真空获得设备原理与技术基础ppt课件.pptx

3.油封机械泵,3.1旋片式油封真空泵,图3-12X型旋片泵,图3-12XZ型旋片泵,3.1.1概述,旋片泵为一种变容式气体传输真空泵，是真空技术中最基本的真空获得设备之一。工作压力范围1013251.3310-2Pa，属低真空泵。可单独使用，也可作其他高真空泵的前级泵，用以抽除密封容器中的干燥气体。若附有气镇装置，还可抽除一定量的可凝气体。旋片泵不适于抽除含氧过高、有爆炸性的、对金属有腐蚀性的、与泵油会发生化学发应的、含有颗粒尘埃的气体。,2,3.1.2旋片泵的工作原理与结构特点,旋片把转子、泵体、端盖形成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分。,3.1.2.1工作原理,图3-3旋片泵工作原理图,1-旋片2-旋片弹簧3-泵体4-端盖5-转子,3,若转子按图中箭头方向旋转时，A空间容积增加，压力降低，气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；B空间的容积减小，压力增加，处于压缩过程；C空间的容积进一步缩小，压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推开泵油密封的排气阀，处于向大气的排气过程。在泵的连续运转过程中，不断进行吸气、压缩和排气过程，从而达到连续抽气的目的。,4,3.1.2.2结构特点,旋片泵在结构上可分为油封式（图3-4a）和油浸式（图3-4b）两大类。1）油封式油箱设在泵体上，油起密封排气阀的作用，泵为水或风冷却。一般大泵多采用这种结构形式；2）油浸式整个泵体浸在油内，油起密封、冷却作用。小泵和直联泵多采用。,5,图3-4a油封式2X型旋片泵结构简图,1进气管；2滤网；3注油活塞；4油窗；5放油螺塞；6旋片；7旋片弹簧；8转子；9气镇阀；10泵体；11排气阀；12排气管,6,图3-4b油浸式2X型旋片泵结构简图,1电机；2手把；3支架；4油箱；5排气管；6挡油板；7气镇阀；8油窗；9油泵；10放油螺塞；11低级泵盖；12排气阀；13低级旋片弹簧；14低级旋片；15低级转子；16中隔板；17中间气道压板；18挡油板支柱；19高级转子；20高级旋片及弹簧；21辅助排气阀；22高级泵盖；23泵连轴器；24电机连轴器。,7,1.泵体（定子）：主要有3种：,图3-5泵体结构(a)整体式；(b)中壁压入式；(c)组合式,8,整体式：结构紧凑，连接及密封加工面少，密封性能好。加工工艺较难。关键：保证两腔同心度和泵腔内表面的精度及粗糙度（光洁度）。中壁压入式：高低腔为一整体，中隔板由压力机压入，泵腔加工工艺性好。结构紧凑。中壁压入公差较严，采用过盈配合定位，泵腔与中隔板邻近处易产生变形。一般采用小过盈量，加一定位销，或小过盈微量浮动减少因大过盈量引起的变形；或在泵腔相应处设计加强筋减少变形（大泵）。,9,组合式：各零件易于加工，容易保证高精度，废品率低，互换性好，适于大批量生产，但其加工面多，装配麻烦。泵体材料：大多数厂家均采用高强度灰铸铁，如H200，250等。也可采用铝合金或球墨铸铁等耐磨、自润滑好的材料。泵体毛坯铸件应进行时效处理，以消除内应力，防止变形，提高耐磨性。,10,2.转子,转子结构有三种形式：整体式、压套式和转子盘式。整体式：加工基准是两端中心孔，与转子盘式结构相比，其加工件和装配量少，加工简单，节省工序，几何精度和尺寸精度也得到了保证。但缺点是对材质要求较高，而且其旋片槽加工较困难，难以达到高精度，较适于大泵；,11,压套式：如图3-6(a)所示，两半转子中间用衬块保证旋片槽宽，该结构加工量稍小些，但要求加工精度较高，装配较复杂；转子盘式：是当前采用最多的形式，其结构如图3-6(b)所示，两半转子盘用螺钉和锥销紧固后，两转子体之间形成旋片槽，这种结构零件多，加工装配量大，有较高的加工精度。,12,图3-6转子结构,13,3.旋片,结构形式旋片的结构形式多为矩形和T形旋片的厚度与型号有关（一般从614mm）,14,旋片材料,国内一般用45钢、H250、QT或20钢淬火（硬度：HRC4045）对旋片材料的一般要求：1）要有足够的抗弯强度；在正常泵温下膨胀系数尽可能小，最好能接近铸铁，达到0.81051.1105l/；2）比重小，摩擦系数小，耐磨损；良好的自润滑性；3）低成本；良好的机械加工性能；4）化学稳定性，没有污染和毒害。,15,4.排气阀,排气阀对泵的真空度和噪音影响较大。排气阀有两种形式：一种是用橡胶垫做阀片，如图3-7(a)所示；另一种是用布质酚醛层压板或弹簧钢片做阀片，如图3-7(b)所示。排气阀必须浸在泵油中。在排气过程中，压缩气体推开排气阀片，穿过泵油排出。泵油起到密封的作用。,16,图3-7排气阀结构,17,辅助排气阀,在双级泵中，当高真空级与低真空级为泵腔宽度不等时，需在两级之间设置中间辅助排气阀，如图3-8所示。辅助排气阀的作用是在入口压力较高、经高真空级压缩的气体已达到排气压力时，辅助排气阀打开，部分气体由辅助排气阀排出，部分气体由低真空级抽走。,18,图3-8双级泵结构示意图,高真空级；低真空级；1中间辅助排气阀；2通道；3低真空级排气阀,19,5.气镇阀,为了抽除可凝性气体，油封式机械真空泵常装有气镇装置。气镇法可以有效地防止可凝性气体凝结。