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培训系列之5(张以忱)：真空获得设备原理与技术基础
东北大学第九期《真空技术》培训班真空获得设备原理 及技术基础主讲人：张以忱经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意， 任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。东北大学第九期《真空技术》培训系列之? 一. 真空技术概况 （巴德纯） ? 二. 真空工程理论基础 （孙丽娜） ? 三. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯） ? 四. 真空系统组成与设计基础 （岳向吉） ? 五. 真空获得设备原理与技术基础 （张以忱） ? 六. 真空测量技术基础 （刘玉岱） ? 七.真空镀膜技术基础 （张以忱） ? 八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱） ? 九. 真空冶金技术基础 （王晓冬）? 十. 真空与低温技术及设备 （徐成海）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1. 液环式真空泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1 液环泵的工作原理及特点液环泵是一种粗真空泵，极限压力： ? 单级泵：2.66～9.31 kPa； ? 双级泵：0.133～0.665 kPa ； ? 串连大气喷射器：0.27～0.67 kPa ? 液环式压缩机，工作压力范围：（1～2） ×105Pa（表压力） ? 用浓硫酸做工作介质：压力可达 6×105 PaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1.1工作原理如果以叶轮的上部0°为起点， 那么叶轮在旋转前180°时小腔的 容积由小变大，且与端面上的吸气 口相通，此时气体被吸入，当吸气 终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶 轮继续旋转时，小腔由大变小，使 气体被压缩；当小腔与排气口相通 时，气体便被排出泵外。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图1-1 液环泵工作原理图A──吸气口 B──排气口 1──叶轮； 2──液环； 3──橡胶球 4──泵体Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1.2液环泵的特点液环泵与其他类型的机械真空泵相比有如下 优点： ? 1）结构简单，制造精度要求不高，容易加工； ? 2）结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动 机直联，无须减速装置。故用小的结构尺寸， 可以获得大的排气量，占地面积也小；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 3）压缩气体基本是等温的（通常多变压缩指数n=1.1~1.15），即压缩气体过程， 温度变化很小； ? 4）腔内无金属摩擦表面，无须对泵内进 行润滑，且磨损很小，转动件与固定件间 的间隙可由液体来密封； ? 5）吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单， 维修方便。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China液环泵也有其缺点： ? 1）功率消耗大，效率低，一般在30%左 右，较好的可达50%。； ? 2）极限压力高，它取决于液体种类； ? 3）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。用水作工作液，极限压强只能达 到Pa。用油作工作液，可达 130Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2 液环泵的基本类型与结构1.2.1 基本类型? 1）单级单作用液环泵:单级叶轮每旋转一周，吸气排气各进行一次。抽气效率较低。 ? 2）单级双作用液环泵：单级叶轮每旋转一周， 吸气、排气各进行两次。抽气效率较高。 ? 3）双级液环泵：由单级单作用泵串联而成。 ? 4）气体喷射泵＋液环泵机组：可以提高低压下 的抽速，扩大了液环泵的使用范围。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2.2液环泵的基本结构图1-2水环泵的结构图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China水环泵主要由泵体、叶轮、端盖组成。泵体：内腔加工精度要求不高，但对铸件毛 坯有要求（不能有砂眼、疏松等铸造缺 陷） ；叶轮：为整体铸造形式，材料有球墨铸铁、 不锈钢（耐腐蚀）等。 可以做成直叶片（限于小泵）；一 般做成向前弯曲的叶片，前弯曲叶片有利 于水环的稳定和提高水环的圆周速度，提 高泵的极限真空度；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China端面圆盘：开设有吸排气口，沟通泵腔（叶 轮舱）与泵侧端盖的吸排气通道（口）； 泵体端盖：小泵的单侧端盖上开有吸、排气口，大泵为了满足抽、排气量的要求，增加吸气面积，两侧都开有吸、排气通道， 在泵体的外部用管路将两侧的吸、排气口 并联起来，以增加吸排气通道面积；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2.3 注意的2个问题1） 过压缩现象：封闭小腔没有到达排气口，其内 气体已经达到排气压力（一般常发生在大泵中， 且吸气压力较高时容易发生）； 2）压缩不足现象：封闭小腔与排气口接通，但其 内气体尚未达到排气压力（常发生在吸气压力较 低时）。 ** 以上现象均与吸入气体压力变化，而泵的两口位 置（压缩比）固定不变有关。 带来问题：消耗功率多（浪费能源），降低泵的抽 气效率。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China解决问题的办法：1）在排气口前设置橡皮球阀：当小腔内气 体过早达到排气压力时，球阀打开；图1-3 橡皮球阀结构示意图 1- 进气管 2- 排气管 3- 排气口 4- 吸气口 5- 橡皮球阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2）采用柔性排气阀设计（专利），避免过 压缩现象。柔性排气阀通过自动调节排气面 积而降低泵的能量消耗。从而达到最佳运行 效率。 