真空獲得設(shè)備原理與技術(shù)基礎(chǔ)

1、3. 油封機(jī)械泵 3.1 旋片式油封真空泵 圖3-1 2X型旋片泵圖3-1 2XZ型旋片泵3.1.1 概述 旋片泵為一種變?nèi)菔綒怏w傳輸真空泵，是真空技術(shù)中最基本的真空獲得設(shè)備之一。工作壓力范圍1013251.3310-2 Pa，屬低真空泵。 可單獨(dú)使用，也可作其他高真空泵的前級泵，用以抽除密封容器中的干燥氣體。若附有氣鎮(zhèn)裝置，還可抽除一定量的可凝氣體。 旋片泵不適于抽除含氧過高、有爆炸性的、對金屬有腐蝕性的、與泵油會發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)的、含有顆粒塵埃的氣體。3.1.2 旋片泵的工作原理與結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 旋片把轉(zhuǎn)子、泵體、端蓋形成的月牙形空間分隔成A、B、C三部分。 3.1.2.1 工作原理圖3-3 旋片泵

2、工作原理圖1-旋片 2-旋片彈簧 3-泵體 4-端蓋 5-轉(zhuǎn)子 若轉(zhuǎn)子按圖中箭頭方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，A空間容積增加，壓力降低，氣體經(jīng)泵入口被吸入，此時(shí)處于吸氣過程；B空間的容積減小，壓力增加，處于壓縮過程；C空間的容積進(jìn)一步縮小，壓力進(jìn)一步增加，當(dāng)壓力超過排氣壓力時(shí)，壓縮氣體推開泵油密封的排氣閥，處于向大氣的排氣過程。在泵的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，不斷進(jìn)行吸氣、壓縮和排氣過程，從而達(dá)到連續(xù)抽氣的目的。3.1.2.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 旋片泵在結(jié)構(gòu)上可分為油封式（圖3-4a）和油浸式（圖3-4b）兩大類。 1）油封式油箱設(shè)在泵體上，油起密封排氣閥的作用，泵為水或風(fēng)冷卻。一般大泵多采用這種結(jié)構(gòu)形式； 2）油浸式整個(gè)泵體浸

3、在油內(nèi)，油起密封、冷卻作用。小泵和直聯(lián)泵多采用。圖3-4a 油封式2X型旋片泵結(jié)構(gòu)簡圖1進(jìn)氣管；2濾網(wǎng)；3注油活塞；4油窗；5放油螺塞；6旋片；7旋片彈簧；8轉(zhuǎn)子；9氣鎮(zhèn)閥；10泵體；11排氣閥；12排氣管 圖3-4b 油浸式2X型旋片泵結(jié)構(gòu)簡圖 1電機(jī)；2手把；3支架；4油箱；5排氣管；6擋油板；7氣鎮(zhèn)閥；8油窗；9油泵；10放油螺塞；11低級泵蓋；12排氣閥；13低級旋片彈簧；14低級旋片；15低級轉(zhuǎn)子；16中隔板；17中間氣道壓板；18擋油板支柱；19高級轉(zhuǎn)子；20高級旋片及彈簧；21輔助排氣閥；22高級泵蓋；23泵連軸器；24電機(jī)連軸器。1. 泵體（定子）：主要有3種： 圖3-5 泵體

4、結(jié)構(gòu) (a)整體式； (b)中壁壓入式； (c)組合式 整體式 ：結(jié)構(gòu)緊湊，連接及密封加工面少，密封性能好。加工工藝較難。 關(guān)鍵：保證兩腔同心度和泵腔內(nèi)表面的精度及粗糙度（光潔度）。 中壁壓入式：高低腔為一整體，中隔板由壓力機(jī)壓入，泵腔加工工藝性好。結(jié)構(gòu)緊湊。中壁壓入公差較嚴(yán)，采用過盈配合定位，泵腔與中隔板鄰近處易產(chǎn)生變形。 一般采用小過盈量，加一定位銷，或小過盈微量浮動減少因大過盈量引起的變形；或在泵腔相應(yīng)處設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋減少變形（大泵） 。 組合式：各零件易于加工，容易保證高精度，廢品率低，互換性好，適于大批量生產(chǎn)，但其加工面多，裝配麻煩。 泵體材料： 大多數(shù)廠家均采用高強(qiáng)度灰鑄鐵，如H200

5、，250等。 也可采用鋁合金或球墨鑄鐵等耐磨、自潤滑好的材料。 泵體毛坯鑄件應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力，防止變形，提高耐磨性。2. 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有三種形式：整體式、壓套式和轉(zhuǎn)子盤式。 整體式 ：加工基準(zhǔn)是兩端中心孔，與轉(zhuǎn)子盤式結(jié)構(gòu)相比，其加工件和裝配量少，加工簡單，節(jié)省工序，幾何精度和尺寸精度也得到了保證。但缺點(diǎn)是對材質(zhì)要求較高，而且其旋片槽加工較困難，難以達(dá)到高精度，較適于大泵； 壓套式：如圖3-6(a)所示，兩半轉(zhuǎn)子中間用襯塊保證旋片槽寬，該結(jié)構(gòu)加工量稍小些，但要求加工精度較高，裝配較復(fù)雜； 轉(zhuǎn)子盤式：是當(dāng)前采用最多的形式，其結(jié)構(gòu)如圖3-6(b)所示，兩半轉(zhuǎn)子盤用螺釘和錐銷緊固后，兩轉(zhuǎn)

6、子體之間形成旋片槽，這種結(jié)構(gòu)零件多，加工裝配量大，有較高的加工精度。圖3-6 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)3. 旋片 結(jié)構(gòu)形式 旋片的結(jié)構(gòu)形式多為矩形 和 T 形 旋片的厚度與型號有關(guān)（一般從614 mm）旋片材料 國內(nèi)一般用 45 鋼、H250、QT 或20鋼淬火（硬度：HRC4045） 對旋片材料的一般要求：1）要有足夠的抗彎強(qiáng)度；在正常泵溫下膨脹系數(shù)盡可能小，最好能接近鑄鐵，達(dá)到0.8105 1.1105 l/；2）比重小，摩擦系數(shù)小，耐磨損；良好的自潤滑性；3）低成本；良好的機(jī)械加工性能；4）化學(xué)穩(wěn)定性，沒有污染和毒害。4. 排氣閥 排氣閥對泵的真空度和噪音影響較大。 排氣閥有兩種形式：一種是用橡膠墊做閥

7、片，如圖3-7(a)所示；另一種是用布質(zhì)酚醛層壓板或彈簧鋼片做閥片，如圖3-7(b)所示。 排氣閥必須浸在泵油中。在排氣過程中，壓縮氣體推開排氣閥片，穿過泵油排出。泵油起到密封的作用。 圖3-7 排氣閥結(jié)構(gòu)輔助排氣閥 在雙級泵中，當(dāng)高真空級與低真空級為泵腔寬度不等時(shí)，需在兩級之間設(shè)置中間輔助排氣閥，如圖3-8所示。 輔助排氣閥的作用是在入口壓力較高、經(jīng)高真空級壓縮的氣體已達(dá)到排氣壓力時(shí)，輔助排氣閥打開，部分氣體由輔助排氣閥排出，部分氣體由低真空級抽走。 圖3-8 雙級泵結(jié)構(gòu)示意圖 高真空級； 低真空級；1中間輔助排氣閥；2通道；3低真空級排氣閥5. 氣鎮(zhèn)閥 為了抽除可凝性氣體，油封式機(jī)械真空泵

8、常裝有氣鎮(zhèn)裝置。 氣鎮(zhèn)法可以有效地防止可凝性氣體凝結(jié)。該方法是在被抽氣體被壓縮過程中將經(jīng)過控制的永久性氣體（通常為室溫干燥空氣）由氣鎮(zhèn)孔摻入其中，使可凝性氣體分壓達(dá)到泵溫時(shí)的飽和蒸汽壓之前，壓縮氣體的壓力已達(dá)到排氣壓力，排氣閥打開，將可凝性氣體同永久性氣體一同排出。圖3-9 氣鎮(zhèn)閥結(jié)構(gòu)1調(diào)節(jié)閥；2氣鎮(zhèn)閥座；3密封墊；4擋塊；5鋼球；6彈簧 氣鎮(zhèn)閥（摻氣閥）是由節(jié)流閥和逆止閥兩部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3-9所示。節(jié)流閥控制摻入氣體量，逆止閥防止泵腔內(nèi)氣體壓力高于摻氣壓力時(shí)出現(xiàn)返流。 圖3-11 保護(hù)閥1閥體；2真空室人口連接法蘭；3旋片泵入口連接法蘭；4電磁放氣閥；5閥板3.1.3.4 油霧的產(chǎn)生及

