电子吸吸器的应用总结最全的11种真空泵的应用|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

总结最全的11种真空泵的应用

说到真空泵的应用，那可太多了，因为真空泵的类型众多，广泛用于塑料机械、农药化工、染料化工、砖瓦机械、低温设备、造纸机械、医药化工、食品机械、工业电炉、电子行业、真空设备、石油化工、冶金、矿山和地基处理等领域。想知道各种真空泵的具体应用吗，详戳下文！

爪型干式真空泵

1概述

爪型干式真空泵利用连接在两轴上的成对的爪型转子之间、转子与泵腔内壁之间以及转子与隔板之间进行有间隙、无摩擦的啮合所形成的密闭腔的容积大小变化来完成吸排气过程。

2结构

爪型干式真空泵的结构，一般采用多级转子串联，或罗茨转子与多级转子串联的形式，组成多级爪型干式真空泵。

如图所示，四级泵腔依次串联，每级泵腔内各有一对共轭啮合，做同步反向运动的爪型转子。

四级泵腔中的第一级泵腔为吸气级，其吸气容积比后面三级大，形成级间压缩。

四对转子装在二根平行轴上，轴由上下两端轴承支撑，泵腔级与级之间有隔板，隔板上有吸排气通道。

电动机倒立安装，经过渡齿轮将动力传递到转子轴上，转子轴由一对同步时限齿轮带动及调整和固定转子的相位。

转子之间及转子与泵腔内部留有微小缝隙，转子悬浮于泵腔使得过流部分无任何实质性接触摩擦，也不需要润滑，这就保证了爪泵可以长期稳定保持极限真空、抽速、压缩比不变，寿命长。

3特点

泵腔内不含油类等任何介质、清洁抽空，对环境无污染。真空度高，可达3Pa。结构简单，易于操作和维护，运行成本低。能在较高压力下长期连续工作，噪声小。能抽除腐蚀性气体、有毒气体、易燃易爆气体、放射性气体、含有尘埃的气体和可凝性气体（例如水蒸气、有机气体等）。能做气体传输泵使用，压缩比良好，可达10-105。转子对悬浮在泵腔内，转子对间，转子与泵腔间不接触，无摩擦，使用寿命长。

4应用

石化行业：

能抽除酸性气体:如四氢呋喃等。能抽除可凝性气体：如酒精、汽油等。能抽除易燃易爆气体：如氧气、氢气、甲烷等。防腐系列能抽除强酸性气体：如氯化氢气体、氟化氢气体、硫酸气体等。

医药行业： 结晶、蒸馏、升华、干燥、脱臭、聚合、真空蒸发、负压过滤、单体回收、吸附/脱附、物料输送腐、蚀性介质、环氧乙烷消毒等。

食品行业： 升华、干燥、脱水、真空蒸发、真空保鲜、真空包装等。

科研院所： 旋蒸、蒸馏、精馏、聚合、负压抽滤、真空干燥、中试装置、风洞试验、真空环境模拟等。

电子光伏： 浸渍、真空镀膜、离子刻蚀、分子束外延等。

航天航空： 钎焊、真空镀膜、电子束焊、风洞试验、空间环境模拟等。

冶金行业： 浸渍、挤出、真空镀膜、离子刻蚀、泥料脱气、钢水脱气、分子束外延等。

核工业： 零泄露爪泵可抽除UF6气体

其它行业： 中央空调、室内真空、污水处理、锂电池制造等。

水环式真空泵

1基本类型与特点：

水环泵按不同结构可分成如下几种类型：

单级单作用水环泵：单级是指只有一个叶轮，单作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行一次。这种泵的极限真空较高，但抽速和效率较低。单级双作用水环泵：单级是指只有一个叶轮，双作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行二次。在相同的抽速条件下，双作用水环泵比单作用水环泵大大减少尺寸和重量。由于工作腔对称分布于泵轮毂两侧，改善了作用在转子上的载荷。此种泵的抽速较大，效率也较高，但极限真空较低。双级水环泵：双级水环泵大多是单作用泵串联而成。实质上是两个单级单作用的水环泵的叶轮共用一根心轴联接而成。它的主要特点是在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。大气水环泵：大气水环泵实际是大气喷射器串联水环泵的机组。水环泵前面串联大气泵是为了提高极限真空，扩大泵的使用范围。

水环泵和其它类型的机械真空泵相比有以下优点：

结构简单，制造精度要求不高，容易加工。操作简单，维修方便。结构紧凑，泵一般与电动机直联，转数较高。用较小的结构尺寸，可以获得较大的排气量。泵腔内没有金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑。转动件和固定件之间密封可直接由水封来完成。泵腔内压缩气体过程温度变化很小，可认为是等温压缩，故可以抽除易燃、易爆的气体。由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体及气水混合物。

2水环泵缺点：

效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。真空度低。这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。

总的说来，由于水环泵具有等温压缩和用水作封液，可以抽除易燃、易爆及腐蚀性气体，还可以抽除含有灰尘和水分的气体等突出优点，所以得到了广泛的应用。

3水环真空泵的应用

在电力行业中的应用： 冷凝器抽真空、真空吸水、烟气脱硫、飞灰输送、涡轮机密封管排气、真空排气、排出地热气。

在石油化工行业中的应用： 气体回收、气体回收、燃气升压、强化的石油回收、气体收集、原油稳定化、原油真空蒸馏、排气压缩、蒸汽回收/气体升压、过滤/除腊、尾气回收、聚酯生产、PVC生产、包装、循环气压缩、变压吸附（PSA）、生产、乙炔与氢气等易燃易爆气体压缩、原油减压蒸馏中的塔顶真空系统、真空结晶与干燥、真空过滤、各种物料的真空输送。

在制行业中的应用： 干燥 (托盘、旋转、翻转、锥形和冷冻干燥器)、再生产/反应堆干燥、蒸馏、除气、晶化/汽化、加注和/或材料转移。

在纸浆和纸张生产中的应用： 黑液蒸发、粗浆洗浆机、石灰泥浆和过滤器、沉淀物过滤器、真空脱水机、原料和白水除气系统、调浆箱压缩机、吸水箱、伏辊、吸移辊和传递辊、真空压榨、毛布吸水箱、防吹箱。

在塑料行业中的应用： 挤出机除气、定型台 (剖面)、EPS 发泡、干燥、气动输送装置、氯乙烯气体抽取和压缩。

在器械中的应用： 蒸汽灭菌、呼吸装置、气褥、防护服、牙科仪、中央真空系统。

在环保行业中的应用： 废水处理、沼气压缩、真空加水、废水净化/活性污泥箱氧化、鱼塘通风、垃圾产生气体回收（生物气体）、沼气回收 (生物气体)、废物处理机。

在食品和饮料行业中的应用： 鲑鱼清洁机、矿泉水除气、色拉油及脂肪除臭、茶叶和调味品杀菌、香肠火腿生产、烟草制品湿化、真空蒸发器。

在包装行业中的应用： 给包装袋充气，以充填货物、采用抽气方式带开袋子、运输包装材料和产品、贴附标签及包装带有胶水的物品、采用真空机械手抬高纸板箱，并对其进行组装、真空包装和换气包装(MAP)、PET容器生产、塑料颗粒的干燥、塑料颗粒的输送、挤出机除气、喷射模塑、注塑件的脱膜及处理、注塑件的干燥、瓶体吹塑、等离子处理，以设置隔离层、瓶体气动输送、充填与灌装、贴标签、包装和制模、回收。

