第2章 真空泵及真空規(guī)

1、第二章第二章 真空泵與真空規(guī)真空泵與真空規(guī)1典型的真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）測量真空的器具（真空規(guī)），以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。能使壓力從一個大氣壓開始變小，進行排氣的泵常稱為“前級泵”。另一些只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵稱為“次級泵”。真空泵是獲得真空的關(guān)鍵設(shè)備。 真空系統(tǒng)簡介真空系統(tǒng)簡介2真空泵:利用機械、物理、化學或物理化學的方法對被抽容器進行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備，即用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置 。分類標準：結(jié)構(gòu)和工作原理按結(jié)構(gòu)分：旋片真空泵、往復真空泵、羅茨真空泵、滑閥真空泵、液環(huán)真空泵、噴射泵等

2、真空泵簡介真空泵簡介3真空泵簡介真空泵簡介升華泵升華泵4真空泵類型真空泵類型旋片式機械泵羅茨真空泵油擴散泵渦輪分子泵吸附泵升華泵濺射離子泵 5真空泵類型真空泵類型旋片式機械泵：旋片式機械泵：旋片式真空泵是應(yīng)用轉(zhuǎn)子和可在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動的旋片的旋轉(zhuǎn)運動以取得真空的一種變?nèi)輽C械真空泵。工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個可以滑進滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。極限真空度： 10-1 Pa左右。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠。缺點：油蒸氣回流、同進污染系統(tǒng)。 6真空泵類型真空泵類型單極旋片式機械泵的結(jié)構(gòu)7真空泵類型真空泵類型8真空泵的極限真空限制因素：真空泵的極限真空限制因素：1.泵體

3、結(jié)構(gòu)上存在有害空間，該空間的氣體，受壓后漏到吸氣空間。2.吸氣空間和排氣空間之間存在氣壓差，排氣空間高壓氣體從間隙竄回到吸氣空間。3.在吸氣和排氣空間的泵油氣，也在上述兩空間之間循環(huán)流動。真空泵類型真空泵類型雙級泵：極限真空從單級泵的 1Pa 提高到 10-2Pa 數(shù)量級9總結(jié)說明： 為了提高氣體的密封效果，防止氣體回流，旋片式機械泵的運動部件之間只有很小的配合間隙，并且在泵體內(nèi)還利用油來作為運動部件間的密封物質(zhì)。同時，油還起著對這些機械部件進行潤滑的作用。主要性能指標：抽速：1300 L/s極限真空度：單級旋片泵 1Pa ，兩級串聯(lián) 0.01Pa旋片式機械泵不僅可以單獨使用，而且經(jīng)常被用做其

4、他真空泵的前級真空泵。真空泵類型真空泵類型10真空泵類型真空泵類型旋片式機械泵圖片旋片式真空泵是目前使用最廣，生產(chǎn)系列最全的泵種之一。11真空泵類型真空泵類型羅茨真空泵容積作用原理：泵體內(nèi)的兩個呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，因而轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙中不再使用油來作密封介質(zhì)。 12真空泵類型真空泵類型13羅茨泵的主要性能指標：抽速可達10 L/s優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、無油氣回流，抽速很大。缺點：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造成泵體損壞；這種泵的抽速不僅在壓力低于0.1 Pa時，氣體回流造成抽速降低，而且壓力高于2000 Pa時抽速也將迅速降低。因此這種泵一般是與旋轉(zhuǎn)式機

5、械泵串聯(lián)后使用。適用壓力范圍： 10-11000 Pa。 真空泵類型真空泵類型ZJP型羅茨真空泵14羅茨泵與其它油封式機械泵相比有以下特點： 較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速； 轉(zhuǎn)子具有良好的幾何對稱性，故振動小，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子間及轉(zhuǎn)子和殼體間均有間隙，不用潤滑，摩擦損失小，可大大降低驅(qū)動功率，從而可實現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速； 泵腔內(nèi)無需用油密封和潤滑，可減少油蒸氣對真空系統(tǒng)的污染； 結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，對被抽氣體中的灰塵和水蒸汽不敏感； 壓縮比較低，對氫氣抽氣效果差； 轉(zhuǎn)子表面為形狀較為復雜的曲線柱面，加工和檢查比較困難。應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 冶煉、石油化工、電工、電子等行業(yè)冶煉、石油化工、電工、電子等行業(yè) 真