该方法是在被抽气体被压缩过程中将经过控制的永久性气体（通常为室温干燥空气）由气镇孔掺入其中，使可凝性气体分压达到泵温时的饱和蒸汽压之前，压缩气体的压力已达到排气压力，排气阀打开，将可凝性气体同永久性气体一同排出。,20,图3-9气镇阀结构1调节阀；2气镇阀座；3密封垫；4挡块；5钢球；6弹簧,气镇阀（掺气阀）是由节流阀和逆止阀两部分组成，其结构如图3-9所示。节流阀控制掺入气体量，逆止阀防止泵腔内气体压力高于掺气压力时出现返流。,21,图3-11保护阀,1阀体；2真空室人口连接法兰；3旋片泵入口连接法兰；4电磁放气阀；5阀板,22,3.1.3.4油雾的产生及分离,在旋片泵排气过程中，悬浮在被抽气体中的油滴随气体一起被排出。因此，常在泵出口看到“油雾”。同时也有少量的油蒸气被排出。随着环保要求的提高，新型旋片泵一般在出口设置油气分离装置。,23,图3-13油气分离器,1排气连接法兰；2分离器出口；3过滤元件；4集油观察窗；5放油塞；6泄压阀,24,3.1.3.5除尘装置,在有些真空工艺中会产生大量的灰尘，这些灰尘将随被抽气体一起进入旋片泵。灰尘混在泵油中，像研磨剂一样会对泵转子和泵腔造成磨损和破坏。在灰尘量较少时，可由油过滤系统滤除，但灰尘量较大时，为防止泵损坏，保证泵正常运转时必须使用除尘器(图3-14)。,25,图3-14除尘器的工作原理图,1入口法兰；2外筒室；3油浸过滤器；4、5出口法兰,26,6.1.1概述,罗茨泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵,27,6.1.1.1罗茨泵的种类,低真空罗茨泵：直排大气的干式单级罗茨泵（10000Pa）和湿式罗茨泵(2000Pa)；中真空罗茨泵：机械增压泵（110-1Pa）；高真空罗茨泵：多级干式罗茨泵（高真空多级罗茨泵）,28,6.1.1.2罗茨泵在真空工程领域中应用：,在中真空范围作为机械增压泵应用，一般与前级泵（旋片泵，滑阀泵和水环泵等）串联构成真空机组；双级或多级罗茨泵机组可获得高真空；对于干式清洁无油的抽气系统多用气冷式罗茨泵机组；对于含水蒸气的被抽系统，多用湿式罗茨泵。,29,水环罗茨泵机组2,30,旋片罗茨泵机组,31,滑阀罗茨泵机组2,32,6.1.2罗茨泵的工作原理及其结构特点6.1.2.1罗茨泵的工作原理,罗茨泵抽气时两个转子由传动比为1的一对齿轮带动，作彼此反向的同步旋转运动。转子彼此无接触，其间存在间隙。,6.1.2.2罗茨泵具有以下特点：,在较宽的压力范围内有较大的抽速；转子之间、转子与泵腔壁之间有间隙，泵腔内运动件无摩擦，不必润滑，泵腔内无油；转子形状对称，动平衡性能良好，运转平稳，选择高精度的齿轮传动，运转时噪音低；可获得较高转速（抽速）；对被抽气体中含有的灰尘和水蒸气不敏感；,34,抽气特点：,罗茨泵在抽气过程中其工作空间容积是不变的，即“无内压缩”，这与大多数的变容式真空泵不同。气体的排出：当转子顶部转过排气口边缘，封闭空间与排气侧相通时，由于排气侧气体压力较高，则有一部分高压气体返冲到封闭空间中，使空间内气体压强突然升高到排气压力，即所谓的“外压缩过程”。当转子继续转动时，气体排出泵外。,35,6.1.3罗茨泵的结构,1前端端盖；2油标；3压力传感器；4注油塞；5放油塞；6齿轮侧轴承端盖；7泵体；8入口法兰9出口法兰；10转子；11马达侧轴承盖；12中间法兰；13油封处注油塞；14油封处放油塞；15笼形支架；16电动机；17泵底座,罗茨泵是双转子容积式真空泵。其在泵腔内有两个形状对称的转子，转子形状有两叶、三叶和四叶。,两个转子按一定相位安装在一对平行轴上，由轴端齿轮（i=1）驱动做同步反向旋转运动。转子彼此无接触，转子与泵腔壁也无接触，其间通常有0.151.0mm的间隙。泵腔靠间隙及高转速来密封（相对密封）。由于泵腔内无摩擦，转子可高速运转，一般：5003000rmin。泵的润滑部位仅限于轴承、齿轮及动密封处（齿轮箱有油，且与泵腔之间有压差，预抽管通前级侧）。,37,6.1.3.1泵的结构特点,转子在泵体中如何安装决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵大致有两种型式：1）立式：这种结构的进、排气口成水平位置，装配和连接都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳定性差，故多用于小泵。2）卧式：泵的进气口在上，排气口在下。有时排气口水平方向接出，因而，进、排气方向是相互垂直的。排气口可以从两个方向接出，一端接排气管道，另一端堵死或接旁通阀。这种结构重心低，高速运转时稳定性好，一般用于大、中型泵。,38,结构型式示意图1,立式结构,卧式结构,39,6.1.3.2泵的传动方式,传动方式有如下两种：1）电动机与齿轮放在转子的同一侧，从动转子的扭矩由电动机端齿轮直接传过去，所以主动转子轴的扭转变形小，因而转子与转子之间的间隙就不会因主动轴的扭转变形较大而改变，故使间隙在运转过程中均匀。缺点：主动轴上有三个轴承，给加工和装配带来一定困难，对齿轮的拆装和检查都不方便，整个结构也显得不匀称，使泵的重心移向电动机和齿轮箱一端。所以，采用这种结构的较少。,40,传动方式示意图,41,2）电动机与齿轮传动设在转子的两侧,这种结构克服了上述的缺点，但主动轴扭转变形较大。为了保证转子在运转过程中的间隙，要求轴应有足够的刚度。