互吸引力，是它在阻礙相鄰各部分之間的相對運動(dòng)，因此汞的流動(dòng)阻力更大。

　　由于滴管流量計在測量小流量方面存在一定的局限性，我們研發(fā)了一種新穎的真空滴管流量計，它既可在大氣壓狀態(tài)下使用，又可在真空狀態(tài)下使用，使它的量程向小流量方向拓展，因此可以完美解決上述問(wèn)題，詳見(jiàn)參考文獻。JB/T 7675-2005“往復真空泵”中的流量測量裝置已太陳舊了，它不但需要一個(gè)體積龐大的儲氣罐，而且容積要求不小于氣缸理論抽氣容積的20 倍，也就是說(shuō)，一臺600L/s 的往復泵在測量體積流率時(shí)需配備一個(gè)2m³ 以上的儲氣罐。此外，還需要配備連接管道、調節閥和根據不同流量所選擇的噴嘴及配套的風(fēng)管，測量中還需根據不同流量調換噴嘴和風(fēng)管。

　　我們認為可以使用GB/T 13930-92“水環(huán)真空泵和水環(huán)壓縮機氣量測定方法”中的計量噴嘴來(lái)進(jìn)行往復泵氣量的測量。在執行GB/T13930-92 的過(guò)程中，我們發(fā)現由于“集束效應”，從噴嘴中進(jìn)入的超音速氣流測試罩內后壓力的均衡性和穩定性較差，因此測試罩的長(cháng)度L 與直徑D 之比應大于5。由于“計量噴嘴”結構簡(jiǎn)單、測量方便、有較高的準確度，在容積泵體積流率的測量中得到了廣泛的應用。

　　必須指出的是，計量噴嘴應盡量避免壓力在3kPa 以下時(shí)使用，因為在低壓狀態(tài)下噴嘴的“集束效應”更嚴重；同時(shí)低壓狀態(tài)下開(kāi)啟的噴嘴孔徑都很小(1.5mm、2mm 等)，“附面層”(流體動(dòng)力學(xué))雖然很薄，但對小口徑的噴嘴而言，已有明顯的影響，而且這種影響很難消除。

　　2.3、其它

　　在JB/T6533 旋片真空泵和JB/T 1246 滑閥真空泵的技術(shù)要求中，規定“泵的幾何抽速應為名義抽速的1~1.2 倍”，憶及當時(shí)起草這一條文時(shí)，是考慮到當時(shí)老產(chǎn)品多、規格不一，求大同、存小異，采取的臨時(shí)性規定，此后一直沿用至今。如今老產(chǎn)品都已經(jīng)淘汰，應當取消這一規定。實(shí)際上，國內外所有容積泵的名義體積流率均為為幾何體積流率的圓整值，至于圓整值的偏差各有不同，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為不必、也不宜作具體規定。

3、水蒸氣容限tolerance of water vapour

　　3.1、水蒸氣容限

　　水蒸氣容限的定義有兩種表達， 在DIN28426-1-1983 中是：標準環(huán)境條件下，氣鎮泵在連續工作時(shí)，被抽氣體中水蒸氣的最高入口壓力。在ISO 21360-2-2012 中是：氣鎮泵在連續工作時(shí)不發(fā)生凝結，被抽氣體中水蒸氣的最高入口壓力。我們認為這兩種表達都不完整，脫離了“標準環(huán)境條件”，測量就會(huì )產(chǎn)生很大的誤差，嚴重時(shí)將導致測量沒(méi)有結果；如沒(méi)有“泵內不發(fā)生凝結”的規定，則脫離了“水蒸氣容限”的本意，測量中發(fā)生了水蒸氣的凝結，測量結果就會(huì )產(chǎn)生更大的誤差，而且泵油中混雜了水將導致泵不能正常工作。此外，在水蒸氣容限的定義中不應限制為氣鎮泵，因為采取其它措施，例如提高泵溫至100℃，就可以抽除水蒸氣而不會(huì )在泵內產(chǎn)生凝結。我們認為水蒸氣容限的定義應為：標準環(huán)境條件下(20℃，101325Pa)，連續運轉時(shí)泵內不發(fā)生凝結，所能抽除水蒸氣的最高入口壓力。