6、空泵類型真空泵類型15真空泵類型真空泵類型油擴散泵工作原理：工作原理：把擴散泵油加熱沸騰形成蒸氣，油蒸氣沿各級導流管上升，在噴嘴帽處改變方向、從噴嘴定向噴出，形成一環(huán)環(huán)的超音速蒸氣射流、把不斷向其擴散來的氣體分子攜帶，一起向泵壁運動，碰到冷卻的泵壁，油蒸氣凝結(jié)在泵壁上形成油滴、流回油鍋內(nèi)再加熱，而氣體分子則繼續(xù)向下一級射流擴散而被帶走，經(jīng)過逐級壓縮，將氣體分子送到排氣口，由前級機械泵抽除。16真空泵類型真空泵類型油擴散泵的工作示意圖噴射真空泵蒸氣17只能被用在 110-6 Pa 之間分子流狀態(tài)的真空狀態(tài)下，而不能直接與大氣相連。在使用油擴散泵之前需要采用各種形式的機械泵預抽真空至 1 Pa 左

7、右。 真空泵類型真空泵類型油擴散泵的特點缺點：缺點：泵內(nèi)油蒸氣的回流會直接造成真空系統(tǒng)的污染。優(yōu)點優(yōu)點：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑大小，抽速可以從每秒幾升至每秒上萬升不等。 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：真空鍍膜、真空爐、電子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物醫(yī)藥、原子能、宇宙探測等高科技領(lǐng)域。18影響油擴散泵性能的主要因素有影響油擴散泵性能的主要因素有: :擴散泵油蒸氣的返流，解決的方法是在真空系統(tǒng)上加裝冷阱，能有效地防止油蒸氣的返流。氣體分子的反擴散，通過在高真空機組中增加羅茨泵或雙機械泵，增大前級泵的抽速，降低擴散泵出氣口的壓力，這樣不僅可減少氣體分子的反擴散，而且還能減少油蒸氣的返流。擴

8、散泵油的裂化分解，采用合格的擴散泵油防止裂化分解。擴散泵臟化，污染物留在泵內(nèi)重復循環(huán)，應(yīng)對擴散泵進行清洗，并更換泵油。 真空泵類型真空泵類型19真空泵類型真空泵類型渦輪分子泵渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動而抽氣的真空泵。20分子泵分子泵的核心部件是旋轉(zhuǎn)葉片和固定葉片.葉片的角度大，則排氣速度大，壓縮比小。葉片的角度小，則排氣速度小，壓縮比大。分子泵的排氣速度基本上不受氣體種類的影響，泵的極限壓強可達 10-8Pa。分子泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的機械泵，因此對平衡的要求很高，對固體異物非常脆弱，通常要在分子泵的入口處安裝金屬過濾網(wǎng)。真空泵類型真空泵類型21真空泵類

9、型真空泵類型復合分子泵復合分子泵是渦輪分子泵與牽引分子泵的串聯(lián)組合。即在普通渦輪分子泵的高壓側(cè)設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)的螺紋，依螺紋部位的旋轉(zhuǎn)運動。進一步將氣體向排出口一方壓縮。從而提高泵的工作壓力范圍，以滿足大排氣量的需求。復合分子泵復合分子泵渦渦輪輪分分子子泵泵牽牽引引分分子子泵泵22真空泵類型真空泵類型分子泵的特點：分子泵的特點：工作壓力范圍寬，在 10-110-8 Pa 范圍內(nèi)具有穩(wěn)定抽速達到1000 L/s；起動時間短，能抽除各種氣體和蒸氣；分子泵適用于在要求清潔的高真空和超高真空的儀器及設(shè)備上使用。也可用來作為離子泵、升華泵、低溫泵等氣體捕集超高真空泵的前級預抽真空泵使用，這將獲得更低的極限壓

10、力或更清潔的無碳氫化合物的真空環(huán)境。23真空泵類型真空泵類型在低溫下靠分子篩的物理吸附作用實現(xiàn)抽氣的真空泵。吸附泵：吸附泵：一切固體表面的原子或分子由于受到的力場不對稱，有過剩的自由能，因而對氣體或液體具有吸附作用。但實際上只有多微孔的物質(zhì)或磨得很細的物質(zhì)因表面積很大，才有明顯的吸附作用。分子篩就是這種物質(zhì)。分子篩（人造沸石）為多微孔型結(jié)構(gòu)的堿金屬鋁硅酸鹽，體內(nèi)有許多空腔狀晶胞，其間有微孔相通。在液氮溫度下，氣體或液體分子通過微孔吸附于晶胞空腔的內(nèi)表面上。24真空泵類型真空泵類型25分子篩吸附泵是利用分子篩在低溫下能大量吸氣、在高溫下又能將吸附的氣體釋放出來的性質(zhì)而設(shè)計的一種真空泵。分子篩吸附