9、分離 在旋片泵排氣過程中，懸浮在被抽氣體中的油滴隨氣體一起被排出。因此，常在泵出口看到“油霧”。同時(shí)也有少量的油蒸氣被排出。隨著環(huán)保要求的提高，新型旋片泵一般在出口設(shè)置油氣分離裝置。 圖3-13 油氣分離器1排氣連接法蘭；2分離器出口；3過濾元件；4集油觀察窗；5放油塞；6泄壓閥3.1.3.5 除塵裝置 在有些真空工藝中會產(chǎn)生大量的灰塵，這些灰塵將隨被抽氣體一起進(jìn)入旋片泵。灰塵混在泵油中，像研磨劑一樣會對泵轉(zhuǎn)子和泵腔造成磨損和破壞。在灰塵量較少時(shí)，可由油過濾系統(tǒng)濾除，但灰塵量較大時(shí)，為防止泵損壞，保證泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)必須使用除塵器(圖3-14)。 圖3-14 除塵器的工作原理圖1入口法蘭；2外筒室

10、；3油浸過濾器；4、5 出口法蘭 6.1.1概述 羅茨泵是一種無內(nèi)壓縮的旋轉(zhuǎn)變?nèi)菔秸婵毡?.1.1.1羅茨泵的種類低真空羅茨泵： 直排大氣的干式單級羅茨泵（10000Pa）和濕式羅茨泵(2000Pa)；中真空羅茨泵： 機(jī)械增壓泵（110-1 Pa）；高真空羅茨泵： 多級干式羅茨泵（高真空多級羅茨泵）6.1.1.2羅茨泵在真空工程領(lǐng)域中應(yīng)用：在中真空范圍作為機(jī)械增壓泵應(yīng)用，一般與前級泵（旋片泵，滑閥泵和水環(huán)泵等）串聯(lián)構(gòu)成真空機(jī)組； 雙級或多級羅茨泵機(jī)組可獲得高真空； 對于干式清潔無油的抽氣系統(tǒng)多用氣冷式羅茨泵機(jī)組； 對于含水蒸氣的被抽系統(tǒng)，多用濕式羅茨泵。水環(huán)羅茨泵機(jī)組2旋片羅茨泵機(jī)組滑閥羅茨泵

11、機(jī)組26.1.2羅茨泵的工作原理及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)6.1.2.1羅茨泵的工作原理 羅茨泵抽氣時(shí)兩個(gè)轉(zhuǎn)子由傳動比為1的一對齒輪帶動，作彼此反向的同步旋轉(zhuǎn)運(yùn)動 。轉(zhuǎn)子彼此無接觸，其間存在間隙。6.1.2.2羅茨泵具有以下特點(diǎn)： 在較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速 ； 轉(zhuǎn)子之間、轉(zhuǎn)子與泵腔壁之間有間隙，泵腔內(nèi)運(yùn)動件無摩擦，不必潤滑，泵腔內(nèi)無油； 轉(zhuǎn)子形狀對稱，動平衡性能良好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，選擇高精度的齒輪傳動，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪音低；可獲得較高轉(zhuǎn)速（抽速）； 對被抽氣體中含有的灰塵和水蒸氣不敏感；抽氣特點(diǎn)： 羅茨泵在抽氣過程中其工作空間容積是不變的，即“無內(nèi)壓縮”，這與大多數(shù)的變?nèi)菔秸婵毡貌煌?氣體的排出：當(dāng)轉(zhuǎn)子頂部轉(zhuǎn)過

12、排氣口邊緣，封閉空間與排氣側(cè)相通時(shí)，由于排氣側(cè)氣體壓力較高，則有一部分高壓氣體返沖到封閉空間中，使空間內(nèi)氣體壓強(qiáng)突然升高到排氣壓力，即所謂的“外壓縮過程”。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動時(shí)，氣體排出泵外。 6.1.3羅茨泵的結(jié)構(gòu)1前端端蓋；2油標(biāo)；3壓力傳感器；4注油塞；5放油塞；6齒輪側(cè)軸承端蓋；7泵體；8入口法蘭9出口法蘭；10轉(zhuǎn)子；11馬達(dá)側(cè)軸承蓋；12中間法蘭；13油封處注油塞；14油封處放油塞；15籠形支架；16電動機(jī)；17泵底座 羅茨泵是雙轉(zhuǎn)子容積式真空泵。其在泵腔內(nèi)有兩個(gè)形狀對稱的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子形狀有兩葉、三葉和四葉。 兩個(gè)轉(zhuǎn)子按一定相位安裝在一對平行軸上，由軸端齒輪（i =1）驅(qū)動做同步反向旋轉(zhuǎn)運(yùn)

13、動。轉(zhuǎn)子彼此無接觸，轉(zhuǎn)子與泵腔壁也無接觸，其間通常有0.151.0mm的間隙。泵腔靠間隙及高轉(zhuǎn)速來密封（相對密封）。 由于泵腔內(nèi)無摩擦，轉(zhuǎn)子可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，一般：5003000rmin。泵的潤滑部位僅限于軸承、齒輪及動密封處（齒輪箱有油，且與泵腔之間有壓差，預(yù)抽管通前級側(cè)）。6.1.3.1泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 轉(zhuǎn)子在泵體中如何安裝決定了泵的總體結(jié)構(gòu)。目前國內(nèi)外的羅茨泵大致有兩種型式：1）立式：這種結(jié)構(gòu)的進(jìn)、排氣口成水平位置，裝配和連接都比較方便。但泵的重心較高，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性差，故多用于小泵。 2）臥式：泵的進(jìn)氣口在上，排氣口在下。有時(shí)排氣口水平方向接出，因而，進(jìn)、排氣方向是相互垂直的。排氣口可以從兩

14、個(gè)方向接出，一端接排氣管道，另一端堵死或接旁通閥。這種結(jié)構(gòu)重心低，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)穩(wěn)定性好，一般用于大、中型泵。 結(jié)構(gòu)型式示意圖1立式結(jié)構(gòu)臥式結(jié)構(gòu)6.1.3.2泵的傳動方式傳動方式有如下兩種： 1）電動機(jī)與齒輪放在轉(zhuǎn)子的同一側(cè)，從動轉(zhuǎn)子的扭矩由電動機(jī)端齒輪直接傳過去，所以主動轉(zhuǎn)子軸的扭轉(zhuǎn)變形小，因而轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間的間隙就不會因主動軸的扭轉(zhuǎn)變形較大而改變，故使間隙在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中均勻。 缺點(diǎn)：主動軸上有三個(gè)軸承，給加工和裝配帶來一定困難，對齒輪的拆裝和檢查都不方便，整個(gè)結(jié)構(gòu)也顯得不勻稱，使泵的重心移向電動機(jī)和齒輪箱一端。所以，采用這種結(jié)構(gòu)的較少。傳動方式示意圖2） 電動機(jī)與齒輪傳動設(shè)在轉(zhuǎn)子的兩側(cè) 這種結(jié)構(gòu)

15、克服了上述的缺點(diǎn)，但主動軸扭轉(zhuǎn)變形較大。為了保證轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的間隙，要求軸應(yīng)有足夠的剛度。 軸與轉(zhuǎn)子要 固結(jié)（鑄造的轉(zhuǎn)子采用軸轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)或熱壓過盈配合，焊接的轉(zhuǎn)子采用轉(zhuǎn)子和軸直接焊在一起的整體結(jié)構(gòu)）。 這種結(jié)構(gòu)拆卸和裝配都很方便。結(jié)構(gòu)圖6.1.3.3泵的密封結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)部位：主動軸外伸部分的動密封（密封外部大氣與齒輪箱之間）；端蓋或齒輪箱與泵體間的靜密封；齒輪箱和泵體間的轉(zhuǎn)子軸的動密封（避免油進(jìn)入泵腔，同時(shí)預(yù)真空與高真空之間得到密封）。1、主動軸外伸部分的動密封目前采用較多的是： 雙端面摩擦環(huán)式機(jī)械密封； 帶加強(qiáng)環(huán)的JO圈密封。 機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)可靠，耗功率小允許線速度大；但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造

