1
3/222 利用速率分布函数，可以计算出反映分子热运动强度的三种特征速率。最可几速率vm 是在气体分子所具有的各种不同热运动速度中出现几率最大的速度，即与F(v)最大值相对应的v值；所有气体分子热运动速度的算术平均值叫算术平均速度v；把所有气体分子的速度的平方加起来，然后被分子总数除，再开方就得到均方根速度vs。它们的计算公式如下：
2．理想气体的压力基本公式，将气体分子微观热运动的强弱直接与宏观上的气体压力定量联系起来：
P = 1/3(nmovs = 1/3(pvs) (11)
3．气体中一个分子与其它分子每连续二次碰撞之间所走过的路程称为自由程，自由程有长有短，差异很大，但大量自由程的统计平均值却是一定的，称为平均自由程页λ(m)。单一种类气体分子的平均自由程为(12-见下文)
如果是含有k种成份的混合气体，则(13)
式中σ是气体分子的有效直径(m)，下标l、j分别代表第1、j种气体成份的参数。
还可定义电子和离子在气体中运动的平均自由程λe和λi(m)。需要强调说明的是，这里所说电子或离子的自由程，是指电子或离子在气体中运动时与气体分子连续二次碰撞间所走过的路程，而没有考虑电子或离子本身之间的碰撞，所以电子和离子平均自由程计算式中出现的都是气体分子的参数，而与电子或离子的空间密度无关。(14)(15)
4．气体分子的某一次自由程取值完全是随机的，但大量自由程的长度分布却服从一定的统计规律。气体分子自由程大于一给定长度χ的几率为(16)
类似地可得出，电子或离子在气体中运动的自由程大于一给定长度χ的几率为(17)(18)
利用这种分布规律，结合平均自由程计算公式(12)～(15)，可以计算出做定向运动的粒子束流穿过空间气体时的散失率，或根据所限定的散失率确定空间气体所必须达到的真空度。
例如：一台离子束真空设备中，高能离子流由离子源射向25cm处的靶，若要求离子流与真空室内残余气体分子碰撞的散失率小于5％，那么温度为27C的残余气体压力应为多少？
根据题意，可知当χ=O.25m时，要求 Pi(λi＞χ)≥1％～5％，由(18)式，解出 exp(-0.25/λi)≥0.95，则 λi≥0.25/(-ln0.95)，即 λi≥4.87m。再将此结果代入(15)式得 kT/πσp≥4.87m；取空气的分子有效直径 σ=3.72 × 10m，则要求残余气体压力 p≤1.38 × 10 × 300/(π×3.72×10×4.87)，即p≤1.95 × 10Pa。
5．关于气体分子对所接触固体表面(如容器壁)的碰撞问题，可以从入射方向和入射数量二方面加以讨论。若一立体角dw与面积元ds的法线间的夹角为θ，则单位时间内由dw方向飞来碰撞到ds上的气体分子数目dNθ与cosθ成正比，这就是通常所说的余弦定律：(19)
单位时间内碰撞在固体表面单位面积上的气体分子数目称为气体分子对表面的入射率ν(ms)，其计算式为：(20)
根据平衡状态的假设，气体分子飞离固体表面时的方向分布及数量应与入射相一致，因此仍可按式(19)、(20)计算。克努曾余弦反射定律还说明，不论气体分子的入射方向怎样 其反射都服从(19)式的余弦规律。
6．如果两个相连通的真空容器温度不同，那么内部气体达到状态平衡时的参数也会有差异。在低真空条件下，即粘滞流态时，二容器的平衡条件是压力相等，二容器内气体压力、温度及分子数密度间关系为：
-2
-1
-3
-10
-23
2
-20
2
o
2
2
p1 = p2 和 n1/n2 = T2/T1 (21)
在高真空条件下，即分子流态时，二容器内气体达到动力平衡的条件是在连通处的入射率γ相等，从而有关系：（22）
这种由于温度不同而引起气体流动，平衡时产生压力梯度的现象，称为热流逸现象。它会给真空测量带来误
2
差。例如某真空电阻炉热场区温度为1800K，通过细管连接的真空规管工作在300K温度下，若规管测得压强为2×10Pa，则可由(22)式算得炉内的真实气体压力为(22-1)
三、蒸汽
-4
所谓蒸汽(又称可凝性气体)，是相对于永久气体(或称非可凝性气体)而言的。对于任何一种气体，都存在
有一个临界温度，在临界温度以上的气体，不能通过等温压缩发生液化，称为永久气体；而在临界温度以下的气体，靠单纯增加压力即能使其液化，便是蒸汽。
空间中的蒸汽分子返回到液体内去的过程叫做凝结。蒸汽的凝结率W[kg/(m·s)]，即单位时间内在单位面积液面上凝结的蒸汽质量，可借助(20)式计算(23) 式中α为凝结系数，pv为蒸汽的分压力。
凝结的逆过程，即液体分子飞到空间变成蒸汽的现象，叫蒸发。单位时间通过单位面积液面蒸发的质量叫蒸发率Gv[kg/(m·s)]在汽、液共存的条件下，蒸发和凝结现象同时存在，若蒸发率大于凝结率，则宏观上表现为液体的蒸发；若蒸发率小于凝结率，则宏观上
表现为蒸汽的凝结；二者相等时，则处于饱和状态，此时空间蒸汽的压力称为对应平衡温度下的饱和蒸汽压ps。物质的饱和蒸汽压随着温度的升高而增大。液体的蒸发率与对应温度下的饱和蒸汽压间的关系为 (24) 此式常用于蒸发镀膜中金属蒸发量的计算。
一种蒸汽的实际压力pv与其对应温度下的饱和蒸汽压ps之比，称为蒸汽当时的饱和度。作为最常用的一项指标参数，常把空气中水蒸汽的饱和度定义为空气的相对温度，相对温度(%) = pvH20/psH20 × 100％ (25) 例如：工程中定义标准环境条件为温度20C，相对湿度65%，大气压力101325Pa。已知水蒸汽在20C时的饱和蒸汽压为2333Pa(17．5托)，则可计算出标准环境条件下大气中水的分压力为0.65 × 2333 = 1516Pa(11.375托)。
饱和蒸汽压的存在，是蒸汽有别于理想气体模型的根本之处，也是我们要将蒸汽的性质单独作为一节讨论的原因。在真空工程中，在蒸汽没有达到饱和之前，即饱和度<1时，我们可以使用前面介绍的理想气体定律和公式来描述蒸汽的性质；而蒸汽一旦达到饱和，情况却大不相同，如果我们对饱和蒸汽继续作等温压缩，蒸汽压力将不再升高而是维持饱和蒸汽压的值不变，即不再服从波义耳--马略特定律，为多余部分的蒸汽将凝聚为液态或固态；反之，在饱和蒸汽与其凝聚相(液态或固态)平衡共存的情况下，对蒸汽作等温膨胀，蒸汽的压力也不会降低，而是其凝聚相不断蒸发或升华来补充蒸汽，直至全部变成蒸汽为止。饱和蒸汽与其凝聚相间的这种等温相变，尤其是水蒸汽的存在，在真空工程中有着不容忽视的影响。
从上面的分析可知；在相联通的真空系统中，如果某一处存在有挥发性较强的固体或液体，那么此处就相当于系统中的一个放气源，使该物质在系统中的分压力始终为对应温度下的饱和蒸汽压，这常常会限制系统极限真空度的提高；如果相联通的真空系统各部分温度不同，那么整个系统中蒸汽的分压力都将与最低温度所对应的饱和蒸汽压相等，多余的蒸汽物质最后都将凝聚在具有最低温度的表面上，这正是低温冷阱可以提高系统真空度的原理。
饱和蒸汽受压缩时发生液化这一性质常给变容式真空泵的抽气带来困难，最突出的就是水蒸汽的抽除问题。以最常见的旋片泵为例：一个抽气周期包括进气腔膨胀吸气、隔离和排气腔压缩排气三步骤。如果吸入的气体中水蒸汽的比例较大，在水蒸汽和永久气体被压缩达到排气压力之前，水蒸汽的分压力已经达到饱和蒸汽压，那么继续压缩的过程中，就会有一部分水蒸汽发生液化而混入泵油中，无法排出泵外，并且回到膨胀腔后还会在低压下重新汽化成蒸汽，增大吸气侧的水蒸汽比例和压力，导致泵的抽气能力和极限真空的下降。若要保证水蒸汽能够全部排出泵外而不发生液化，那么吸入的水蒸汽分压力pv、永久气体分压力pp、对应泵温下的水蒸汽饱和蒸汽压A和泵的排气压力Pe间应满足如下关系：
o
o
2
2
pv / pv+pp＜ps / pe 或 pv / pp ＜ ps / pe-ps (26)