轴与转子要固结（铸造的转子采用轴转子整体结构或热压过盈配合，焊接的转子采用转子和轴直接焊在一起的整体结构）。这种结构拆卸和装配都很方便。,42,结构图,43,6.1.3.3泵的密封结构,主要有3个部位：主动轴外伸部分的动密封（密封外部大气与齿轮箱之间）；端盖或齿轮箱与泵体间的静密封；齿轮箱和泵体间的转子轴的动密封（避免油进入泵腔，同时预真空与高真空之间得到密封）。,44,1、主动轴外伸部分的动密封,目前采用较多的是：双端面摩擦环式机械密封；带加强环的JO圈密封。机械密封运转可靠，耗功率小允许线速度大；但结构复杂，制造成本高。JO圈密封结构简单，耗功率大，胶圈容易磨损，但更换方便，成本低。磁流体密封是一种密封效果及使用寿命长的动密封型式，功耗小，但成本高。,45,2、齿轮箱与泵体之间的轴封,由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这两部分的真空度与前级泵入口基本相同。所以齿轮箱与泵腔之间的压差较小，通常采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。,46,3、泵体端面的静密封,真空耐油橡胶圈密封，不仅可靠而且拆卸方便。采用聚氨酯胶垫进行平面密封，不用加工密封槽，拆卸方便。有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封可靠并且不用加工密封槽。但用户须备有这种材料，否则不能自行拆装修理。,47,6.1.3.4罗茨泵的润滑部位主要有三处：,轴封齿轮轴承。,48,罗茨泵达到的极限压力与前级泵的极限压力有关：,用油封机械泵作前级泵时：单级罗茨泵极限全压力：510-1110-2Pa极限分压力：510-2510-3Pa双级罗茨泵极限全压力：110-2510-3Pa极限分压力：110-3510-4Pa用水环泵作前级泵时：单级罗茨泵极限分压力：200Pa，双级罗茨泵极限分压力：4Pa。,49,6.1.4罗茨泵的转子型线,概述,6.1.4.1转子型线要求和条件：,转子横断面的外廓线称为转子的型线。理论型线：保证转子在旋转过程中，两个转子始终相互啮合。实际型线：由理论型线去掉间隙的部分得来的。它要保证两个转子在运转中间隙永远保持定值。转子的型线必须做成共轭曲线。共轭转子型线可做成各种各样的曲线（只要给出一条曲线，就可以做出一条与之相应的共轭曲线）。,51,6.1.4.2型线的选择要考虑以下几个条件：,1）泵有最好的工作性能（增加抽速和提高压缩比）a）容积利用系数要尽可能大，即转子在泵腔内占的体积要小；b）为减少返流，转子之间及转子与泵体间的密封面积应大2）要有良好的几何对称性，保证运转平稳，噪音小，互换性好；3）保证转子齿形有足够的强度，加工工艺性要好，容易获得较高的表面精度。,52,6.1.4.3常用的型线线形有：,圆弧线、渐开线和摆线。实用上，整个转子的外轮廓型线由：圆弧线、渐开线和摆线组合而成。“圆弧渐开线摆线”型转子型线气阻大，改善了泵在低压下的性能，提高了泵的抽气效率，得到较广泛的应用。,53,几种型线的比较,容积利用系数：是表征泵腔面积或是体积有效利用程度的系数。对于罗茨泵来说，大的容积利用系数对于提高泵的性能，减小泵的体积是比较有利的。在以上几种型线中，圆弧型转子型线和渐开线转子型线的容积利用系数比较好；而气冷式罗茨泵渐开线转子型线的容积利用系数则比较小。而在强度方面，气冷式罗茨泵渐开线转子比较好，而圆弧型转子则是比较差的，因此在使用此型线时应该校核一下其薄弱腰部的强度。,54,6.1.4.4实际型线6.1.4.4.1工作间隙与装配间隙,为了减少气体的返流，要求转子间、转子与泵壳间的工作间隙要尽量小。考虑转子工作时产生热膨胀和受力变形等影响，要求各处的装配间隙不等而且要比工作间隙大。,55,泵在实际运转中，下列因素会使间隙减小：,i）转子在运转中因升温而产生热膨胀；ii）转子在离心力和排气压力作用下产生变形；iii）随着齿轮传动磨损程度的增加，齿侧间隙增大，由于磨损是不均匀的，所以必然引起转子相对位置发生变化，造成间隙减小；iv）泵轴的弯曲变形或扭转变形；v）轴与转子因制造和装配误差而产生不同轴等。,56,装配间隙是确定转子实际型线的根据：,1转子与泵壳的径向间隙；2转子相互之间的间隙；3轴活端（如齿轮端）的转子侧面与侧盖间的轴向间隙；4轴死端的转子侧面与端盖之间的轴向间隙。,57,6.1.4.4.2装配间隙的选取,装配间隙的选取很重要，它将直接影响到泵腔的泄漏量，进而影响泵的极限真空、实际抽速等指标。装配间隙的大小与泵的工作压力和泵的冷却方式有关，转子的材料性质（如线性膨胀率、弹性模量、密度）、泵工作时的转子的工作温度都是影响转子表面发生位移的因素，因此在确定转子的装配温度时应该把它们考虑进去。装配间隙在一定程度上衡量了泵的设计和制造水平。,58,6.1.5罗茨泵设计中的关键问题,1罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是型线。泵工作时，转子之间的间隙要保持一定，这样转子的型线必须做成共轭曲线。理论型线的选择和实际型线的计算和加工工艺是关键。2为了控制泵转子间、转子与泵壳间的间隙，要求轴承的轴向、径向位移量控制在一定范围内。在设计时，应正确选择轴承精度，并选择适合泵工作条件的轴承型号。