第三章 真空泵Word文件下载.docx

1、如有些泵虽然有高的极限真空度，但不能从大气开始工作，它就必须配以能由大气开始抽气的泵作为前级泵，因此根据多种泵在系统中的作用，它可以分别承担如下工作：（1）主泵 在真空系统中，用来获得所要求的真空度的真空泵。如真空镀膜机中，常用扩散泵作为主泵，一般只需达到10-310-4帕的真空度。（2）粗抽泵 从大气压开始抽气，降低系统的压强使另一真空泵能够开始工作。（3）前级泵 用它与主泵相连，以满足主泵的前级压强要求。例如油扩散泵工作时必须利用机械泵作为前级泵。前级泵也可做粗抽泵使用。（4）低真空泵 从大气开始，降低容器压强且工作在低真空范围的真空泵。（5）高真空泵 能使系统的真空度达到高真空范围的真空

2、泵。（6）增压泵 装入高真空泵和低真空泵之间，用来提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵容量要求的真空泵。3.3 真空系统的抽气过程真空泵的作用是将真空系统（容器）中的气体抽除，气体压强逐渐下降，那么容器中气体压强如何随时间变化呢？管道对抽速有什么影响呢？图3-1示出了最简单的真空系统，在泵没有工作时，各处的压强相等，都等于大气压强，当泵工作后，系统中的气体开始被泵抽除，而系统的压强逐渐下降，并形成压差（P1P2），使气体源源不断地被泵抽走，从而实现了抽气过程。1被抽容器压强随时间的变化关系设真空泵的抽速为常数S，容器的容积为V，通过计算推导得到: （3-3）式中P表示t时刻容器中的压

3、强，若t=0时P=P1 ，抽气开始时的压强则表示起始压强。根据式（3-3）绘出P-t曲线如图3-2所示，当t时，压强趋近于泵的极限压强Pu。2导管对抽速的影响以上讨论没有考虑导管的影响，实际上任何导管对气体均存在流阻。设导管的流导为C,S1、S2分别表示导管入口的抽速，参照图3-1，当气体在真空系统中的流动达到稳定状态时，在单位时间内流过导管任意截面的气体量（即气体流量）应相等，这就叫气体量恒等关系。根据式（2-32）可得 （3-4）而 故 （3-5）（3-5）又可变为 （3-6） （3-7）用式（3-6）减式（3-7）得 （3-8）式中S1可认为是容器口（导管入口）的有效抽速Se，S2为泵的

4、抽速Sp,C为导管总流导，即（3-8）可写成: （3-9）由此可见，由于导管流阻的影响，使得泵作用于容器的有效抽速Se小于泵口的抽速。如果泵的抽速比导管的流导大得多（导管的流导远小于泵的抽速），即SpC，则Se=C,这说明由于导管的阻力影响泵对容器的有效抽速与泵的实际抽速（Sp）无关，换句话说，即使选用较大抽速的泵，由于导管的影响，有效抽速Se仍很小；如果CSp，则SeSp，这说明导管的流导比泵的抽速大得多，对容器的有效抽速近似于泵的实际抽速，在实际应用中，这种情况被广泛采用。当泵的抽速一定时尽可能选用流导大的导管。因此在设计真空系统时，泵抽速的选择、导管的形状选择、尺寸计算都非常重要。如选用

5、导管的流导很小，而泵的抽速很大，结果对容器的有效抽速很小，造成不必要的浪费。3.4 旋片机械真空泵（机械泵）机械泵是应用最广泛的一种低真空泵，它常被作为真空系统中的粗抽泵和前级泵。它是用油来保持密封并依靠机械方法不断地改变泵内吸气空腔的体积，使被抽容器内气体的体积不断膨胀从而获得真空。机械泵可分为滑阀式、活塞往复式、定片式和旋片式四种类型。第一种主要用于大型设备，第二、三种由于性能较差，现在已很少使用，目前在电真空工业中应用最多的便是旋片式机械泵（以下简称旋片泵）。机械泵常被用来抽除干燥的空气。一般不适用于含氧过高、有爆炸性、对金属有腐蚀性的气体（或蒸气），另外对泵油起化学反应的气体以及含有颗