11、泵的結(jié)構(gòu)要求：分子篩吸附泵要滿足如下幾個條件。 使分子篩能得到充分冷卻。 使被抽氣體易于深入分子篩內(nèi)部。 節(jié)省液氮的消耗量。 易于對分子篩加熱再生。 必須設(shè)置安全閥。真空泵類型真空泵類型26真空泵類型真空泵類型真空的實質(zhì)就是具有較低氣體分子濃度的空間。因此, 只要降低空間的氣體分子濃度就能獲得真空, 而不必有實際上的排氣過程。升華泵和濺射離子泵都屬于鈦泵，其工作原理升華泵和濺射離子泵都屬于鈦泵，其工作原理為：通過加熱、電離等方法使鈦原子與空間氣體分子發(fā)生一系列復雜的物理和化學反應(yīng), 使氣體分子伴隨鈦原子一起沉積下來, 從而達到降低空間氣體分子濃度的目的。這與壓縮泵的原理 ( 即將氣體從一方壓縮

12、到另一方來獲得真空) 有所不同。升華泵和濺射離子泵：升華泵和濺射離子泵：27真空泵類型真空泵類型鈦升華泵：鈦升華泵：在抽真空的電子管中蒸發(fā)化學活動性強的金屬（如鈦）, 使其與管內(nèi)未能抽凈的氣體發(fā)生反應(yīng), 從而降低空間的氣體分子濃度。這種方法叫做化學清除。通過電加熱使鈦持續(xù)蒸發(fā)到一個冷卻的壁上進而大量俘獲氣體分子獲得真空的泵, 叫做鈦升華泵。升華泵通常不能排除惰性氣體和甲烷。28真空泵類型真空泵類型濺射離子泵：濺射離子泵：利用高速電子轟擊氣體分子可以得到正離子, 正離子在電場作用下被驅(qū)逐到負電極上, 中和后由于分子間的范德瓦爾斯力被金屬吸附而不再離開電極。這樣降低了空間氣體分子濃度, 達到了獲得

13、真空的目的。這種現(xiàn)象稱為電清除, 利用電清除達到除氣目的的泵稱為離子泵。離子泵對吸附的氣體沒有選擇性。 濺射離子泵主要由陽極 (不銹鋼桶)、陰極(鈦)、永磁鐵和泵體幾部分組成。29真空泵類型真空泵類型濺射離子泵的特點濺射離子泵的特點： 抽速對于不同的氣體是不一樣的（活性高的氣體，抽速大） 濺射離子泵所抽除的氣體分子不會在高溫下再被釋放出來 優(yōu)點：優(yōu)點：濺射離子泵是一種獲得清潔超高真空的真空獲得設(shè)備，完全不用油。一旦封離，跟大氣空間的通道就全部截斷，即使由于停電等原因而中斷能量的供給也無關(guān)緊要，如果再通電又會重新啟動。所需的只是電力，具有無噪聲、無振動、操作方便等優(yōu)點。離子泵工作是封閉系統(tǒng)，不需

14、要有連續(xù)工作的前級真空系統(tǒng)。缺點：缺點：Ti電極的不斷濺射使得離子泵的壽命是有一定限度的。應(yīng)用：應(yīng)用：濺射離子泵是無油超高真空機組的主泵，可應(yīng)用于高能粒子加速器，受控熱核反應(yīng)裝置、電真空器件、半導體材料制備、電子顯微鏡、質(zhì)譜儀等科學實驗裝置及其它需要超高真空的工業(yè)設(shè)備中。30真空規(guī)真空規(guī)測量真空的元件常被稱為真空規(guī)真空規(guī) U形管真空計 麥克勞真空規(guī) 熱偶真空規(guī) 皮喇尼真空規(guī) 電離真空規(guī) 隔膜真空規(guī)31真空規(guī)真空規(guī)U U形管真空計形管真空計 U形管真空計(U tube Manometer)是利用液柱的高度差來進行氣體壓強測量的真空計，真空測量中一般使用水銀，也有使用油的。 使用時，將管的一端與待