16、成本高。 JO圈密封結(jié)構(gòu)簡單，耗功率大，膠圈容易磨損，但更換方便，成本低。磁流體密封是一種密封效果及使用壽命長的動密封型式，功耗小，但成本高。 2、齒輪箱與泵體之間的軸封由于齒輪箱或端蓋殼體內(nèi)均有預(yù)抽管道與泵的出口相通，即這兩部分的真空度與前級泵入口基本相同。所以齒輪箱與泵腔之間的壓差較小，通常采用迷宮式密封、反螺旋式密封或活塞脹圈密封。3、泵體端面的靜密封真空耐油橡膠圈密封，不僅可靠而且拆卸方便。采用聚氨酯膠墊進(jìn)行平面密封，不用加工密封槽，拆卸方便。有機(jī)硅室溫硫化橡膠膜密封，密封可靠并且不用加工密封槽。但用戶須備有這種材料，否則不能自行拆裝修理。6.1.3.4羅茨泵的潤滑部位主要有三處 ：軸

17、封齒輪軸承。羅茨泵達(dá)到的極限壓力與前級泵的極限壓力有關(guān)：用油封機(jī)械泵作前級泵時(shí)：單級羅茨泵極限全壓力：510-1110-2 Pa極限分壓力 ：510-2510-3 Pa雙級羅茨泵極限全壓力：110-2510-3 Pa極限分壓力 ：110-3510-4 Pa用水環(huán)泵作前級泵時(shí)：單級羅茨泵極限分壓力： 200 Pa ，雙級羅茨泵極限分壓力 ： 4 Pa 。6.1.4羅茨泵的轉(zhuǎn)子型線概述6.1.4.1轉(zhuǎn)子型線要求和條件：轉(zhuǎn)子橫斷面的外廓線稱為轉(zhuǎn)子的型線。理論型線：保證轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)過程中，兩個(gè)轉(zhuǎn)子始終相互嚙合。實(shí)際型線：由理論型線去掉間隙的部分得來的。它要保證兩個(gè)轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中間隙永遠(yuǎn)保持定值。轉(zhuǎn)子的型線

18、必須做成共軛曲線。 共軛轉(zhuǎn)子型線可做成各種各樣的曲線（只要給出一條曲線，就可以做出一條與之相應(yīng)的共軛曲線）。6.1.4.2型線的選擇要考慮以下幾個(gè)條件：1） 泵有最好的工作性能（增加抽速和提高壓縮比） a） 容積利用系數(shù)要盡可能大，即轉(zhuǎn)子在泵腔內(nèi)占的體積要??； b）為減少返流，轉(zhuǎn)子之間及轉(zhuǎn)子與泵體間的密封面積應(yīng)大2）要有良好的幾何對稱性，保證運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音小，互換性好；3）保證轉(zhuǎn)子齒形有足夠的強(qiáng)度，加工工藝性要好，容易獲得較高的表面精度。6.1.4.3常用的型線線形有： 圓弧線、漸開線和擺線。 實(shí)用上，整個(gè)轉(zhuǎn)子的外輪廓型線由：圓弧線、漸開線和擺線組合而成。 “圓弧漸開線擺線”型轉(zhuǎn)子型線氣阻大，

19、改善了泵在低壓下的性能，提高了泵的抽氣效率，得到較廣泛的應(yīng)用。幾種型線的比較容積利用系數(shù)：是表征泵腔面積或是體積有效利用程度的系數(shù)。對于羅茨泵來說，大的容積利用系數(shù)對于提高泵的性能，減小泵的體積是比較有利的。 在以上幾種型線中，圓弧型轉(zhuǎn)子型線和漸開線轉(zhuǎn)子型線的容積利用系數(shù)比較好；而氣冷式羅茨泵漸開線轉(zhuǎn)子型線的容積利用系數(shù)則比較小。 而在強(qiáng)度方面，氣冷式羅茨泵漸開線轉(zhuǎn)子比較好，而圓弧型轉(zhuǎn)子則是比較差的，因此在使用此型線時(shí)應(yīng)該校核一下其薄弱腰部的強(qiáng)度。6.1.4.4 實(shí)際型線6.1.4.4.1 工作間隙與裝配間隙為了減少氣體的返流，要求轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼間的工作間隙要盡量小。 考慮轉(zhuǎn)子工作時(shí)產(chǎn)生熱

20、膨脹和受力變形等影響，要求各處的裝配間隙不等而且要比工作間隙大。 泵在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中，下列因素會使間隙減?。篿）轉(zhuǎn)子在運(yùn)轉(zhuǎn)中因升溫而產(chǎn)生熱膨脹；ii）轉(zhuǎn)子在離心力和排氣壓力作用下產(chǎn)生變形；iii）隨著齒輪傳動磨損程度的增加，齒側(cè)間隙增大，由于磨損是不均勻的，所以必然引起轉(zhuǎn)子相對位置發(fā)生變化，造成間隙減??；iv）泵軸的彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形；v）軸與轉(zhuǎn)子因制造和裝配誤差而產(chǎn)生不同軸等。裝配間隙是確定轉(zhuǎn)子實(shí)際型線的根據(jù)：1 轉(zhuǎn)子與泵殼的徑向間隙； 2 轉(zhuǎn)子相互之間的間隙； 3 軸活端（如齒輪端）的轉(zhuǎn)子側(cè)面與側(cè)蓋間的軸向間隙；4 軸死端的轉(zhuǎn)子側(cè)面與端蓋之間的軸向間隙。6.1.4.4.2 裝配間隙的選取 裝配

21、間隙的選取很重要，它將直接影響到泵腔的泄漏量，進(jìn)而影響泵的極限真空、實(shí)際抽速等指標(biāo)。 裝配間隙的大小與泵的工作壓力和泵的冷卻方式有關(guān)，轉(zhuǎn)子的材料性質(zhì)（如線性膨脹率、彈性模量、密度）、泵工作時(shí)的轉(zhuǎn)子的工作溫度都是影響轉(zhuǎn)子表面發(fā)生位移的因素，因此在確定轉(zhuǎn)子的裝配溫度時(shí)應(yīng)該把它們考慮進(jìn)去。裝配間隙在一定程度上衡量了泵的設(shè)計(jì)和制造水平。6.1.5 羅茨泵設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題1羅茨泵的關(guān)鍵零件是轉(zhuǎn)子，而轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵是型線。泵工作時(shí)，轉(zhuǎn)子之間的間隙要保持一定，這樣轉(zhuǎn)子的型線必須做成共軛曲線。理論型線的選擇 和 實(shí)際型線的計(jì)算和加工工藝是關(guān)鍵。 2為了控制泵轉(zhuǎn)子間、轉(zhuǎn)子與泵殼間的間隙，要求軸承的軸向、徑向位移量控

22、制在一定范圍內(nèi)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)正確選擇軸承精度，并選擇適合泵工作條件的軸承型號?？紤]轉(zhuǎn)子軸向熱膨脹影響，轉(zhuǎn)子軸應(yīng)留有活端，以允許軸因熱膨脹等因素而產(chǎn)生軸向移動。軸活端的轉(zhuǎn)子與側(cè)端面的軸向間隙可以選大一些；而軸固定端的轉(zhuǎn)子與端蓋之間的軸向間隙則應(yīng)選得小一些。 3要求齒輪耐磨性強(qiáng)，傳動平穩(wěn)，齒間的間隙不得過大。齒輪的精度常選用56級。為使傳動平穩(wěn)，噪音小，常用斜齒輪。為使齒輪裝配和調(diào)整轉(zhuǎn)子間的間隙方便，可選用調(diào)隙結(jié)構(gòu)齒輪并在齒輪與軸之間采用漲套聯(lián)接方式。6.1.6 羅茨泵轉(zhuǎn)子的冷卻 羅茨泵在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，與氣體產(chǎn)生摩擦攪拌作用及在排氣口處對氣體的外壓縮，使氣體及轉(zhuǎn)子的溫度升高。而轉(zhuǎn)

23、子的熱量較難散發(fā)出去。當(dāng)泵的抽氣量較大時(shí)（大泵），或入口氣體溫度較高時(shí)，需要對轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻，以免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過大的熱變形現(xiàn)象，使裝配間隙過小或消失，致使轉(zhuǎn)子卡死。6.1.6.1 轉(zhuǎn)子的空氣冷卻在泵的排氣口處安裝冷卻器，對出口處的氣體進(jìn)行冷卻，當(dāng)被冷卻的氣體反沖到泵腔內(nèi)時(shí)，使轉(zhuǎn)子得到冷卻。這種方法一般可散出轉(zhuǎn)子80左右的熱量。當(dāng)排氣壓力較高時(shí)，氣體分子密度大，傳熱效果好，可以保證泵在較高壓差下正常工作。6.1.6.2 氣冷式羅茨泵將冷卻后的出口氣體回流到泵腔內(nèi)去直接冷卻熱態(tài)的轉(zhuǎn)子，提高了泵的抗熱能力，使泵仍可保持較小的轉(zhuǎn)子裝配間隙。氣冷式羅茨泵適用于長期在高壓差下工作或被抽氣體的溫度比較高的情況下工