3）设计时，以最低吸入压力（极限压力） 来确定泵的压缩比（排气口位置） 压缩比 ＝ P出 / P入＝V入 / V出 设计时： P入 取极限压力Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.3 水环泵结构的改进－Nash泵泵内部进气口和排气口的改进 ( * 最重要的改 进) 平面式泵：进气口和排气口设计在平面 端面（圆盘）上； 锥体式泵：进气口和排气口设计在锥体上。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图1-4内部进气口和排气口的改进Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图1-5锥体泵上部进气和下部排气的结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4 液环泵的使用1.4.1 工作液 在多数的水环泵中，其工作温度 约为15～20℃，它取决于所补充水的 温度。 在排气时和密封处都会有水的损 失，所以也要补充新水。 由于油的蒸气压较低，双级液环 泵使用油作为泵的工作液体可获得较 低的极限压力。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4.2 气蚀现象当泵接近极限压力时，泵入口处的水开始出现沸腾现象（接近饱和压力）。当转至泵的出口时，水中所形成的气泡开始破裂。这样就会产生很 大的噪声，同时泵的驱动轮和泵腔等部件被逐渐破坏。这种现象通常称作气蚀现象。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China预防措施：? 降低工作液温度 ? 在入口管道上开小孔? 使用气体喷射器? 工作液采用更低饱和蒸汽压的液体 ? 叶轮采用防汽蚀能力较强的材料Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4.3 水环泵机组因工作液的关系，很少 使用三级或多级液环泵。液 环泵常和气体喷射泵、水喷射泵和罗茨泵串联使用。在液环泵的入口串接一 个气体喷射泵。 目的：提高机组低压下 的抽速和极限真空度。图1-6 空气喷射－双级水环 泵机组（西门子中国）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2．往复式真空泵往复式真空 泵又名活塞式真 空泵，属于低真 空获得设备之一。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.1 往复泵的特点优点：它与水环泵相比较，具有真空度高、 消耗功率低等优点；与旋片泵相比较，它 能被制成大抽速的泵。 缺点：这种泵的主要缺点是结构复杂，老式 泵带有牵引移动配气装置。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.2 往复泵的分类往复泵从结构形式上可分立式和 卧式两种；从级数上可分单级、双级 和四级泵；从抽气方式上可分为单作 用和双作用；从润滑方式上可分有油 的和无油的。一般单级泵可获得极限 压力为Pa，双级泵极限压 力可达4-7Pa，三级泵极限压力可达 0.1-2.6Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.3 往复泵的结构和工作原理2.3.1 结构 主要部件有气缸1 及在其中做往复直线运 动的活塞2，活塞的驱 动是用曲柄连杆机构 3(包括十字头)来完成的。 除上述主要部件外还有 排气阀4和吸气阀5等重 要部件，以及机座、曲 轴箱、动密封和静密封 等辅助件。图 2-1 往复泵的结构和 工作原理 1、汽缸 2、活塞 3、曲柄连杆机构； 4、排气阀；5、吸气阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China近年来，在改进往复泵结构方面 做了不少工作，采用固定气阀代替移 动气阀，简化了结构，改善了性能。 除此之外，国内外对降低往复泵的功 率消耗，减少泵的振动噪声，提高转 速，缩小体积等方面都做了不少工作。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.3.2 工作原理当活塞在气缸内从左端向右端运动时，由 于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度 减小，而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体 经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位 置时，气缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞 从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。气缸内 的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当 气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时， 排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个 工作循环。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4 极限压力当泵的吸气量为零时，此时，泵 入口的压力值称为极限压力。通常滑 阀式往复泵真空度较高，固定阀的往 复泵真空度较低。这里以固定环状阀 立式往复泵为例，讨论影响真空度的 因素和解决办法。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.1 吸、排气阀的阻力损失吸、排气阀的阻力损失愈小，则泵的耗能 小、温升小，可提高相对容积系数，降低泵的 极限压力。具体措施是：? 1)设计超薄型气阀，阀盖、阀座减薄之后减小了气道长度，缩小了流动阻力，减少了阀孔造成的 余隙容积。 ? 2)尽可能设计大直径的气阀，以增大气阀中气流 通道面积，减小阀隙气速，日本规定设计真空泵 气阀的气速&30m/s，我们可以借鉴。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 3)弹簧力太大，气阀的阻力大；弹簧力太小，阀片又不能及时关闭。所以， 弹簧力大小要设计得恰到好处。? 4)采用超薄型环状阀片，以减轻其重量，有利于在压差较小时能够开启， 达到降低极限压力的目的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.2 余隙容积V0余隙容积对真空度的影响很大，设计时 应尽可能减小余隙容积。减小余隙容积的措 施有： ? 1)轴向布置气阀。适于气缸直径较大，轴向 能布置气阀的情况。 ? 2)气阀尽可能布置得靠近气缸中心，不产生 偏置，否则会增加余隙容积。 ? 3)采用超薄型气阀、阀盖、阀座，使气阀通 道造成的余隙较小。 ? 4)气阀装到阀腔以后，气阀内凸表面与缸盖 平齐，以减小余 隙容积。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 5)活塞到外止点时，活塞螺母与螺母腔之间的空隙取得小一些，以减小余隙。 ? 6)活塞到内、外止点时，活塞端面与缸盖 或填料箱之间的止点间隙取小一些(如 0.8mm)。 ? 7)活塞上、下活塞环沟槽外缘厚度取得较 小。 ? 8) 平衡通道的横断面积在保证平衡气流畅 通的情况下不宜取得太大，否则会影响余 隙容积。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.3 曲轴的转速及活塞行程往复泵转速不宜太高，因为转速高， 在一定的抽气速率下，行程就短，为装 气阀缸径又不能太小，则会引起余隙容 积增大，膨胀线和压缩线变短，对提高 真空度不利。特别是转速快了后，平衡 通道的作用就不明显，来不及平衡气体。 转速太高以后，气阀的动作也跟不上， 易产生滞后现象，不利于真空度的提高。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China日本对移动阀的往复泵，曲轴转速规定不 能超过250r／min，对不开平衡气道的固定阀 真空泵，曲轴转速也不能超过500r／min。活 塞的平均线速度=不应大于1.85m／s。 行程与缸径之间关系，日本规定D／ S=1.5-3.5，为保证往复泵的真空度，行程S不 能太小，否则真空度不会高。 为提高往复泵的真空度，应该采用低转速、 长行程。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.4 填料密封的性能填料密封性能的好坏对泵的真空度影响较 大，密封不好，空气会漏入气缸，降低泵的真 空度。日本设计的无油润滑往复式真空泵的填 料采用了5道密封环，如图2-2所示，隔环采用 L形，密封性能较好。图2-2 日本真空泵用填料密封Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China国内采用5道填充聚四氟乙烯密封环， 在填料的外侧还设置了两道刮油环，以阻 止机身中的油进入气缸，如图2-3所示。图2-3 国产真空泵用填料密封Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.5 活塞环的密封活塞环的密封好坏对真空度的影响也很 大。对无油润滑的往复式真空泵，日本采用2 道填充聚四氟乙烯环或石墨作为活塞环，如 图2-4所示。活塞环为开式，环内孔处加了张 力环，以保证活塞环的弹力，提高密封效果。 另外还设置了2道导向环(或称支承环)，导向 环为整圈式。 图2-5采用了4道活塞环和1道导向环，密 封性能较好，二级抽气真空度可达104.5Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China国内LVP型真空泵采用的活塞环如图2-6 所示，活塞环槽为两个，每槽中放两个活塞 环。活塞环采用填充聚四氟乙烯材料，活塞 环内侧加了张力环。这种结构的优点是既保 证了密封效果，又减小了活塞的轴向高度。图2-4图2-5图2-6Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5 设计中的几个问题2.5.1 开平衡通道 平衡气道可以帮助活塞顺利通 过死点位置。图2-7 带平衡通道泵的示功图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5.2 往复泵活塞环的设计活塞环的作用是减少压缩侧的气体泄漏到 吸气侧，以提高泄漏系数，增大排气量。在 接近极限压力时，若活塞环密封不好，必然 会影响真空度。 一般往复泵常取4道活塞环。活塞环典型 结构如图2-4、图2-5、图2-6所示。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5.3 无油往复泵的设计问题设计无油往复泵的关键是活塞环 和密封环或填料函的自润滑材料。目 前使用最多的是填充聚四氟乙烯材料。 另一种新兴的密封材料是碳纤维增强 聚四氟乙烯(CFRP) ，其耐磨性、耐热 性、强度及弹性模量均高于其他填充 聚四氟乙烯，自润滑性能优异，最近 几年发展很快。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China为减少活塞杆处的填料密封，无油往复 泵常采用无十字头的结构，如图2-8所示。 这种结构使泵的尺寸和重量都减小了，成本 降低了，但在曲轴箱内需抽真空，曲轴伸出 端必须采用无油机械密封。图2-8 无十字头往复泵示意图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China为降低往复泵的极限压力，美国瓦里安 (Varian)公司开发出一种四级往复泵，如图 2-9所示。图2-9 三级无油往复泵示意图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3. 油封机械泵3.1 旋片式油封真空泵图3-1 2X型旋片泵图3-1 2XZ型旋片泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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.33×10-2 Pa，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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.2 旋片泵的工作原理与结构特点3.1.2.1 工作原理旋片把转子、泵体、 端盖形成的月牙形空间分 隔成A、B、C三部分。 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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China①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）。 ②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） 。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China③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H－ 200，250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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2. 转子转子结构有三种形式：整体式、 压套式和转子盘式。 ①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；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China②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；③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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-6 转子结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3. 旋片①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6～ 14 mm）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China②旋片材料国内一般用 45＃ 钢、H250、QT 或 20＃钢淬火（硬度：HRC40～45） 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 0.8×10－5 ～ 1.1×10－5 l/℃； 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-7 排气阀结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-8 双级泵结构示意图Ⅰ－高真空级； Ⅱ－低真空级； 1－中间辅助排气阀；2－通道；3－低真空级排气阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.3 旋片泵的运行与维护3.1.3.1 油蒸汽返流图3-10 油蒸汽返流量与气流量的关系Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China防止油返流的措施主要有：? 1）在泵入口管道上设置放气阀，使入口压力维持在10Pa或更高。这样可减小返流98% ； ? 2）对于单级泵，在泵运转时打开气镇阀就能 很好地防止油的返流。 ? 3）在泵入口设置吸附挡油阱，可以降低机械 泵的返油率。 常用的挡油阱有：离子阱、吸附阱、液氮 冷阱等。 ? 4）使用返流量小的特殊泵油，但价格较贵。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.3.2泵的起动与停止? 1）在泵安装时要注意电源线的连接，以保证旋转方向正确，避免泵油被排到真空室。 ? 2）泵设置反向制动，当电源线接错时，泵 不能启动，以防止泵的反转。为防止电机 烧坏，设置温控过载开关。 ? 3）在泵入口处设置停泵压差阀(图3-11)， 以防止气体和泵油返流进入真空室。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.3.3 泵油的过滤和更换为防止泵油中 的粉尘、颗粒物质 随泵油一起进入泵 腔，在泵运转过程 中应设有连续过滤 装置。图3-12是油 过滤器结构简图。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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)。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.2 滑阀式油封机械泵图3-15 H-150型滑阀式油封机械泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.2.1 概述滑阀泵应用范围和使用条件与旋 片泵基本相同。 滑阀泵因其结构特点，容量比旋 片泵大得多，常用在大型真空设备上。 滑阀泵有单级和双级两种形式。单级 泵的极限压力对小泵≤0.6Pa，对大泵 ≤1.3Pa，双级泵的极限压力≤0.06Pa （均关气镇）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China滑阀泵的旋转质量有较大偏心 ，如没有 很好的质量平衡，会产生较大振动。但泵旋 转质心的运动轨迹是形状复杂的封闭曲线， 很难实现对滑阀泵惯性力的完全平衡。 滑阀泵的振动限制了泵转速的提高，泵 转速一般在350～600r/min，个别也有达 1000r/min以上的。 新型三腔滑阀泵的出现，较好地解决了 滑阀泵的质量平衡，使泵的振动得到了有效 的控制，泵转速也可相得到提高。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.2.2 工作原理图3-16 滑阀泵工作原理图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China泵主要由泵体、偏心轮、滑阀组件和导轨等组成。 与泵腔同心的驱动轴带动偏心轮旋转，偏心轮带动 滑阀环运动，使滑阀杆在导轨中上下滑动和左右摆动。 滑阀将泵腔分成A、B两个部分。当驱动轴按图中所示 方向转动时，A腔容积增加，压力降低，气体经滑阀杆 A腔一侧的开口进入A腔，此时处于吸气过程。当滑阀 处于左上方位置时（图3-16c中），A腔容积达最大， 此时进气口与A腔隔绝，完成吸气过程；B腔容积减小， 压缩气体。当B腔内气体压力达到排气压力时，推开油 封的排气阀，开始排气。当滑阀处于左上方位置时， 排气终了。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.2.3 结构特点图3-17 滑阀泵结构图1－泵盖；2－气镇量调节阀；3－导管； 4－逆止阀；5－油气分离器Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China与旋片泵相似，滑阀泵也设有气 镇阀，气镇孔开在排气口附近或端盖 上，以排出含有可凝性蒸气的被抽气 体。在泵出口设置油气分离器，以减 少泵油的损耗和对环境的污染。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China振动的控制为减少滑阀不平衡惯性力引起的振 动，对于单缸单级泵，要在驱动轮对 面一侧加平衡轮，并在驱动轮上加不 平衡质量进行平衡减振；对于双缸滑 阀泵，如图3-18所示，（a）为单级并 联，常用于大、中型泵，以提高抽速； （b）为双级串联，常用于中、小型泵， 以降低极限压力，该结构中，两个滑 阀长度比一般为2：1，相差180°设置， 再在驱动轮上加上不平衡质量（见图319）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-18 双缸滑阀泵结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-19 双缸滑阀泵的平衡Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China对三缸滑阀泵，有等长缸和不等长缸两 种型式，以不等长缸为常见，其三缸布置如 图3-20。中间是一长缸，两端各为等长短缸， 长缸与短缸长度比为2:1，相差180°布置。 中间滑阀产生的惯性力由两侧滑阀产生的相 反方向惯性力平衡，因此三缸滑阀泵振动很 小，无需将泵固定在地基上就可正常工作。