考虑转子轴向热膨胀影响，转子轴应留有活端，以允许轴因热膨胀等因素而产生轴向移动。轴活端的转子与侧端面的轴向间隙可以选大一些；而轴固定端的转子与端盖之间的轴向间隙则应选得小一些。,59,3要求齿轮耐磨性强，传动平稳，齿间的间隙不得过大。齿轮的精度常选用56级。为使传动平稳，噪音小，常用斜齿轮。为使齿轮装配和调整转子间的间隙方便，可选用调隙结构齿轮并在齿轮与轴之间采用涨套联接方式。,60,6.1.6罗茨泵转子的冷却,罗茨泵在运转过程中，由于转子的高速旋转，与气体产生摩擦搅拌作用及在排气口处对气体的外压缩，使气体及转子的温度升高。而转子的热量较难散发出去。当泵的抽气量较大时（大泵），或入口气体温度较高时，需要对转子进行冷却，以免转子出现过大的热变形现象，使装配间隙过小或消失，致使转子卡死。,61,6.1.6.1转子的空气冷却,在泵的排气口处安装冷却器，对出口处的气体进行冷却，当被冷却的气体反冲到泵腔内时，使转子得到冷却。这种方法一般可散出转子80左右的热量。当排气压力较高时，气体分子密度大，传热效果好，可以保证泵在较高压差下正常工作。,6.1.6.2气冷式罗茨泵,将冷却后的出口气体回流到泵腔内去直接冷却热态的转子，提高了泵的抗热能力，使泵仍可保持较小的转子装配间隙。气冷式罗茨泵适用于长期在高压差下工作或被抽气体的温度比较高的情况下工作。,6.1.7罗茨泵的运行过载6.1.7.1过载分析,由功率计算公式(6-22)可知，泵压缩气体所需的功率与压差成正比：,6.1.7.2防止过载的措施,解决泵过载的方法：机械式自动调压旁通阀采用液力联轴器真空电气元件控制泵入口压力,65,6.2油扩散喷射真空泵,66,油扩散喷射泵,67,油扩散喷射泵是油蒸汽流泵的一种，主要油扩散喷嘴、喷射喷嘴等组成，使之在高真空方面有较大的抽速，在低真空方面有足够的临界前级压力。具有结构简单、无机械传动部分、运转可靠、维护方便、使用寿命长等特点。主要配置在高真空系统作为主泵与前级泵的中间级，也可单独作为高真空泵应用于冶金或抽出含有少量水气的工作场合。,68,6.2.1概述,油扩散喷射泵是从油扩散泵发展而来的，兼有扩散泵和喷射泵的特点，工作压力范围在（10-10-2）Pa。在此压力区间内，油扩散喷射泵有较大的抽速和较高的最大出口压力，其抽气量是扩散泵的4-20倍，加热功率是扩散泵的2-5倍。由于油扩散喷射泵的工作压力范围正处于油扩散泵和油封机械泵抽气能力下降区域，因此，该泵除可以做主泵外，还常常用于大型油扩散泵和前级机械泵之间，保证真空系统的有效工作，与罗茨泵的作用相似，所以油扩散喷射泵也被称为油增压泵。,69,6.2.2工作原理和结构特点6.2.2.1工作原理,油扩散喷射泵工作压力范围内的被抽气体流动状态处于粘滞流和分子流之间。在压力较高时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以粘性携带为主。这时要求蒸汽射流具有足够的密度。在压力较低时，油蒸汽射流对被抽气体的抽出以扩散携带为主.这时要求蒸汽射流有一定的稀薄程度。,多级喷嘴串联抽气原理,为了使泵在更宽的压力范围内具有大的抽速，同时又有高的出口压力，在实际应用中都是多级喷嘴串联起来工作的。在多级喷嘴结构中，下一级喷嘴要保证上一级喷嘴的正常工作，因此，每个单级喷嘴的抽气特性应满足：,式中：G泵的抽气量；S1，S2，.Sn各级喷嘴的抽速；P1，P2，Pn各级喷嘴的入口压力。,71,6.2.2.2结构特点,右图为双级喷嘴油扩散喷射泵的结构。,图8-45,1.加热器因为扩散喷射泵工作压力较高，所以无需对泵油进行分馏。由于扩散喷射泵的加热供率较高，因此其锅炉蒸发面积和加热面积比油扩散泵的大。泵的加热器有裸露式和封闭式两种。锅炉内的蒸汽压力为1-2KPa，个别情况可达4KPa。2.喷嘴在油扩散喷射泵中采用伞形喷嘴，伞形喷嘴由下唇a和上帽b组成。蒸汽由与下唇相连的导流管进入喷嘴，改变方向后经喷嘴最小断面处时，蒸汽流达到音速。在之后逐渐扩大的通道内连续膨胀，达到超音速。喷嘴的张角为40o-60o扩张度（出口断面积与最小断面积之比），入口级为20-50，出口级为2-3。,73,为了提高泵的最大出口压力，在大型油扩散喷射泵中，出口级往往采用喷射喷嘴。喷射级喷嘴需要的高压力蒸汽由锅炉直接提供。经过对高压力蒸汽进行孔板节流降压后的蒸汽供给其余各级喷嘴，使各级喷嘴的工作蒸汽压力分布更为合理。3.泵体油扩散喷射泵的泵体用碳钢制成，有圆筒形，也有圆锥形。小型泵采用焊在泵壳外壁上的螺旋铜管通冷却，大型泵的冷却采用水套结构。,74,6.2.3抽气特性,油扩散喷射泵的抽气特性可用泵入口压力与泵抽速之间关系曲线来表示，如下图。从图中可见，在泵工作压力范围内泵的抽速有一个最大值，对应的入口压力与蒸汽射流的状态有关。,图8-48,75,泵的加热功率对抽气量和最大出口压力也有影响。当泵加热功率变化时，泵抽气量与泵入口压力之间的关系如下图所示。当加热功率变小时，锅炉温度降低，蒸汽射流密度降低，增加了被抽气体向蒸汽射流内的扩散作用，在低压时抽气量有所增加，而在高压时抽气量有所降低。,76,泵最大出口压力与加热功率的关系如下图所示。加大泵的加热功率可以提高泵的最大出口压力。,77,喷嘴扩张角也影响泵的抽气量和最大出口压力。加大喷嘴的扩张角会使蒸汽射流密度下降，可提高泵在低压范围内的抽气量，而泵在高压范围内的抽气量会有所下降，如下图1所示。