24、作。6.1.7 羅茨泵的運(yùn)行過載6.1.7.1 過載分析 由功率計(jì)算公式(6-22)可知，泵壓縮氣體所需的功率與壓差成正比：6.1.7.2 防止過載的措施解決泵過載的方法 ：機(jī)械式自動調(diào)壓旁通閥采用液力聯(lián)軸器真空電氣元件控制泵入口壓力6.2油擴(kuò)散噴射真空泵油擴(kuò)散噴射泵 油擴(kuò)散噴射泵是油蒸汽流泵的一種，主要油擴(kuò)散噴嘴、噴射噴嘴等組成，使之在高真空方面有較大的抽速，在低真空方面有足夠的臨界前級壓力。具有結(jié)構(gòu)簡單、無機(jī)械傳動部分、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠、維護(hù)方便、使用壽命長等特點(diǎn)。主要配置在高真空系統(tǒng)作為主泵與前級泵的中間級，也可單獨(dú)作為高真空泵應(yīng)用于冶金或抽出含有少量水氣的工作場合。 6.2.1概述 油擴(kuò)散噴射

25、泵是從油擴(kuò)散泵發(fā)展而來的，兼有擴(kuò)散泵和噴射泵的特點(diǎn)，工作壓力范圍在（10-10-2）Pa。在此壓力區(qū)間內(nèi)，油擴(kuò)散噴射泵有較大的抽速和較高的最大出口壓力，其抽氣量是擴(kuò)散泵的4-20倍，加熱功率是擴(kuò)散泵的2-5倍。 由于油擴(kuò)散噴射泵的工作壓力范圍正處于油擴(kuò)散泵和油封機(jī)械泵抽氣能力下降區(qū)域，因此，該泵除可以做主泵外，還常常用于大型油擴(kuò)散泵和前級機(jī)械泵之間，保證真空系統(tǒng)的有效工作，與羅茨泵的作用相似，所以油擴(kuò)散噴射泵也被稱為油增壓泵。6.2.2工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)6.2.2.1工作原理油擴(kuò)散噴射泵工作壓力范圍內(nèi)的被抽氣體流動狀態(tài)處于粘滯流和分子流之間。在壓力較高時(shí)，油蒸汽射流對被抽氣體的抽出以粘性攜帶為

26、主。這時(shí)要求蒸汽射流具有足夠的密度。在壓力較低時(shí)，油蒸汽射流對被抽氣體的抽出以擴(kuò)散攜帶為主.這時(shí)要求蒸汽射流有一定的稀薄程度。多級噴嘴串聯(lián)抽氣原理為了使泵在更寬的壓力范圍內(nèi)具有大的抽速，同時(shí)又有高的出口壓力，在實(shí)際應(yīng)用中都是多級噴嘴串聯(lián)起來工作的。在多級噴嘴結(jié)構(gòu)中，下一級噴嘴要保證上一級噴嘴的正常工作，因此，每個(gè)單級噴嘴的抽氣特性應(yīng)滿足：式中：G泵的抽氣量； S1，S2，.Sn各級噴嘴的抽速； P1，P2，Pn各級噴嘴的入口壓力。 6.2.2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)右圖為雙級噴嘴油擴(kuò)散噴射泵的結(jié)構(gòu)。圖8-451.加熱器因?yàn)閿U(kuò)散噴射泵工作壓力較高，所以無需對泵油進(jìn)行分餾。由于擴(kuò)散噴射泵的加熱供率較高，因此其

27、鍋爐蒸發(fā)面積和加熱面積比油擴(kuò)散泵的大。泵的加熱器有裸露式和封閉式兩種。鍋爐內(nèi)的蒸汽壓力為1-2KPa，個(gè)別情況可達(dá)4KPa。2.噴嘴在油擴(kuò)散噴射泵中采用傘形噴嘴，傘形噴嘴由下唇a和上帽b組成。蒸汽由與下唇相連的導(dǎo)流管進(jìn)入噴嘴，改變方向后經(jīng)噴嘴最小斷面處時(shí)，蒸汽流達(dá)到音速。在之后逐漸擴(kuò)大的通道內(nèi)連續(xù)膨脹，達(dá)到超音速。噴嘴的張角為40o-60o 擴(kuò)張度（出口斷面積與最小斷面積之比），入口級為20-50，出口級為2-3。 為了提高泵的最大出口壓力，在大型油擴(kuò)散噴射泵中，出口級往往采用噴射噴嘴。噴射級噴嘴需要的高壓力蒸汽由鍋爐直接提供。經(jīng)過對高壓力蒸汽進(jìn)行孔板節(jié)流降壓后的蒸汽供給其余各級噴嘴，使各級噴

28、嘴的工作蒸汽壓力分布更為合理。3.泵體 油擴(kuò)散噴射泵的泵體用碳鋼制成，有圓筒形，也有圓錐形。小型泵采用焊在泵殼外壁上的螺旋銅管通冷卻，大型泵的冷卻采用水套結(jié)構(gòu)。 6.2.3抽氣特性油擴(kuò)散噴射泵的抽氣特性可用泵入口壓力與泵抽速之間關(guān)系曲線來表示，如下圖。從圖中可見，在泵工作壓力范圍內(nèi)泵的抽速有一個(gè)最大值，對應(yīng)的入口壓力與蒸汽射流的狀態(tài)有關(guān)。圖8-48 泵的加熱功率對抽氣量和最大出口壓力也有影響。當(dāng)泵加熱功率變化時(shí)，泵抽氣量與泵入口壓力之間的關(guān)系如下圖所示。當(dāng)加熱功率變小時(shí)，鍋爐溫度降低，蒸汽射流密度降低，增加了被抽氣體向蒸汽射流內(nèi)的擴(kuò)散作用，在低壓時(shí)抽氣量有所增加，而在高壓時(shí)抽氣量有所降低。泵最

29、大出口壓力與加熱功率的關(guān)系如下圖所示。加大泵的加熱功率可以提高泵的最大出口壓力。 噴嘴擴(kuò)張角也影響泵的抽氣量和最大出口壓力。加大噴嘴的擴(kuò)張角會使蒸汽射流密度下降，可提高泵在低壓范圍內(nèi)的抽氣量，而泵在高壓范圍內(nèi)的抽氣量會有所下降，如下圖1所示。噴嘴的擴(kuò)張角對泵最大出口壓力的影響見圖2 圖1 圖2 單級噴嘴的抽速與噴嘴出口壓力的關(guān)系如下圖所示。從圖中可見，當(dāng)泵出口壓力低于最大出口壓力時(shí)，抽速不隨出口壓力的增加而變化。當(dāng)出口壓力超過最大出口壓力后，泵抽速急劇下降，不能正常工作 噴嘴喉部斷面積影響泵的蒸汽消耗量，蒸汽消耗量對抽氣量的影響如下圖1所示。當(dāng)入口壓力較高時(shí)，增加工作蒸汽量可以提高泵的抽氣量，

30、在低壓時(shí)，增加工作蒸汽量則對抽氣量影響不大。 泵的抽氣特性與被抽氣體的種類有關(guān)，對于小分子氣體的抽速較大，如圖2。 圖1 圖26.2.4泵油及減少返油的措施 由于油擴(kuò)散噴射泵在（10-10-2）Pa區(qū)域內(nèi)有較大的抽氣量，因此要求泵油有好的熱穩(wěn)定性、抗氧化性，在鍋爐工作溫度下有較高的飽和蒸汽壓，以提高蒸汽射流強(qiáng)度及泵的最大出口壓力。泵油的汽化潛熱要小，餾分要窄。泵油在室溫下的飽和蒸汽壓在10-3Pa數(shù)量級。 同擴(kuò)散泵返油一樣，從噴嘴出來的超音速蒸汽流會有一部分向泵入口側(cè)遷移。為減少油蒸汽向泵入口的訪返油，可在噴嘴上方裝置擋油帽。當(dāng)油帽可以切斷向泵入口遷移油蒸汽的流線，使蒸汽流線最終落到泵殼水冷壁

