油封机械真空泵（简称机械泵）广泛应用于真空系统中，多数作为前级真空泵。由于科学技术的发展，对清洁真空的要求愈来愈普遍，因此机械泵中的油蒸气返油问题便愈来愈受到重视。我们把机械泵油流向高真空端的现象叫做机械泵的返油。

用机械泵抽气系统获得较清洁真空，防止机械泵返油的方法有许多种，如在真空系统的前级管路上装设各种类型的挡油阱（吸附阱、液氮冷阱、离子阱及半导体制冷的冷阱等），或利用气体粘滞性流动时的阻挡作用减少机械泵油蒸气进入高真空侧等，都可以降低机械泵的返油率。

1.设置吸附阱

在真空系统的前级管路上设置吸附阱，用吸附剂捕获机械泵的返流油蒸气，是防止机械泵油污染真空系统的简便方法。吸附剂靠物理吸附或化学吸附捕获油蒸汽分子。

常用的吸附剂有：五氧化二磷、分子筛、活性氧化铝、活性碳等，各种吸附剂的挡油效果见表1。

表1 机械泵无油抽气系统用吸附阱

由表1可见，活性氧化铝挡油效果最好。即使在部分吸附剂吸水饱和情况下，也能使双级机械泵的返油率降低99％；活性炭虽然可以使返油率减少99％，但由于粒度小，使阱的流导变小，引起机械抽速损失达95％以上。

除此以外，活性炭强度低，易破碎，易掉粉，分子筛在干燥情况下，可以使返油率降低99.8％，但吸水以后效果较差。分子筛易破碎、易掉粉，进入到机械泵中会影响泵的抽气性能。

从表中看到3A分子筛有65％的挡油效率，说明在机械泵返流的油蒸气中，分子量低、直径小的油蒸气分子相当多。

13X分子筛的挡油效果相当好（再生后其挡油率可达99.8%），但是一旦它的表面吸附水汽后，挡油效果就会显著下降，由于水汽的置换作用，会从已吸收的沾污物中释放出质量数为85和86的成份。

活性氧化铝的挡油效果更佳，它在吸附水汽后仍有较好的挡油效果（挡油率99.7 ％），但由于水汽慢慢的放出，会延缓真空度的提高；它在前级管道使用有比较好的效果，分子量大于80的有机分子几乎全部被吸收掉。

活性碳阱的挡油效果也很好，只是它的颗粒太小，会过多地降低流导，同时，它的粉末更容易流动到真空系统的内部各处。

真空工程上，使用氧化铝阱较为普遍，将它与机械真空泵联合使用，可以用于无油真空系统的预抽系统上。

目前，用国产的Al203做吸附剂，可使机械泵的返油率降低99.7％。每克Al203吸收0.11克水后，挡油效果仍保持82％，经过再生后，挡油效率可达99.2％。

氧化铝使用前，先在大气下加热两小时进行活化处理，然后再装入阱中使用。

左一：图1 吸附阱；左二：图2 活性氧化铝阱示意图 1-不锈钢网；2-活性氧化铝；左三：图3具有吸附阱挡油装置的前级管道 1、2、3-阀门；4-吸附阱

图1所示的吸附阱：在一根圆柱管（φ50×125）的两端加固定网，管中放置吸附剂。

图2是一个实用活性氧化铝阱，阱内放置Φ3～10mm的球状吸附剂，挡油率可达99％，主要应用在抽气系统的前级管道上。

阱吸收水汽后，可在真空中加热300℃后保持1～2小时进行再生；为避免水汽凝结在管道壁上，管道应加温至150℃或从上游充入少量气体。

最好是在真空系统外的大气下加热至300℃烘烤 1～2小时，然后趁热（高于100℃）把氧化铝倒入阱内，随即与大气隔离封闭。

将活性金属吸附剂（例如镍）化学沉积在氧化铝上，可以得到几百m2/g的活性表面；当用作前级吸附阱时，提高吸附剂的温度可以增加油蒸气的化学吸附量而同时减少水汽的物理吸附量。试验表明，其性能优于类似的活性氧化铝阱。

为了缩短排气时间，可在吸附阱旁并联一根旁通管道，如图3所示，在～10Pa的压力范围内，打开真空阀3通过旁通管道抽气；当压力降到10Pa左右时，真空阀3关闭，改由吸附阱通道抽气。

图3中的真空阀2的作用如下：当机械泵停止抽气不工作时，将吸附阱与真空泵隔开，以免吸附阱大量吸收油蒸气；当真空系统从大气下启动并通过旁通管道抽气时，它与阀1一起不让大量的潮湿空气通过吸附阱，同时避免气流冲击吸附剂引起吸附剂粉末飞扬。