例如：取泵的排气压强pe =1.1×lOPa，泵温70C时水的饱和蒸汽压声，ps=3.125×10Pa，则水蒸汽占吸入气体的比例必须小于ps / pe=28.3％。在抽气后期，尤其是空气湿度较大时，这一条件很难达到。因为此时被抽
3
5
o
4
容器内的永久气体成份已经很少，但容器内表面凝结的水蒸汽却不断放出，所占比例就变得很大。解决这一问题的一个传统方法是加气镇，即向压缩腔内充入永久气体成份以降低水蒸汽所占的比例，使其在达到饱和前便被排出。 水蒸汽的存在也会影响到压缩式真空计(麦氏计)的精确使用。测量读数时，如果测量管内经过压缩的气体中，水蒸汽的分压力尚低于当时饱和蒸汽压，那么读数表示的是水蒸汽和永久气体的全压力；若水蒸汽已经达到饱和发生液化，那么读数会比永久气体的分压力高一些，但无法得到准确的数据。为消除水蒸汽对测量的干扰，常在麦氏计前安一低温冷讲，这样测得的就只是永久气体的分压力。 液体(或固体)在真空中蒸发(或升华)变成蒸汽时需要吸收热量，称为汽化热。物质的汽化热随着汽化温度的升高而略有降低。比如lmol水，在50C汽化，汽化热为42780J，而在100C汽化，汽化热为40680J。蔬菜真空保鲜工艺中，让蔬菜的一部分水份在真空中蒸发抽除，这些水蒸发时要从蔬菜体内吸取汽化热，从而使蔬菜在脱水同时降温，正是利用了水蒸发吸热的原理；这种现象有时也会给真空操作带来问题，比如在大型真空装置中积存一些水，抽真空后一部分水蒸发成蒸汽排除，而这部分水吸收汽化热使其余的水降温直至结冰，余下的水就只能以升华的方式缓慢蒸发，从而延长抽真空的时间。 第二讲：真空物理基础（下） 作者:张世伟 2006-10-07 10:54:42 oo四、气体吸附 气体或蒸汽被固体表面浮获而附着在表面上，形成单层或多层气体分子层的现象叫做吸附。能捕集气体的固体叫吸附剂，而被吸附的气体成份叫吸附质。发生吸附作用的原因是由于在吸附剂表面存在着力场。 根据吸附力的不同，气体吸附可分为物理吸附和化学吸附。物理吸附是气体分子受范德瓦尔斯力的吸引作用而附着在吸附剂表面之上，与气体的液化过程相类似，其特点是吸附较弱，吸附热较小，吸附不稳定，较易脱附，但对吸附的气体一般无选择性，温度越低吸附量越大，能形成多层吸附，分子筛吸附泵和低温泵的吸气作用就属于物理吸附。化学吸附是靠固体表面原子与气体分子间形成吸附化学键实现的，与发生化学反应相类似，同物理吸附相比，化学吸附的特点是吸附强，吸附热大，稳定不易脱附，吸附有选择性，温度较高时发生化学吸附的气体分子增多，只能紧贴表面形成单层吸附(在化学吸附的分子上面还能形成物理吸附)，溅射离子泵和电子管中吸气剂的吸气作用就包括化学吸附。 气体吸附的逆过程，即被吸附的气体或蒸汽从表面释放出来重新回到空间的过程，称为脱附或解吸。解吸现象可以是自然发生的，也可以是人为加速的。自然解吸有两种情况，一是从宏观平均地看，每个吸附气体分子在表面停留一段时间后，都要发生脱附飞回空间，这时也会有其它气体分子发生新的吸附，在气体温度、压力一定的条件下，吸附速率与脱附速率相等，表面上的气体吸附量维持恒定；另一种情况是在抽真空的过程中，空间气体压力不断降低，表面上脱附速率大干吸附速率，气体吸附量逐渐减少，气体从表面上缓缓放出，这种现象在真空中叫做材料的放气或出气。工程中最关心的问题是表面上的气体吸附总量和抽空时的放气速率，但至今还没有很准确通用的计算方法，只能从实践经验中总结出：在低真空阶段，表面吸附及表面放气与空问气体相比，数量很小，其影响可以忽略不计；在中真空阶段，表面放气量已接近空间气体量，对二者应同样重视；进入高真空乃至超高真空阶段，表面放气(不计系统漏气时)已成为主要气体负荷，放气的快慢直接影响着抽空时间。 通过人为的手段有意识地促进气体解吸现象的发生，在真空技术中叫做去气或除气。人工去气可以缩短系统达到极限真空的时间；可以获得没有气体分子遮盖的清洁表面。加热烘烤去气方法通过提高吸气表面的温度，增加分子热运动能量来促进解吸，边加热边排气，常用于超高真空系统容器内表面及内部构件的去气和真空电子器件内灯丝等内部金属元件的去气；离子轰击去气方法一般是在空间形成气体放电，产生离子体区，使高能离子轰击待清洗的固体表面，产生气体溅射，使吸附气体发生脱附，这是一种相当有效、简捷迅速的除气手段，在薄膜技术、表面科学等有气体放电条件或有离子源的设备中广泛采用。 五、气体流动
4
当真空管道两端存在有压力差时，气体就会自动地从高压处向低压处扩散，便形成了气体流动。任何真空系统都是由气源(待抽容器)、系统构件(管道阀门等)及抽气装置(真空泵)组成的，气体从气源经过系统的构件向抽气口源源不断地流动，是动态真空系统的普遍特点。
真空技术中，气体沿管道的流动状态可划分为如下几种基本形式：从大气压力下开始抽真空的初期，管道中气体压力和流速较高，气体的惯性力在流动中起主要作用，流动呈不稳定状态，流线无规则，并不时有旋涡出现，这种流动状态称为湍流(涡流，紊流)；随着流速和气压的降低，在低真空区域内，气流由湍流变成规则的层流流动，各部分具有不同速度的流动层，流线平行于管轴，气体的粘滞力在流动中起主导作用，此时气体分子的平均自由程λ仍远小于导管最小截面尺寸d，这种流态叫做粘滞流；当气体流动进入高真空范围，分子平均自由程λ远远大于管道最小尺寸d时，气体分子与管壁之间的碰撞占居主要地位，分子靠热运动自由地直线进行，只发生与管壁的碰撞和热反射而飞过管道，气体流动由各个分子的独立运动叠加而成，这种流动称作分子流；发生在中真空区域内，介于粘滞与分子流之间的流动状态叫做中间流或过渡流。
在不同的流动状态下，管道中的气体流量和导气能力计算方法不同，因此在气体流动计算时，首先要进行流态判别。由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短，常常不加以单独考虑，而是将其归入粘滞流态。其它流动状态的判别可用克努曾数λ/d 或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据： 粘滞流 λ/d＜1/100 pd＞1Pa·m
中间流 1/100＜λ/d＜1/3 0.03Pa·m＜pd＜1Pa·m (27) 分子流 λ/d＜1/3 pd＜0.03Pa·m
为了考察管道中流过的气体数量的多少，可以使用气体的质量流率qm(kg／s)和摩尔流率qv(mol/s)，即单
位时间内通过管道某一截面的气体质量和气体摩尔数。不过这两种流率不便实际测量，因此工程中广泛使用的是单位时间内流过管道指定截面的气体体积，即体积流率qv(m／s)。在气体压力为p的截面上，qv与qm、qγ的关系为
qm = pM/RT·qv 和 qv = p/RT·qv (28)
在真空泵入口处的气体体积流率又称为泵的抽气速率(简称抽速)，是真空泵的重要性能指标之一。由于在不同压力下，相同的体积流率对应有不同的质量流率，所以在计算体积流率量值时，必须指明所对应的气体压力。 为了更方便地计算流过气体的多少，工程中还定义气体的压力与其体积的乘积为气体量G(Pa·m=J)，即G=pV；单位时间内流过指定横截面的气体量为流量qG=dG/dt(Pa·m／s=J/s)；在任一指定截面上，气体流量、压力和抽速间的关系为
qG = p·qv (29)
在稳定流动状态下，即管道各截面处的气体压力不随时间变化时，根据质量守恒原理，真空系统任一截面上的气体质量流率qm相等，若整个系统中各处温度相同，则化为流量连续方程，即各截面上的气体流量相等。 qG = p1qv1 =p2qv2 =piqvi (30)
如果气体流动过程中温度有变化，例如流过冷却器后温度由T1降至T2，则对应的流量qG1／T1=qG2／T2 实验说明，气体流过一段真空管道的流量qG与管道两端的压力差p1-p2成正比，即有 qG=C·(p1-p2) (31)
式中的比例系数C具有体积流率的量纲（m/s)，它所反映的是管道允许流过气体能力的大小，定义为该段管道的流导。