31、上，把油蒸汽冷凝掉。泵裝置擋油帽可減少返油量95%，抽速會下降（5-10）%。為減少油蒸汽向泵出口前級真空側(cè)遷移，可在噴射級之后裝置水冷冷凝器。冷凝器由一組有孔和無孔銅質(zhì)圓盤組成，相間安裝在水冷支架上。在泵啟動和關(guān)閉階段，各級噴嘴的蒸汽射流不穩(wěn)定，此時(shí)要關(guān)閉泵與真空室間的真空閥門，防止油蒸汽向被抽容器中返流。tu高真空與超高真空獲得設(shè)備）概述真空系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)是由氣體的流入量和氣體的抽除量達(dá)到動態(tài)平衡所決定的。即由公式： Q=SP所決定的。系統(tǒng)內(nèi)氣體流入量Q恒定時(shí)，系統(tǒng)的工作壓強(qiáng)P決定于系統(tǒng)出口處的抽速S。壓強(qiáng)降低一個(gè)量級，要求抽速相應(yīng)增加一個(gè)量級。泵的實(shí)際抽速小于理論抽速，并與入口壓強(qiáng)有關(guān)。

32、泵口在一個(gè)有限的工作壓強(qiáng)范圍內(nèi)工作，超過此范圍抽速減少到零。目前還沒有一種泵能從大氣壓到超高真空的整個(gè)壓強(qiáng)范圍內(nèi)工作。如工作在高真空區(qū)域內(nèi)就稱作高真空獲得設(shè)備，或工作在超高真空區(qū)域的就稱超高真空獲得設(shè)備。由于工作壓強(qiáng)范圍不同就出現(xiàn)了各種不同的真空獲得設(shè)備。 據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道：英國BOC Edwards公司的EPX干泵，德國pfeiffer公司的OnTool干泵，利用牽引分子泵及旋渦泵的工作原理組成多級的單體泵，可實(shí)現(xiàn)高真空到直排大氣。抽速140 l/s，極限真空10-4Pa。 因此，通常選用適當(dāng)?shù)亩啾么?lián)的機(jī)組來對系統(tǒng)抽氣。 普通型擴(kuò)散泵與機(jī)械泵組成的機(jī)組可使系統(tǒng)壓強(qiáng)降到10-5Pa，即達(dá)到高真空狀

33、態(tài)。改進(jìn)型擴(kuò)散泵與機(jī)械泵組成的機(jī)組，可使系統(tǒng)壓強(qiáng)降低到10-8Pa，即超高真空狀態(tài)。這說明一種泵有可能既是高真空獲得設(shè)備，又是超高真空獲得設(shè)備?，F(xiàn)代的離子泵、升華泵、吸附泵和低溫泵等，能使很大的被抽系統(tǒng)抽到超高真空狀態(tài)，且可以滿足不同氣體種類的要求。渦輪分子泵與機(jī)械泵的組合，既能獲得高真空也能非常迅速地抽到10-8Pa的超高真空。 本節(jié)課介紹各種高真空泵和超高真空泵的性能和使用規(guī)則 2）高真空獲得設(shè)備（1）金屬油擴(kuò)散泵高真空抽氣系統(tǒng)通常至少包括一臺擴(kuò)散泵和一臺機(jī)械泵。機(jī)械真空泵從被抽容器中抽走99.99%空氣（粗抽)。剩余的空氣（壓強(qiáng)降至10-110-7Pa）由擴(kuò)散泵抽走排入機(jī)械泵中。當(dāng)要求泵

34、對所有氣體都有恒定的高抽速，并且長時(shí)間使用無需維護(hù)時(shí)，一般使用擴(kuò)散泵。 擴(kuò)散泵不能直接將氣體排入大氣中，要求機(jī)械泵先將真空系統(tǒng)中的壓強(qiáng)降低到符合要求的壓力區(qū)域，這一工作稱為粗抽。在達(dá)到適當(dāng)?shù)墓ぷ鲏簭?qiáng)條件后，擴(kuò)散泵方可接著工作。此時(shí)，在前級管道上連接的機(jī)械泵為擴(kuò)散泵維持適當(dāng)?shù)呐艢鈮簭?qiáng)條件。這一工作被稱為前級抽空。擴(kuò)散泵在本質(zhì)上是專門用于高真空的蒸汽噴射泵。以前過分強(qiáng)調(diào)了氣體向蒸汽流中擴(kuò)散和蒸汽被冷凝。因此定名它為擴(kuò)散泵（或冷凝泵）。 最初的擴(kuò)散泵設(shè)計(jì)是在1915年。約在10年后確定了其基本結(jié)構(gòu)形式?，F(xiàn)代擴(kuò)散泵的特點(diǎn)是蒸汽流是按抽氣方向高速運(yùn)動，被抽氣體被蒸汽流帶走。其原理與蒸汽噴射泵沒有太大的差

35、別。最初用的工作流體是汞。第一次用油類作為工作流體是在1928年。下面主要討論油擴(kuò)散泵及其附件。 （）泵的抽氣機(jī)理典型的擴(kuò)散泵有一個(gè)垂直的、通常是圓筒形的泵體，泵體上固定著一個(gè)入口法蘭，以便了連接到系統(tǒng)上進(jìn)行抽氣。圓筒的底部是封閉的，形成一個(gè)鍋爐，鍋爐與加熱器固定在一起。泵體上部的三分之二纏繞著冷卻水管或水套。出口管道設(shè)置在泵體下部的一側(cè)，以便將被抽氣體或蒸汽排到前級機(jī)械泵。圖1中的剖視圖給出了單級擴(kuò)散泵的示意結(jié)構(gòu)。 噴射系統(tǒng)（導(dǎo)管系統(tǒng)）安置在泵體中。它由頂部蓋帽的同軸圓管組成，并與張開的末端配合形成噴嘴，泵工作液蒸汽經(jīng)過噴嘴可以高速按預(yù)定方向噴出。這里沒有機(jī)械運(yùn)動部件。工作時(shí)，由固定在泵底下

36、部的電爐元件加熱，將鍋爐中的工作液體變成蒸汽。蒸汽流在導(dǎo)流管中上升，通過環(huán)形噴嘴間隙向由水冷卻的泵內(nèi)壁噴射。達(dá)到泵入口的氣體分子為泵工作蒸汽流所攜帶，并獲得向下的動量。蒸汽流通常以超音速流動。氣體蒸汽混合物向前級管道方向運(yùn)動。噴射流中的油蒸汽碰到水冷卻泵壁后冷凝，以液體形式重新回到鍋爐。而被攜帶的氣體分子則繼續(xù)流向出口，在泵出口處被機(jī)械泵抽走排到大氣中。冷凝的油蒸汽沿泵內(nèi)壁流回鍋爐，再加熱后又被蒸發(fā)，以維持到噴嘴處的蒸汽流和抽氣的連續(xù)性。圖2是典型的多級擴(kuò)散泵的剖視圖。擴(kuò)散泵的抽氣作用是由蒸汽與氣體分子的碰撞，動量交換形成的。氣體分子難于逆流方向上穿越蒸汽流，回到泵的入口處。由于蒸汽射流兩側(cè)出

37、現(xiàn)了壓強(qiáng)差（分子密度差），由蒸汽射流形成的壓縮比可以近似地表示為下式式中為蒸汽流密度，u為蒸汽流速度，L為蒸汽流的寬度，D為擴(kuò)散系數(shù)，它與蒸汽和氣體分子的直徑 和 及 分子量M1和M2有關(guān)。 式中下標(biāo)1為被抽氣體，2為抽氣流體。由此可知，較輕的氣體壓縮比是很低的。擴(kuò)散泵的工作壓力范圍：擴(kuò)散泵的適用壓強(qiáng)范圍在10-8 10 Pa之間。無輔助的低溫抽氣在不加烘烤的情況下所能達(dá)到的入口壓強(qiáng)約為10-6Pa。對運(yùn)用的泵結(jié)構(gòu)，高壓強(qiáng)端的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)（在泵入口處）一般不超過110-1Pa，如果借助低溫抽氣，如用冷阱（液氮）可以獲得約10-8Pa的入口壓強(qiáng)。擴(kuò)散泵的級數(shù)，或噴嘴的數(shù)量，取決于其性能規(guī)范。單級泵不

