真空泵浦如何運作出高真空
兩段式和氣體壓載閥的功能
文／圖 童憶穎
前篇《真空泵浦抽氣型態知多少？》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 15600 油封迴轉泵浦的外貌
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
真空泵浦運作出高真空的設計
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：
兩段式 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，就像是把水分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，意思就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。
真空泵浦的功能選擇
若以達到高真空的角度來研究，在下面的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，對於購買或使用真空泵浦最常考量的一點，就是要《耐操＋好檔》，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。所以，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。
了解優質的 高真空泵浦 >>>