流导是各种真空系统元件（管道、阀们、冷阱、孔口等）的主要技术指标之一，直接反映该元件对气体流动的阻碍程度，是真空系统计算中需要首先计算的参数。元件的流导与所流过气体的流动状态有关，气体流动为粘滞流时，流导值与元件的几何结构尺寸及流过气体的平均压力有关；为分子流时，流导仅与几何结构尺寸有关。 根据组成真空系统的需要，有时将几个真空元件(如管道)的入口和出口分别联接在一起，称为元件的并联，并联后元件的总流导等于各分支流导之和 C=C1+C2+„+Cn (32)
有时将几个元件首尾顺序联接，称为元件的串联，串联后元件的总流导的倒数等于各元件流导的倒数之和 1/C = 1/C1+1/C2+„+1/Cn (33)
把一个被抽容器的出口和一台真空泵的入口，用总流导为C的真空管路联接起来，若真空泵在其入口处的抽
5
3
3
3
3
速为S，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速为S，则该真空系统在被抽容器出口处所能产生的有效抽速Se为 Se = (S·C)/(S+C) (34) 此式习惯上称为真空技术基本方程。从中可以看出，在被抽容器出口产生的有效抽速Se，比泵口抽速S和管路流导C都要小；若要获得较大的Se，应该合理地搭配S和C，单独增大其中的一个，不能获得理想的结果。 第三讲：机械真空泵（1） 作者:张以忱 2000 22:4
6
一、机械真空泵的分类及主要性能参量 (一)机械真空泵的分类 真空泵是用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置。真空泵可以定义为：利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备。随着真空应用的发展，真空泵的种类已发展了很多种，其抽速从每秒零点几升到每秒几十万、数百万升。极限压力(极限真空)从粗真空到10Pa以上的超高真空范围。 由于真空应用部门所涉及的工作压力的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能完全适用于所有的工作压力范围，只能根据不同的工作压力范围和不同的工作要求，使用不同类型的真空泵。为了使用方便和各种真空工艺过程的需要，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式应用。 凡是利用机械运动(转动或滑动)以获得真空的泵，称为机械真空泵。机械真空泵按其工作原理及结构特点分述如下： 1．变容真空泵 它是利用泵腔容积的周期变化来完成吸气和排气以达到抽气目的的真空泵。气体在排出泵腔前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种。 (1)往复式真空泵 利用泵腔内活塞往复运动，将气体吸入、压缩并排出。又称为活塞式真空泵。 (2)旋转式真空泵 利用泵腔内转子部件的旋转运动将气体吸入、压缩并排出。它大致有如下几种分类： 1)油封式真空泵 它是利用真空泵油密封泵内各运动部件之间的间隙，减少泵内有害空间的一种旋转变容真空泵。这种泵通常带有气镇装置。它主要包括旋片式真空泵、定片式真空泵、滑阀式真空泵、余摆线真空泵等。 2)液环真空泵 将带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把工作液体抛向泵壳形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小的旋转变容吸排气腔。工作液体通常为水或油，所以亦称为水环式真空泵或油环式真空泵。 3)干式真空泵 它是一种泵内不用油类(或液体)密封的变容真空泵。由于干式真空泵泵腔内不需要工作液体，因此，适用于半导体行业、化学工业、制药工业及食品行业等需要无油清洁真空环境的工艺场合。 4)罗茨真空泵泵内装有两个相反方向同步旋转的双叶形或多叶形的转子。转子间、转子同泵壳内壁之间均保持一定的间隙。 2．动量传输泵 它依靠高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给气体或气体分子，使气体连续不断地从泵的入口传输到出口。这类泵可分为以下几种形式： (1)分子真空泵 它是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子，使之获得定向速度，从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。这种泵具体可分为： 1)牵引分子泵气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量，被驱送到泵的出口。 2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。 3)复合分子泵它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。 机械真空泵是真空应用领域中使用得最普遍的一类泵，它是真空获得设备的重要组成部分。其详细分类如图1所示。 (二)描述机械真空泵性能的参量 对机械真空泵的性能常用下列参量或其中的几个主要参量来说明。 1．抽气速率(体积流率)(s；单位：m·s；L·s) 当泵装有标准试验罩并按规定条件工作时，从试验罩流过的气体流量与在试验罩上指定位置测得的平衡压力之比。简称泵的抽速。即在一定的压力、温度下，真空泵在单位时间内从被抽容器中抽走的气体体积。 2．极限压力（极限真空）（单位：Pa）
7
3-1-1-12 泵装有标准试验罩并按规定条件工作，在不引入气体正常工作的情况下，趋向稳定的最低压力。即真空泵的入口端经过充分抽气后所能达到的最低的稳定的压力。 3．起动压力 泵无损坏起动并有抽气作用的压力 4．前级压力 排气压力低于一个大气压力的真空泵的出口压力。 5．最大前级压力 超过了能使泵损坏的前级压力。 6．最大工作压力 对应最大抽气量的入口压力。在此压力下，泵能连续工作而不恶化或损坏· 7．抽气量（Q单位：Pa·m·S；Pa·L·S） 流经泵入口的气体流量。 8．压缩比 泵对给定气体的出口压力与入口压力之比。 其中泵的抽气速率和极限压力两个参量是在实际应用中选配真空泵的最重要的参量。 (三) 机械真空泵的规格及型号表示法 容积(变容)式机械真空泵系列的抽速分挡(抽速的单位是L·S．1)如下：0·5、1、2、4、8、15、30、70、150、300、600、1200、2500、5000、10000、20000、40000。 国产的各种机械真空泵的型号通常是用汉语拼音字母来表示(如表1所示)。汉语拼音字母表示泵的类型；字母前的数字表示泵的级数，单级时“1”省略；字母后边横线后的数字表示泵的抽速(L/S)。 例：2X一70 2——表示双级； X——表示旋片式真空泵； 70——表示抽气速率为70L／S。 3-1-1?/P> 型 号 W WY WL SZ SZB SZZ X 名 称 往复式真空泵 移动阀式往复泵 立式往复泵 水环泵 悬臂式结构水环泵 直联式水环泵 旋片式真空泵 型 号 H YZ ZJ ZJK F D XZ 名 称 滑阀式真空泵 余摆线真空泵 罗茨真空泵 真空电机罗茨真空泵 分子真空泵 定片式真空泵 直联式旋片泵 第三讲：机械真空泵（2） 作者:张以忱 2006-10-07 2二、往复式真空泵 往复式真空泵(又称活塞式真空泵)属于低真空获得设备，用以从内部压力等于或低于一个大气压的容器中抽除气体，被抽气体的温度一般不超过35C。往复泵的极限压力，单级为4×10～10Pa，双级可达1Pa。它的排气量较大，抽速范围15～5500L/S。往复泵多用于真空浸渍、钢水真空处理、真空蒸馏、真空结晶、真空过滤等方面抽除气体。 往复式真空泵对于抽除腐蚀性或含有颗粒状灰尘的气体是不适用的。被抽气体中如果含有灰尘，在泵的进亡1处必须加装过滤器。