15、測真空系統(tǒng)相連，另一端開口聯(lián)通大氣或封死，讀數(shù)由U形管兩邊得液面差決定 測量范圍：10105Pa。 在低真空范圍內(nèi)測量全壓強的絕對真空計 。32真空規(guī)真空規(guī)開式開式U U形管真空計形管真空計 開始抽氣前，兩端液面等高； 開始抽氣后，隨著真空系統(tǒng)壓強降低，兩端液面出現(xiàn)高度差，某一時刻達到平衡狀態(tài)時，有：p p0 gh 使用水銀為工作液時， =13.595103 kg/m3p p0 1.333105h33 將管內(nèi)預抽至10-1Pa真空，注入工作液，開口端與待測系統(tǒng)相連 抽氣到某一時刻，兩端液面處于靜力平衡時，待測壓強為p gh 真空規(guī)真空規(guī)閉式閉式U U形管真空計形管真空計 使用水銀為工作液時p

16、1.333105h 34真空規(guī)真空規(guī)U U形管真空計的改進形管真空計的改進 當待測壓強很小時，就會出現(xiàn)讀數(shù)困難，可作如下改進：換用密度小的液體將U形設(shè)計改成斜放式利用光放大讀數(shù)光干涉放大，可確定1.7210-9m的液面變化 35真空規(guī)真空規(guī)壓縮式真空計壓縮式真空計- -麥克勞真空規(guī)麥克勞真空規(guī) 壓縮式真空計由硬質(zhì)玻璃吹制而成，主要包含一下幾部分： 測量毛細管、比較毛細管、玻璃泡、水銀貯存器、刻度尺、連接導管。 原理原理： 理想氣體的波意耳定律。 測量前，將真空計與被測系統(tǒng)連接，壓強相等。 測量時，線將水銀面提到MM線高度，將被測系統(tǒng)與玻璃泡分開, 玻璃泡內(nèi)的壓強與被測壓強p p相等， MM線以

17、上玻璃泡+測量毛細管體積為V 。36真空規(guī)真空規(guī) 水銀面升到右圖位置時, 測量毛細管內(nèi)氣體體積為 V1，壓強為 P1，而比較毛細管內(nèi)壓強仍為 P，測量毛細管和比較毛細管的液面差 h=h1-h2，則測量毛細管內(nèi)壓強為p1 gh p 根據(jù)玻義耳定律，有 37 測量低壓， ，可得壓縮真空計基本方程：真空規(guī)真空規(guī) V和d在制作壓縮真空計時可測得，為固定數(shù)據(jù)，則上式可寫成： K：真空計常數(shù)，Pa/m238熱傳導真空計熱傳導真空計是基于氣體分子熱傳導能力在一定壓強范圍內(nèi)與氣體壓強有關(guān)的原理制成。真空規(guī)真空規(guī)L39電阻真空計電阻真空計又稱為皮喇尼真空計，是憑借熱絲電阻的變化反映氣體壓強變化的熱傳導真空計，測

18、量范圍10410-1Pa 。真空規(guī)真空規(guī) 在10-210-3Pa時，將電橋調(diào)于一定電壓U0，改變RV使電橋平衡，電表CB指零； P增大時，熱損耗增大，熱絲溫度降低，電阻變小 ，電橋失衡，電表CB不為零； 改變電橋電壓至U，熱絲溫度和電阻恢復。40真空規(guī)真空規(guī)熱偶真空計熱偶真空計是借助熱電偶直接測量熱絲溫度的變化，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢直接表征規(guī)管內(nèi)的壓強。測量范圍：10210-1Pa。1-加熱絲；2-熱偶；3-導管 (接系統(tǒng))；4-電壓表；5-調(diào)節(jié)器；6-加熱電流表；7-電源結(jié)構(gòu)原理結(jié)構(gòu)原理 構(gòu)成：熱偶式規(guī)管和測量線路 在較低壓強下， 熱絲溫度、熱偶電勢E決定于規(guī)管內(nèi)的壓強p 加熱電流一定時，可根據(jù)熱電偶的電勢E直接得到被測系統(tǒng)的壓強 加熱電流改變，靈敏度和測量范圍都會隨之改變41真空規(guī)真空規(guī)42真空規(guī)真空規(guī)電離真空規(guī)電離真空規(guī)電離真空計是通過使氣體分子電離，測量離子數(shù)量(電流)而得出壓強的真空計。其測量真空度在 10-8Pa以上，被廣泛應(yīng)用