6、粒尘埃的气体，也不宜应用。3.4.1 旋片泵的工作原理旋片泵的主要结构如图3-3所示，起主要作用的部件有定子（泵壳）、转子（泵轴）,旋片等。转子位于泵壳里面，它与定子不同轴，实际好像两个内切园。转子槽内装有两块旋片（也称刮板），两旋片中间装有弹簧，由于弹簧的作用，使刮板永远紧贴在泵壳内壁。用3-4来说明旋片泵的抽气过程。位置（I）工作室被分为两个互不通气的空间，旋片1后的空间体积为零，吸气还未开始。位置（）旋片1后的空间体积由零度变大，其压强小于进气口处的压强，于是气体通过进气口，吸进气体。位置（）旋片1继续运动，这时旋片2将旋片1后的空间和进气管隔开，吸气刚刚结束。位置（）旋片1后空间开始压

7、缩，压强增高，当压强高于1个大气压时，气体推开排气阀门排出气体。位置（）排气结束。紧接着又是下一个排气循环开始。两个旋片交替地起着两方面作用，一方面从进气口吸进气体，另一方面压缩已吸进的气体，将它排出泵体。所以转子每旋转一周，泵完成两次吸气和两次排气。当泵连续顺时针转动时，旋片泵不断地通过进气口进入气体，又将吸入的气体不断地排出泵外，实现了对容器抽气的目的。为了提高泵的极限真空度，一般均将泵的定子浸在油内，这样，在各处间隙中及有害空间里经常保持足够的油，把空隙填满。所以，油一方面起到了润滑作用另一方面又起了密封和堵塞缝隙及有害空间的作用，防止气体分子通过各种渠道反流到压强低的空间去。由于用油进

8、行密封，所以此泵全称为“油封旋片式机械真空泵”。随着现代工业和科学事业的发展，对真空技术提出了一个新的要求，即建立“无油清洁的真空系统”。“油封”和“无油”是相互矛盾的，因此油封机械泵不能满足“无油真空系统”的要求。人们通过实验探索，试图采用既能起到密封作用而又不污染真空系统的溶液，例如，有用二硫化铂、液态合金作密封润滑剂的，也有在泵入口设置蒸气捕集器等其他结构形式的。总之，随着工业生产的发展，各种新的要求会不断出现，因此机械泵的性能也应不断更新、提高，以满足各行各业的需要。3.4.2 旋片泵的性能由于旋片泵是从大气开始工作的，因此它的性能参数主要有极限真空、抽气速率。它是设计与选用泵时的主要

9、依据。1极限真空（Pu）极限真空是泵在一定条件下，经充分抽气，泵进气口所能达到的最低压强。提高极限真空度的措施如下：（1）密封油的选用 机械泵油对极限真空有着重要影响，对油的基本要求是：饱和蒸气压低，在低压空间不允许油中挥发出大量的油蒸气，以便影响极限真空泵，一般泵油在常温下的饱和蒸气压小于110-2帕，最好小于510-3帕。具有一定粘度，若油太稀，就不能在必要的地方形成油膜，不能起到密封作用；若油过粘，会使转子转动困难，造成泵体过热。（2）采用双级泵 油密封固然使有害空间和缝隙的影响减小，但要使气体一点不通过有害空间和缝隙反流回去是不可能的，为进一步提高极限真空度，采用双级结构，如图3-5所

10、示，双级泵是把两个单级泵的工作缸（定子）串联起来。后级缸出气口安在前级缸的进气口。这样可使极限真空度大大提高。我国目前生产的2X系列旋片泵就是双级泵，极限真空达6.710-2帕。2抽气速率旋片泵按额定转数运转时，单位时间内所能排除气体的体积称为理论速度（也称几何抽速）Sth。如图3-4中（）所示，当转子处于水平位置时，吸气结束，此时空腔内的体积最大（Vs），泵轴转速为n，即有Sth=2nVs=2nfsL （3-10）式中：fs表示吸气结束时空腔截面积，L表示空腔长度，系数表示转子每旋转一周有两次排气过程。由于从泵入口到空腔之间流阻以及由于气体的返流等多种因素的影响，使泵口处的实际抽速（S）小于