8
o23 1．结构原理 往复泵的工作原理，如图2所示。泵的主要部件是气缸1及在其中做往复直线运动的活寨2。活寨的驱动是用曲柄连杆机构3来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5。 泵运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。当汪室在等舸内从存端向右端话动时。由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减少，而形成抽气过程，此时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，当气缸内气体的压强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。当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容内的气体压力达到要求时为止。 在实际应用中，为了提高抽气效率，泵多半采用双作用气缸，即活塞能在两个方向(往复)上同时进行压缩和抽气，这主要是依靠配气阀门来实现的。国产的w型往复泵即是单级的双作用泵。 2．结构特点 往复泵有干式和湿式之分。干式泵只能抽气体，湿式泵可抽气体和液体的混合物。二者在结构方面没有什么原则性的不同，只是湿式泵内的死空间和配气机构的尺寸比干式泵大一些，因此湿式泵的极限压力要比干式泵的高。往复泵有卧式和立式两种型式(国产为W和WL型)。立式泵从结构和性能上较为先进，它是卧式泵的更新换代产品。如国产的WL系列立式泵与老式W型卧式泵相比，有如下优点： (1)功率消耗平均减少1/3，节能显著。例如，原W5功率为22KW，而WL-200为15KW；原W4为11KW，而WL-100为7.5KW。 (2)占地面积平均减少2/3。如原W5型占地为3.8m，而WL一200为1.2m。 (3)振动降低。WL系列泵消除了横波劣性振动，噪声平均降低5dB以上。 (4)使用寿命长。立式泵由于结构合理，受力均匀，使得各运动部位磨损减轻。 三、水环式真空泵 水环式真空泵是液环式真空泵中最常见的一种。液环式真空泵是带有多叶片的转子偏心装在泵壳内。当它旋转时，把液体抛向泵壳并形成与泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的旋转变容真空泵。当工作液体为水时，称水环泵。 水环泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程中。在化工、石油、轻工、医药及食品工业中得到了广泛地应用，如真空过滤、真空送料、真空浓缩、真空脱气等。 单级水环泵的极限压力可达8～2×10Pa，双级水环泵的极限压力可达1×10Pa，排气量为0.25～500m/h。 1. 工作原理 水环泵工作轮2在泵体l中旋转时形成了水环3和工作室5。水环与工作轮构成了月牙形空间。右边半个月牙形的容积由小变大，形成吸气室。左边的半个月牙形的容积由大变小，构成了压缩过程(相当于排气室)。被抽气体由进气管8和进气口4进入吸气室。转子进一步转动，使气体受压缩，经过排气口6和排气管7排出。排出的气体和水滴由排气管道7进入水箱10，此时气体由水中分离出来，气体经管管道9排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道11排到排水设备中。 水环泵的压缩比由泵的吸气口终了位置和排气口开始位置所决定。因为吸气口终止位置决定着吸气腔吸入气体的体积；而排气口开始的位置决定着排气时压缩了的气体的体积。对已经确定了结构尺寸的水环泵，可以求出其压缩比。 2．泵的基本类型与特点 水环泵按不同结构可分成如下几种类型： (1) 单级单作用水环泵单级是指只有一个叶轮，单作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行一次。这种泵的极限真空较高，但抽速和效率较低。
9
32322 (2) 单级双作用水环泵单级是指只有一个叶轮，双作用是指叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行二次。在相同的抽速条件下，双作用水环泵比单作用水环泵大大减少尺寸和重量。由于工作腔对称分布于泵轮毂两侧，改善了作用在转子上的载荷。此种泵的抽速较大，效率也较高，但极限真空较低。 (3) 双级水环泵双级水环泵大多是单作用泵串联而成。实质上是两个单级单作用的水环泵的叶轮共用一根心轴联接而成。它的主要特点是在较高真空度下，仍然具有较大的抽速，而且工作状况稳定。 (4) 大气水环泵 大气水环泵实际是大气喷射器串联水环泵的机组。水环泵前面串联大气泵是为了提高极限真空，扩大泵的使用范围。 水环泵和其它类型的机械真空泵相比有以下优点： (1)结构简单，制造精度要求不高，容易加工。操作简单，维修方便。 (2)结构紧凑，泵一般与电动机直联，转数较高。用较小的结构尺寸，可以获得较大的排气量。 (3)泵腔内没有金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑。转动件和固定件之间密封可直接由水封来完成。 (4)泵腔内压缩气体过程温度变化很小，可认为是等温压缩，故可以抽除易燃、易爆的气体。 (5)由于没有排气阀及摩擦表面，故可以抽除带尘埃的气体、可凝性气体及气水混合物。 水环泵也有其缺点： (1)效率低，一般在30％左右，较好的可达50％。 (2)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。 总的说来，由于水环泵具有等温压缩和用水作封液，可以抽除易燃、易爆及腐蚀性气体，还可以抽除含有灰尘和水分的气体等突出优点，所以得到了广泛的应用。 第三讲：机械真空泵（3） 作者:张以忱 2006-10-07 22 10
11
12
13
公式表 四、油封式旋转机械真空泵 (一)油封机械真空泵工作原理 用油来保持运动部件的密封、靠泵腔容积变化而实现抽气的机械真空泵统称油封机械真空泵。它们的工作原理都是使泵腔工作室容积机械地增大和缩小而抽气。当泵腔内工作室容积变得最小时，与泵的入口管道连通，于是气体进入泵吸入腔，一直到吸入腔容积最大并重新与进气口分开时为止。当容积减少时，气体被压缩，直到气体的压力大于一个大气压，排气阀被打开，将气体排出。 (二)用油作密封泵液的必要性 当前大量使用的机械真空泵，即使设计得最好，相向运动的零件间配合精度即使很高。在泵达到极限真空时，也难以阻止气体由低真空端向入口端“突破”返流。另外，由于泵在设计制造及装配中不可避免地存在有害空间，这也降低泵的极限真空度。油封机械真空泵就是用油将相向运动的零部件和排气阀零件间密封起来；将有害空间充填，使得高压气体反“突破”的机会少得多，密封性能也就好得多，从而使泵能达到较高的真空度。 (三)油封机械真空泵的应用 油封式旋转机械真空泵按照结构型式可分为定片式、旋片式、滑阀式、余摆线式四种。目前，油封机械真空泵是国内真空获得技术中应用最广的一种泵，它可单独用作低真空设备的排气用泵，也可用作高真空排气时的前级真空泵。因此，它已在国民经济的很多部门，例如电真空、电子、轻化工、钢铁、有色冶炼等工业部门中发挥着越来越大的作用。由于这类泵均装有气镇装置，故也可以抽除潮湿气体。但现在还不适于抽除含氧过高、有爆炸性、对黑色金属有腐蚀性，对泵密封油起化学作用、及含有颗粒灰尘的气体。 14