　　3.2、水蒸氣容許抽除量water vapour tolerance pumping load

　　與水蒸氣容限的定義一致，水蒸氣容許抽除量的定義為：標準環(huán)境條件下，連續運轉時(shí)泵內不發(fā)生凝結，單位時(shí)間內能抽除的最大水蒸氣質(zhì)量流率。

　　水蒸氣容許抽除量：

　　3.3、水蒸氣容限的測量

　　水蒸氣容限如直接用水蒸氣來(lái)測量是非常復雜的，一是蒸氣發(fā)生器的問(wèn)題，對大中型泵而言，蒸發(fā)面積要很大，加熱功率也要很大，才能充分滿(mǎn)足蒸氣量的需要；二是蒸發(fā)量(水蒸氣抽除量)只能從蒸發(fā)器的水位變化來(lái)計算，不易準確測量；三是可能會(huì )在泵內引起很難察覺(jué)而不為人們所注意的凝結，從而影響水蒸氣抽除量和水蒸氣容限的測量。

　　我們通過(guò)多次試驗證明，用水蒸氣直接測量會(huì )使測量過(guò)程異常困難，諸多因素都影響著(zhù)測量的進(jìn)程，泵內發(fā)生輕微的水蒸氣凝結又往往不易察覺(jué)，等到發(fā)現泵油(變色)中有水時(shí)，泵內水蒸氣的凝結已經(jīng)很?chē)乐亓�，因此國際上現行的水蒸氣容限的測量(標準)都用空氣來(lái)取代水蒸氣，再通過(guò)換算來(lái)修正。

　　水蒸氣容限的測量按新制訂的GB/T ×××××—××××《真空技術(shù)容積真空泵水蒸氣容限的測量》進(jìn)行。水蒸氣容許抽除量一般不進(jìn)行測量，按公式(1)計算即可。

4、最低啟動(dòng)溫度

　　最低啟動(dòng)溫度對油封真空泵最為重要，因為低溫下油的粘度直接影響到泵的啟動(dòng)，DIN28426-1-1976 旋轉真空泵驗收規則第一部分：低真空和中真空范圍的滑閥真空泵和旋片真空泵，最早提出了“最低啟動(dòng)溫度”的概念，并提出，如沒(méi)有其它規定，就把12℃作為泵的最低啟動(dòng)溫度。ISO 21360-2-2012 也是如此規定。我國的幅員遼闊，南北溫差相當大，即使在中東部地區，也很難滿(mǎn)足這樣的環(huán)境條件，因此我國的滑閥真空泵和旋片真空泵標準都規定泵的工作環(huán)境溫度為5℃~40℃，也就是說(shuō)把5℃作為泵的最低啟動(dòng)溫度。事實(shí)上根據我們數十年的試驗數據看，無(wú)論是滑閥真空泵還是旋片真空泵都能在5℃下正常啟動(dòng)。

　　我們認為，在最低啟動(dòng)溫度這一項上，并非一定要遵循國際標準，因為我們的標準超過(guò)了國際標準，要求比它高，這是容許的。在這個(gè)問(wèn)題上，世界各公司也并不統一，據查證：大阪真空機器制作所允許環(huán)境溫度為10℃～40℃。EDWARDS 公司nXDS 干式渦旋泵2013年樣本為10℃～40℃，GXS 工業(yè)干式泵2010 年樣本為5℃～40℃。LEYBOLD 公司2003 的樣本中，SV 和D 型為12℃～40℃和10℃～40℃。至于最低啟動(dòng)溫度的定義，我們認為可以這樣寫(xiě)：泵至少停轉1 h 后，在入口為大氣壓的狀態(tài)下，泵能啟動(dòng)的最低環(huán)境溫度。如沒(méi)有特殊要求，一般為了5℃。