在木材加工行业中的应用： 保持与抓举、木材干燥、木材保存、原木浸渍。

在海运行业中的应用： 冷凝器排气、中央真空抽水、船用低压空气压缩机、涡轮机密封管排气。

在设施处理中的应用： 烘干地板、水路管防腐保护、中央真空清洁系统。

在冶金行业中的应用： 钢铁除气。

在制糖工业中的应用： 制备CO2、污物过滤、在蒸发器与真空吸盘中的应用。

4选择要点

一、水环式真空泵类型的确定

水环式真空泵的类型主要由所抽介质、工作所需的气量、真空度或排气压力而定。

二、水环式真空泵正常工作以后需要注意的有两点：

1、尽可能要求所选真空泵的真空度要求在高效区间内，也就是在临界所需真空度或临界所需排气压力的区域内运行，这样才能保证真空泵能够按照需要的条件和要求正常工作。应避免在真空泵最大真空度或最大排气压力范围附近运行。

在这个区域内运行，不仅效率极低，而且工作很不稳定，容易使真空泵产生振动和噪音。对于真空度较高的真空泵而言，在此区域之内运行，往往还会发生汽蚀现象，产生这种现象的明显现象是真空泵内有噪音和振动。过大的汽蚀会导致泵体、叶轮等零部件的损坏，以致于真空泵无法正常工作。

由此可以看出，当真空泵所需的真空度或气体压力不高时，可以优先在单级泵中选取。如果对真空度或排气压力要求较高，单级泵往往不能满足，或者，要求泵在较高真空度情况下仍有较大气量，即要求性能曲线在较高真空度时较平坦，可选用两级泵。如果真空度要求在－710mmHg以上，可选用罗茨水环真空机组作为抽真空装置。

2、根据系统所需要的抽气量正确选择真空泵

如果选定了真空泵或者真空机组的类型之后，还需要要根据系统所需的抽气量来选用正确的型号。

各种型式的水环式真空泵，其特点如下：

干式螺杆真空泵

干式螺杆真空泵，是利用一对螺杆，在泵壳中作同步高速反向旋转而产生的吸气和排气作用的抽气设备。

1特征

可靠性高。螺杆式干式真空泵零部件少，没有易损件，因此它运转可靠，寿命长。操作维护方便。动力平衡性好。螺杆式干式真空泵没有不平衡的惯性力，机器可平稳地高速运行。适应性强。螺杆式干式真空泵具有强制输气的特点，在宽广的压力范围内能保持较高的抽速，排气量几乎不受排气压力的影响. 多相混输。由于螺杆式干式真空泵转子齿面间留有微小间隙，因而可抽除腐蚀性、有毒、含有粉尘、可凝性蒸汽等多种气体。

2应用

螺杆式干式真空泵广泛应用于电子、核能、化工、医药、食品工业等领域。在半导体工业中用于生产芯片、制造液晶显示器、蚀刻、生产PLASMA的CVD制程。

在核工业中用于核反应堆及核工业真空获得;化工上用于真空蒸馏及溶剂萃取高效回收溶剂，在脂肪酸生产中用来消除水污染，清除喷射器中的阻塞物;医药工业中用于回收药液及药物中间体，为人造器官生产提供清洁无菌条件，回收气体消毒剂;食品工业中用于香料、香精浓缩，食品包装等。

应用范围极为广泛。具体如下：

具体应用：干燥处理、真空蒸馏、分子蒸馏、溶剂的回收、油气回收、工厂普通真空、电子、真空镀膜、航空、核工业领域能够抽除普通空气，易燃易爆气体、腐蚀性气体，尤其能满足对获得清洁真空要求较高的环境。具体应用：真空镀膜、真空蒸馏、真空干燥、拉单晶、特气制造、离子刻蚀等。

纺织、冶金等行业在氨纶、芳纶、纤维、冶金等相关工艺中应用干式真空泵，具体应用：真空脱泡、VOD真空吹氧脱碳法等。

一类是以半导体行业为代表 ，要求真空泵向被抽空间内的返流为零，以保护工件免受污染。对半导体行业中应用的真空系统的要求大体分为三个等级。

清洁条件下的抽气，只抽干空气或含少许水蒸汽的空气。中等条件下的抽气，抽除工艺过程的反应气体，但无固体颗粒物。恶劣条件下的抽气，抽除化学反应物（有毒甚至致癌）及固体颗粒物。

另一类是以石化行业为代表 ，要求真空泵能大量抽除可凝性气体，或腐蚀性气体，或有毒气体，或含有微尘的气体。螺杆式干式真空泵广泛应用于电子、核能、化工、医药、食品工业等领域。在半导体工业中用于生产芯片、制造液晶显示器、蚀刻、生产PLASMA的CVD制程。

往复式真空泵

往复式真空泵（又称活塞式真空泵）,属于低真空获得设备之一，往复式真空泵通过连杆曲轴机构在曲轴箱内运动使活塞在气缸中作往复运动，周期性地改变吸排气腔的容积，并依靠吸排气阀的作用完成吸排气动作，从而获得真空。

它的极限压力一般在1330～2660P 往复式真空泵（简称往复泵）又名活塞式真空泵，属于低真空获得设备之一。它与旋片式真空泵相比较，它能被制成大抽速的泵；与水环式真空泵相比，效率稍高。这类泵的主要缺点是结构复杂，体积较大，运转时振动较大等。其在很多场合可由液环式真空泵所取代。

往复式真空泵它的抽速范围比较大，从50L/S到600L/S，适用于石油、化工、医药、食品、轻工、冶金、电气等行业中的真空浸渍、钢水真空处理、真空蒸馏、真空蒸发、真空浓缩、真空结晶、真空干燥、真空过滤及混凝土的真空作业等方面的抽除气体。

往复式真空泵不适用于抽除含氧过高的、有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、以及含有颗粒尘埃的气体，也不适用于把气体从一个容器输送到另一个容器，作输送泵用。往复式真空泵适用于抽送不含固体颗粒、无腐蚀性的气体，这种真空泵的抽气速率较大，真空度较高。故在化工厂中广泛应用。但其结构复杂，维修量大。

W型往复式真空泵，是获得粗真空的主要设备之一，它用于从密闭容器中或反应锅中抽除真空或其它气体，它不适用于抽除腐蚀性的气体或者带有硬颗粒灰粉的气体。

1结构组成

W型往复式真空泵的结构由两个主要部分组成。

W型往复式真空泵机械传动部分和气体流通部分。机械传动部分整个结构原件装在一个封闭的机体内，曲轴被支承在机体两旁的圆锥滚子轴承中。 W型往复式真空泵曲轴一端装有一个大带轮，以驱动传动部分。连杆把曲轴的轴颈和十字头连接起来。活塞杆的一端旋入十字头的螺孔中，另一端装在活塞的锥孔并以螺母固定之。 W型往复式真空泵电动机和装在轴上的小带轮通过三角胶带带动曲轴旋转，这样通过连杆和十字头的作用，使活塞在气缸中作往复运动。 W型往复式真空泵连杆曲轴机构在机体内运动时，使油池中的润滑油飞溅以润滑轴承、曲轴颈、十字头和滑道等磨擦表面。为了便于检查和维修传动机构，机体两侧和后面装有可拆卸的门盖，在后盖上装有油窗以批示机体内油池的油面高度