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-20 三缸滑阀泵滑阀组件Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China排气阀排气阀是滑阀泵中的易损件，也 是泵主要噪音源之一。图3-21是一种 特殊结构的排气阀。在入口压力较高 时，排气量较大，排气阀硬阀板打开； 在极限压力时，只有少量的气泡和泵 油被排出，此时，硬阀板不动，由柔 性阀板打开排气。为防止油的返流， 增加噪声，柔性唇必须在0.01s时间 内完成打开、关闭动作。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-21 排气阀的一种特殊结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China油雾捕集器在滑阀泵出口处应设置油雾捕集 器，用以捕集和回收由排气阀排出的 混在被抽气体中的油滴，既可节省泵 油，又可减少对环境的污染。油雾捕 集器一般有三级：第一级是碰撞罩， 除去较大的油滴；第二级是不锈钢填 料，收集小油滴；第三级是烧结的玻 璃纤维，捕集可见油雾，其结构见图 3-22。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3-22 油雾捕集器1-碰撞罩 2-不锈钢填料 3-玻璃纤维 4-返油阀 5-回油管Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.2.4机械泵油泵油的作用: 1、密封作用 ? 1）防止大气通过排气阀进入泵腔， 使排气阀闭合后密封良好。 ? 2）密封所有相对运动部件之间的间 隙。 2、润滑作用 各相对运动部位间的润滑Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空泵油的基本性能和有关要求? 1）为使真空泵能获得规定的抽气性能，要求真空泵油要有适当的运动黏度和黏度指数，室温饱和蒸 气压低，抗乳化性能好，化学稳定性和耐热抗氧化 性好，闪点高，成本低等特点。 ? 2）真空泵油在使用过程中，由于氧化等原因，一 部分变质，同时又从外界混入各类杂质。当变质成 分和杂质多到一定程度时，颜色变了，黏度和酸值 升高了，析出不溶性的树脂状物质，且蒸气压增高， 这时油的性能恶化，不能继续使用，必须更换新油。 这种不能使用的废油可再生利用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4. 喷射真空泵4.1 概述 喷射泵是利用液体或气体的高速射流携带 被抽气体，使被抽容器内获得一定真空度的一 种低真空泵。 喷射泵具有结构简单、工作稳定可靠、可 抽出含有水蒸气、粉尘、易燃易爆及有腐蚀性 气体等特点，抽气量很大，已广泛应用。其缺 点是能量损失较大，抽气效率较低。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China喷射泵可按工作介质的不同分为水喷射 泵、大气喷射泵和水蒸气喷射泵。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.2 水喷射泵水喷射泵是用水为工作介质，通 过高速射流来引射被抽气体，使被抽 容器达到一定的真空度的低真空获得 设备。单级泵的极限压力为3.3Kpa， 两级泵串联可获得更低一些的极限压 力，但受到水饱和蒸汽压得限制。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.2.1 水喷射泵的工作原理如图4-1 ，具有一定压力的水 经过喷嘴1形成高速射流进入吸入室 2 ，将水的压力能转化为动能；吸 入室内的被抽气体被高速射流强制 携带进入扩压器3，在扩压器中两股 流体进行扩散混合，进行动量和能 量交换，两者的压力和速度逐渐趋 于一致，并且在泵出口处混合流体 的压力高于大气压力而排到大气中。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图4-1 水喷射泵的工作原理图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China泵内流体流动过程? Ⅰ段是水射流与被抽气体相对运动段。液体射流从喷嘴喷出，其边界层对气体的粘滞作用将 被抽气体携带至扩压器渐缩段，此段内气液两 相存在相对运动，且两者均为连续介质。 ? Ⅱ段是气液混合段。在扩压器喉部处水射流表 面波动幅度增大，水射流被剪切分散形成液滴 并扩散到气体中，在高速流动中与气体分子碰 撞进行能量交换，将气体加速和压缩。此段内 液体变为非连续介质，而气体仍为连续介质。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? Ⅲ段是扩压运动段。气液混合介质进入扩压器渐扩段，气体被液滴粉碎成 微小气泡分散在重新聚合成的液体之 中，形成泡沫流。此段内，混合介质 的压力升高，气体被进一步压缩，液 体为连续介质，气体为离散介质。由 于液体的热容量较大，因此气体可认 为被等温压缩。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.2.2 水喷射泵的结构水喷射泵由喷嘴、吸入室和扩压器组成。? 喷嘴的作用是将水的压力能变为动能，其结构对泵的性能影响较大，常用形式有锥形收缩型、圆形薄 壁孔口型、流线型及多孔型等。 ? 吸入室与进气管相连，一般为圆筒形，其截面积为 喷嘴出口面积的6-10倍。 ? 扩压器由渐缩段、喉管和渐扩段组成。渐缩段的收 缩半角为15? ，其作用是使被抽气体顺利进入喉 -30? 管；喉管使液体与气体均匀混合，并进行质量迁移 和能力传递；渐缩段是将气液混合介质的动能转变 成压力能，使被抽气体得到压缩，其渐扩角5? 。 -8?Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China分类:? 按喷射方式可分为:连续喷射式、旋流喷射式以及脉冲喷射式。 ? 按结构形式可分为:单级泵和多级泵。单级泵 按喷嘴结构形式的不同，可分为单喷嘴短喉 管、短喷嘴长喉管以及多喷嘴水喷射泵。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图4-2 单喷嘴水喷射泵结构图1-喷嘴 2-吸入室 3-扩压器短喉管水喷射泵体积小，工作效率低，喉 管长度为喉管直径的5-8倍；长喉管水喷射泵 效率较高，喉管长度为喉管直径的10-60倍。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图4-3 多喷嘴水喷射泵 结构图1-进水室 2-多孔喷嘴 3-吸入室 4-扩压器Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.3 水蒸气喷射泵水蒸气喷射泵是以水蒸气为工作 介质，从拉瓦尔喷嘴中喷射出高速蒸 汽射流来携带被抽气体，从而达到抽 出气体的目的。单级泵的压缩比一般 为8-10，为了获得更低的工作压力， 需多个喷射泵串联起来工作。