喷嘴的扩张角对泵最大出口压力的影响见图2,图1图2,78,单级喷嘴的抽速与喷嘴出口压力的关系如下图所示。从图中可见，当泵出口压力低于最大出口压力时，抽速不随出口压力的增加而变化。当出口压力超过最大出口压力后，泵抽速急剧下降，不能正常工作,79,喷嘴喉部断面积影响泵的蒸汽消耗量，蒸汽消耗量对抽气量的影响如下图1所示。当入口压力较高时，增加工作蒸汽量可以提高泵的抽气量，在低压时，增加工作蒸汽量则对抽气量影响不大。泵的抽气特性与被抽气体的种类有关，对于小分子气体的抽速较大，如图2。图1图2,80,6.2.4泵油及减少返油的措施,由于油扩散喷射泵在（10-10-2）Pa区域内有较大的抽气量，因此要求泵油有好的热稳定性、抗氧化性，在锅炉工作温度下有较高的饱和蒸汽压，以提高蒸汽射流强度及泵的最大出口压力。泵油的汽化潜热要小，馏分要窄。泵油在室温下的饱和蒸汽压在10-3Pa数量级。,81,同扩散泵返油一样，从喷嘴出来的超音速蒸汽流会有一部分向泵入口侧迁移。为减少油蒸汽向泵入口的访返油，可在喷嘴上方装置挡油帽。当油帽可以切断向泵入口迁移油蒸汽的流线，使蒸汽流线最终落到泵壳水冷壁上，把油蒸汽冷凝掉。泵装置挡油帽可减少返油量95%，抽速会下降（5-10）%。,82,为减少油蒸汽向泵出口前级真空侧迁移，可在喷射级之后装置水冷冷凝器。冷凝器由一组有孔和无孔铜质圆盘组成，相间安装在水冷支架上。在泵启动和关闭阶段，各级喷嘴的蒸汽射流不稳定，此时要关闭泵与真空室间的真空阀门，防止油蒸汽向被抽容器中返流。,tu,83,高真空与超高真空获得设备,84,）概述,真空系统的工作压强是由气体的流入量和气体的抽除量达到动态平衡所决定的。即由公式：Q=SP所决定的。系统内气体流入量Q恒定时，系统的工作压强P决定于系统出口处的抽速S。压强降低一个量级，要求抽速相应增加一个量级。,85,泵的实际抽速小于理论抽速，并与入口压强有关。泵口在一个有限的工作压强范围内工作，超过此范围抽速减少到零。目前还没有一种泵能从大气压到超高真空的整个压强范围内工作。如工作在高真空区域内就称作高真空获得设备，或工作在超高真空区域的就称超高真空获得设备。由于工作压强范围不同就出现了各种不同的真空获得设备。,86,据文献报道：英国BOCEdwards公司的EPX干泵，德国pfeiffer公司的OnTool干泵，利用牵引分子泵及旋涡泵的工作原理组成多级的单体泵，可实现高真空到直排大气。抽速140l/s，极限真空10-4Pa。因此，通常选用适当的多泵串联的机组来对系统抽气。,87,普通型扩散泵与机械泵组成的机组可使系统压强降到10-5Pa，即达到高真空状态。改进型扩散泵与机械泵组成的机组，可使系统压强降低到10-8Pa，即超高真空状态。这说明一种泵有可能既是高真空获得设备，又是超高真空获得设备。现代的离子泵、升华泵、吸附泵和低温泵等，能使很大的被抽系统抽到超高真空状态，且可以满足不同气体种类的要求。涡轮分子泵与机械泵的组合，既能获得高真空也能非常迅速地抽到10-8Pa的超高真空。本节课介绍各种高真空泵和超高真空泵的性能和使用规则,88,2）高真空获得设备,（1）金属油扩散泵高真空抽气系统通常至少包括一台扩散泵和一台机械泵。机械真空泵从被抽容器中抽走99.99%空气（粗抽)。剩余的空气（压强降至10-110-7Pa）由扩散泵抽走排入机械泵中。当要求泵对所有气体都有恒定的高抽速，并且长时间使用无需维护时，一般使用扩散泵。,89,扩散泵不能直接将气体排入大气中，要求机械泵先将真空系统中的压强降低到符合要求的压力区域，这一工作称为粗抽。在达到适当的工作压强条件后，扩散泵方可接着工作。此时，在前级管道上连接的机械泵为扩散泵维持适当的排气压强条件。这一工作被称为前级抽空。扩散泵在本质上是专门用于高真空的蒸汽喷射泵。以前过分强调了气体向蒸汽流中扩散和蒸汽被冷凝。因此定名它为扩散泵（或冷凝泵）。,90,最初的扩散泵设计是在1915年。约在10年后确定了其基本结构形式。现代扩散泵的特点是蒸汽流是按抽气方向高速运动，被抽气体被蒸汽流带走。其原理与蒸汽喷射泵没有太大的差别。最初用的工作流体是汞。第一次用油类作为工作流体是在1928年。下面主要讨论油扩散泵及其附件。,91,（）泵的抽气机理,典型的扩散泵有一个垂直的、通常是圆筒形的泵体，泵体上固定着一个入口法兰，以便了连接到系统上进行抽气。圆筒的底部是封闭的，形成一个锅炉，锅炉与加热器固定在一起。泵体上部的三分之二缠绕着冷却水管或水套。出口管道设置在泵体下部的一侧，以便将被抽气体或蒸汽排到前级机械泵。图1中的剖视图给出了单级扩散泵的示意结构。,92,喷射系统（导管系统）安置在泵体中。它由顶部盖帽的同轴圆管组成，并与张开的末端配合形成喷嘴，泵工作液蒸汽经过喷嘴可以高速按预定方向喷出。这里没有机械运动部件。工作时，由固定在泵底下部的电炉元件加热，将锅炉中的工作液体变成蒸汽。蒸汽流在导流管中上升，通过环形喷嘴间隙向由水冷却的泵内壁喷射。,93,达到泵入口的气体分子为泵工作蒸汽流所携带，并获得向下的动量。蒸汽流通常以超音速流动。气体蒸汽混合物向前级管道方向运动。喷射流中的油蒸汽碰到水冷却泵壁后冷凝，以液体形式重新回到锅炉。而被携带的气体分子则继续流向出口，在泵出口处被机械泵抽走排到大气中。冷凝的油蒸汽沿泵内壁流回锅炉，再加热后又被蒸发，以维持到喷嘴处的蒸汽流和抽气的连续性。图2是典型的多级扩散泵的剖视图。,94,扩散泵的抽气作用是由蒸汽与气体分子的碰撞，动量交换形成的。