2应用

w型往复式真空泵已被广泛应用于各种工业部门，例如化工或食品工业中的真空蒸馏、蒸发、结晶、干燥和过滤，真空冶金工业中的除气，电气工业上的浸渗等。

不适用于抽除含氧过高的、有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、与泵油会起化学反应的以及含有颗粒尘埃的气体，也不适用于把气体从一个容器输送到另一个容器，作输送泵用。所以化工、制药行业选型要谨慎。

3选型须知

往复式真空泵产品名称与型号，往复式真空泵管道口径，往复式真空泵使用扬程（m），往复式真空泵电机功率（KW），往复式真空泵电机转速（r/min），往复式真空泵电压〔V〕，往复式真空泵使用的吸程（m），往复式真空泵使用的介质名称、比重、粘度、腐蚀性、毒性。

水喷射真空泵

1原理与用途

水喷射真空泵是一种具有抽真空、冷凝、排水等三种有效能的机械装置。它是利用一定压力的水流通过对称均布成一定侧斜度的喷出。

聚合在一个焦点上，由于喷射水流速度较高，于是周围形成负压使器室内产生真空、另外由于二次蒸汽与喷射水流直接接触，进行热交换，绝大部分的蒸汽凝结成水，少量未被冷凝的蒸汽与不凝结的气体亦由于与高速喷射的水流互相摩擦，混合与挤压，通过扩压管被排除，使器室内形成更高的真空。

水力喷射器应用极为广泛，主要用于真空与蒸发系统，进行真空抽水，真空蒸发、真空过滤、真空结晶、干燥、脱臭等工艺，是制糖、制药、化工、食品、制盐、味精、牛奶、发酵以及一些轻工、国防部门广泛需求的设备。但目前生产水力喷射器的制造厂较小，品种亦不齐全。

采用多喷咀与汽环(导向盘)等结构。以及用多级泵进水，低位安装，完善与提高了其工作性能，因此具有一定的先进性、是真空冷凝设备的一种革新。

2结构优点

水喷射真空泵由器体、器盖、喷咀、喷咀座板、导向盘、扩压管及单向阀等部件组成，喷咀用不锈钢制造，喷咀座板由优质钢加工，其余零件则系铸铁铸造，喷咀采用多喷咀的结构形式，以便得到较大的水-汽接触面积，有利于热交换的进行，获得较好的真空效果。

喷咀座板加工精密，精度较高，以便喷射水流准确地聚集在同一的焦点。导向盘用于减慢蒸汽(或空气)的流速，使蒸气均匀地导入器室以免喷射水流偏斜，降低抽射效能。

水喷射真空泵整个装置结构紧凑精密，强度亦较高，用于真空蒸发系统中，由于能把冷凝器的冷凝作用与与真空泵的抽气作用合并在一个设备中同时大大地简化了工艺流程，比之原来用真空泵与旧式冷凝器的装置，可以节省去真空空泵、冷凝器、分水器等设备，并且还有下列优点：

水力喷射体积小、重量轻、结构紧凑。而效能又比较高，耗电量低于真空系统，投资省。操作简单维修方便，不用专职人员看管

3种类

喷射式泵属于流体作用泵，是利用流体流动时能量转化以达到输送流的装置。喷射泵的工作流体可以是水蒸气、空气、水和油等。喷射式真空泵又称为射流真空泵，是利用喷嘴的高速射流来抽除容器中的气体来获得真空的，在化工生产上主要用作真空泵，在蒸发和蒸馏过程中广泛使用。

喷射式泵的工作流体可以是蒸汽，也可以是水，还可以是其他液体或气体。工作蒸汽在高压下经喷嘴以很高的速度喷出，在喷射过程中，蒸汽的静压能转变为动能，因而在吸入口处造成了一个低压区，将所输送的流体吸人。吸入的流体与蒸汽混合后进入扩大管，流速逐渐降低，压强随之升高，并从压出口排出。

1.水蒸气喷射泵

水蒸气喷射泵的工作介质为水蒸气，它是能直接对大气排气的一种射流真空泵。

其工作过程分为3个阶段：

一是绝热膨胀阶段，即工作蒸汽通过喷嘴绝热膨胀的过程，工作蒸汽将其压力能转化为速度能，并以很高的速度喷射出；

二是混合阶段，即工作蒸汽与被抽气体进行混合并使两股气流进行能量交换的过程，被抽气流的速度得到增加，而工作蒸汽将携带着被抽气体进到扩压器中；

三是压缩阶段，工作蒸汽与被抽气体一边继续进行能量交换．一边逐渐被压缩，使动能又转化为位能，当到达扩压器的喉部完成混合阶段并使两种气流达到同一速度，此后再经过扩散，使速度降低和压力进一步扩大，然后将被抽气体排出喷射器，从而完成蒸汽喷射泵的工作过程。

2.空气喷射泵

空气喷射泵与水蒸气喷射泵的工作原理相类似，但其工作介质则为压缩空气或常压空气。根据工作介质是高压空气还是常压空气，可将其分为一般空气喷射泵和大气喷射泵。

一般空气喷射泵因工作介质的耗量很大，故必须配备容量大的空气压缩机；一般空气喷射泵．大多数是以单级使用的。

大气喷射泵通常以一级或二至三级串联工作，并常安装在水环真空泵的进VI而组成高真空机组，以提高水环真空泵的极限真空度和扩大工作压力范围。

3.水喷射真空泵

当真空度要求不太高时，可采用一定压力的水作为工作介质的水喷射真空泵。水喷射的速度，通常为15～30m／s左右。它虽属于粗真空装置．但其具有产生真空和冷凝蒸汽的双重作用，所以得到广泛应用。水喷射真空泵的工作原理与蒸汽喷射泵相类似，其效率通常在30％以下。

4应用

喷射式真空泵结构简单，制造容易，没有运动部件，不易发生故障，维修工作量小。能输高温的、腐蚀性的以及含有固体颗粒的流体。但其效率较低，一般在25％～30％左右。在石油化工生产中，喷射泵不仅用来代替机械式真空泵，而且还广泛用于混合器、冷却器、吸收器等。