目前，国内的许多研究单位和生产厂家正在设计和生产出抽除水蒸气和耐腐蚀的油封真空泵系列。随着新技术、新材料的发展和应用，性能更好的、能满足各种工业需要的、适应能力强的各种油封机械真空泵必将生产出来。 (四)定片式真空泵 1．工作原理 定片式真空泵的典型结构及工作原理如图4所示。在圆柱泵腔(1)内有旋转的偏心转子(2)，在泵缸体上装有可以上下滑动的定片(3)，借助于弹簧(4)的作用压向转子，将泵腔分隔成A、B两个空间。随着转子旋转角度不同，两个空间体积交替增大或缩小，从而完成吸气和排气作用。 在泵的工作过程中，滑片作垂直往复运动，并在转子表面上滑动。弹簧是通过一直角形杠杆(5)与滑片发生作用。泵内的一切运动表面都覆盖着油层，形成吸气腔和排气腔之间的油封。此外，油还充满了泵腔内的一切有害空间，以消除它们对极限真空的影响。 2．特点 定片式真空泵抽速较小，有单级、双级之分，双级泵的极限真空可达10-1Pa。泵的结构简单、使用寿命较长和检修容易，但由于其工作性能不如旋片泵，所以目前已经很少生产和应用。 (五)旋片式真空泵 旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。 1．单级旋片泵结构与工作原理 如图5所示，单级旋片泵只有一个工作室。泵主要由定子、旋片、转子组成。在泵腔内偏心地装有转子，转子槽中装有两块旋片，由于弹簧弹力作用而紧贴于缸壁(转动后还有旋片离心力)。转子和旋片将定子腔分成吸气和排气两部分。 当转子在定子腔内旋转时周期性地将进气口方面容积逐渐扩大而吸入气体，同时逐渐缩小排气口一侧的容积将已吸入的气体压缩并从排气阀排出。 排气阀浸在油里以防止大气流入泵中。泵油通过油孔及排气阀进入泵腔，使泵腔内所有的运动表面被油覆盖，形成了吸气腔与排气腔之间的密封。 2．双级旋片泵的结构与工作原理 单级旋片泵一般极限压力只能达到1.3Pa(个别可达0.1Pa)，为什么极限压力不能再低呢？主要由于： (1)泵的结构上存在有害空间(见图6)，该空间中的气体是无法排除的。当旋片转过排气口后，这一部分气体又被压缩，经过转子与泵腔间的缝隙又回到吸气空间，所以每次总有些气体排不尽。 (2)由于在泵工作时，泵腔的吸气空间与排气空间存在着一定的压力差。当排气空间的气体被压缩得很小时，它的压力很高，会通过各种可能的途径突破到吸气空间去，使泵真空度下降。 (3)泵油在泵体内循环流动过程中会溶解进大量气体和蒸气。在吸气侧，因为压力较低，溶解的气体又会跑出来，使泵的真空度不易提高。 为了提高泵的极限真空度，除了提高泵体、转子、旋片的加工精度，尽量减少装配间隙和有害空间以外，最有效的办法是将两只单级泵串接起来，组成双级泵。 图7为双级泵的工作原理图。泵由两个工作室组成。两室前后串联，同向等速旋转，A室是B室的前级，A是低真空级，B是高真空级。被抽气体经高真空级(B室) 进入前级，由排气阀排出泵外。前级(A)和单级泵一样，随时有油进入泵腔，而高真空级(B)仅在开始工作时存有少量的油，工作一段时间后，便没有油进入泵腔了。当泵开始工作，且吸入气体的压力较高时(例如从大气压力开始抽气)，气体经B室压缩，压力急增，则被压缩的气体的一部分直接从辅助排气阀(1)排出，另一部分则经由前级排出。 当泵工作一段时间后，B室吸入的气体压力较低时，虽经B室的压缩，压力也达不到一个大气压以上，排不开辅助排气阀(1)，则吸入的气体全部进入前级A室，经A室的继续压缩，由排气阀(3)排出。 泵工作一段时间后，由于高真空级进气时压力大大降低，其出口压力也很小，这样B室进出气口的压力差也较小，被压缩气体返回的数量也相应减少；同时，后级泵中易蒸发的油分子不断被前级A室抽走，油蒸气的分压减少了，因而双级泵的油污染比单级小，极限真空度将大大提高。国前的双级旋片真空泵的极限压力可10pa，国外有的泵可达到10Pa。
15
-3-2 3．高速直联旋片真空泵 高速直联旋片真空泵，简称直联泵。它是旋片泵的一个新型分支产品。老式的旋片泵出 现较早，是一种结构简单，应用量大面广的产品。但是这种老结构的旋片泵转速低，大都在400r/min左右。采用皮带传动减速，因而体积大，重量重。欲使泵体小质轻，从泵的几何抽速的计算理论中可知，当抽速一定时，其主要手段是提高泵的转速。欲提高真空泵的转速的主要关键是必须使直接承受高转速负荷的零件适应这种工况，即泵体和旋片的材质及转子的结构应适应转速提高后的工况。 1965年德国雷暴一海拉斯公司在原有旋片泵的基础上，对泵的结构、材料和工艺都作了重大改进，试制成功了高速直联旋片真空泵，为旋片泵的小型化、仪器化开辟了新的途径。到七十年代初期，英国、美国、瑞士等国家也都相继有了直联泵系列产品。国内的许多生产厂家从七十年代中期至今先后试制成功了不同型号的直联泵，目前已有抽速从0.5L/s～15L/s的系列产品。 直联旋片泵采取由电动机直接驱动泵转子，把转速提高到1400r/min以上。这样可使泵的结构紧凑；体积显著缩小；重量减轻；泵的抽气性能提高；振动和噪音大大降低。 第三讲：机械真空泵（4） 作者:张以忱 4．气镇原理、装置及其参量计算 为了从真空系统或真空容器中抽除可凝性气体，油封式机械泵普遍设有气镇装置。 (1) 气镇的作用与原理 由于大气中都含有一定量的水蒸气，所以泵工作时所抽除的气体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。这种混合气体在泵内被压缩排气的过程中，如果可凝性气体的分压力超过了泵温下的饱和蒸气压，那么它们就会凝结并与泵油混合，随油一起循环。当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。随着泵的运转，凝结物不断增加，使泵的极限真空和抽速降低。当抽除的气体中湿度较大时，泵油的污染更加严重，使泵的密封、润滑和冷却性能变差，以至于经常更换新油。 气镇法是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。这种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔中与被抽气体相混合。当把这种混合气体压缩到排气压力时，由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温状态的饱和蒸气压以下，因而蒸汽不会凝结而与其它气体一起被排至泵外。被抽气体中蒸汽的含量越多，掺入的干燥气体量就需越多。 图8描述了上述的气镇过程。ab表示蒸汽吸入过程，蒸气的吸入压力为Pv。对于气镇泵，吸气终了后，稍加压缩至b'点，开始向泵腔内掺气，并压缩至排气压力PT2，由b'c'表示。然后泵等压排出混合气体，由c'f表示，对于非气镇泵，蒸汽吸入后被压缩到泵温时的饱和压力PST，以bc表示。泵继续压缩，蒸汽逐渐液化，其过程由cd表示。泵对液体(液化的蒸气及泵油)继续进行压缩，使压力突然上升到达排气压力PT2，如de所示。最后液体被排至油箱中，与泵油相混，如ef所示。在掺气过程中，可凝性气体的压缩达到c点时，空气与蒸气混合物的全压力就已达到排气压力，而此时，蒸气的分压力只达到PST。但因全压力已达到排气压力，排气阀被推开进行排气，未凝结的蒸气保持气体状态被一起排至泵外。这就是气镇泵的工作原理。 采取气镇方法，虽然达到了排除蒸气的目的，但由于掺气增加了大气突破漏入到吸气端的可能性，因此对泵的抽速与极限真空都有影响。泵在掺气过程中，其极限真空要比不掺气时下降1～2个数量级。一般在使用时，先使用气镇阀掺气排除可凝性气体。等到蒸气基本抽除后，即可关闭气镇阀，继续抽气，经过一定时间后，就可达到不掺气时泵的极限真空了。 由于气镇方法主要是防止泵在压缩过程中蒸气的凝结，所以对那些从气相状态就能溶解在泵油中的蒸气的抽除效果就比较差。 加装了气镇装置的机械真空泵，还有自净化泵油的作用：当泵油被少量凝结液污染后，只要将泵入口封死，然后打开气镇阀，经一定时间抽气运转，泵油便能恢复原来的性能。 (2) 气镇参量计算 1）防止泵内凝结液生成的最小气镇量