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.3.1 工作原理单级泵主要由拉瓦尔喷嘴、混合室、 扩压器等组成，如图4-4所示。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China泵的抽气过 程可分为三个阶 段，气流的压力 和速度的变化如 图4-5所示。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.3.2 抽气特性1）单级泵抽气性能参数及影响因素 水蒸气喷射泵的抽气性能可由引射系数 和压缩比来描述。 引射系数为被抽气体质量流率与工作蒸 汽质量流率之比：G ?? G0引射系数反映泵的抽气能力和效率。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China压缩比为泵出口压力与入口压力之比：P4 Y? P 1压缩比反映泵的排气能力以及可以获得 的工作真空度。 泵的抽气性能与工作介质的压力、温度、 流量有关，与被抽气体的种类、压力、温度、 流量等因素有关。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2）变工况时压力沿扩压器轴线的分布若保持被抽容器的 压力不变，调节泵入口 气流量和出口压力，则 扩压器内气流压力与出 口压力和引射系数的关 系如图4-6所示。从图 中可见，泵的引射系数 随出口压力的减小而增 加，即对于不变的入口 压力，压缩比减小，引 射系数增加。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3) 单级泵的抽气特性曲线泵入口压力 与泵抽气量的关 系曲线称为泵的 抽气特性曲线， 图4-7为一定工作 蒸汽压力下泵抽 气量与吸入压力、 极限反压力的关 系曲线。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4.3.3 多级喷射泵系统的组成和结构1. 组成 为获得更高的真空度，可将两个或两个 以上泵串联起来工作，中间设置冷凝器将失 去工作能力的蒸汽冷凝以减少下级泵的气体 负荷。 多个喷射泵、冷凝器以及管路、阀门、 供水、供气系统、测控系统等构成多级喷射 泵系统。图4-8为4级水蒸气喷射泵系统。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2. 冷凝器冷凝器按其安装位置可分为：前冷凝器、中间 冷凝器和后冷凝器。 ? 前冷凝器安装在第一级泵入口之前，当被抽气体中含 有大量可凝性蒸汽，并且蒸汽分压大于冷却水温度对 应的饱和蒸汽压时，可以采用前冷凝器。 ? 中间冷凝器安装在两级泵中间，其具体安装位置和大 小视混合气体中可凝性蒸汽的多少和分压大小以及冷 却水温度而定。在多级泵系统中，中间冷凝器普遍使 用，一般需设置多个中间冷凝器。 ? 后冷凝器安装在末级泵之后，用于消除末级泵的废气 或余热回收，只在特殊情况下设置。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China结构形式:? 混合式冷凝器冷却介质与被冷却气体直接混合进 行热量交换，冷却效果好，且结构简单，在水蒸气 喷射泵系统中广泛使用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 表面式冷凝器冷却介质与被冷凝气体通过固体 表面进行热量交换，便于冷凝物的处理和回收，结 构复杂，冷却效率较低，只在特殊场合下使用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 喷射式冷凝器以压力水为工作介质，经喷嘴形 成高速射流，具有抽吸和冷凝双重作用，适用于 含有大量可凝性气体的场合。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3. 蒸汽加热套? 当泵入口压力低于533Pa时，工作蒸汽急剧膨胀使其温度大幅度下降，会在喷嘴出口处以及扩压 器入口处结冰，使泵抽气性能恶化。为防止上述 现象发生，可在喷嘴和扩压器渐缩段处设置蒸汽 夹套，通入工作蒸汽进行加热。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China4. 启动泵? 在某些工艺过程中，如钢液真空处理等，要求在很短的时间内将被抽容器抽空至需要的真空度。为满 足这种工艺要求和有效利用蒸汽，可在真空系统中 设置启动泵。启动泵与泵系统并联，在喷射泵系统 启动时使用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China5. 工作蒸汽供应系统为保证蒸汽系统的供热质量，使抽气体 统正常有效地工作，供气系统根据需要设置 以下装置： 蒸汽减温或过热装置 汽水分离器 节流降压装置 蒸汽排放装置 被抽气体冷却与除尘装置 消音装置?? ? ? ? ?Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.1罗茨真空泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.1.1概述罗茨泵是一种无内压缩的旋转变容式真空泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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（1×10-1 Pa）； ? 高真空罗茨泵： 多级干式罗茨泵（高真空多级罗茨泵）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China水环－罗茨泵机组2Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China旋片－罗茨泵机组Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China滑阀－罗茨泵机组2Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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0.15～1.0mm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： 500～3000r／min。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）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China结构型式示意图1立式结构卧式结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China传动方式示意图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China结构图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.1.3.4罗茨泵的润滑部位主要有三处 ：? 