11、理论速度（Sth），两者的关系一般为S=Sth（l-Pu/P） （3-11）由此可见，抽速S随容器压强P降低而降低，当PPu时，S0，图3-6示出了几种形式旋片泵的S-P关系，在压强较高区域，亦就是进气导管及有害空间，通过缝隙的返流的影响不大时，单级泵和双级泵抽速一样。当在压强比较低时，上述影响越来越严重，双级泵抽速要比单级泵大得多。尤其在单级泵达到极限压强时，抽速已趋于零，此时双级泵仍有较大的抽速，这充分显示了双级泵的优越性。3.4.3 其他形式的机械泵1掺气式机械泵机械泵一般用来抽除永久气体，如果系统中有过多蒸气压较高的蒸气，将严重影响泵的极限真空。先以水蒸气为例加以说明。水蒸气在20时饱

12、和蒸气压为2327.5帕，即使在泵的工作温度达60时，也不过1.995104帕，远低于一个大气压1.013105帕。若被抽气体混有水蒸气，当泵工作室容积不断减小时，气体受到压缩，压强逐渐升高，如果水蒸气的分压强达到其饱和蒸气压时，再进一步压缩，水蒸气就会凝成液体，而这时排气阀口尚未打开，因此，进入泵的水蒸气被凝结成小水珠，混入真空泵油中，如果真空泵排气阀打开，只能将没有凝结的那部分气体和蒸气排出。由于容器中压强很低，混入泵油中的水珠蒸发变成水蒸气进入泵体，影响抽气效果。再则，真空泵油中混入水珠后，使油性能恶化，不能起到润滑和密封作用，因此泵的极限真空亦必然因油的变质而大大降低。掺气机械泵就是为

13、解决这个问题而在排气阀门附近设一小气孔掺气阀门，通过阀门掺入一定量的空气，增加排气空腔的压强，在水蒸气尚未达到饱和蒸气压而还未凝结时排气阀已打开，这时气体和蒸气一同排出。从而避免了蒸气的凝结。由于人为的增设了掺气装置，掺气时增高了排气空腔内的压强，参见图3-6，所以掺气泵一般是先掺气以排除蒸气，等蒸气基本排完后，关闭掺气阀，继续抽气，经一定时间后，可达到不掺气的极限真空。2直联式机械泵如果将电动机的转轴与旋片泵的转轴直接连接，使机械泵旋片的转速与电机的转速相同，这种泵称为直联泵，它具有体积小、重量轻、振动小、噪声低等优点。这种泵的转速一般在1450转/分以上，因此也称为高速旋片机械泵。目前国产

14、机械泵的型号有2X-，2XZ-两种系列，例如2X-8,2XZ-4，最前面的2代表两级级联泵，“X”表示旋片，“Z”表示直联，横线后数字表示泵的抽速（升/秒）3罗茨真空泵（又称机械增压泵）它是具有一对同步高速旋转的双叶形或多叶形转子的机械泵，由于它的工作原理与罗茨鼓风机相同，故习惯上叫做罗茨真空泵，如图3-7所示。这种泵在1001帕压强范围有较大抽速，它弥补了旋片机械泵在此范围抽速小的缺陷。罗茨泵不能从打气开始工作，也不能直接将气体排出大气，因此它必须配以前级泵。3.4.4 使用旋片机械泵注意事项除应首先阅读说明书外，还应注意：应安装在清洁干燥的地方。如泵使用时间较长，已有灰尘杂物落入泵内，内部

15、零件开始生锈，与泵腔接触的刮板面有严重划伤，必须将泵拆开用航空汽油或无水乙醇（酒精）进行清洗，用金相砂纸磨掉刮板面上的划痕，洗干净后用热风吹干或烘干，再安装。在安装时应注意所有零件应当装配在原来的位置上，泵内各摩擦面上涂以真空泵油作润滑用。拧紧螺钉时，应使整个平面渐渐压紧，避免因装配不平造成漏气。装配中严禁铁屑尘埃落入泵中。装配好后，先从进气口注入少量新真空泵油，用于转动转子2-3圈，使泵内摩擦部分得到充分润滑和密封。然后再加入真空泵油。泵本身应保持清洁干燥，机械泵油应按规定量加足，经常维持油的清洁和油量。如果泵油过多，油会随排气口向外喷溅，油量不足会使密封不严造成漏气，导致真空度降低。应定期