16
假定：a．泵腔内气体是按等温压缩过程进行的；b．在排气瞬时，可凝性气体的分压力刚好达到泵温下的饱和蒸气压；c．被抽气体全部是可凝性蒸气；d．掺入气体为干燥气体蒸气分压为零。 最小气镇速率B为：(4—1) Pυ——蒸气的吸入压力 Pa； Pαt——掺气压力(大气压力)Pa； PT2——排气压力 Pa； PST——泵温下的饱和蒸气压力 Pa； S1——泵的抽速 L／SI 如果气镇速率用气镇量G表示，则有 (4—2) 2）最大允许的吸入水蒸气压力[Pυ] 当气镇速率B为已知值时，相应地确定了一个最大允许的吸入水蒸气压力[Pυ] (4—3) 式中：PL1——吸入气体中永久性气体的分压力； PD——掺入气体中水蒸气分压力 其余同(4—1)式。 据(4—3)式分析可得出下面几种特例： A．掺入气体为永久性气体，PD =0，则有：(A) B．吸入气体全部为水蒸气，PL1 = 0，而PD ≠ 0，则有：(B) C．若PD = 0；PL1 = 0，则有(C) D．若B = 0，即不掺入气体，则有(D) 说明在不掺气的情况下，泵本身也有一定抽除可凝性气体的能力。 从以上公式分析可得出下述结论； A．当泵吸入的水蒸气压力P。增高时即水蒸气含量较多，此时所需掺入的气镇量应该相应增加。但气镇量不宜过大，过大容易产生串气，影响泵的性能。 B．当掺入的气镇量为定值时，为提高最大允许的吸入蒸气压力[Pυ]，可用下面几种办法： a)减少被抽气体在泵腔内的压缩比，即降低排气压力PT2。 b)适当提高泵的工作温度，即提高泵腔内水蒸气的饱和蒸气压力PST。 c)尽量控制吸入气体的温度，提高泵入口处永久性气体压力PL1。若吸入高温蒸气可先通过前置冷凝器使之预先冷却一部分，然后再进入泵内。 d)减低气镇气体中可凝性蒸气压力PD，尽可能掺入干燥气体。 3）抽除水蒸气排出量GD。 对于水蒸气的抽除量，取决于泵吸入口蒸气分压力Pυ和吸入口的抽气速率S1。 当考虑泵入口状态，对尚未凝结的水蒸气的抽除量可由气体状态方程导出：(4—4) 式中 R——气体普适常数，R = 8314.3 Pa·L/mol·K ； m——分子量，水为18g/mol。 (3)气镇计算中主要参数的选择 气镇泵性能计算中，恰当地选择参数极为重要，它关系到能否消除可凝性蒸气对泵的污染，能否有效地抽除水蒸汽。 从公式(4—3)可看出影响Pυ的参数有：B/S1、PST、PD、PT2和Pαt 1) B/S1的选择 B/S1是影响[Pυ] 较大的参数。B/S1值选得很大，说明向泵内掺气量大，因而[Pυ]就大。但这将造成泵内压缩腔和吸入腔之间长期有较大的压差，因而返流量增加，降低了泵的极限真空。掺气量大，排气所需功率也增加，同时泵排气时的喷油也会加剧。此外B胚，值选得太大，气镇孔相应要大，实际结构也是不许可的。一般选B/S1 = 0.1～0.15 2）PST的选择
17
由于水蒸气的饱和蒸气压和温度有密切的关系。PST 选得过大，泵内的温度必须高。但泵内的温度过高，将使泵油性能变差，因而PST选择必须适当，一般作为气镇泵，泵温可在70～90C左右。 3）PT2的确定 气镇泵的排气压力PT2 之值，是根据排气阀的具体结构而定，与排气阀片的重量、阀片上油柱重量以及阀片上是否有压力弹簧作用等因素有关。一般PT2在101325～146650Pa之间确定。 4）泵的工作环境温度T1。 一般情况下泵多工作在室内，所以选定T1时，北方可选T1 = 293K(20C)；南方可选T1 = 303K(30C)。根据环境温度T1可以决定最大允许吸入的水蒸气压力，即不同温度下水蒸汽的饱和蒸气压值。 5）PD的选择 掺气用的空气若湿度过大对气镇性能将产生不良影响。油封机械泵测试标准(GB6306·1—86)规定，相对湿度不大于75％。 (4) 气镇装置的结构与计算 1) 气镇阀的结构与设置 最简单常用的气镇阀结构如图9所示。一般均由调节件与逆止阀两部分组成。调节件用来控制掺入的气体量。逆止阀是用来防止泵腔内的混合气体压力高于掺气压力时出现返流。另外一些较常用的气镇阀结构如图10所示。 气镇孔的位置的设置一般有两种形式： a) 在泵的排气口附近。当压缩腔与排气口相通时，开始掺气，一直到泵腔内部压力和外界掺气压力相等为止。 b) 气镇孔设置在端盖上。掺气开始与终了是受转子的端面控制的。气镇孔越早接通泵腔，掺气时间就越长，掺气量也就可能大一些。但是为防止掺入的气体直接进入被抽容器中，必须在压缩腔与吸气口隔绝时，才能接通气镇孔。所以，端盖上的气镇孔是在吸气终了以后，转子再转过一个角度(10～15)时，才开始露出来进行掺气。 对双级气镇泵(不论高真空级和低真空级做成等容积或不等容积)，气镇孔均设置在低真空级上。 2) 气镇孔的计算 如气镇孔用盲释d表示，则（4—5） (4—5)式是考虑连续掺气时气镇孔计算公式，当气镇孔开设在泵侧端盖上时，假设的连续掺气与实际有出入。此时，可按下式计算气镇孔直径：（4—6） 式中 β——掺气开始与终止两位置之间泵轴转过的角度。 对旋片泵 β= 180 (二旋片转子结构) 对滑阀泵 β= 240 对余摆线泵 β= 180 (4) 旋片泵的设计改进趋势 1) 材料选用 要提高泵的转速，减少磨损，降低温度，保证泵的正常性能，关键之一就是如何适当选择定子和旋片这对主磨擦副的材料。直联泵旋片常用的材料为一种新型自润滑材料——碳素浸合金。国内有的研究单位还对其他材料用作旋片做了综合测试，结果表明用碳纤维增强塑料、高分子液晶材料作旋片材料具有开发价值。 2) 泵腔形线 由于高速直联泵的旋片与定子之间摩擦与磨损增大，泵的温升增高，所以改善旋片泵的旋片与泵腔之间的摩擦、磨损与润滑是研制性能良好的直联旋片泵的关键。通过弹性流体动力润滑理论的分析计算发现现有泵旋片与泵腔间的运动不合理，使旋片与转子及泵腔间的磨损较严重，难以找到合适的润滑状况，导致高速旋片泵温升增加。而解决磨损的办法就是使旋片在旋转过程中始终保持长度不变。而目前的正圆形泵腔是无法办到的。由理论上可以提出一种包络线的定子泵腔型线，这种型线是一条与一系列圆心在轴对称的曲线上的包络圆外侧相切的包络线。当然，这种型线的加工工艺比正圆形型线要麻烦些，但它多花的代价可以从改善泵的性能中得到补偿。这样的泵，振动、噪音、温升、磨损均会减少很多。 (3) 转子结构与旋片 通过旋片泵几何抽速的计算可知，当泵的转速已达一定高的数值时，再增加旋片可以在不加大转子偏心距，又不增加最大线速度的情况下提高抽速。在结构上增加旋片数也是简单可行的，故它是一种有希望的提高抽速的途径。
18
oooooooo 目前，国内厂家生产的直联泵有采用三槽式整体转子结构，其上装有三个旋片。整体转子三旋片结构有较高的强度和刚性；可以减少高速运转时转子的不平衡性，以减少旋片承受的冲击负荷。泵几何抽速计算表明，泵采用三槽转子要比二槽转子的抽速大18～20％。 实现多旋片结构的关键在于旋片与泵腔材料的改革，如采用耐磨性能好的软旋片材料；增强泵的冷却等。 4) 泵体结构及排气口位置侧偏心结构是一种较新的泵体结构形式。侧偏心结构的泵转子与泵腔的切点不在上方，而在侧面，油箱也在侧面。它与一般的上切点结构的泵相比有以下一些优点：由于油位与排气口在侧面，而油面刚好把排气阀门和润滑油路的进油孔淹没，这样停泵后，只能回很少一点油在泵腔内，其余的油只能回到油路进油孔处就不能往泵腔内进了。由于回流到泵腔内的油量很少，所以泵的启动容易，因而可减少泵电机功率。同时，当油回到进油孔位置时，进油孔便成了放气孔。使泵内气体压力与外部大气压力相等，阻止油返入真空系统中造成污染。 由于泵体上的排气孔位置降低，排气阀座平面与水平面接近垂直，使泵的高度降低；排气孔外的油箱可设计较小；需油量也减少，使泵体结构紧凑。同时气体从排气阀排出是水平方向，而从顶部出气口排出来时是垂直方向，气体分子运动的方向改变，路程加长，顶部空间很大，使气体分子速度降低，能量损失，有利于防止喷油。