喷射泵是被广泛应用于输送，压缩混合气体和蒸汽、液体和固体的设备，气体或液体常被作为动力介质。喷射泵用于产生真空是另一个非常重要的应用。

喷射泵适用于高温、高压、高真空领域，如真空蒸发、真空干燥、真空制冷、真空蒸馏，还可提升液、碱或含有磨料的悬浮液，也适用于强辐射的特殊环境。

喷射泵在产生真空方面的应用：

因为喷射泵的多样性，其已被广泛应用于各个领域，例如，化学反应器、排气系统、水处理设备、混合槽、储存槽、废水处理设备、加热系统、加热供气系统、电厂、游泳池、鲑厂的供水等。以及不同工业领域中真空的形成。用水蒸汽作为动力介质的喷射泵形成真空是一个重要应用领域。其输送的高速喷射相当于声速的几倍，因此喷射泵也能够轻而易举地在真空中处理大容量的物质。因为单级喷射泵只能克服极其有限的压缩比，当抽吸压力低时，几个喷射泵必须串联安装。多级水蒸汽喷射真空泵的抽吸压力可以达到低至0.01mbar。为了冷凝大部分的动力水蒸汽并使下一级的抽吸量减少到最小，一般在两个喷射泵中间安置一个冷凝器。根据应用场合，采用直接接触冷凝器或表面冷凝器。在喷射泵中主要以水蒸汽作为动力介质。在绝大部分工业中，水蒸汽作为基本的能量被大量地生产，因此非常容易获得。在动力水蒸汽的冷凝过程中，或多或少会产生废水。虽然量很小，而且即使把废水的排放费用考虑进去，水蒸汽喷射泵仍是最经济的真空泵，但对真空喷射泵来说总是有一定的负面影响。因此作为一种选择，产品蒸汽被愈来愈多地应用于喷射泵的操作。例如，溶剂蒸汽、氯苯、甲苯、丁二醇、乙烯、乙二醇、呋喃。在这种情况下，动力蒸汽冷凝后再次蒸发被利用作为动力介质。由于有机蒸汽的蒸发温度低，在大多数情况下，这种操作方式比采用水蒸汽运行更有利于节省能源。采用产品蒸汽作为动力介质的喷射泵的另一重要操作范围是在工艺物料中不允许混入水。为了获得最佳的效率，采用产品蒸汽作为动力介质的喷射泵仍需详细的研究。喷射泵的优点：就结构和功能而言，这种喷射泵同采用水蒸汽作为动力介质的真空喷射泵并无大的差别，而且有着相同的优点：结构简单；操作安全可靠，无需保养；使用寿命长，耐磨损；适当选材可具耐腐蚀性；所有材料均可制造。另外，由于冷凝液循环使用，无排放污染。

喷射真空泵应用于各种工业领域，如下是几个重要的应用领域。

在化工方面GEA喷射泵公司已经开发了组合泵，并已普遍应用。这种泵的显着特点是外形紧凑及双设计构造。两个平行的泵既能相互独立交替操作，也能?同时操作，因此就可能在不停车的情况下进行维修。在化学工业中，如果不锈钢不能满足耐腐要求，可使用陶瓷/石墨的真空喷射泵来脱除腐蚀性气体和水蒸汽。喷射泵用陶瓷制成，表面冷凝器由石墨制成。?表面冷凝器由一紧凑的冷凝器组合而成。这种结构有着尺寸小，所需空间少及现场组装简单的优点。在炼油厂，水蒸汽真空喷射泵同液环泵组合用于炼油厂的减压精馏塔系统。这两种泵的组合保持很低的蒸汽、水和电的消耗。由于能输送所产生的大量气体?（在104～106m3/h范围内），GEA喷射泵公司的水蒸汽真空喷射泵对此用途是非常合适的。同时，运行安全可靠，并不易发生故障。同样，涉及大体积流的情况是在炼钢脱气的真空产生中。为了生产一定品质的钢，一些生钢的处理过程需在真空下进行。这种真空泵必须有两个作用。一是?迅速抽空操作容器，以达到所需的压力。这意味着真空喷射泵的初始揣吸量必须很大（几千kg/h）。二是保持低压的同时脱除大量惰性气体（大约相当于0.6mbar下，几百kg/h）。另外，真空喷射泵还用以可食用油脱臭、化学合成物的聚合物的生产、海水脱盐、油脱水、食品、饮料和烟草的调理、纺纱浴的抽吸及其它许多应用领域。

旋片式真空泵

旋片式真空泵是一种油封式机械真空泵，是真空技术中最基本的真空获得设备之一。

旋片式真空泵可以抽除密封容器中的干燥气体，若附有气镇装置，还可以抽除一定量的可凝性气体。但它不适于抽除含氧过高的，对金属有腐蚀性的、对泵油会起化学反应以及含有颗粒尘埃的气体。有单级旋片真空泵和双级真空泵两种。

1结构说明

旋片式真空泵是一种容积泵，它借助于旋片在泵腔中连续运转将气体吸入并压缩，最后由排气口排出。泵主要由定子、转子、旋片等组成，转子被偏心地装入定子腔内。转子槽中有两块旋片，旋片弹簧置于两旋片之间。定子上的进、排气口被转子和旋片分离为两部分。

当转子在定子腔内旋转时，旋片在弹簧张力与本身离心力的共同作用下其端部紧贴于泵腔内壁滑动，周期性地将进气口侧的腔内容积扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口的容积，将已吸入的气体压缩，然后从排气口排出从而达到抽气的目的。

2特点及适用范围

特点：

真空泵吸气口安装有金属丝网的粗过滤器。能防止固体的外来尘粒吸入泵腔。油分离器内安装有高效油气分离效果的排气过渡器。停泵时，内置于吸气口的吸气阀使泵与被抽系统隔离，防止油返入被抽系统。泵由空气冷却。XD旋片真空泵所有的泵均由直联的电动机通过弹性联轴器驱动。

适用范围：

真空泵适用于密闭系统的抽真空使用。如真空包装、真空成形、真空吸引。入口压力范围：100Pa—100000 Pa，超出此范围工作真空泵排气口将有油雾产生。XD型旋片式真空泵工作环境温度和吸入气体温度应在5℃~40℃之间。真空泵不能抽除水或其它液体。不能抽除易爆、易燃、含氧量过高的、腐蚀性的气体。一般供应的电动机不防爆，如要求防爆或其它特殊要求时电动机必须符合相关的标准。

3应用

其工作压强范围为101325－1.33×10-2（Pa）属于低真空泵。它可以单独使用，也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵。它已广泛地应用于冶金、机械、军工、电子、化工、轻工、石油及医药等生产和科研部门。旋片式真空泵是抽除气体的基本设备之一，它可单独使用，也可与增压泵、扩散泵、分子泵等超高泵连接在一起作为前级泵使用。

旋片式真空泵是用以抽除特定密封容器内的气体，使该容器获得一定真空的基本设备，由于现代科学技术的高度发展，旋片真空泵的应用遍及各个科学领域和各种企业事业单位，可供冶金、化工、轻工、石油、医疗、制药、印染、电器、电真空、半导体、食品、原子能、纺织等科研机关、大专院校、工矿企业作科研和生产与教学之用。并广泛在榨油机上使用。由于旋片真空泵是用黑色金属制造，而且比较精密，整个泵的工作都是联系在一起的，所以旋片真空泵不适用于抽除含氧过高的、有毒的、有爆炸性的浸蚀黑色金属的和对真空油起化学作用的各种气体，也不可做为压缩机和输送泵使用。如有气镇装置的泵，可抽除一定地的可凝汽体。

