真空泵浦．高真空的秘密武器

油封迴轉泵浦之兩段式和氣體壓載閥的功能

前篇《真空泵浦的抽氣型態知多少？》文中提到，在汽車冷氣或家用空調的維修保養服務上，常用的真空泵浦屬於排氣式機械泵浦裡的油封迴轉泵浦，本文就針對這款泵浦來說明如何運作出高真空的原理。

油封迴轉泵浦 Oil-Sealed Rotary Pump

ROBINAIR 油封迴轉泵浦外貌

泵浦內部有一旋轉的偏心轉子 (rotor)，轉子上有一對受彈簧力的葉片 (vane)。這對葉片因彈簧的壓力在轉子旋轉的時候，會接觸泵浦定子 (stator) 壁上，定子外界貯滿泵浦油，油會經定子上的小油路滲入定子內壁，當轉子轉動時，轉子及轉子上的葉片會與定子內壁接觸處形成一層油膜以維持氣密。

油封迴轉泵浦的內部構造

因為轉子的軸是偏心，所以泵浦內的氣體在轉子轉動時被壓縮，而轉子到泵浦的進氣口處就形成局部真空，真空系統內的氣壓因大於泵浦進口處的氣壓，於是被抽入泵浦中。當轉子繼續轉動，泵浦內的氣體受到壓縮直到超過大氣壓力時，就推開定子上的止逆閥 (flap valve)，經由油槽進入大氣中。

油封迴轉泵浦的工作原理

真空泵浦的高真空秘密武器

在選購油封迴轉泵浦時，有兩個特別的功能可以考慮，因為這兩項功能可以讓真空泵浦獲得長期穩定的高真空，說明如下：

二段式 Two-Stage

迴轉泵浦在排氣的程序上可區分第一階段排氣與第二階段排氣，一般常見的泵浦都只有一次的排氣，也就是說氣體進入泵浦內，隨即就被送到大氣中，但若是將第一次的排氣再送入另一個泵浦的入氣口，這個過程則稱之為第二階段的排氣。這樣的組合其最大的功用在於能夠提升迴轉泵浦的終極壓力，同時也會加快排氣速度。註：終極壓力，是指泵浦所能抽到之最低壓力。

單段式和兩段式泵浦的運作方式

氣體壓載閥 Gas Ballast Valve

當大量水汽或是一些溶劑分子被抽送到泵浦內時，其體積會被急速壓縮，非常容易造成凝結，而這些凝結物會殘留在泵浦內，尤其是當排氣閥門打開的時候，這些凝結物不容易被排出，一旦這些凝結物增多就會與泵浦油混合，造成泵浦油受到污染，其潤滑性及密合性便隨之降低，久而久之，整個泵浦的終極壓力也會隨之下降。

為了解決這個問題，Wolfgang Gaede 於 1935 年研究出氣體壓載原理，而這個原理也首先應用在迴轉泵浦，一般的迴轉泵浦會額外增加一個氣體壓載閥門，這個閥門的作用是讓操作者故意將氣體引入，企圖加劇泵浦的排氣動作，藉此運作將凝結物排除，這個閥門打開時，泵浦的抽氣速率會下降，因此它不是永遠打開的，而是當發覺泵浦抽氣效果不佳時，或是週期性的打開，用這種方式改進泵浦的運作效率，同時也延長泵浦油的使用時間。

氣體壓載閥的工作原理

另外，氣體壓載閥也可用來判斷泵浦油是否受到污染，當氣體壓載閥門打開後，泵浦進口處的壓力下降，隨後再將氣體壓載閥門關閉，若經過一段時間發現泵浦進口處的壓力回升，則代表該泵浦油已經受到高蒸氣壓的雜質污染。

簡單來說，真空泵浦上氣體壓載閥的特點，就是引進在大氣中相對乾燥的空氣進入泵浦，讓空氣減少了最後階段的壓縮，有助於防止水分凝結成液體並與真空泵浦油混合。

有無氣體壓載閥的差別

用一個比較具體的比喻來解說氣體壓載閥的功能，或許比較容易讓人理解：想像拿一條濕毛巾擰到水滴出來，用這個來比喻未配備氣體壓載閥的高真空泵浦，就像是把水份從潮濕的空調系統中吸取出來，並在真空泵浦內部壓縮，然後凝結成液體。再想像一下，將一條濕毛巾和一條乾毛巾纏在一起然後用力擰，會發現比較不容易擰出水，或者在擰出任何一滴水之前都需要相當費力，意思是透過泵浦的氣體壓載閥，將含有水分的空氣與相對乾燥的空氣做一個混合，混合到水分可以經過泵浦壓縮而不會達到冷凝的程度，這就是氣體壓載閥的功能。

濕毛巾的比喻也說明了為什麼這種氣體壓載閥無法處理大量的水分，因為幾乎被水浸透的超溼毛巾，即使纏上完全乾燥的毛巾，還是會擰出部分水分出來，所以，為了杜絕這個問題，有一些泵浦氣體壓載閥的設計會使內部高溫運轉，以減少水分冷凝至泵浦油中。換句話說，氣體壓載閥除了稀釋可冷凝水和其他蒸氣外，還將泵送氣體的溫度提高約 20°C (36°F)，有助於減少蒸氣的冷凝。

下面影片可以更容易了解有氣體壓載閥功能的兩段式油封迴轉泵浦的運作。

真空泵浦的功能選擇

若以達到高真空的角度來研究，在油封迴轉泵浦功能的壓力比較圖可以顯示，兩段式比單段式在相同排氣速度下較能快速達到低壓力（高真空），而兩段式裡又以無配備氣體壓載閥能達到較好的極限真空。

而以實際面來看，對於購買或使用泵浦最常考量的一點，就是要《耐操＋好檔》，所以，雖然有配備氣體壓載閥的極限真空沒有優於無配備氣體壓載閥，但是，有配備氣體壓載閥的泵浦能徹底排出凝結物保護泵浦，對長期使用真空泵浦而言，其泵浦耐用度和真空穩定度反而是較好的。針對想要購買能<長期>又<穩定>提供足夠高真空性能的真空泵浦，建議選擇兩段式且配備能讓內部高溫運轉的氣體壓載閥功能。註：排氣速度：單位時間內排除之氣體體積。

油封迴轉泵浦功能的壓力比較圖

最後提醒，即使是最好的泵浦也必須要定期維護才能發揮最佳的性能，下一篇再來談談真空泵浦油的重要性。

參考資料：

1. ROBINAIR (2000)。美國 ROBINAIR 空調訓練教材 No. SA2000 (Rev. 4/00)。
2. 國科會精密儀器發展中心 (2004)。真空技術與應用。新北市：全華圖書。
3. 蘇青森 (2009)。真空技術精華。臺北市：五南圖書。
4. 盧素涵 (2016)。2015 年我國真空幫浦分析。經濟部技術處 ITIS 計劃成果。
5. Daniel Herring (2017)。Gas Ballasting of Vacuum Pumps (Part 2)。Industrial Heating。