如果在排气口处及排气箱顶部空间设置挡油装置，防止开泵喷油的效果更加理想j 德国最近又开发研制出大抽速的高速直联下偏心转子单级油封旋片泵。这种泵的结构与传统结构的旋片泵相比具有较大变化：转子与泵体下偏心安装，转子与泵腔的切点在泵腔的下方，油箱位于泵体的侧面。这种结构的泵重心低，运转平稳，振动及噪音相对减少，为制造大型旋片泵创造了有利条件。德国生产的$630F/FL型旋片泵的平均抽速可达170L/s。该结构泵的排气口位于泵体下部，排气阀的排气方向为水平方向，在排气侧装有空气偏转板、阻尼筛和排气过滤元件，既防止了喷油，又降低了噪声。泵上还配有气镇阀及油循环、油冷却装置、泵温调控系统，使泵可用于抽除高温气体及抽除大量的水蒸气。目前，德国雷暴公司已用这种泵来取代余摆线真空泵，广泛应用于真空冶炼和真空热处理设备上。 旋片泵还有许多方面有待改进。相信，随着真空技术的进步，性能更好的，能适应多种工艺要求的旋片泵一定会出现。 第三讲：机械真空泵（5） 作者:张以忱 (六) 滑阀式真空泵 滑阀式真空泵的抽气原理与旋片泵相似，但两者结构不同。滑阀式真空泵是利用滑阀机构来改变吸气腔容积的，故称滑阀泵。 滑阀泵亦分单级泵和双级泵两种，有立式和卧式两种结构形式。单级泵的极限压力为0.4～1.3Pa；双级泵的极限压力为6×10 —10Pa。一般抽速超过150L/S的大泵都采用单级形式。这种泵可单独使用，也可作其它泵的前级泵用。 1．工作原理 滑阀泵的结构主要由泵体及在其内部作偏心转动的滑阀、半圆形的滑阀导轨、排气阀、轴等组成(见图11)。 泵体中装有滑阀环(4)，滑阀环内装有偏心轮(3)，偏心轮固定在轴(2)上，轴与泵体中心线相重合。在滑阀环上装有长方形的滑阀杆(5)，它能在半圆形滑阀导轨(7)中上下滑动及左右摆动，因此泵腔被滑阀环和滑阀杆分隔成A、B两室。泵在运转过程中，由于A、B两室容积周期性地改变，使被抽气体不断进入逐渐增大容积的吸气腔；同时，在排气腔随着其容积的缩小而使气体受压缩，并通过排气阀排出泵外。 双级型的滑阀泵，实际上是由两个单级泵串联起来的。它的高、低真空室在同一泵体上，有的是直接铸成一个整体，有的是压入中隔板把泵腔分成高、低两室。 2．泵的改进措施探讨 滑阀泵虽然是一种老泵，但与旋片泵等比较，它具有允许工作压力高(10Pa)、抽气量大、能在较恶劣环境下连续工作，经久耐用等突出优点，所以在真空冶炼、真空干燥、真空浸渍、真空蒸馏等行业得到广泛的应用。同时由于结构等方面的问题，又存在着急需解决和改进的问题：
19
4-2-1 (1) 泵的振动和噪音问题 滑阀泵运转时的振动和操音较大，泵的振动影响真空系统的稳定．缩短泵的寿命，并对环境造成污染。所以研制出振动噪音小的滑阀泵对于提高泵的质量、扩大泵的应用有十分重要的意义。 滑阀泵的主要振动来自泵滑阀运动系统所产生的不平衡惯性力。解决的方法有以下几个方面：a．整体结构方面。滑阀泵可设计成立式结构或卧式结构。从发展趋势看，卧式(即倾斜式)结构较合理。因为它具有结构紧凑、重心低的特点，有利于减小振动。b．动平衡。通常采用加平衡轮并在皮带轮上加不平衡重量来对偏心轮和滑阀的惯性力进行平衡减振。对泵滑阀运动系统进行动力分析和试验表明滑阀杆的运动是影响泵振动大小的非常重要的因素，如泵已加平衡轮后．立式H-150A型泵因滑阀杆运动所产生的振动值占总振动值的2/3；卧式H-150型泵则占9/10。可以通过分析计算，然后在平衡轮上加配重的方法来平衡滑阀杆的惯性力．实践证明，这种一种有效的减振方法。c．采用机械减振装置。对于高速泵和大泵，除采用平衡措施外，还可用机械减振的办法来减小振动。例可用橡胶减振器，将减振器安装在泵的底座上，靠橡胶来吸振。d．泵缸数目的合理选择与布置。滑阀泵有单缸、双缸和三缸等结构。对于单缸、双缸和等长三缸等结构的泵，均需在泵上另加平衡配重来平衡泵运转中产生的惯性力与惯性力矩。而一种不等长三缸结构则从结构原理上铰好地解决了滑阀泵的振动问题。该结构布置型式如图12所示。中间是一个长缸，两侧各为等长的短缸a三组滑阀用一根公共轴同时驱动，中间一组滑阀长度及重量双倍于左右两组滑阀。泵运转时，两组短滑阀和中间长滑阀之间始终保持着180。的相位差。长滑阀产生的惯性力为F，短滑阀的惯性力为F/2，因此惯性力和惯性力矩大小相等方向相反，三组滑阀可以通过自身的结构设置来保持力的平衡．使泵基本消除振动。 由于该结构泵运转振动很小，所以泵的转速可以大大提高，从而可减少泵的体积和重量。例如，抽速为150L/S的三缸滑阀泵的重量要比普通型H-150泵减轻30％。这种结构也为大抽速滑阀泵的开发创造了有利条件。美国Kinney公司制造的三缸自平衡结构滑阀泵的最大抽速已达367L/S。 (2) 提高容积利用率和转速 若泵腔直径不变，减小转子直径，则可以使泵的容积利用系数增大，使抽速在泵外形尺寸不变时加大。国外已经设计出了行星式滑阀泵(如图13所示)。该结构把偏心转子做成圆板状，滑阀杆(滑片)装在滑阀体的开口槽内，另一端铰接在泵体上使其能摆动。当泵工作时，电动机带动圆板自转，插在偏心孔内的滑阀体跟着公转，同时滑阀体又可沿滑阀杆(滑片)滑动。在旋转过程中，滑阀体和泵腔内壁始终保持一定的密封间隙，以实现抽气、压缩和排气。 行星式滑阀泵与体积和转速相等的其它滑阀泵比较，由于滑阀体尺寸小，抽速可增加一倍。同样也可相应地提高泵的转速。但由于滑阀杆在这种结构中摆动很大，所以目前该结构只宜于小型泵。 由于滑阀泵的材料、振动、噪音等一系列问题尚待解决和完善，因此影响了泵转数的进一步提高。高转数(可达1000r/min)目前仅限于抽速为40L/S以下的小型泵。 (3) 抽除可凝性气体的措施 近年来，随着真空应用范围越来越广泛，在真空干燥、真空浸渍、真空脱水、真空冶炼等行业用滑阀泵抽除气体都含有大量水蒸汽。如果在真空泵中不能及时排除，就会污染真空泵油，造成真空泵抽气性能降低。尽管在泵上设置了气镇阀，认可降低泵的极限真空，用气镇方法抽除可凝性气体，但对于真空干燥、脱水、炼泥等水蒸汽含量高的抽气过程来说，用气镇方法并不理想，一般有以下方法可试用：a．滑阀泵与冷凝器配套使用。目前国内多数厂家采用这一方案。原理是将冷凝器串接在泵与被抽容器之间，把真空工艺设备中的大量水蒸汽用冷凝器捕捉成水，从而减少水蒸汽进入真空泵中的数量、降低泵油污染程度。如果适当调节冷凝器出口阀门流量和充分发挥真空泵上的气镇阀作用，可以取得较好的抽气效果。b．变滑阀泵为热泵。根据水的物理特性及相图原理，可将滑阀式真空泵改成热泵。这样．可在较高泵腔温度条件下，抽除大量可凝性水蒸汽。其工作原理如下：用一套自动温度调节控制器，通过自动控制泵的冷却水流量来达到控制泵腔温度的目的。使得在抽气过程中，泵腔的温度始终控制在高于水的饱和蒸汽压温度，促使被抽气体中的大量水蒸汽能顺利排出。 为避免出现由于泵腔内温度较高，泵长期工作可能会出现的泵油变稀、真空度下降、运转零部件卡死等现象，在设计中可采用耐高温的泵油(如N-62或N-68)和耐高温轴承．加大运转零部件的间隙等。 (七)余摆线真空泵 余摆线真空泵的转子与泵腔的型线均为“余摆线”。目前真空行业中广泛使用的油封式机械真空泵大多是中、小型的旋片泵和中、大型的滑阀泵。旋片泵在较脏的工作条件下，旋片泵在转子槽中卡住。尽管滑阀泵对这一缺点
20