4使用

启动前先检查水冷泵的冷却水是否接通，当环境温度较低时，可用手搬动皮带轮，使泵腔内的油排入油箱。然后按动电机按钮送电，注意电源方向是否接反，泵旋转方向是否正确。

检查真空泵油量是否在油标线附近；接通被抽系统阀门时不要开得太快，防止大量喷油；运转中注意有无不正常的噪声和冲击声，注意泵的油温升高，有局部过热时立即停泵，防止卡泵或磨损。停泵一定要从泵入口放大气（一般购买的机组都有自动放阀）；断电后再断水。

5性能特点

旋片真空泵是由旋片分隔的泵腔工作室容积周期性变化以实现抽气的真空泵，当采用工作液来进行润滑并填充泵腔死隙，分隔排气阀和大气时，即为通常所称的迅达真空泵的旋片真空泵，在性能上有如下特点：

体积小、重量轻、噪音低；设有气镇阀，可抽除少量水蒸气；极限真空度高；内装强制进油，润滑充分，性能可靠；设有自动防返油双重保险装置；保持进气压强为1.33×10Pa时仍可连续运转；不漏油、不喷油、不污染工作环境,排气装置有专配油雾收集器；可以配备小口径转换接头和国际标准的KF接口。

6使用特点

抽气速率： 4~100L/S (升/秒)

极限压强： ≤6*10-2Pa (帕)

极限真空： ≤1.3Pa (帕)

气体类型： 常温无其它混合物的清洁干燥空气，不许有含其它粉尘及水分的空气。

工作要求： 进口压强在大于6500Pa时连续工作时间，不得超过3分钟以免喷油引起泵损。

工作要求： 进口压强在小于1330pa的条件下，允许长时期连续工作。

环境温度： 真空泵一般在不低于5℃的室温及不高于90%的相对温度的环境内使用。

滑阀式真空泵

1结构特点

滑阀式真空泵是工业领域常用的一种油封式真空泵。区别于其他油封式真空泵，它最大的特点是通过滑阀式转子在泵浦内做机械运动，改变腔体容积来达到特定的抽气母的。因此滑阀式真空泵也是一种容积式泵浦。与其他油封式真空泵一样也可以抽取一般性气体或含有少量可凝性气体，在不同领域的真空应用也较为广泛。

与一般旋片式真空泵一样，滑阀式真空泵也有单级与双极之分，当然根据它的结构特征还有立式和卧式两种不同的结构形式。单级滑阀式真空泵极限真空值一般可以抽到0.4^-1.3Pa，双级滑阀式真空泵的极限压力可以抽到6 X 10-2 ---10-'Pa的范围内。在实际工业应用中，超过一般抽速超出150L/S的工艺要求的，通常采用单级式滑阀真空泵。

由于结构上的特点，使得这种泵具有能够长期在较高压强和较差的抽气条件下工作、使用寿命长等优点，在各个领域(例如真空冶炼、真空干燥、真空镀膜、真空浸溃等其他真空作业领域)都得到了广泛的应用。由于滑阀泵耐用、可靠，能在恶劣的抽气环境下工作，因此它可以单.独使用，也可作为其他真空泵的前级泵。

滑阀泵有单级H型、双级2H型：滑阀式真空泵适用于抽吸空气及其他一般性气体，当使用气镇时，亦能抽吸含有掌上少量的可凝性气体（如水蒸汽）。

当抽吸含氧过高的、有爆炸性的、对黑色金属有腐蚀性的、对真空油起化学反应的气体时，应该附加装置。本型泵可单独使用，也可作为扩散泵、油增压泵、罗茨泵等高真空泵的前级泵，相对于旋片式真空泵，H型滑阀泵比较耐用，使用寿命长。该泵在真空镀膜、真空热处理、真空烧结、分子蒸馏、航空模拟试验使用较多。

2特点

1）经过优化设计配重，振动少，噪声低。

2）轴承密封室单独供油，与泵腔隔开，避免了杂质进入轴承、密封过早损坏。

3）根据用户要求，可附带副油箱，达到冷却真空油分离杂质的作用。

4）除老式H-150外，电机均置于泵的上方，结构紧凑，占地面积少

3参数

4应用范围

广泛应用在航天、航空、原子、石油、化工、制药、电工、陶瓷、冶炼、新材料、真空热处理、真空镀膜等行业。滑阀真空机组具有显著的节能效果，真空度高，高真空区间抽气量大，可广泛应用于电力工业的变压器、电线电缆、电容器的真空浸渍、真空干燥工艺中。

是真空镀膜、真空冶炼、真空热处理、真空滤油、冷冻干燥；航空模拟试验较理想的真空设备。如抽吸含有少量水蒸汽或少量粉尘的气体，应加装过滤装置。

5应用要点

滑阀泵虽然是一种老泵，但与旋片泵等比较，它具有允许工作压力高"(104Pa)、抽气量大、能在较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，所以在真空冶炼、真空干燥、真空浸渍、真空蒸馏等行业得到广泛的应用随着真空应用范围越来越广泛，在真空干燥、真空浸渍、真空脱水、真空冶炼等行业用滑阀泵抽除气体都含有大量水蒸汽。

如果在真空泵中不能及时排除，就会污染真空泵油，造成真空泵抽气性能降低。尽管在泵上设置了气镇阀，认可降低泵的极限真空，用气镇方法抽除可凝性气体，但对于真空干燥、脱水、炼泥等水蒸汽含量高的抽气过程来说，用气镇方法并不理想，一般有以下方法可试用:

a滑阀泵与冷凝器配套使用。目前国内多数厂家采用这一方案。原理是将冷凝器串接在泵与被抽容器之间，把真空工艺设备中的大量水蒸汽用冷凝器捕捉成水，从而减少水蒸汽进入真空泵中的数量、降低泵油污染程度。如果适当调节冷凝器出口阀门流量和充分发挥真空泵上的气镇阀作用，可以取得较好的抽气效果。

b变滑阀泵为热泵。根据水的物理特性及相图原理，可将滑阀式真空泵改成热泵。这样．可在较高泵腔温度条件下，抽除大量可凝性水蒸汽。其工作原理如下：用一套自动温度调节控制器，通过自动控制泵的冷却水流量来达到控制泵腔温度的目的。使得在抽气过程中，泵腔的温度始终控制在高于水的饱和蒸汽压温度，促使被抽气体中的大量水蒸汽能顺利排出。

为避免出现由于泵腔内温度较高，泵长期工作可能会出现的泵油变稀、真空度下降、运转零部件卡死等现象，在设计中可采用耐高温的泵油如(N-62或N-68)和耐高温轴承．加大运转零部件的间隙等

罗茨真空泵

1结构形式

1、泵总体结构型式

罗茨真空泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨真空泵总体结构大致有三种型式：

立式结构的进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故这种型式多用于小泵。卧式泵的进气口在上，排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便，可将排气口从水平方向接出，即进、排气方向是相互垂直的。此时，排气口可以从左或右两个方向开口，除接排气管道一端外，另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低，高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。仅见于国外产品。