气体分子难于逆流方向上穿越蒸汽流，回到泵的入口处。由于蒸汽射流两侧出现了压强差（分子密度差），由蒸汽射流形成的压缩比可以近似地表示为下式式中为蒸汽流密度，u为蒸汽流速度，L为蒸汽流的宽度，D为扩散系数，它与蒸汽和气体分子的直径和及分子量M1和M2有关。,式中下标1为被抽气体，2为抽气流体。由此可知，较轻的气体压缩比是很低的。,96,97,98,扩散泵的工作压力范围：扩散泵的适用压强范围在10-810Pa之间。无辅助的低温抽气在不加烘烤的情况下所能达到的入口压强约为10-6Pa。对运用的泵结构，高压强端的稳态压强（在泵入口处）一般不超过110-1Pa，如果借助低温抽气，如用冷阱（液氮）可以获得约10-8Pa的入口压强。,99,扩散泵的级数，或喷嘴的数量，取决于其性能规范。单级泵不能同时有高抽速和高压缩比。一般来说，入口处的第一级具有高的抽速和低的压缩比，最后一级（排气级）正好相反。小泵常常有23级，大泵有56级。开头几级有环形喷嘴，排气级有时有一个圆喷嘴。有时为了获得某种性能，将两个扩散泵串联使用。这样，有增加压缩级数的作用，而且允许两个泵使用不同的工作液。,100,蒸汽和气体分布：工作液在锅炉内蒸发升高了蒸汽压强，（势能）经过喷嘴射出高速蒸汽流（势能转化成动能），气体在抽气方向上被蒸汽分子碰撞，动量传递给气体分子而被抽除。因为扩散泵用的工作液在室温下容易冷凝，所以可在一个紧凑的空间内安装一个多级喷嘴的导流系统。蒸汽流与被抽气体的相互作用，可通过实验来测其密度分布（如图3），即分子密度及蒸汽到达泵壁的分布（图4），喷嘴出口处气体相对减少，可以排放气体被逐渐压缩的状态。以下各级以次类推。,101,扩散泵的特性曲线。扩散泵的抽速与入口压强的关系用曲线图表示。如图3所示。曲线由四段组成。靠左段，可见抽速在极限真空附近明显降低。再向右段为抽速恒定部分，由于在分子流状态下，通导是恒定的，与压强无关。蒸汽捕获效率是恒定的。标有过载的部分是一段排气量恒定的阶段，这表明已达到最大的排气能力。右边最后一段曲线表明，前级机械泵大小对扩散泵性能的影响很大。,102,图3扩散泵的抽速曲线,103,（2）抽速,泵的抽速是指泵入口平面处的抽速。把泵和被抽容器连接起来的管道，阀门，障板和阱，对气流产生流阻，引起压强差。在分子流条件下，障板和阱的流导，在数值上等效于泵的抽速。因而，在容器抽气口处的抽速很可能是泵抽速的1/2或1/3。因为有放气、漏气等原因，高真空系统中，气体负荷总不会是零。所以真空室的极限真空总是低于泵的极限真空。通常假定扩散泵在系统压强高于10-1Pa以上时，工作是不稳定的。,104,尺寸的影响：已生产的扩散泵入口法兰尺寸从5cm到120cm甚至更大。大泵与小泵的差别是油蒸汽从喷嘴到泵壁或冷凝表面所经过的距离。显而易见，在油蒸汽到达泵壁时，大泵中的油蒸汽密度低于小泵中的油蒸汽密度。即5cm口径的扩散泵的抽速稳定段可延伸到310-1Pa，而120cm的大泵，其稳定段也能达到310-2Pa的原因。在稳定工作区域相差一个数量级是很明显的。在系统设计中必须要考虑到这一点。为了改善大泵的高压强工作特性，,105,必须采取特殊措施（相应地提高功率输入，增加泵的级数）。应该注意到大泵和小泵的几何形状并不相似。但小泵和大泵的锅炉压强大致是相同的，因为要限制泵工作液的最高蒸发温度，以避免热裂解。因此，对所有的泵来说，喷嘴出口处蒸汽密度几乎是相同的。但是蒸汽既向轴向又向径向膨胀。我们可以假设蒸汽的密度与离喷嘴的距离的平方成反比，因此，射流越靠近泵壁，密度则越低，以致于在较高压强下抽除气体分子的效率低下。,106,对各种气体的抽速：扩散泵的抽速与每种气体的分压强有关。每种气体都有各自的抽速，都有各自的极限压强。通常测得的极限压强是由残留在系统中的泵工作液蒸汽裂解物或水蒸气造成的。如果泵设计不合理，对He和Ne的抽速可能要比对空气低得多。需要时要对不同气体分别进行测量。真空系统中经常存在的气体有H2、He、水蒸气、CO、CO2、N2和Ar。一般说来对He的抽速比空气的高约20%，H2的抽速比空气的约高30%。障板和阱对轻气体的阻抗要比对空气的低一些。在相同挡板的条件下对轻气体的抽速相对高于对空气的抽速。,107,（）抽气量,最大抽气量通常比抽速更重要。最大抽气量值取决于扩散泵给定的加热功率。抽气量和功率在量纲上是相同的。目前所设计的泵，用的是现代泵工作液，要获得160Pal/s（1.2Torrl/s）的最大抽气量需要1KW的功率。因为1000Pal/s=1W。所以扩散泵的效率160Pal/s=1.6W与1000W之比为1.610-4。由此看出扩散泵的效率是很低的。最大抽气量是对应的入口压强那一点是很重要的，低于这个压强点，抽速对压强是恒定的，高于这个压强点，抽气量对压强是恒定的。,108,用压强对抽气量的曲线，如图4所示，这样就很容易看清大抽气量和压强稳定的范围，以及超出此范围的过载概念。要记住，对于给定的系统，给予泵的气体负荷，泵便有一个入口压强。这有助于选择所需泵的大小。,109,图4抽气量与入口压强的关系曲线,110,（）前级压强,扩散泵是为高真空的应用而设计的，其锅炉压强一般是133200Pa（11.5Torr），即意味着泵的最大压强可达200Pa（1.5Torr）。另外，扩散泵的工作液不能在高压强下沸腾，因为高温会使泵工作液分解，所以扩散泵必须要有一个泵作为前级，以便在扩散泵的排气口处形成低于67Pa（0.5Torr）的压强。