16、更换泵油，换油时应先拧开排油塞，放出各部废油，然后从泵的进气口加入新油，再慢慢转动转子，再放出泵油，若油仍很脏，需重复几次，等泵内干净后，再按规定量加足泵油。根据使用情况应三个月至半年更换一次。应按使用说明书接好电机的线路，必须接好地线，确保安全。电源开关应带有保险丝与安全装置，并尽可能与泵靠近。电机电源接好后，取掉电机与泵的转动皮带，检查电机的转向是否正确，若电机反转应调换任意两根火线的位置。然后装好皮带，用手转动皮带轮数圈后即可通电起动。机械泵停止工作之前应先关闭进气阀，然后断电停机并开放气阀，将大气通过进气口放入泵中。否则，停泵后，在泵的出气口和进气口之间有一个大气压的压力差，在此压力差

17、作用下，油会慢慢地从排气阀门渗到进气口并进入真空系统管道，造成污染。为避免这种情况的发生，常在进气口的管道上装一放气阀，当系统抽气时，将其关闭，而当泵停止工作时，将它与大气相通，使进气口与出气口压强相等，这样就不会返油。最为方便的办法是在机械泵进气口安装电磁阀，在关闭机械泵时，电磁阀自动隔断泵与真空系统，同时向泵内放大气，从而有效地防止了机械泵的返油，当机械泵起动时，电磁阀自动连通泵与真空系统，同时与大气相通的放气孔关闭。（6）泵在工作期间，泵油温度不得超于75，否则由于油的粘度过小而导致密封不严。3.4.5 旋片泵常见故障原因及处理办法参见表3-2。3.5 油扩散泵机械泵的极限真空只有10-

18、2帕，当达到10-1帕时，实际抽速只有理论抽速的1/10,压强再降低，抽速更急剧下降。因此要获得高于10-1帕的高真空，通常用扩散泵和机械泵组合使用。在历史上，扩散泵是最早用来获得高真空的泵，目前仍有广泛的应用。其应用压强范围为10-1帕10-7帕，它是利用气体的扩散现象来排气的，具有结构简单、操作方便、抽速大（最高可达105升秒）等特点。就其泵内的工作液种类来分，有汞和扩散泵油两种，由于汞蒸气有毒，现已淘汰。就其结构材料来划分，有金属和玻璃两种。玻璃扩散泵制造容易，成本低廉，但是体积受到限制，而又极易破碎。金属结构强度高不易损坏，适于制成大型泵。无论何种类型，其工作原理基本相同。3.5.1

19、基本结构和工作原理图3-8示出了扩散泵的结构图，主要由泵壳、水冷套、喷嘴、导流管和加热器组成。根据喷嘴的多少可分为多级泵和单级泵。扩散泵底部内贮有扩散泵油，上部为进气口，右侧旁下部为出气口，在工作时出气口由机械泵提供前置压强，机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时，产生的油蒸气提供前置压强，机械泵充当前置泵。当扩散泵油被电炉加热时，产生的油蒸气沿着导流管经伞形喷嘴向下喷出。因喷嘴外面有机械泵提供的真空（110-1帕），故油蒸气流可喷出一长段距离，构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁，凝结为液体，流回蒸发器，即靠油的蒸发喷射凝结，重复循环来实现抽气的。由进气口进入泵内

20、的气体分子，一旦落入蒸气流中，便获得问下运动的动量，向下飞去，由于射流具有高的流速（约200米秒），高的蒸气密度，且扩散泵油具有高的分子量（300500），故能有效地带走气体分子，因此在射流的界面内。气体分子不可能长期滞留，且在射流界面的两边，被抽气体有很大的浓度差，正式因为这个浓度差，使被抽气体能不断地越过界面，扩散进入射流中，被带往出口处，在出口处，再由机械泵抽走。3.5.2 扩散泵的性能1机限真空扩散泵的极限真空是指泵正常工作时，经充分抽气后，在泵入口处测得的最低稳定压强。一般扩散泵的极限真空为10-410-5帕。如采用其他措施也可以提高极限真空度。扩散泵油的蒸气压是决定泵的极限真空的重