2、泵的传动方式

罗茨真空泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要有以下两种：

其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动，这样主动转子轴的扭转变形小，则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变，故使转子之间的间隙在运转过程中均匀。

这种传动方式的最大缺点是：a.主动轴上有三个轴承，增加了泵的加工和装配难度，齿轮的拆装及调整也不便；b.整体结构不匀称，泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。

另一种是电动机和传动齿轮分别装在转子两侧。这种形式使泵的整体结构匀称，但主动轴扭转变形较大。为保证转子在运转过程中的间隙均匀，要求轴应有足够的刚度，轴和转子之间的联接要紧固（目前已有转子与轴焊或铸成一体的结构）。这种结构拆装都很方便，所以被广泛采用。

3特征

启动快，耗功少，运转保护费用低，抽速大、效力高，对被抽气体中所含的大批水蒸汽和灰尘不敏感，在100～1帕压力规模内有较大抽气速率，能敏捷消除忽然放出的气体。

这个压力规模恰益处于油封式机械真空泵与分散泵之间。因而，它常被串联在分散泵与油封式机械真空泵之间，用来进步两头压力规模的抽气量。这时它又称为机械增压泵。

在较宽的压力规模内有较大的抽速；转子具备良好的几何对称性，故振动小，运转颠簸。转子间及转子和壳体间均有间隙，不必光滑，摩擦丧失小，可大大下降驱动功率，从而可完成较高转速；泵腔内无需用油密封和光滑，可增加油蒸气对真空体系的净化；泵腔内无收缩，无排气阀。构造简朴、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感；收缩对比低，对氢气抽气后果差；

4应用

罗茨真空泵在石油、化工、塑料、农药、汽轮机转子动平衡、航空航天空间模拟等装置上得到了长期运行的考验，所以应该在国内大力推广和应用。

同时罗茨真空泵广泛用于真空冶金中的冶炼、脱气、轧制，以及、食品、医药工业中的真空蒸馏、真空浓缩和真空干燥等方面。真空泵配件为用于真空泵噪声治理的，真空泵消音器。

转子外表为外形较为庞杂的曲线柱面，加工和检讨对比艰难。罗茨泵近几年在海内外得到较快的开展。在冶炼、石油化工、电工、电子等行业得到了普遍的运用。

扩散泵

1性能参数

通常扩散泵的性能是以极限真空、最大反压强、抽气速率以及设置冷阱或低温挡板而定。

1.极限真空

如果对一般油扩散泵的结构进行改进，如减少油蒸气的返流，加分镏装置，合理分配加热功率，改进喷嘴角度设计，加以挡油帽、障板或冷阱、吸附阱等，就能使扩散泵性能大大改善，极限真空可达到更低的压强。

2.最大反压强

最大反压强是指扩散泵所允许的前置压强最大值。如果前级泵所产生的压强高于最大反压强，则扩散泵就不能正常工作。

3.抽气速率

扩散泵的抽速可根据气体分子运动理论来推算出来。

4.设置冷阱及低温挡板的原因

由于扩散泵喷嘴喷出来的油蒸气分子，大部分由泵壁冷凝，这是因为泵壁外设置冷却水套或冷却管道的缘故。但是有少部分蒸气分子被泵壁反射，散射会返回被抽空间，这种现象在低温实验室中要特别注意。

如在扩散泵和被抽容器之前加上冷阱或低温挡板，这样就能使返加的蒸气被冷凝下来，截止了油蒸气的返流。

2应用范围

扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似,它们都是利用高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的,所以扩散泵具有和水蒸汽喷射泵相似的特点。

不同点主要在于扩散泵工作在高真空区域,其工作压强范围为10-2～10-6pa。扩散泵广泛用于电子、化工、冶金、机械、石油及原子能等工业部门中。

3影响因素

油扩散泵的返流。气体分子的反扩散。扩散泵油的裂化分解，一般扩散泵对其工作油的要求是饱和蒸气压以内（室温下0.00000001Pa左右），受热稳定性好，不易被氧化，分子量大的高沸点的液体，如硅油是扩散泵中比较理想的工作油。泵清洗不干净，污染物质留在泵内并重复循环，影响其真空度。

扩散泵是一种次级泵，它需要机械泵，目前，扩散泵是最广泛、最主要的获得高真空的工具之一。作为前级泵。高真空扩散泵主要由泵体、冷却帽、喷嘴、蒸气导流管、加热器和冷却器等组成。

分子泵

分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。由于简式牵引泵型线沟槽开在转子圆柱外表面或泵体内表面上，因此可以充分利用圆柱外圆较高的线速度对气体分子进行动量传递，提高泵的抽气效果。

由于涡轮级有较大的抽气面积，抽速很大，而牵引级沟槽抽气面积较小，在两种结构的联接处，由涡轮叶片压缩下来的气体分子的流动方式突然转变，使气体分子的运动在联接处由有序变成无序，至使返流增加，抽气能力下降。

1工作条件

转子转速达到20000r/min，故分子泵启动时间较长。气体处于分子流状态，故需要配备前级泵，一般使用旋片泵作为前级泵。

2特点

油润滑分子泵：润滑油量小，且在前级真空段，对真空室污染小。脂润滑分子泵：油脂量极小，前级配干泵可获得近似无油的清洁真空。全磁悬浮分子泵：无须润滑，与干泵一起使用，可获得无油的清洁真空环境。

3其他常见应用

分析(质谱分析、电子显微镜等) 半导体(电子组件、集成电路、柔性太阳能电池等) 光学/玻璃(热保护,增透、反射、光学滤光膜) 镀膜(表面保护，装饰涂料，显示器，屏幕) 真空冶金(真空炉、真空钎焊、真空烧结、真空合金、) 泄漏检测(真空系统、车辆的油箱,安全气囊研究实验(医学核磁共振成像、核粒子物理，核聚变研究，激光应用和许多更多) 灯生产行业及相关

钛升华泵

钛升华泵是靠新鲜钛膜的化学吸附作用抽气的真空泵。

这种泵具有结构简单、抽速大、无油污染、抗辐射和无振动噪声等特点，启动压力为1～10-2帕，工作压力范围为10-2～10-8帕，是获得无油超高真空的重要真空泵。

钛升华泵可有三种类型，一种是单体泵，用法兰与被抽容器联接；另一种是升华器放入被抽容器中，被抽容器壁即为吸气面；第三种是与其它泵组合，作成组合泵。无论哪种类型，都必须有吸气面、升华器和控制器三部分。吸气面主要是泵体或各种壳体，控制器属于电控，升华器的种类较多，这里介绍几种升华器的结构。