阀2可采用自动压差旁通阀门。利用压缩弹簧在大气压力下使阀门处于旁通状态，机械泵直接接通真空系统。当入口压力降低时，阀片两面压差驱使阀板逐步下压，真空系统逐渐接通吸附阱，当到达5Pa时，便完全接通吸附阱并关闭旁通管道阀。

在真空系统前级管路上设置分子筛阱时，为了避免吸收过多的水分，通常也采用旁路安装。在1000Pa以前用旁路抽气，气流不经过分子筛；在1000Pa以后关掉旁路，让气流经过分子筛阱排出。

2.采用离子阱

离子阱的结构原理如图4所示，一般将离子阱安装在油封机械真空泵的入口管路上。离子阱是利用冷阴极磁场约束气体放电的原理，在一个水冷圆柱状阴极筒的中心插入一根棒状阳极（Ua=3kV），由一环状永久磁铁提供一个轴向磁场。离子阱工作在10～10-2Pa压力范围内，如果放电强度足够大，当油蒸气分子穿过放电空间时，将被电子和离子轰击打成碎片。然后在电极表面上聚合生成高分子量的碳氢固态膜。

图4 离子阱原理示意图：（a）横截面的电子轨迹；（b）结构示意图

图5 带水冷挡板离子阱：1－阳极；2－磁钢；3－水冷挡板；4－阴极壳体

图5示出一种带水冷挡板的离子阱原理图。阱由阳极、阴极、水冷板及磁钢组成。阳极接3kV正高压，阴极是阱壳体（接地）。磁钢装在壳体外面，水冷板处于壳体内部，对着机械泵的抽气口。

机械泵工作时，返流的油蒸气碰到阱内的水冷板后，被反射到阱的壳体壁上。由于阳极与阴极之间有3kV的直流正高压，电极之间可以产生气体放电，放电形成的电子在由阱外部磁钢产生的磁场的引导下进行螺旋形运动，使被抽气体更为有效地电离。

电离产生的离子在电场作用下，打到阴极（壳体壁）上，把已沉积在壳体壁上的油分子轰击成碎片，并产生聚合物吸附在阱的内壁上。

离子阱的挡油效率可达99％，这种阱使用维护简单，但结构比较复杂。

3.设置冷凝挡油阱

在系统的前级管路上设置低温冷凝阱捕获机械泵返流的油蒸汽分子，低温冷凝阱的挡油率因冷阱的几何形状而异。对于低流导的液氮阱，挡油率甚至可达到99.9％。但半导体致冷冷阱，对机械泵油分解的轻馏份（如CH2等）均无效。

a.液氮挡油阱

液氮冷阱捕获油蒸气的原理与扩散泵冷阱相同，也是利用低温表面来捕获油蒸气的。这种阱可以使返油率降低97％。

但是要经常补给液氮，否则当液面降低后，阱的温度升高，已捕获的油分子又会释放出来。鉴于这种原因，工程上使用不多．

b.半导体致冷挡油阱

这种阱致冷原理与半导体温差制冷障板相同。如果阱的温度为－40℃，可以使返油率降低75％，可见挡油效果不如上述各类冷阱。

但这种冷阱操作方便，清除油蒸气分子容易，只要将制冷元件反向接通，冷端会变为热端，把吸附的油蒸气清除。

4.延长前级管路和提高前级压力

延长抽气系统的前级管路可以明显降低油蒸气的返流量，返流量与管路的分子流流导有一定关系。

实验表明，适当延长前级真空管路，并且压力上升至10Pa，油蒸气的返流率可以降低95％。

图6给出一只900 L/min的单级机械泵接上不同长度的管路时，其油蒸气返流率随管路长度变化的实验曲线，右边的纵坐标标出空气分子流的流导值。

图6 随着机械泵入口所接管道长度增加返油率下降的曲线（单级机械泵抽速15L/s）

5.干式机械真空泵抽气

为了避免油蒸气的返流，可在高真空级采用干式机械真空泵，而以一般的油封旋转泵作前级泵的两级抽气装置（见图7），并在级间充入干燥氮气（维持在5～10Pa）以减少前级泵的油蒸气返流量。该系统油蒸气的返流量可减少90～95％。

也可以在高低真空级间加一个活性氧化铝吸附阱，既可以吸湿，又可以吸附油蒸气，同时真空系统不至于因漏入干燥气体而升压。

也可以直接采用干式机械真空泵（例如爪式真空泵或涡旋式真空泵）作前级泵或低真空无油抽气系统。

图7 干级与油封级组合的两级装置：(左) 级间充入干燥N2气；(右) 级间串入一吸附阱

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