21、要因素，尽量选用饱和蒸气压低的泵油。再则泵油的化学稳定性要好，当温度较高时不易裂解或氧化，目前常用的国产扩散泵油有1#,2#,3#及274,275,276硅油。它们大多是石油分馏产物和人工合成脂类，其分子直径和分子量都较大。防止扩散泵返油是提高极限真空度的又一措施：由于扩散泵工作时，工作液的温度较高，难免有一些油蒸气分子由泵口进入被抽容器，这一现象称为返油。由于返油，不仅会影响泵的极限真空度，更严重的是还会污染真空系统和被抽容器，从而会大大降低真空器件的物理性能。现在的扩散泵都在第一级喷嘴上加有一档油帽以防止返油。由于油泵质量上的原因以及长期使用，油中含有蒸气较高的轻馏分和蒸气压较低的重馏分。

22、采用分馏装置使扩散泵油按其蒸气压不同的馏分分离，使蒸气压最低的油份进入第一喷嘴，依次分离，蒸气压最高的油份进入最后一级喷嘴，这样能使泵的极限压强约降低半个数量级，目前广泛使用的三级和四级扩散泵都采用了分馏装置。其定义与机械泵相同，即在一定压强和温度下，单位时间内泵能抽除的气体体积，单位常用升/秒。扩散泵的抽速决定于第一级喷嘴与泵体进气口口径间环形面积A的大小，当A确定之后，泵的最大抽速基本确定。 （3-11）式中D表示泵进气口直径，d表示第一级喷嘴直径。若所有从容器中流入此环形面积上的分子都向下扩散进入蒸气射流，而无一返回的话，则理论抽速为 （3-12）T绝对温度（K）；被抽气体分子量（克）；

23、A环形面积（厘米2）。实际上气体分子由于与蒸气分子的碰撞而总有少部分要反射回去，实际抽速S要小于理论抽速Sth，常用抽速系数H（何氏系数）表示实际抽速与理论抽速的关系： （3-13）对于油扩散泵，一般H在0.40.6之间，对于室温下的空气，T=273+20，=29。 （3-14）扩散泵的抽速并不是一恒定值，而是随进气口压强而变的，如图3-9所示，当压强在10-210-3帕时，扩散泵达到最大抽速。当压强低于510-4帕后，抽速开始下降，此时反扩散变得更加严重，到泵的极限真空时，抽速趋近于零。当进气口压强较高时，由于空气密度较大，使蒸气流形成不了高速射流以阻挡空气的反扩散，故抽速也要下降。3出口压

24、强扩散泵不能单独用来抽气。一般要求泵的最大出口压强为40帕，因此必须采用旋片泵作为前级泵以便能使出口压强维持在规定值以下。否则，如果出口压强高于规定值，整个抽气作用就会停止。3.5.3 扩散泵的运用及维护1扩散泵的清洗扩散泵在安装之前必须进行清洗处理，之后才可以装入扩散泵油，否则会污染扩散泵油，并得不到应有的真空度。泵的清洁处理方法如下：金属泵的零件在装配之前，必须用有机溶剂（如汽油、丙酮、乙醚和酒精）仔细清洗干净，再烘干。对于使用过的旧泵，更须彻底清洗，不得留有油迹或污斑。对玻璃泵，若是新泵则可用重铬酸钾在浓硫酸中的饱和溶液进行清洗，若是用过的旧泵，有油污，须先用碱液（15左右的NaOH溶中

25、的饱和溶液进行清洗，若是用过的旧泵，有油污，须先用碱液（15左右的NaOH溶液）或有机溶剂（四氯化碳、苯等）清洗去油，再用重铬酸钾和浓硫酸的饱和溶液清洗。然后用大量的水冲去残留的酸液，再用蒸馏水冲洗并用酒精脱水，之后即可用热风吹干或烘干，烘烤时温度不宜过高（在100150温度下烘干），且需缓慢地加热与冷却，否则会炸裂。2密封性能的检查检查泵本身是否漏气，可采用专门的检漏仪来进行。通常工厂生产的泵在出厂前均进行过检漏，一般可以直接接到系统上。如是玻璃泵主要是仔细观察有无裂痕。3加扩散泵油扩散泵对装油量的要求虽然不十分严格，甚至有时差别很大，但过少会影响泵的正常工作，因为各级导流管中经常被一定压强