1、对升华器的要求： 能提供所需要的钛升华率；钛升华率易于调节，可连续或间断地供应吸气剂；钛升华器本身出气少或易于去气；要有足够的工作寿命，即要有足够的储钛量。

2、电阻加热式升华器： 直接通电加热钛丝。常用两种结构。

缠绕钛丝式升华器：将钛丝直接缠绕在钨杆或钽杆上，钨杆或钽杆通电加热到足够高的温度，钛就不断升华出来。钛钼丝式升华器：这种升华器是将钛(85％)与钼(15％)冶炼成合金或将钛直接镀在钼杆上，然后将钛钼丝直接通电加热，使钛不断升华。热传导加热式：它是由导热性能良好的氧化铍陶瓷为芯，内串以铼钨丝制成的加热器。陶瓷芯上先绕一层钼箔，防止钛与氧化铍直接接触起反应，避免钛的加剧消耗。钛带缠绕在钼箔上，它们之间用氧化铪-甘油浆涂敷。辐射加热式升华器：这种升华器从结构上将加热源和升华源分成两部分。利用放在钛球内的螺旋钨丝，由电阻加热作热源，利用辐射加热钛球，使钛不断地升华。

1特性

极限压强： 可达10-10Pa。

抽速： 钛升华泵的抽速较大，新鲜钛膜在液氮温度下，对氮的抽速可达10.1L／cm2·s，对氢的抽速可达19.9L／cm2·s。钛升华泵的抽速受很多因素影响，升华速率是决定其抽速的主要因素之一。若吸气面足够大，在一定压强范围内，升华速率高，则泵的抽速大。

当然膜沉积速率与排气量要相称，否则第一层钛膜吸气尚未饱和，第二层又覆盖上去，即使升华率高，抽速也增大不了多少。为了维持恒定的抽速，减少钛的消耗，需要对升华速率进行调节。当真空度高时要把升华速率降低。吸气面也是决定泵性能的重要因素之一。吸气面越大，泵的抽速越大。但泵口流导限制了泵的抽速。对室温下空气，泵口最大流导是11.7L／cm2·s。

2影响因素

钛升华泵（Ti升华泵）的抽气速率与被抽气体的种类及其压力、钛的升华率、钛膜面积和钛膜温度等因素有关。

在压力高时，泵的抽速决定于升华率。为获得大的抽气速率，压力越高升华率应越大，但在低压力下太大的升华率是不必要的。在 10-7帕压力时的升华率只有10-3帕时的1%即可。在超高真空时常采用断续升华，如10-8帕时每隔几小时才升华1分钟。

经彻底烘烤去气的泵，用水或液氮冷却对极限压力的影响不大，但对抽气速率的影响很大。液氮冷却的抽气速率一般比水冷却的大1～4倍。

3应用

钛升华泵在电子器件、高能加速器、可控热核反应装置和空间模拟装置，以及表面物理试验等方面都得到广泛的应用。钛升华泵（TSP）可以有效抽除活性气体H2、N2、CO等，适用于超高真空（UHV）系统。

4使用要求

启动钛升华泵需要1～10-2帕的预真空，同时进行烘烤去气（泵每次暴露于大气压后都要进行烘烤去气）。

烘烤去气是获得超高真空的必要条件。泵经彻底烘烤去气后，可以获得低的极限压力和缩短达到极限压力的抽气时间,还能使泵壁更清洁,沉积的钛膜不易脱落和避免放气等。一般以300～400℃温度烘烤12～24小时。

泵启动后泵壁不宜马上冷却，应让升华的钛在其上沉积几分钟后再冷却，这样钛膜就不易脱落。

PS：其他不得不看的真空泵选型策略

真空泵的作用就是从真空室中抽除气体分子，降低真空室内的气体压力，使之达到要求的真空度。概括地讲从大气到极高真空有一个很大的范围，至今为止还没有一种真空系统能覆盖这个范围。

因此，为达到不同产品的工艺指标、工作效率和设备工作寿命要求、不同的真空区段需要选择不同的真空系统配置。为达到最佳配置，选择真空系统时，应考虑下述各点：

1、真空泵的极限压力应该满足该工艺的工作压力。通常选择泵的极限压力低于工艺要求约一个数量级。

2、每种泵都有一定的工作压力范围，因而，泵的工作点应该选在这个范围之内，而不能让它在允许工作压力以外长时间工作。

3、真空泵在其工作压力下，应能排走真空设备工艺过程中产生的全部气体量。

4、选择真空机组：

当使用一种泵不能满足抽气及真空要求时，需要几种泵组合起来，互相补充才能满足工艺要求。有的真空泵不能在大气压下工作，需要预真空；有的真空泵出口压力低于大气压，需要前级泵，故都需要把泵组合起来使用。经组合使用的真空泵，我们称之为真空泵机组，它能使真空系统得到较好的真空度及排气量。我们应正确地选择组合的真空泵，由于不同的真空泵对抽除的气体要求有不同的要求，例如：在一般情况下罗茨－旋片机组不适用于含有较多可凝性气体的系统。

5、当您选择油封泵时，您应该首先了解您的真空系统是否对油污染有要求。若设备严格要求无油时，应该选各种无油泵，如：水环泵、低温泵等。如果要求不严格，可以选择有油泵，加上一些防油污染措施,如加冷阱、挡油阱、挡板等，也能达到清洁真空要求。

6、了解被抽气体成分，气体中含不含可凝蒸汽，有无颗粒灰尘，有无腐蚀性等。选择真空泵时，需要知道气体成分，针对被抽气体选择相应的泵。如果气体中含有蒸汽、颗粒、及腐蚀性气体,应该考虑在泵的进气口管路上安装辅助设备，如冷凝器、除尘器等。

7、当选择油封真空泵时，要考虑真空泵排出来的油蒸汽（油烟）对环境的影响如何。如果环境不允许有污染，应该选无油真空泵，或者把油蒸汽排到室外。

8、真空泵工作时产生的振动对工艺过程及环境有无影响，若工艺过程不允许，应选择无振动的泵或者采取防振动措施。

9、真空泵的价格、运转及维修费用。

在考虑到了各种情况后，才能最后确定一个适应于您的解决方案：

最小的投资费用。最小的生产运行费用。将前两种情况合理均匀分配的可行方案。

真空泵最佳工作范围：

基于超材料的宽带高吸收率吸波器研究

于榭彬，宋耀良，范事成

（南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094）

设计了一种加载集总电阻的宽带高吸收率超材料吸波器，并且对其进行仿真和实物测试。仿真结果显示，该超材料吸波器在8.4～13.6 GHz的频率范围内吸收率超过90%，相对吸收带宽为47.3%；在10.3～13.1 GHz频率范围内有超过99.9%的吸收率，相对吸收带宽为23.9%。在工作频段内，该吸波器对于宽入射角的入射波依旧能保持较高的吸收率，最后利用吸波器表面电流和电场分布对吸收机理进行了分析。所设计的宽带高吸收电磁超材料吸波器在X波段雷达、电磁隐身等方面有着巨大的潜在应用。

超材料吸波器；宽频带；高吸收率；集总电阻

中图分类号： TN972+.44

文献标识码： A

DOI： 10.16157/j.issn.0258-7998.171412

中文引用格式： 于榭彬，宋耀良，范事成. 基于超材料的宽带高吸收率吸波器研究[J].电子技术应用，2017，43(12)：89-91，95.

英文引用格式： Yu Xiebin，Song Yaoliang，Fan Shicheng. Research on broadband and high absorption absorber based on metamaterial[J].Application of Electronic Technique，2017，43(12)：89-91，95.