38、能同時(shí)有高抽速和高壓縮比。一般來說，入口處的第一級具有高的抽速和低的壓縮比，最后一級（排氣級）正好相反。小泵常常有23級，大泵有56級。開頭幾級有環(huán)形噴嘴，排氣級有時(shí)有一個(gè)圓噴嘴。有時(shí)為了獲得某種性能，將兩個(gè)擴(kuò)散泵串聯(lián)使用。這樣，有增加壓縮級數(shù)的作用，而且允許兩個(gè)泵使用不同的工作液。蒸汽和氣體分布：工作液在鍋爐內(nèi)蒸發(fā)升高了蒸汽壓強(qiáng)，（勢能）經(jīng)過噴嘴射出高速蒸汽流（勢能轉(zhuǎn)化成動能），氣體在抽氣方向上被蒸汽分子碰撞，動量傳遞給氣體分子而被抽除。因?yàn)閿U(kuò)散泵用的工作液在室溫下容易冷凝，所以可在一個(gè)緊湊的空間內(nèi)安裝一個(gè)多級噴嘴的導(dǎo)流系統(tǒng)。蒸汽流與被抽氣體的相互作用，可通過實(shí)驗(yàn)來測其密度分布（如圖3），即

39、分子密度及蒸汽到達(dá)泵壁的分布（圖4），噴嘴出口處氣體相對減少，可以排放氣體被逐漸壓縮的狀態(tài)。以下各級以次類推。擴(kuò)散泵的特性曲線。擴(kuò)散泵的抽速與入口壓強(qiáng)的關(guān)系用曲線圖表示。如圖3所示。曲線由四段組成。靠左段，可見抽速在極限真空附近明顯降低。再向右段為抽速恒定部分，由于在分子流狀態(tài)下，通導(dǎo)是恒定的，與壓強(qiáng)無關(guān)。蒸汽捕獲效率是恒定的。標(biāo)有過載的部分是一段排氣量恒定的階段，這表明已達(dá)到最大的排氣能力。右邊最后一段曲線表明，前級機(jī)械泵大小對擴(kuò)散泵性能的影響很大。 圖3 擴(kuò)散泵的抽速曲線 （2）抽速泵的抽速是指泵入口平面處的抽速。把泵和被抽容器連接起來的管道，閥門，障板和阱，對氣流產(chǎn)生流阻，引起壓強(qiáng)差。在

40、分子流條件下，障板和阱的流導(dǎo)，在數(shù)值上等效于泵的抽速。因而，在容器抽氣口處的抽速很可能是泵抽速的1/2或1/3。因?yàn)橛蟹艢狻⒙獾仍?，高真空系統(tǒng)中，氣體負(fù)荷總不會是零。所以真空室的極限真空總是低于泵的極限真空。通常假定擴(kuò)散泵在系統(tǒng)壓強(qiáng)高于10-1Pa以上時(shí)，工作是不穩(wěn)定的。尺寸的影響：已生產(chǎn)的擴(kuò)散泵入口法蘭尺寸從5cm到120cm甚至更大。大泵與小泵的差別是油蒸汽從噴嘴到泵壁或冷凝表面所經(jīng)過的距離。顯而易見，在油蒸汽到達(dá)泵壁時(shí)，大泵中的油蒸汽密度低于小泵中的油蒸汽密度。即5cm口徑的擴(kuò)散泵的抽速穩(wěn)定段可延伸到310-1Pa，而120cm的大泵，其穩(wěn)定段也能達(dá)到310-2Pa的原因。在穩(wěn)定工作

41、區(qū)域相差一個(gè)數(shù)量級是很明顯的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須要考慮到這一點(diǎn)。為了改善大泵的高壓強(qiáng)工作特性，必須采取特殊措施（相應(yīng)地提高功率輸入，增加泵的級數(shù)）。應(yīng)該注意到大泵和小泵的幾何形狀并不相似。但小泵和大泵的鍋爐壓強(qiáng)大致是相同的，因?yàn)橐拗票霉ぷ饕旱淖罡哒舭l(fā)溫度，以避免熱裂解。因此，對所有的泵來說，噴嘴出口處蒸汽密度幾乎是相同的。但是蒸汽既向軸向又向徑向膨脹。我們可以假設(shè)蒸汽的密度與離噴嘴的距離的平方成反比，因此，射流越靠近泵壁，密度則越低，以致于在較高壓強(qiáng)下抽除氣體分子的效率低下。對各種氣體的抽速：擴(kuò)散泵的抽速與每種氣體的分壓強(qiáng)有關(guān)。每種氣體都有各自的抽速，都有各自的極限壓強(qiáng)。通常測得的極限壓強(qiáng)是由

42、殘留在系統(tǒng)中的泵工作液蒸汽裂解物或水蒸氣造成的。如果泵設(shè)計(jì)不合理，對He和Ne的抽速可能要比對空氣低得多。需要時(shí)要對不同氣體分別進(jìn)行測量。真空系統(tǒng)中經(jīng)常存在的氣體有H2、He、水蒸氣、CO、CO2、N2和Ar。一般說來對He的抽速比空氣的高約20%， H2的抽速比空氣的約高30%。障板和阱對輕氣體的阻抗要比對空氣的低一些。在相同擋板的條件下對輕氣體的抽速相對高于對空氣的抽速。（）抽氣量 最大抽氣量通常比抽速更重要。最大抽氣量值取決于擴(kuò)散泵給定的加熱功率。抽氣量和功率在量綱上是相同的。目前所設(shè)計(jì)的泵，用的是現(xiàn)代泵工作液，要獲得160 Pa l/s（1.2Torr l/s）的最大抽氣量需要1 KW

43、的功率。因?yàn)?000 Pa l/s=1W。所以擴(kuò)散泵的效率160 Pa l/s=1.6W與1000W之比為1.610-4。由此看出擴(kuò)散泵的效率是很低的。最大抽氣量是對應(yīng)的入口壓強(qiáng)那一點(diǎn)是很重要的，低于這個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)，抽速對壓強(qiáng)是恒定的，高于這個(gè)壓強(qiáng)點(diǎn)，抽氣量對壓強(qiáng)是恒定的。用壓強(qiáng)對抽氣量的曲線，如圖4所示，這樣就很容易看清大抽氣量和壓強(qiáng)穩(wěn)定的范圍，以及超出此范圍的過載概念。要記住，對于給定的系統(tǒng)，給予泵的氣體負(fù)荷，泵便有一個(gè)入口壓強(qiáng)。這有助于選擇所需泵的大小。 圖4 抽氣量與入口壓強(qiáng)的關(guān)系曲線（）前級壓強(qiáng)擴(kuò)散泵是為高真空的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，其鍋爐壓強(qiáng)一般是133200Pa（11.5Torr），即意味著

44、泵的最大壓強(qiáng)可達(dá)200 Pa（1.5 Torr）。另外，擴(kuò)散泵的工作液不能在高壓強(qiáng)下沸騰，因?yàn)楦邷貢贡霉ぷ饕悍纸?，所以擴(kuò)散泵必須要有一個(gè)泵作為前級，以便在擴(kuò)散泵的排氣口處形成低于67 Pa（0.5 Torr）的壓強(qiáng)。擴(kuò)散泵的許可前級壓強(qiáng)是在前級管道處的最大許可壓強(qiáng)。超過許可的前級壓強(qiáng)就破壞了擴(kuò)散泵的抽氣作用。從本質(zhì)上說，當(dāng)前級管道中的壓強(qiáng)超過某個(gè)值（通常為0.5 Torr左右）時(shí)，泵的排氣級的蒸汽就沒有足夠的能量和密度來對前級管道中的空氣形成屏障。于是會使空氣攜帶泵工作液蒸汽反向穿過擴(kuò)散泵。 現(xiàn)在擴(kuò)散泵的鍋爐壓強(qiáng)大約為1.5 Torr，允許前級壓強(qiáng)約為鍋爐壓強(qiáng)的一半，此值由實(shí)驗(yàn)可以獲得泵的入

45、口壓強(qiáng)與出口壓力的關(guān)系。最大出口壓強(qiáng)是最后一級噴嘴的工作狀態(tài)決定的。主要取決于蒸汽射流的密度和噴嘴的蒸汽流量和最后一級噴嘴的結(jié)構(gòu)。為了提高最大排氣壓強(qiáng)，必須提高最后一級的蒸汽射流的密度和流量，即提高泵的加熱功率。最大排氣壓強(qiáng)與加熱功率成線性關(guān)系。在多級游擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)中，最后一級噴嘴常作成噴射型結(jié)構(gòu)。最大出口壓強(qiáng)一般規(guī)定為40 Pa。對前級泵的要求：為給定擴(kuò)散泵選擇合適的前級泵，必須考慮的幾個(gè)問題。首先是作粗抽泵用該多大，它是否既作粗抽泵又作前級泵用？其次是否要求前級泵在擴(kuò)散泵的最大抽氣量下運(yùn)行？最后，擴(kuò)散泵的最大許可的排氣壓強(qiáng)是多少？還有前級管道的容積（如設(shè)儲氣罐）有多大？在滿負(fù)荷條件下，前級泵