26、下的蒸气所占据。泵壁和导流管壁等又经常有一层冷却的油膜存在，虽然在不断的蒸发与凝结，但泵底还经常要存有35毫米的油层以封住泵底和导流管之间的空隙，加之泵底不平及工作过程中还有些消耗，所以必须充添足够的油量。若泵油过多，油中轻馏分的量和含有的气体量也多了，这些都在扩散泵工作过程中放出，影响泵的抽气性能。另外，油多升温就慢，因而增加了泵的启动时间，增加了功率，对泵油本身也是一种浪费。因此，装油量适当还是很重要的。一般是按说明书中的要求加入规定的油量。4安装扩散泵泵的安装应特别注意泵底在水平位置，不得倾斜，即整个泵必须垂直使用，泵芯在泵体内一定要装得稳，各处拧紧，不得歪斜，把冷却水管接上。应当注意冷

27、却水必须充满整个冷却器。有些扩散泵采用风冷方式。5扩散泵的启动首先接上预真空泵，把真空系统抽到一定的真空度，对系统进行检漏，如无漏气时再接通冷却水，当压强低于最大出口压强时，便可接通加热器电源给扩散泵加热。扩散泵的每一项指标都有一个最佳的加热功率值，对于不同的气体和工作液，这个数值是不同的，故加热功率要选择适当。在加热器通电的最初时间内，扩散泵不能工作，因为油温不可能一下子达到沸腾温度，溶解在泵油中的气体需要较长的时间才会逐渐的释放出来。通常，一只新装扩散泵油的泵需要连续工作（也称老炼）30小时左右才进入正常工作阶段。6. 扩散泵的工作扩散泵在工作过程中，不允许大气与热油接触，否则会使泵油产生

28、剧烈地氧化与分解，泵的真空性能遭到破坏。应经常检查冷却水的温度（一般在1020之间）是否过高；加热功率是否正常；有无漏气及真空度突然变化的现象；预真空泵的预真空能否满足要求。如发现有不正常情况时，必须立即检查处理，必要时停止工作进行检查。7. 扩散泵的停止要停止扩散泵的工作时，先关闭测量仪器的电源，然后将扩散泵加热器电源关掉。在泵充分冷却后，把泵的出气口及预真空泵连接管道上的阀门关闭。只有在此之后，才能关闭预真空泵的电源。若扩散泵或系统中有较大漏孔，在扩散泵加热电源关闭后，要一直使预真空泵运转到扩散泵的油温降低到6070或到室温，才可以关闭预真空泵，最后关冷却水。此外，如遇系统突然漏气，应关掉

29、测量仪器和扩散泵加热器电源，再进行检查；如突然停电，应关掉仪器和泵的电源，对机械泵放大气，再关掉总开关。关于扩散泵油的更换，没有严格规定，视使用条件而定。如果适宜，可连续使用数年不必更换；若已形成油垢、油渣，使真空度降低，则必须把泵取下换油，换油前必须将泵洗干净。扩散泵的型号有K-50、K-80等，其中K表示扩散泵，横杠后面的数字代表泵的抽速（升/秒）。3.5.4 扩散泵的常见故障及消除方法3.6 涡轮分子泵油扩散泵是依靠高速喷射的蒸气流，给气体分子以定向的动量来完成抽气的。涡轮分子泵是一种利用高速旋转的涡轮叶片，不断对被抽气体分子施以定向的动量和压缩作月，将气体排走的泵，是一种纯机械的高速真空泵。3.6.1 分子泵的基本结构及工作原理如图3-10所示，泵由四部分组成：带有进气口法兰的泵壳；由动叶轮和静叶轮组成的涡轮排；由中频电动机和润滑油系统构成的驱动装置；