　　在進(jìn)行最低啟動(dòng)溫度測量時(shí)，應使泵處于最低啟動(dòng)溫度下，泵運轉10min 后，停止運轉至少1h，然后在泵口敞開(kāi)的情況下，檢測泵能否正常啟動(dòng)。注意，試驗時(shí)所用的真空泵油的粘度必須與廠(chǎng)商規定的泵油粘度一致，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為試驗所用電機也必須與廠(chǎng)商規定的電機一致。

5、消耗功率

　　現標準中消耗功率的定義是：在各種不同入口壓力下，用功率表測定泵的驅動(dòng)電動(dòng)機的輸入功率，然后乘以其不同負荷下的效率，即為泵的消耗功率。在測試程序中規定；待泵溫平衡后，開(kāi)啟進(jìn)氣閥，使罩內壓力由低至高，逐點(diǎn)穩定，同時(shí)測取功率值。上述說(shuō)明，現標準在測量過(guò)程中根本沒(méi)有考慮到壓力變化過(guò)程中泵溫的變化，實(shí)際上壓力的變化將直接導致壓縮功的變化，壓縮功的變化又將使泵溫發(fā)生變化。眾所周知，在油封真空泵的消耗功率中，包含了壓縮功和摩擦功，由于泵油的粘度隨溫度變化較大，因此克服油摩擦所需要的功率也隨泵溫變化。為此我們做了H-150 泵在最大功率時(shí)泵溫對消耗功率影響的試驗(室溫為32℃)，測試數據如下：試驗表明，H-150 泵在最大功率時(shí)，泵溫穩定需要1.5 h 以上，泵溫(上升)變化達27℃，功率變化達0.93kW，即下降了8.25%。這一點(diǎn)在ISO 21360-2-2012 中也沒(méi)有表達清楚，它只是說(shuō)，在15min 內測量3 次功率消耗，然后取平均值。DIN 28426 在最大驅動(dòng)功率的術(shù)語(yǔ)中表示得非常清楚，最大驅動(dòng)功率就是真空泵處于平衡溫度下，泵在最大負載下運轉所需的消耗功率。

表2 H-150 泵最大功率時(shí)(3.3×10⁴ Pa)的泵溫對功率的影響

　　我們認為，消耗功率的測試應在泵處于平衡溫度下進(jìn)行，也即在每個(gè)測試點(diǎn)都要保證泵處于平衡溫度下。因此消耗功率的測量方法應為：“在各種不同的入口壓力下，泵溫穩定后，用功率表測量泵的驅動(dòng)電動(dòng)機的輸入功率，然后乘以其不同負荷下的效率，即為泵的消耗功率”。功率表和電流互感器的準確度應按GB/T1032-2012 三相異步電動(dòng)機試驗方法的規定，功率表的準確度應不低于0.5 級，互感器的準確度應不低于0.2 級。

6、能效比energy efficiency ratio(EER)

　　容積真空泵中過(guò)去都考核比功率，沒(méi)有特出現代社會(huì )的能效概念，我們認為可以仿照家電行業(yè)，將之修改為考核能效比。容積真空泵的能效比(EER)可以定義為：額定工況和規定條件下，泵運行時(shí)體積流率與有效消耗功率之比。它反映了單位消耗功率在泵運行過(guò)程中轉換成的體積表2 H-150 泵最大功率時(shí)(3.3×10⁴ Pa)的泵溫對功率的影響

　　試驗表明，H-150 泵在最大功率時(shí)，泵溫穩定需要1.5 h 以上，泵溫(上升)變化達27℃，功率變化達0.93kW，即下降了8.25%。這一點(diǎn)在ISO 21360-2-2012 中也沒(méi)有表達清楚，它只是說(shuō)，在15min 內測量3 次功率消耗，然后取平均值。DIN 28426 在最大驅動(dòng)功率的術(shù)語(yǔ)中表示得非常清楚，最大驅動(dòng)功率就是真空泵處于平衡溫度下，泵在最大負載下運轉所需的消耗功率。