46、的抽速由下式求得：式中Qmax為擴(kuò)散泵的最大抽氣量，P2為最大許可的前級壓強(qiáng)。S2為前級泵的名義抽速。若考慮安全系數(shù)和前級管道的阻力影響。通常安全系數(shù)可以是2。下面舉個(gè)實(shí)例說明。假設(shè)一個(gè)泵滿負(fù)荷（最大抽氣量）時(shí)的最大抽氣量是4 Torr l/s（即532 Pa l/s），允許的前級壓強(qiáng)為0.5 Torr（67Pa），則前級泵抽速為：假設(shè)兩泵之間的流導(dǎo)沒有受到過大限制，那么，選擇名義抽速為14 l/s的泵做前級泵是合適的。（如按安全系數(shù)為2考慮應(yīng)為16 l/s）（5）極限壓強(qiáng)： 關(guān)于泵的極限壓強(qiáng)問題，可能有兩種意見。極限壓強(qiáng)可以被看作是氣體負(fù)荷的極限或壓縮比的極限。兩種看法都有實(shí)際意義。后者常適

47、于抽輕氣體。無論壓強(qiáng)如何降低，蒸汽流的抽氣作用都不停止。泵的極限壓強(qiáng)取決于抽走的和反擴(kuò)散的分子數(shù)之比，再加上氣體負(fù)荷與抽速之比泵本身可能通過泵工作液蒸汽及其裂解物的返流以及部件的放氣形成氣體負(fù)荷，測得的總的極限壓強(qiáng)實(shí)際上是幾種因素的組合。一般觀察到工作液影響最大。雖然用最好的工作液，在低于10-6Pa的情況下，必須對系統(tǒng)進(jìn)行烘烤除氣后才能得到。 障板和阱的作用：水冷障板使冷凝或截獲的工作液使之不能再蒸發(fā)，因此在阱和擋板中間的空間中，蒸汽的密度減少了。減少了蒸汽分子間的相互碰撞，增加了蒸汽分子碰撞低溫表面的幾率，即降低了通過低溫阱的幾率。低溫阱有兩個(gè)基本作用：對泵向系統(tǒng)的可凝性蒸汽流的阻擋作用，

48、對從系統(tǒng)中釋放出的可凝性蒸汽又起低溫泵的作用。在多數(shù)情況下，后者對極限壓強(qiáng)起主要影響。在初抽后的不烘烤的系統(tǒng)中，水蒸氣可能占剩余氣體的90%，使冷阱冷卻很容易增加對水蒸氣的抽速（一般到23倍）。對輕氣體的壓縮比：如前所述，對輕氣體的壓縮比（入口壓強(qiáng)與出口壓強(qiáng)的關(guān)系）可能是相當(dāng)小的。據(jù)測量報(bào)道：H2是3 10 2 10 ，He是10 2 10，Ne是1或2 10， CO和Ar為10，和Kr為（35） 10 ，n C2 H3是7 10 。就極限壓強(qiáng)而言， H2可能是殘余氣體成分的主要部分，因?yàn)樗嬖谟诮饘伲霉ぷ饕杭八魵庵?。對超高真空工作來說，這是個(gè)重要問題。此時(shí)，一些擴(kuò)散泵可能需要串聯(lián)第二個(gè)泵

49、。泵工作液的選擇：各種有機(jī)液體已經(jīng)用于擴(kuò)散泵的工作液。選擇工作液的標(biāo)準(zhǔn)是：在室溫下蒸汽壓要低，熱穩(wěn)定性好，化學(xué)惰性，無毒性，表面張力大，以便將蠕爬減到最小程度，閃點(diǎn)和燃點(diǎn)要高，室溫下有適當(dāng)?shù)恼扯?，汽化熱低，成本要低。例如常用的DC705油，分子量546，25蒸汽壓5 10-Pa，閃點(diǎn)243，粘度（ 25）170（cst）；表面張力30.5（達(dá)因/厘米）。有資料報(bào)道：用 DC705油的工作特性：用水冷擋板時(shí)極限壓力可達(dá)10-7Pa，用-20 障板時(shí)極限壓強(qiáng)可達(dá)10- Pa 。在不用低溫阱的系統(tǒng)中，其極限壓強(qiáng)是工作液的蒸汽壓所能達(dá)到的最小值。工作液沿壁冷凝后的去氣可用控制鍋爐附近泵壁溫度來實(shí)現(xiàn)。即

50、鍋爐附近的泵壁溫度足夠高，使工作液回入鍋爐前去氣。這樣可使極限壓強(qiáng)得到明顯的改善。增加熱輸入?？梢栽黾颖玫膲嚎s比，但也會破壞極限壓強(qiáng)。（）返流泵工作液進(jìn)入真空系統(tǒng)中的任何遷移都可稱為返流。泵的返流率常指無障板泵的入口平面的返流率。就擴(kuò)散泵本身而言，可能存在如下一些返流源： 來自頂噴嘴邊緣的過分發(fā)散的蒸汽流；頂噴嘴帽處密封不良而造成的穿透；頂噴嘴噴出的蒸汽流上層蒸汽分子之間的相互碰撞 氣體分子與蒸汽分子之間的碰撞，尤其在高氣體負(fù)荷下（10-110-2Pa區(qū)域） 流回的冷凝物在進(jìn)入鍋爐之前（在噴嘴部件和泵壁之間）沸騰，使一些工作液的飛沫向上穿過射流蒸汽；冷凝液從泵壁上蒸發(fā) 以上各項(xiàng)返流源，通過合理

51、設(shè)計(jì)可以解決。 所有能用室溫障板停止或截止的返流稱為一次返流，泵工作液從障板上再蒸發(fā)穿過障板稱為二次返流。一次返流可用冷帽進(jìn)行有效控制。在有液氮阱的系統(tǒng)中，除了偶然事故和高氣體負(fù)荷工作情況之外，返流可以控制得足夠低。在離入口兩倍泵口直徑D的位置處，返流率一般可以降到1/50，入口管道彎90度，可起到擋板的作用。這樣，返流率可以降到該環(huán)境溫度下工作液自然蒸發(fā)速率的水平。沒有低溫阱不可能進(jìn)一步降低返流率。（圖5） 擴(kuò)散泵阱的最佳設(shè)計(jì)，可獲得40%的凈抽速，返流率降到110-7 mg/cm2 min（在阱的入口平面處）。這個(gè)值已被測到。 圖5 返油率的降低表面遷移：一些泵工作液可能有蔓延到金屬表面形

52、成油膜的趨勢。表面張力為30達(dá)因/厘米以上的工作液不會在普通的金屬表面上蔓延。這類工作液不在覆蓋于金屬表面上的自身的單分子層上蔓延。泵工作液的損耗：通常工作液面高度30%變化不會有明顯影響。當(dāng)液面太低時(shí)，會導(dǎo)致鍋爐表面過熱，長時(shí)間對大泵可能引起鍋爐底變形，中心可能露出液面，導(dǎo)致進(jìn)一步過熱，造成加熱器與泵底接觸不良，使加熱元件過熱引起故障如果液面過高，加熱過程可能使工作液起泡沫，使液面上升與排氣管道同樣高的位置。 工作液的損耗除正常返流之外，在接近最大抽氣量下長時(shí)間工作，高壓強(qiáng)和高速的空氣以正向或反向事故性地流過泵，溫度分布不當(dāng)造成高蒸汽壓的工作液的蒸發(fā)。當(dāng)氣體負(fù)荷相當(dāng)?shù)蜁r(shí)，擴(kuò)散泵工作液可以工作

53、許多年而不用添加或更換。在加速器系統(tǒng)上工作超過10年的擴(kuò)散泵的報(bào)道。在大泵中為了減少損耗，一些泵內(nèi)裝有前級擋板。冷帽是現(xiàn)代擴(kuò)散泵所必備的，可使返流率降低到1/50或更小。冷帽通常用銅制成。要用水冷卻。當(dāng)溫度低于80時(shí)足以使冷帽有效地冷凝。當(dāng)高于105時(shí)，冷帽基本上失去作用。為了保持冷帽正常工作，必須將冷帽與熱的頂噴嘴帽進(jìn)行隔熱。并留有適當(dāng)?shù)拈g隔，以免高粘度的泵工作液在冷熱兩部分之間積聚。擴(kuò)散泵壓強(qiáng)穩(wěn)定性：擴(kuò)散泵系統(tǒng)偶然出現(xiàn)壓強(qiáng)的不穩(wěn)定，可能是泵外原因和泵內(nèi)原因。泵外部原因有：（1）合成橡膠密封件產(chǎn)生氣泡；（2）障板上出現(xiàn)液滴；（3）前級管道內(nèi)輕氣體的壓強(qiáng)高；（4）抽氣量過載；（5）冷阱除霜；（