轴封 ? 齿轮 ? 轴承。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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：5×10-1~1×10-2 Pa ? 极限分压力 ：5×10-2~5×10-3 Pa ? 双级罗茨泵极限全压力：1×10-2~5×10-3 Pa ? 极限分压力 ：1×10-3~5×10-4 Pa 用水环泵作前级泵时： ? 单级罗茨泵极限分压力： 200 Pa ， ? 双级罗茨泵极限分压力 ： 4 Pa 。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.1.4罗茨泵的转子型线? 概述Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.1.4.46.1.4.4.1实际型线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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China装配间隙是确定转子实际型线的根据：δ1―― 转子与泵壳的径向间隙； δ2―― 转子相互之间的间隙； δ3―― 轴活端（如齿轮端）的转子侧面与 侧盖间的轴向间隙； δ4―― 轴死端的转子侧面与端盖之间的轴 向间隙。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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δ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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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5～6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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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：S N i ? ( p2 ? p1 ) S th ? ( ? 1) p1 .S th SfVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China6.2油扩散喷射真空泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China油扩散喷射泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China?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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。?Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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：G ? S1 ? P ? S 2 ? P2 ? ? ? ? ? S n ? Pn 1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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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8-45Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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8-48Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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2Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China?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Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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?Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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）%。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。tuVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China东北大学第九期《真空技术》培训班高真空与超高真空 获得设备经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意， 任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。１）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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 据文献报道：英国BOC Edwards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140 l/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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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?Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China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10-1― 10-7Pa）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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（１）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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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?1 和 及 ? 2 分子量M1和M2有关。p2 ? exp( ?uL D) p1?1Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。M1 ? M 2 0.5 ?1 ? ? 2 ?2 3 D? ( RT ) ( ) 1/2 8(2? ) M 1M 2 2Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, ChinaVacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 扩散泵的工作压力范围：扩散泵的适用压强范围在10-8 ―10 Pa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1×10-1Pa，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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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2―3级，大泵 有5―6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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图3 扩散泵的抽速曲线Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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3×10-1Pa，而120cm 的大泵，其稳定段也能达到3×10-2Pa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，Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（３）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160 Pa l/s（1.2Torr l/s）的最 大抽气量需要1 KW的功率。因为1000 Pa l/s=1W。所以扩散泵的效率160 Pa l/s=1.6W与 1000W之比为1.6×10-4。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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图4 抽气量与入口压强的关系曲线Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（４）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133～200Pa（1～1.5Torr），即意味着泵 的最大压强可达200 Pa（1.5 Torr）。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67 Pa（0.5 Torr）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0.5 Torr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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 现在扩散泵的锅炉压强大约为1.5 Torr，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40 Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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：Qmax S2 ? P2Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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4 Torr l/s（即532 Pa l/s），允许的前级压 强为0.5 Torr（67Pa），则前级泵抽速为： Qmax 4(Torr l/s) S2 ? ? ? 8l / s P2 0.5Torr? 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14 l/s的泵做前级泵是合适的。 （如按安全系数为2考虑应为16 l/s）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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2～3倍）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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3× 10２ ―2× 10６ ，He是10３ ―2× 10６， Ne是1或2× 10８， CO和Ar为10７， Ｏ２ 和Kr为（3―5）× 10７ ，n C2 H3是7× 10８ 。 ? 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 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DC―705油，分子量546，25℃ 蒸汽压5 × 10-８Pa，闪点243℃，粘度 （ 25℃）170（cst）；表面张力＞30.5 （达因/厘米）。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China? 有资料报道：用 DC―705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10-８ 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。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China（６）