容積真空泵標準釋疑
本文對容積真空泵的有關標準作了評述，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意見，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，有的是近些年來已進行了修訂，但還有一些方面需要研究和探討。ISO 也發布了一些新標準，需要根據我國的具體情況進行選擇性的貫徹。對此，根據我們多年的實踐和研究，提出一些新的看法和見解。
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，它是一個無限的漸近的值，就象數學中的無窮小一樣，它是一個變量，在變化過程中它永遠也達不到所謂的極限和最低，是一個無法測量的值。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，但沒有一個實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，只不過是假定的、人為認定的極限壓力值，因此它沒有實際意義。ISO 21360-2007提出了一個新概念—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”。它與原來的極限壓力的定義相比較，基礎壓力的定義中取消了關鍵的“最低”一詞，也就沒有了極限的含義，因此這是一個可以測量的值，雖然是趨向穩定，但也已經離穩定不太遠了。
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進行。氣鎮泵應在上述測量后，完全打開氣鎮閥，泵溫穩定后重新測量氣鎮時的基礎壓力。
1.3、測量儀表
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—氯堿行業已明確汞污染防治的總體規劃時間表，2021-2030 年為無汞化階段。禁止使用汞的時代終將來到，但到目前為止還沒有一種儀表可以取代它來直接測量分壓，因此這項工作必須抓緊進行。在現階段建議用薄膜真空計(加冷阱)來測量分壓，或者是干脆取消分壓的考核和測量，因為分壓對用戶來說并沒有多少實用意義，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。它有一個高真空基準膜盒，薄膜計的示值實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常進行校準，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，及時進行高真空處理或更換。
還有一點必須注意，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下，以免膜片產生永久變形，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，但市場上各種真空計之間相對誤差較大，即使是同一廠商生產的真空計之間也有類似問題，因此真空技術網(http://smsksx.com/)認為使用部門必須要有校準設備，定期進行校準，以保證熱傳導真空計的測量準確度，才能滿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沿用了幾十年，嚴格地的說，它不規范、不確切。國際標準中早已稱為體積流率，但我國的GB/T 3163 真空技術術語中，前后存在矛盾。在一般術語中已有“體積流率”的定義，但在真空泵及有關術語中，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，但中文仍稱作抽氣速率(體積流率)，這是不嚴肅的，而且在幾乎所有產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，從標準測試罩流過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。小直徑滴管產生偏差的原因是流動阻力大，口徑越小、流速越大，流動阻力越大。
當年，我們為了擴大滴管的量程，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，因此汞的流動阻力更大。
由于滴管流量計在測量小流量方面存在一定的局限性，我們研發了一種新穎的真空滴管流量計，它既可在大氣壓狀態下使用，又可在真空狀態下使用，使它的量程向小流量方向拓展，因此可以完美解決上述問題，詳見參考文獻。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，一臺600L/s 的往復泵在測量體積流率時需配備一個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管，測量中還需根據不同流量調換噴嘴和風管。
我們認為可以使用GB/T 13930-92“水環真空泵和水環壓縮機氣量測定方法”中的計量噴嘴來進行往復泵氣量的測量。在執行GB/T13930-92 的過程中，我們發現由于“集束效應”，從噴嘴中進入的超音速氣流測試罩內后壓力的均衡性和穩定性較差，因此測試罩的長度L 與直徑D 之比應大于5。由于“計量噴嘴”結構簡單、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 以下時使用，因為在低壓狀態下噴嘴的“集束效應”更嚴重；同時低壓狀態下開啟的噴嘴孔徑都很小(1.5mm、2mm 等)，“附面層”(流體動力學)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”，憶及當時起草這一條文時，是考慮到當時老產品多、規格不一，求大同、存小異，采取的臨時性規定，此后一直沿用至今。如今老產品都已經淘汰，應當取消這一規定。實際上，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，真空技術網(http://smsksx.com/)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：標準環境條件下，氣鎮泵在連續工作時，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不發生凝結，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“標準環境條件”，測量就會產生很大的誤差，嚴重時將導致測量沒有結果；如沒有“泵內不發生凝結”的規定，則脫離了“水蒸氣容限”的本意，測量中發生了水蒸氣的凝結，測量結果就會產生更大的誤差，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在泵內產生凝結。我們認為水蒸氣容限的定義應為：標準環境條件下(20℃，101325Pa)，連續運轉時泵內不發生凝結，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：標準環境條件下，連續運轉時泵內不發生凝結，單位時間內能抽除的最大水蒸氣質量流率。
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測量是非常復雜的，一是蒸氣發生器的問題，對大中型泵而言，蒸發面積要很大，加熱功率也要很大，才能充分滿足蒸氣量的需要；二是蒸發量(水蒸氣抽除量)只能從蒸發器的水位變化來計算，不易準確測量；三是可能會在泵內引起很難察覺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。