0 引言

吸波材料是能够将入射到其表面的电磁波转换成其他形式能量的一类材料，通过减少透射和反射，展现出吸波特性。根据不同的吸波机理，吸波材料可以分为很多种。超材料作为一种人工电磁材料，具有自然界常规材料所不具有的超常物理特性，其中超材料吸波器（metamaterial absorber）在近几年得到广泛关注。TAO H等人利用改进的单元结构制备出了作用于太赫兹波段的吸波材料[1]。LEE J等人利用较为复杂的单元结构实现了双频带的超材料吸波器[2]。现如今，单一频点和多频点的吸波器已经逐渐不能满足复杂的电磁波环境的应用需求，因此，宽带电磁超材料吸波器[3-8]越来越受到工程研究人员的重视，各式各样的宽带超材料吸波器也不断被设计出来，宽带吸波器的发展迎来了高峰。

本文通过加载集总电阻，设计了一种工作在X波段的超材料宽带高吸收率吸波器，而且其结构简单，易于生产加工。利用电磁仿真软件对吸波器进行仿真得出，对于8.4～13.6 GHz频率范围内的入射波有着90%的吸收率，在10.3～13.1 GHz频率范围有着99%的吸波率。在其吸波带内，对于入射波能实现宽入射角的吸收效果。

1 超材料吸波器的原理和设计

等效媒质理论[9-12]是常用的超材料吸波器的设计指导。吸波器的吸收率可以表示为：

当反射率尽可能小时，吸收率达到最大。反射率|S11|2的大小取决于吸波器表面阻抗与自由空间波阻抗的匹配程度。假设自由空间的波阻抗为Z0，吸波材料的阻抗为Z1，则反射系数为：

本文设计的超材料吸波器单元遵循典型的3层结构，上层为开口金属环加载集总电阻，中间层采用有损耗的FR-4介质基板，底层为全金属背板，其单元结构如图1所示。开口环和背板均采用金属铜，电导率为σ=5.8×107S/m，介质基板的介电常数为ε=4.3 ，损耗角正切为td=0.025 。全金属背板可以有效防止透射。开口金属环为外方内圆结构，开口处加载了2个集总电阻。在电磁波入射时，通过电阻的欧姆损耗可以有效地将入射电磁波的感应电流能量耗散掉，实现对入射波的吸收最大化。同时，该吸波器在大入射角的情况下依旧能保持高吸收率。

利用商用的电磁仿真软件CST Microwave Studio对建立的吸器模型进行参数优化，最终得到的结构参数如下：晶格常数P=14.2 mm，金属环边长L=9.5 mm，内圆弧半径R=3.8 mm，开口宽度w=1.7 mm，加载的电阻r=270 Ω，FR-4基板的厚度d=3 mm，铜膜的厚度为0.035 mm，方便生产加工，开口金属环和底板入射波的电场沿y轴方向，磁场沿x轴方向，波矢量沿-z轴方向。仿真得到的该吸波器的吸收率如图2所示。由图可知，吸波器的工作频段基本覆盖X波段，90%吸波率频带为8.4～13.6 GHz，相对吸波带宽为47.3%，99%吸波率带宽为10.3～13.1 GHz，相对吸波带宽为23.9%。

2 仿真分析和原理阐述

下面分析吸波器在斜入射条件下的吸收效果。图3所示为吸波器在TE极化模式(电场E方向保持不变，磁场H方向改变)下，吸收率变化的曲线。可以看出当入射角在不超过45°的范围内，90%吸波带宽变化不大，但是吸波带随着入射角的增大有明显的蓝移现象。这是因为随着入射电磁波角度的增大，入射波的磁场分量激励起的表面电流变小，电流路径变短，谐振点往高频移动，所以宏观表现为吸波带蓝移。当入射角达到45°时，整个吸波带内的吸收率下降开始加快。总体来说，吸波器对于45°内斜入射电磁波有着良好的吸波效果。

为了阐述宽带吸收效果产生的原理，对吸波器的表面电流分布进行分析。图4为吸波器吸收峰值频率 f=12.7 GHz处的吸波器表面电流分布，箭头方向代表电流的流向，箭头疏密程度反应了表面电流的大小。对于吸收峰值频率f=12.7 GHz处，可以看到在谐振时，金属环表面的感应电流要明显高于底板，这是因为入射波的电场分量在金属环上激起了电谐振。金属环上的感应电流和背板上的感应电流方向相反，形成了等效环流，这说明入射电磁波的磁场分量在金属环和底板之间产生了磁谐振，强烈的电磁谐振使得吸波器对入射波实现完美吸收。

进一步分析电场的分布，如图5所示。电场分布表明，入射电磁波的电场分量与金属环产生了电偶极子响应，在外电场的驱动下，电场主要集中在金属环上。对于吸收峰值频率f=12.7 GHz处，金属环上下部分内外两侧存在少量能量损耗，而大部分能量在金属环开口处和加载的集总电阻上以金属损耗和欧姆损耗的形式被消耗掉。

3 实验

为了验证吸波器的吸波效果，依照经过CST仿真优化过的结构参数加工出有限单元大小的吸波器实验样品，尺寸为284 mm×284 mm，一共有20×20个单元结构，如图6所示。实验样品采用有损耗的FR-4介质基板，厚度为3 mm，介电常数为ε=4.3。表面金属环和背板均采用金属铜，厚度为0.035 mm，电导率为σ=5.8×107S/m。加载的集总电阻采用0603封装的贴片电阻，阻值为r=270 Ω，尺寸为1.6 mm×0.8 mm×0.4 mm，正好契合金属环开口大小，方便焊接。在微波暗室中，采用自由空间测试法，如图7所示，使用Agilent N5244A矢量网络分析仪，输出端连接一个1～18 GHz的宽带双脊喇叭天线，输入端分别连接6～8 GHz、8～12 GHz、12～14 GHz的矩形喇叭天线对实验样品进行测试。把待测的实验样品放置在微波暗室中间，收发天线对称放置，且与吸波器的法线夹角很小，可以忽略。测试结果如图8所示。

根据实验结果可以看出，吸波器实验样品在频率 8.00～13.2 GHz 波段吸收率高于 90%。吸波带整体有一定的红移现象并且吸波峰值略低于仿真值，这可能是实验样品的加工存在误差和测试系统的精度不足导致的。此外，用20×20个单元结构模拟无限大周期结构也会对实测结果产生影响。

4 结论

本文设计了一种加载集总电阻的金属环形宽带高吸收率电磁超材料吸波器，90%吸波频带8.4～13.6 GHz，相对吸波带宽47.3%；99%吸波率带宽为10.3～13.1 GHz，相对吸波带宽为23.9%。工作频段基本覆盖了X波段。其厚度仅为最大工作波长的6%，实现了超薄的设计要求。通过仿真研究可以看到，在工作频带内，该吸波器对于45°以内的入射电磁波都能保持90%以上的吸收率。总的来说，这种超薄、宽带、高吸收率的超材料吸波器在无线通信、天线、隐身和雷达探测等方面，尤其是针对X波段雷达的探测与隐身方面有着巨大的应用价值。

参考文献

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