　　我們認為，消耗功率的測試應在泵處于平衡溫度下進(jìn)行，也即在每個(gè)測試點(diǎn)都要保證泵處于平衡溫度下。因此消耗功率的測量方法應為：“在各種不同的入口壓力下，泵溫穩定后，用功率表測量泵的驅動(dòng)電動(dòng)機的輸入功率，然后乘以其不同負荷下的效率，即為泵的消耗功率”。功率表和電流互感器的準確度應按GB/T1032-2012 三相異步電動(dòng)機試驗方法的規定，功率表的準確度應不低于0.5 級，互感器的準確度應不低于0.2 級。

7、能效比energy efficiency ratio(EER)

　　容積真空泵中過(guò)去都考核比功率，沒(méi)有特出現代社會(huì )的能效概念，我們認為可以仿照家電行業(yè)，將之修改為考核能效比。容積真空泵的能效比(EER)可以定義為：額定工況和規定條件下，泵運行時(shí)體積流率與有效消耗功率之比。它反映了單位消耗功率在泵運行過(guò)程中轉換成的體積流率。至于怎樣來(lái)考核各種容積真空泵的能效比，則需根據各種泵的具體情況而定�；�閥泵、旋片泵和往復泵的能效比為最大消耗功率時(shí)的體積流率與最大消耗功率之比。濕式羅茨泵、氣冷式羅茨泵和水環(huán)泵的能效比曲線(xiàn)如圖1 所示，這些泵的能效比怎樣考核，還需進(jìn)一步研究和商榷。

圖1 濕式羅茨泵、氣冷式羅茨泵和水環(huán)泵的能效比曲線(xiàn)

8、噪聲

　　8.1、測量表面的選擇

　　測量噪聲的聲功率首先要確定合適的測量表面，它主要由聲源的大小、形狀、安裝狀態(tài)和發(fā)聲特點(diǎn)等因素來(lái)選定。目前常用的測量表面有三種：球面、半球面和矩形平行六面體。我們真空行業(yè)執行的“GB/T 21271-2007 真空技術(shù)真空泵噪聲測量”中采用的測量表面是矩形平行六面體，適用于形狀為矩形的泵。聲源(泵)位于一個(gè)反射面(地面)上，測量表面有五個(gè)。羅茨泵是一種特殊情況，它被機架支撐在離地面一定高度的空間，類(lèi)似于懸掛在空中，近距離內沒(méi)有反射面；它的形狀是矩形，又不能采用球形測量面，因此應該采用一種特殊的測量表面—全矩形平行六面體測量表面。

　　8.2、全矩形平行六面體測量表面

　　這是一種創(chuàng )新，國際標準和國外先進(jìn)標準中都沒(méi)有采用過(guò)，在它們規定的三種設置狀態(tài)中：聲源位于地面上時(shí)，測量表面有五個(gè)；聲源緊靠二個(gè)反射面時(shí)，實(shí)際上的測量表面只有四個(gè)；聲源緊靠三個(gè)反射面時(shí)，實(shí)際上的測量表面僅只有三個(gè)。它們的基準體定義為：恰好包絡(luò )聲源且終止于反射平面的最小矩形平行六面體假想表面。由于羅茨泵被支撐在離地面一定高度的空間，近距離內沒(méi)有反射面，因此它的矩形平行六面體的六個(gè)面全部是測量表面，為與前面所述的矩形平行六面體有所區別，我們稱(chēng)之為“全矩形平行六面體測量表面”。它的基準體定義與矩形平行六面體的定義不一樣，應為：恰好包絡(luò )聲源的最小矩形平行六面體假想表面。

　　8.3、圓柱體測量表面

　　ISO 3744-2010 中增設了圓柱體(cylindrical)測量表面，但從附錄D 的圖D.1 中可以看出，它的基準體仍為矩形平行六面體，我們認為根據真空泵的實(shí)際情況，應將基準體修改為圓柱體，因此我們應在相關(guān)的標準中增設圓柱體測量表面，圓柱體測量表面適用于立式分子泵和渦旋泵等。

9、結束語(yǔ)

　　本文提出的新概念、新定義、新方法和一些不同的觀(guān)點(diǎn)、看法，雖然是經(jīng)我們多年研究和實(shí)踐的積累和成果，但一定還存在一些不足和需要商榷的地方，望請有意者不惜指正。