我們通過多次試驗證明，用水蒸氣直接測量會使測量過程異常困難，諸多因素都影響著測量的進程，泵內發生輕微的水蒸氣凝結又往往不易察覺，等到發現泵油(變色)中有水時，泵內水蒸氣的凝結已經很嚴重了，因此國際上現行的水蒸氣容限的測量(標準)都用空氣來取代水蒸氣，再通過換算來修正。
水蒸氣容限的測量按新制訂的GB/T ×××××—××××《真空技術容積真空泵水蒸氣容限的測量》進行。水蒸氣容許抽除量一般不進行測量，按公式(1)計算即可。
4、最低啟動溫度
最低啟動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，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“最低啟動溫度”的概念，并提出，如沒有其它規定，就把12℃作為泵的最低啟動溫度。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，也很難滿足這樣的環境條件，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境溫度為5℃~40℃，也就是說把5℃作為泵的最低啟動溫度。事實上根據我們數十年的試驗數據看，無論是滑閥真空泵還是旋片真空泵都能在5℃下正常啟動。
我們認為，在最低啟動溫度這一項上，并非一定要遵循國際標準，因為我們的標準超過了國際標準，要求比它高，這是容許的。在這個問題上，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℃。至于最低啟動溫度的定義，我們認為可以這樣寫：泵至少停轉1 h 后，在入口為大氣壓的狀態下，泵能啟動的最低環境溫度。如沒有特殊要求，一般為了5℃。
在進行最低啟動溫度測量時，應使泵處于最低啟動溫度下，泵運轉10min 后，停止運轉至少1h，然后在泵口敞開的情況下，檢測泵能否正常啟動。注意，試驗時所用的真空泵油的粘度必須與廠商規定的泵油粘度一致，真空技術網(http://smsksx.com/)認為試驗所用電機也必須與廠商規定的電機一致。
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電動機的輸入功率，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，開啟進氣閥，使罩內壓力由低至高，逐點穩定，同時測取功率值。上述說明，現標準在測量過程中根本沒有考慮到壓力變化過程中泵溫的變化，實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，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%。這一點在ISO 21360-2-2012 中也沒有表達清楚，它只是說，在15min 內測量3 次功率消耗，然后取平均值。DIN 28426 在最大驅動功率的術語中表示得非常清楚，最大驅動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(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行，也即在每個測試點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電動機的輸入功率，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)
容積真空泵中過去都考核比功率，沒有特出現代社會的能效概念，我們認為可以仿照家電行業，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程中轉換成的體積表2 H-150 泵最大功率時(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，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%。這一點在ISO 21360-2-2012 中也沒有表達清楚，它只是說，在15min 內測量3 次功率消耗，然后取平均值。DIN 28426 在最大驅動功率的術語中表示得非常清楚，最大驅動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行，也即在每個測試點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電動機的輸入功率，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)
容積真空泵中過去都考核比功率，沒有特出現代社會的能效概念，我們認為可以仿照家電行業，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程中轉換成的體積流率。至于怎樣來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。滑閥泵、旋片泵和往復泵的能效比為最大消耗功率時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泵的能效比曲線如圖1 所示，這些泵的能效比怎樣考核，還需進一步研究和商榷。
圖1 濕式羅茨泵、氣冷式羅茨泵和水環泵的能效比曲線
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、安裝狀態和發聲特點等因素來選定。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。我們真空行業執行的“GB/T 21271-2007 真空技術真空泵噪聲測量”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)位于一個反射面(地面)上，測量表面有五個。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，類似于懸掛在空中，近距離內沒有反射面；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
這是一種創新，國際標準和國外先進標準中都沒有采用過，在它們規定的三種設置狀態中：聲源位于地面上時，測量表面有五個；聲源緊靠二個反射面時，實際上的測量表面只有四個；聲源緊靠三個反射面時，實際上的測量表面僅只有三個。它們的基準體定義為：恰好包絡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，近距離內沒有反射面，因此它的矩形平行六面體的六個面全部是測量表面，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際情況，應將基準體修改為圓柱體，因此我們應在相關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
本文提出的新概念、新定義、新方法和一些不同的觀點、看法，雖然是經我們多年研究和實踐的積累和成果，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。
