幹泵的泵腔內沒有任何液體，可以從大氣抽到幾個Pa。1980年幹泵在半導體行業己經替代油封式機械泵，獲得（1～100）Pa的極限壓力，用於化學汽相沉積和晶片的刻蝕。過去半導體行業的油封機械泵都是採用惰性的氟油來潤滑，以防止腐蝕性氣體對油的侵蝕，但是氟油十分昂貴，而且維護費用亦很高。
採用乾式真空泵，泵內不僅不存在潤滑油，而且亦不存在廢液處理的問題。但是泵腔內沒有油，就使得泵腔內部的間隙無法保持密封，而且還失去了用於控制溫度的傳熱介質，這對乾式真空泵帶來很大的挑戰。
早期的幹泵是由幾級羅茨型轉子或幾級爪型轉子串聯而成，它們在泵腔內沒有任何接觸，用同步齒輪帶動二個平行的轉子軸，由於泵腔內沒有任何液體，所以內部間隙要儘可能保持很小，以減少氣體的返流。但是這個很小的間隙對於工藝顆粒的堆積顯得十分敏感，目前解決這個問題的辦法就是：從泵的入口充入惰性氣體將它衝刷掉，或者用惰性氣體來稀釋可凝性的腐蝕氣體。
幹泵在半導體行業應用成功，亦激勵幹泵製造商將幹泵引入化學工業，雖然幹泵價格昂貴，但運行成本較低，特別是沒有廢液處理問題，對環境和健康十分有利。目前各種類型的幹泵很多，包括渦旋泵、隔膜泵、乾式旋片泵、羅茨型幹泵、爪式幹泵和螺杆真空泵。在化工行業應用中佔主導地位的是羅茨型幹泵、爪式幹泵和螺杆真空泵。
1 羅茨型幹泵
羅茨型幹泵是屬於較大型的乾式真空泵，在化學工業有著廣泛應用。該泵是由三級三葉型羅茨轉子串聯組成，它們裝在同一根軸上，各級轉子之間由中隔板隔開，形成各級泵腔，上一級排氣口連到下一級進氣口，各級串聯進行抽氣。各級轉子的直徑和形狀是相同的，各級轉子的寬度向高壓側方向變窄，但是這種設計均需要級間冷卻，亦即上一級排出的氣體通過熱交換器後冷卻後再進入到下一級的入口，如圖8所示。這種三葉型的羅茨型幹泵雖然可以減少氣體返流，但是被抽氣體要經過曲折路程才能排出到泵外，容易造成工藝物料堆積在泵腔內，而且顆粒雜質也不容易直接排出到泵外。羅茨型幹泵可以從大氣抽到10Pa，抽速為（36～60）升/秒。
2 爪式幹泵
爪泵在1930年就己經研究成功，並首次用於壓縮機行業，這種爪式轉子的特點是在高壓下具有高的壓縮比。爪式轉子還具有兩個功能：一是用來截獲、輸送以及壓縮氣體，另一個就是像閥門一樣，在適當的時間打開和關閉吸氣口和排氣口。目前這種泵的設計結構大都是由一級羅茨轉子與三級爪式轉子串聯而成，羅茨轉子作為高真空級，爪形轉子作為壓縮排氣級，如圖9所示。
這種爪式幹泵早期應用於半導體的濺射、刻蝕、離子注入及PCVD薄膜製備等領域時，由於在工藝過程中會生成大量微小顆粒或反應生成的腐蝕性介質，可以通過向泵口引入惰性氣體進行清洗，以防止微小顆粒在泵腔內沉積，同時亦降低腐蝕性氣體的濃度。爪型泵己經在化工行業的蒸發、蒸餾、乾燥、濃縮等領域應用。這種爪型泵的極限壓力為（1～10）Pa，抽速為（25～140）L/s。
3 螺杆真空泵
螺杆真空泵是20世紀90年代初出現的一種理想的泵種，具有抽速範圍寬廣、結構簡單緊湊、泵腔內無摩擦組件、能耗低、無廢液排放以及運行成本低等一系列優點，因而在半導體、光伏產業、化工、製藥、石化、空間模擬、低壓風洞等領域到廣泛應用。
螺杆真空泵的工作原理：由一對同步齒輪帶動逆向旋轉的螺杆，在螺杆與螺杆之間、螺杆與泵腔之間均有一定的間隙，沒有任何金屬與金屬之間的接觸。於是螺杆在旋轉過程中就將被抽氣體從進氣口吸入並排出到排氣口，見圖10。
早期的螺杆真空泵是等螺距，為了降低能耗、降低泵腔內的溫度，又開發了變螺距的螺杆真空泵。其中一種螺杆是由二段螺距大小不等的螺杆拼接而成，另外一種就是螺距連續變化的螺杆真空泵，螺杆是由一個整體材料加工製作而成，各種不同的螺杆設計見圖11所示。
變螺距真空泵的最大優點就是比等螺距螺杆真空泵節能30％，排氣溫度亦較低。圖12和圖13分別為等螺距與變螺距的P-V圖。
與羅茨型幹泵和爪式泵相比，螺杆真空泵被抽氣體在泵內的路程很短（見圖14、15、16），很少受到擾動，可以迅速排出，因而微小的顆粒雜質不易積累在泵內。
另外，螺杆真空泵的抽速特性較好，有效工作壓力範圍很寬，在大氣到100Pa時仍有較高抽速（見圖17）。
圖17 抽速特性比較
由於螺杆真空泵大多數是用於抽除腐蝕性或危險性氣體，為了防止泵腔和螺杆被腐蝕或生鏽並延長泵的使用壽命，根據不同的應用可選擇下列不同的塗層：
PTFE(聚四氟乙烯)塗層：
●耐化學性能好；
●塗層壽命較短；
●熔點低於300℃；
●耐磨性較差。
NIFA塗層：
●2個塗層（Ni+PFA），第一層Ni（15～20）μm，第二層PFA（25～35）μm(可溶性聚四氟乙烯)；
●對所有的化學物質均具有良好的耐腐蝕性；
●耐機械劃傷的性能好；
●即使PFA塗層磨損，仍然有Ni塗層保護基體材料。
NIFLON塗層：
●1個塗層（PTFE溶於化學鍍Ni）15～20μm；
●良好的耐磨性；
●對基材具有良好的結合力；
●對極大多數化學物質具有良好的耐蝕性；
●耐機械劃傷；
儘管螺杆真空泵有塗層保護，但是仍然要避免腐蝕性介質冷凝在泵內，因此正確的操作使用和日常維護仍然十分重要——
在啟動螺杆泵以前，首先要從泵的入口充入惰性氣體，運行半小時，使泵腔內的溫度升高，以防止被抽氣體冷凝在泵腔內；
在螺杆泵停機以前，亦要從泵的入口充入惰性氣體，運行半小時，以徹底清除泵腔內的殘餘物質；
如果工藝物質堆積在泵腔內，造成再啟動困難或啟動電流過大，則需要在停泵情況下，關閉主閥，打開排氣口，用水蒸汽進行沖刷，直到泵可以靈活轉動為止；
最後，由於螺杆泵在化工行業使用工況比較惡劣，必須根據使用說明書的要求進行日常維護。
結語
液環泵結構簡單，運動部件少，操作、維護都十分簡便，而且價格亦較低廉。螺杆真空泵雖然價格比較昂貴，但性能十分優越，運行費用亦低，不存在廢液排放問題，既節能又環保。所以上述兩種真空泵最適合於化工工藝應用。
本文發表於《真空》雜誌2020年第2期
原文標題：適用於化學工業的真空泵
本文作者：姜燮昌