扩散泵的许可前级压强是在前级管道处的最大许可压强。超过许可的前级压强就破坏了扩散泵的抽气作用。从本质上说，当前级管道中的压强超过某个值（通常为0.5Torr左右）时，泵的排气级的蒸汽就没有足够的能量和密度来对前级管道中的空气形成屏障。于是会使空气携带泵工作液蒸汽反向穿过扩散泵。,111,现在扩散泵的锅炉压强大约为1.5Torr，允许前级压强约为锅炉压强的一半，此值由实验可以获得泵的入口压强与出口压力的关系。最大出口压强是最后一级喷嘴的工作状态决定的。主要取决于蒸汽射流的密度和喷嘴的蒸汽流量和最后一级喷嘴的结构。为了提高最大排气压强，必须提高最后一级的蒸汽射流的密度和流量，即提高泵的加热功率。最大排气压强与加热功率成线性关系。在多级游扩散的结构中，最后一级喷嘴常作成喷射型结构。最大出口压强一般规定为40Pa。,112,对前级泵的要求：为给定扩散泵选择合适的前级泵，必须考虑的几个问题。首先是作粗抽泵用该多大，它是否既作粗抽泵又作前级泵用？其次是否要求前级泵在扩散泵的最大抽气量下运行？最后，扩散泵的最大许可的排气压强是多少？还有前级管道的容积（如设储气罐）有多大？在满负荷条件下，前级泵的抽速由下式求得：,113,式中Qmax为扩散泵的最大抽气量，P2为最大许可的前级压强。S2为前级泵的名义抽速。若考虑安全系数和前级管道的阻力影响。通常安全系数可以是2。下面举个实例说明。假设一个泵满负荷（最大抽气量）时的最大抽气量是4Torrl/s（即532Pal/s），允许的前级压强为0.5Torr（67Pa），则前级泵抽速为：假设两泵之间的流导没有受到过大限制，那么，选择名义抽速为14l/s的泵做前级泵是合适的。（如按安全系数为2考虑应为16l/s）,114,（5）极限压强：,关于泵的极限压强问题，可能有两种意见。极限压强可以被看作是气体负荷的极限或压缩比的极限。两种看法都有实际意义。后者常适于抽轻气体。无论压强如何降低，蒸汽流的抽气作用都不停止。泵的极限压强取决于抽走的和反扩散的分子数之比，再加上气体负荷与抽速之比泵本身可能通过泵工作液蒸汽及其裂解物的返流以及部件的放气形成气体负荷，测得的总的极限压强实际上是几种因素的组合。一般观察到工作液影响最大。虽然用最好的工作液，在低于10-6Pa的情况下，必须对系统进行烘烤除气后才能得到。,115,障板和阱的作用：水冷障板使冷凝或截获的工作液使之不能再蒸发，因此在阱和挡板中间的空间中，蒸汽的密度减少了。减少了蒸汽分子间的相互碰撞，增加了蒸汽分子碰撞低温表面的几率，即降低了通过低温阱的几率。低温阱有两个基本作用：对泵向系统的可凝性蒸汽流的阻挡作用，对从系统中释放出的可凝性蒸汽又起低温泵的作用。在多数情况下，后者对极限压强起主要影响。在初抽后的不烘烤的系统中，水蒸气可能占剩余气体的90%，使冷阱冷却很容易增加对水蒸气的抽速（一般到23倍）。,116,对轻气体的压缩比：如前所述，对轻气体的压缩比（入口压强与出口压强的关系）可能是相当小的。据测量报道：H2是310210，He是10210，Ne是1或210，CO和Ar为10，和Kr为（35）10，nC2H3是710。就极限压强而言，H2可能是残余气体成分的主要部分，因为它存在于金属，泵工作液及水蒸气中。对超高真空工作来说，这是个重要问题。此时，一些扩散泵可能需要串联第二个泵。,117,泵工作液的选择：各种有机液体已经用于扩散泵的工作液。选择工作液的标准是：在室温下蒸汽压要低，热稳定性好，化学惰性，无毒性，表面张力大，以便将蠕爬减到最小程度，闪点和燃点要高，室温下有适当的粘度，汽化热低，成本要低。例如常用的DC705油，分子量546，25蒸汽压510-Pa，闪点243，粘度（25）170（cst）；表面张力30.5（达因/厘米）。,118,有资料报道：用DC705油的工作特性：用水冷挡板时极限压力可达10-7Pa，用-20障板时极限压强可达10-Pa。在不用低温阱的系统中，其极限压强是工作液的蒸汽压所能达到的最小值。工作液沿壁冷凝后的去气可用控制锅炉附近泵壁温度来实现。即锅炉附近的泵壁温度足够高，使工作液回入锅炉前去气。这样可使极限压强得到明显的改善。增加热输入常可以增加泵的压缩比，但也会破坏极限压强。,119,（）返流,泵工作液进入真空系统中的任何迁移都可称为返流。泵的返流率常指无障板泵的入口平面的返流率。就扩散泵本身而言，可能存在如下一些返流源：来自顶喷嘴边缘的过分发散的蒸汽流；顶喷嘴帽处密封不良而造成的穿透；顶喷嘴喷出的蒸汽流上层蒸汽分子之间的相互碰撞,120,气体分子与蒸汽分子之间的碰撞，尤其在高气体负荷下（10-110-2Pa区域）流回的冷凝物在进入锅炉之前（在喷嘴部件和泵壁之间）沸腾，使一些工作液的飞沫向上穿过射流蒸汽；冷凝液从泵壁上蒸发以上各项返流源，通过合理设计可以解决。,121,所有能用室温障板停止或截止的返流称为一次返流，泵工作液从障板上再蒸发穿过障板称为二次返流。一次返流可用冷帽进行有效控制。在有液氮阱的系统中，除了偶然事故和高气体负荷工作情况之外，返流可以控制得足够低。在离入口两倍泵口直径D的位置处，返流率一般可以降到1/50，入口管道弯90度，可起到挡板的作用。这样，返流率可以降到该环境温度下工作液自然蒸发速率的水平。没有低温阱不可能进一步降低返流率。