真空泵的工作原理

真空泵是一种用于从密闭空间中抽出气体分子，从而降低内部压力、建立和维持真空环境的关键设备。它广泛应用于科学研究、半导体制造、真空镀膜、冷冻干燥、医疗设备、航空航天等领域。根据工作方式和适用真空范围的不同，真空泵的种类繁多，其工作原理也各不相同。以下介绍几种常见类型真空泵的基本原理。

1. 机械式真空泵（如旋片泵、滑阀泵）

这类泵属于容积式泵，主要通过机械运动改变泵腔的容积来实现抽气。

以最常见的旋片式真空泵为例：泵腔内装有一个偏心转子，转子上嵌有可滑动的旋片。当转子旋转时，旋片在离心力和弹簧的作用下紧贴泵腔内壁，将泵腔分隔成两个可变容积的空间。进气口一侧的容积随转子旋转逐渐增大，形成负压，吸入气体；而排气口一侧的容积逐渐减小，将吸入的气体压缩，并通过排气阀排出到大气中。如此循环往复，实现连续抽气。

这类泵通常用于获得低真空（粗真空）至中等真空，是许多真空系统的前级泵。

2. 涡轮分子泵

涡轮分子泵用于获得高真空或超高真空，通常与机械泵联用（机械泵作为前级泵）。

其原理是利用高速旋转的动叶轮（转速可达每分钟数万转）撞击气体分子，使气体分子优先向排气方向运动。由于气体分子的平均自由程较大，分子泵通过动叶轮与静叶轮的交替排列，形成“分子流”导向，将气体从入口逐级推向出口，最终由前级泵排入大气。分子泵对不同质量的气体分子抽速不同，适用于高真空环境下的洁净抽气。

3. 扩散泵

扩散泵也是一种高真空泵，其工作原理基于高速蒸汽射流。

泵内加热油或低蒸气压液体（如硅油），产生高速定向的蒸汽射流。这些蒸汽射流向下喷射，捕获从入口进入的气体分子，并将其携带向下，通过前级泵排出。气体分子在射流作用下被“扩散”并压缩，从而实现抽气。扩散泵需要前级泵配合使用，并且在停机时需防止油蒸气倒灌。

4. 吸气剂泵与低温泵

这类泵不依赖机械运动，而是利用物理或化学吸附作用来捕获气体分子。

• 低温泵：利用极低温表面（如液氦冷却至4K）使气体分子冷凝或冻结在泵壁上，从而减少系统中的气体分子数量，实现超高真空。

• 吸气剂泵：通过活性材料（如钛、锆铝合金）在加热或蒸发后与活性气体（如氧气、氮气）发生化学反应，将其固定在泵内，从而清除气体。

真空泵的工作原理多种多样，通常根据所需的真空度等级（低、中、高、超高真空）和应用环境选择合适的泵型。实际应用中，往往采用多级泵组合（如机械泵+分子泵）的方式，从大气压逐步抽至高真空，以实现高效、稳定、洁净的真空环境。理解不同真空泵的原理，有助于正确选型和维护，确保系统稳定运行。