54、6）阱中冷凍層爆裂。泵的內(nèi)部原因?yàn)椋海?）噴發(fā)和不穩(wěn)定沸騰；（2）在噴嘴組件外部沸騰；（3）輕氣體的低壓縮比；（4）噴嘴中的液體微滴；（5）頂噴嘴溫度太低；（6）鍋爐附近泄露。為防鍋爐濺起工作液加一障板來消除。頂噴嘴溫度過低導(dǎo)致蒸汽流間斷，從而造成無規(guī)律的壓強(qiáng)變化。輕氣的低壓縮比可能引起壓強(qiáng)的不穩(wěn)定。除增加級數(shù)外，可增加功率是有益的。合成橡膠密封產(chǎn)生的氣泡是壓強(qiáng)突然上升的主要原因。入口法蘭是最薄弱的部位。O型圈密封槽的精心設(shè)計(jì)可將這種不穩(wěn)定性減少到最小程度。障板上的液滴落到頂噴嘴帽的熱表面上進(jìn)行蒸發(fā)。所產(chǎn)生的蒸汽也會影響抽速，據(jù)報(bào)道，輕氣體在泵入口處的壓強(qiáng)波動10%。擴(kuò)散泵的冷卻方式，視大小泵

55、不同。通常小泵用風(fēng)冷（口徑最大為10cm），大泵用風(fēng)冷是行不通的。2.其他高真空獲得設(shè)備2.1 牽引分子泵牽引分子泵和渦輪分子泵與擴(kuò)散泵在性能上有許多方面相似。擴(kuò)散泵中的被抽氣體分子在與蒸汽分子相碰撞過程中得到動能。而在分子泵中的被抽氣體是靠與快速運(yùn)動的固體表面碰撞而獲得動能的。分子泵有兩類：第一類是有整體的運(yùn)動表面（圓筒型、圓錐型或圓盤型），當(dāng)氣體分子在運(yùn)動表面（轉(zhuǎn)子）和靜止表面（定子）間多次反射時(shí)，運(yùn)動將他們牽引到泵的排氣側(cè)；第二類，有一系列類似于軸流壓縮機(jī)的葉片。每個(gè)壓縮機(jī)由一個(gè)動盤和一個(gè)靜盤組成。這后一種結(jié)構(gòu)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是同一表面不會周期性地暴露于高壓強(qiáng)下和低壓強(qiáng)下。這種牽引分子泵的結(jié)構(gòu)

56、如圖1所示。 圖幾種牽引分子泵的結(jié)構(gòu)示意圖一般泵的入口壓強(qiáng)為1Pa。特殊構(gòu)造的可超出1 Pa，并能向大氣排氣，這樣的泵不適于反復(fù)迅速排氣，只適于粗抽后的連續(xù)排氣。由于排氣量低，容易卡住，應(yīng)用較少。2.2 油噴射泵可將油噴射泵看成為增壓泵和水蒸氣噴射泵之間的過渡。油增壓泵與擴(kuò)散泵很相似，增壓泵設(shè)計(jì)得使性能曲線平移，這樣，其對應(yīng)的入口壓強(qiáng)比普通擴(kuò)散泵提高的大約10倍。它們使用具有較高蒸汽壓的泵工作液（如增壓泵油）。因此其鍋爐壓強(qiáng)和許可出口壓強(qiáng)也相對較高。它們被用于高氣體負(fù)荷的場合（如真空冶煉），并且在1 Pa附近常有最大抽速。最近期間由于更有效的擴(kuò)散泵和機(jī)械增壓泵的進(jìn)展，油增壓泵的使用已經(jīng)減少了。

57、油噴射泵進(jìn)一步向高的入口壓強(qiáng)方向發(fā)展。除了有整體加熱器和水冷擴(kuò)壓器外，外型和蒸汽噴射泵相似。由于機(jī)械增壓泵的出現(xiàn)，這樣泵很少應(yīng)用了。2.3 水銀擴(kuò)散泵 用水銀作泵工作液可使鍋爐內(nèi)壓強(qiáng)和入口壓強(qiáng)的范圍擴(kuò)大。小型水銀擴(kuò)散泵排氣壓強(qiáng)可達(dá)50Torr（6650 Pa）。理論上，排氣壓強(qiáng)甚至可達(dá)到大氣壓。在下列情況下使用水銀擴(kuò)散泵是有優(yōu)越性的。例如被抽容器內(nèi)充滿水銀蒸汽；泵必須處理突然出現(xiàn)的大的氣體負(fù)荷；不允許碳?xì)浠镂廴尽Ｊ覝叵滤y的蒸汽壓接近1.510-3 Torr（0.2Pa）。因此，必須考慮水銀的返流和捕集問題。通常，水銀擴(kuò)散泵與障板、液氮冷阱一起使用。 水銀泵是有毒的，為避免散落，必須小心地處

58、理水銀蒸汽。水銀擴(kuò)散泵的詳細(xì)操作和性能詳見專門的文獻(xiàn)介紹。 2.4 吸附泵（高真空）普通表面或多孔材料對氣體分子的物理吸附或吸收可用來獲得高真空?？梢栽谌我粔簭?qiáng)下利用吸附或吸收技術(shù)，但由于實(shí)際上的限制，它只能作某種特殊應(yīng)用。為了消除油封機(jī)械泵產(chǎn)生的碳?xì)浠衔镂廴镜目赡苄?，吸附泵常用于超高真空系統(tǒng)的粗抽，并且常與干式無油機(jī)械泵一起使用。抽氣步驟依次使用兩臺或三臺吸附泵，可以從被抽容器中排走大量的空氣。通過離子吸氣劑泵抽氣，可以獲得足夠低的壓強(qiáng)而不使其過載。 利用吸附泵獲得高真空，可以通過升溫將吸附的氣體解吸，然后回到室溫，也可冷卻到低溫。商業(yè)用吸附泵通常是為獲得前級真空而設(shè)計(jì)的。然而，用類似結(jié)構(gòu)

59、的泵進(jìn)行多級抽氣也能獲得高真空。但要有較高的入口流導(dǎo)。 3 超高真空獲得設(shè)備 3.1 渦輪分子泵概述渦輪分子泵于1957年首次問世。各國真空企業(yè)都有產(chǎn)品投放市場。已獲得發(fā)展和推廣應(yīng)用。渦輪分子泵的應(yīng)用范圍與擴(kuò)散泵基本相同，這兩種泵均可由前級泵不停地向大氣中排氣。進(jìn)口壓力在1 Pa10-7Pa范圍。抽氣都對分子類別無選擇性，從70 l/s10000l/s的泵都能得到。特殊用途還有更小或更大的渦輪分子泵。擴(kuò)散泵有60000 l/s的產(chǎn)品，目前一般用途的渦輪分子泵沒有大于10000l/s的。需要高抽速，氣體量很小的地方，如大的超高真空系統(tǒng)中，將渦輪分子泵與捕集泵（如離子泵、升華泵或低溫泵）相并聯(lián)可能

60、比單用渦輪分子泵更經(jīng)濟(jì)。在這種用法中，渦輪分子泵可抽除He和H2。而捕集泵抽除這兩種氣體會有困難。尤其對升華泵和低溫泵更是如此。渦輪分子泵也可單獨(dú)用來將系統(tǒng)粗抽到110-5Pa左右，以便被捕集的氣體量減至最少。3.2 渦輪分子泵抽氣理論最常被引用的渦輪分子泵理論是shapiro 和他在麻省理工學(xué)院的學(xué)生一起提出的。他們的原始的理論描述如圖2所示。實(shí)際的葉柵組成如圖5所示。 圖3是將三維的轉(zhuǎn)子葉柵簡化為二維的葉柵。不考慮由半徑上變化而產(chǎn)生的泵壁表面和幾何形狀上的變化因素。這樣一個(gè)葉柵運(yùn)動時(shí)的抽氣能力是由兩側(cè)入射在轉(zhuǎn)子上的分子到達(dá)相反一側(cè)的通過幾率不等所引起的。通常考慮葉片速度為與氣體分子熱運(yùn)動速