（图5）,122,扩散泵阱的最佳设计，可获得40%的净抽速，返流率降到110-7mg/cm2min（在阱的入口平面处）。这个值已被测到。图5返油率的降低,123,表面迁移：一些泵工作液可能有蔓延到金属表面形成油膜的趋势。表面张力为30达因/厘米以上的工作液不会在普通的金属表面上蔓延。这类工作液不在覆盖于金属表面上的自身的单分子层上蔓延。泵工作液的损耗：通常工作液面高度30%变化不会有明显影响。当液面太低时，会导致锅炉表面过热，长时间对大泵可能引起锅炉底变形，中心可能露出液面，导致进一步过热，造成加热器与泵底接触不良，使加热元件过热引起故障如果液面过高，加热过程可能使工作液起泡沫，使液面上升与排气管道同样高的位置。,124,工作液的损耗除正常返流之外，在接近最大抽气量下长时间工作，高压强和高速的空气以正向或反向事故性地流过泵，温度分布不当造成高蒸汽压的工作液的蒸发。当气体负荷相当低时，扩散泵工作液可以工作许多年而不用添加或更换。在加速器系统上工作超过10年的扩散泵的报道。在大泵中为了减少损耗，一些泵内装有前级挡板。,125,冷帽是现代扩散泵所必备的，可使返流率降低到1/50或更小。冷帽通常用铜制成。要用水冷却。当温度低于80时足以使冷帽有效地冷凝。当高于105时，冷帽基本上失去作用。为了保持冷帽正常工作，必须将冷帽与热的顶喷嘴帽进行隔热。并留有适当的间隔，以免高粘度的泵工作液在冷热两部分之间积聚。,126,扩散泵压强稳定性：扩散泵系统偶然出现压强的不稳定，可能是泵外原因和泵内原因。泵外部原因有：（1）合成橡胶密封件产生气泡；（2）障板上出现液滴；（3）前级管道内轻气体的压强高；（4）抽气量过载；（5）冷阱除霜；（6）阱中冷冻层爆裂。泵的内部原因为：（1）喷发和不稳定沸腾；（2）在喷嘴组件外部沸腾；（3）轻气体的低压缩比；（4）喷嘴中的液体微滴；（5）顶喷嘴温度太低；（6）锅炉附近泄露。为防锅炉溅起工作液加一障板来消除。顶喷嘴温度过低导致蒸汽流间断，从而造成无规律的压强变化。,127,轻气的低压缩比可能引起压强的不稳定。除增加级数外，可增加功率是有益的。合成橡胶密封产生的气泡是压强突然上升的主要原因。入口法兰是最薄弱的部位。O型圈密封槽的精心设计可将这种不稳定性减少到最小程度。障板上的液滴落到顶喷嘴帽的热表面上进行蒸发。所产生的蒸汽也会影响抽速，据报道，轻气体在泵入口处的压强波动10%。扩散泵的冷却方式，视大小泵不同。通常小泵用风冷（口径最大为10cm），大泵用风冷是行不通的。,128,2.其他高真空获得设备,129,2.1牵引分子泵,牵引分子泵和涡轮分子泵与扩散泵在性能上有许多方面相似。扩散泵中的被抽气体分子在与蒸汽分子相碰撞过程中得到动能。而在分子泵中的被抽气体是靠与快速运动的固体表面碰撞而获得动能的。分子泵有两类：第一类是有整体的运动表面（圆筒型、圆锥型或圆盘型），当气体分子在运动表面（转子）和静止表面（定子）间多次反射时，运动将他们牵引到泵的排气侧；第二类，有一系列类似于轴流压缩机的叶片。每个压缩机由一个动盘和一个静盘组成。这后一种结构的一个优点是同一表面不会周期性地暴露于高压强下和低压强下。这种牵引分子泵的结构如图1所示。,130,图几种牵引分子泵的结构示意图,131,一般泵的入口压强为1Pa。特殊构造的可超出1Pa，并能向大气排气，这样的泵不适于反复迅速排气，只适于粗抽后的连续排气。由于排气量低，容易卡住，应用较少。,132,2.2油喷射泵,可将油喷射泵看成为增压泵和水蒸气喷射泵之间的过渡。油增压泵与扩散泵很相似，增压泵设计得使性能曲线平移，这样，其对应的入口压强比普通扩散泵提高的大约10倍。它们使用具有较高蒸汽压的泵工作液（如增压泵油）。因此其锅炉压强和许可出口压强也相对较高。它们被用于高气体负荷的场合（如真空冶炼），并且在1Pa附近常有最大抽速。最近期间由于更有效的扩散泵和机械增压泵的进展，油增压泵的使用已经减少了。,133,油喷射泵进一步向高的入口压强方向发展。除了有整体加热器和水冷扩压器外，外型和蒸汽喷射泵相似。由于机械增压泵的出现，这样泵很少应用了。,134,2.3水银扩散泵,用水银作泵工作液可使锅炉内压强和入口压强的范围扩大。小型水银扩散泵排气压强可达50Torr（6650Pa）。理论上，排气压强甚至可达到大气压。在下列情况下使用水银扩散泵是有优越性的。例如被抽容器内充满水银蒸汽；泵必须处理突然出现的大的气体负荷；不允许碳氢化物污染。,135,室温下水银的蒸汽压接近1.510-3Torr（0.2Pa）。因此，必须考虑水银的返流和捕集问题。通常，水银扩散泵与障板、液氮冷阱一起使用。水银泵是有毒的，为避免散落，必须小心地处理水银蒸汽。水银扩散泵的详细操作和性能详见专门的文献介绍。,136,2.4吸附泵（高真空）,普通表面或多孔材料对气体分子的物理吸附或吸收可用来获得高真空。可以在任一压强下利用吸附或吸收技术，但由于实际上的限制，它只能作某种特殊应用。为了消除油封机械泵产生的碳氢化合物污染的可能性，吸附泵常用于超高真空系统的粗抽，并且常与干式无油机械泵一起使用。抽气步骤依次使用两台或三台吸附泵，可以从被抽容器中排走大量的空气。通过离子吸气剂泵抽气，可以获得足够低的压强而不使其过载。,137,利用吸附泵获得高真空，可以通过升温将吸附的气体解吸，然后回到室温，也可冷却到低温。商业用吸附泵通常是为获得前级真空而设计的。然而，用类似结构的泵进行多级抽气也能获得高真空。但要有较高的入口流导。,138,3超