有一定程度的克服，但由于滑阀的质心相对回转中心的距离不是定值，虽然在结构上采取了一些动平衡措施，但尚不能达到完全平衡，故振动难以完全消除。尤其泵的容量越大，振动亦更大。同时上述两种泵，特别是滑阀泵与其排气量相比外形尺寸显得较大。这些缺点迫使人们去研制新型结构的真空泵。德国于 1964 年开始根据汪克尔汽车转子发动机原理进行了余摆线泵的研制；于1967年在国际真空科学年会上展出了试验样机；于1972年底开始批量生产。我国随着真空技术的发展，抚顺真空设备厂与东北大学合作，于1975年研制出我国第一台YZ-150型余摆线真空泵，现已批量生产。 1. 工作原理 如图14所示， R1 是小齿轮 5 的节圆半径， R2 是大齿轮 4 的节圆半径， R2 =2R1 。 O1M 是转子型线的创成半径且与 O1 圆相固联。当动圆 O1 在定圆 O2 的内圆周上作纯滚动时， M 点画出的轨迹便是转子的理论型线──余摆线。固定在泵体上的小齿轮 5 和固定在转子上的大齿轮 4 是一对内啮合齿轮。当曲柄 3 驱动转子沿小齿轮作行星运动时，泵体上的 M 点永远与转子理论型线接触，而泵体的理论型线则是转子理论型线曲线族的外包络线。转子型线的内包络区域永远被转子侧面所覆盖，如在侧盖上开设气镇孔时，则应避开该区域。 当转子位于图14中虚线位置时，泵腔被分成三个部分：吸气腔、封闭腔和排气腔。当转子按箭头方向转动时， B 腔与排气口连通， A 腔继续吸气。转子相对泵体转一周进行两次吸排气。从行星轮系传动比的计算可知，泵轴转一圈，转子转半圈。所以，泵轴转一圈，吸、排气各进行一次。 通过上述分析可知，因转子质心与回转中心的距离为定值，故余摆线泵的偏心质量可以 完全得到平衡。 2. 余摆线泵的特点及应用 从结构原弹和使用性能来看，余摆线泵与同类型泵相比有很多优点： 1) 泵的动平衡性好，所以泵运转较平稳、振动亦小，转速可以提高，可以做到尺寸小、抽速大，适合发展为大抽速的机械真空泵。 2) 由于吸气管路短而粗，有利于提高低压力下的抽速。因此，在低压范围内 (1 ～ l00Pa) 余摆线泵的抽速特性曲线优于滑阀泵。 3) 余摆线泵的转子和泵体是一对共轭齿形副的啮合运动，所以对被抽气体中含有一定量的粉尘及小颗粒等不太敏感。 4) 余摆线泵适应较高温度的工作环境，可以通过温控装置使泵腔保持较高温度 ( 即成为余摆线热泵 ) ，用来抽除大量的可凝性水蒸汽。 由于余摆线泵在 1 ～ l0Pa 压力范围内仍具有很大的抽速，因此该泵适用于真空行业中的 大排气量装置。目前，余摆线泵在真空冶金、真空热处理、真空干燥、浸渍等行业中得到应 第三讲：机械真空泵（6） 作者:张以忱 -10-07 23:00:5 21
22
五、罗茨真空泵 (一)概述 罗茨真空泵是一种旋转式容积真空泵。其结构形式是由罗茨鼓风机演变而来的。它于 1944 年首先出现于德国，是为适应在 10 ～ 1000Pa 压力范围内具有大抽速的真空熔炼系统而作为机械增压泵使用。 根据罗茨真空泵工作压力范围的不同，分为直排大气的低真空罗茨泵；中真空罗茨泵 ( 机械增压泵 ) 和高真空多级罗茨泵。国内用量最多的为中真空罗茨泵 ( 以下简称罗茨泵 ) 。罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： (1) 在较宽的压力范围内有较大的抽速； (2) 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； (3) 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染； (4) 泵腔内无压缩，无排气阀。结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； (5) 压缩比较低，对氢气抽气效果差； (6) 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。罗茨泵近几年在国内外得到较快的发展。在冶炼、石油化工、电工、电子等行业得到了广泛的应用。 (二)罗茨泵的工作原理 罗茨泵的结构如图 15 所示。在泵腔内，有二个“ 8 ”字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上，由传动比为 1 的一对齿轮带动做彼此反向的同步旋转运动。在转子之间，转子与泵壳内壁之间，保持有一定的间隙。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵，通常压缩比很低，故中、高真空罗茨泵需要前级泵。因此，罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度 外，还取决于前级泵的极限真空度。 罗茨泵的工作原理既具有容积泵的工作原理，又有分子泵的抽气效应。图 16 为罗茨泵的工作原理图。由于转子的连续旋转，被抽气体从泵进气口吸入到下转子与泵壳之间的空间 V0 内，吸气后 V0 空间是全封闭状态。随着转子的转动，封闭的 V0 空间与排气口相通，由于排气侧气体压力较高，引起一部分气体反冲过来，使 V0 空间内的气体压力突然增高。当转子继续转动时， V0 空间内原来封入的气体连同反冲的气体一起被排向泵外。这时，上转子又从泵入口封入 V0 体积的气体。由于泵的连续运转，使两个转子不停地形成封闭空间 V0 又不停地将封闭空间玑内的气体排出泵外，从而实现了抽气的目的。 转子主轴旋转一周共排出四个 V0 体积的气体。所以，泵的理论抽速为： （5.1） 式中 A0 ──泵腔的有效吸气面积 mm n ──泵轴的转数 r/min L ──转子的长度 mm (三)罗茨泵──的结构 1. 泵总体结构型式 罗茨泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨泵总体结构大致有三种型式： (1) 立式如图 17(a) 所示，这种结构的进、排气口水平设置，装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高，在高速运转时稳
23
2定性差，故这种型式多用于小泵。 (2) 卧式如图 17(b) 所示，泵的进气口在上，排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便，可将排气口从水平方向接出，即进、排气方向是相互垂直的。此时，排气口可以从左或右两个方向开口，除接排气管道一端外，另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低，高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。 (3) 泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制，转子装配方便，泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便，润滑机构也相对复杂。仅见于国外产品。 2. 泵的传动方式 罗茨泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要有以下两种：其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图 18(a) 所示。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动，这样主动转子轴的扭转变形小，则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变，故使转子之间的间隙在运转过程中均匀。这种传动方式的最大缺点是： a. 主动轴上有三个轴承，增加了泵的加工和装配难度，齿轮的拆装及调整也不便； b. 整体结构不匀称，泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。 另一种是电动机和传动齿轮分别装在转子两侧，如图 18(b) 所示。这种形式使泵的整体结构匀称，但主动轴扭转变形较大。为保证转子在运转过程中的间隙均匀，要求轴应有足够的刚度，轴和转子之间的联接要紧固 (目前已有转子与轴焊或铸成一体的结构) 。这种结构拆装都很方便，所以被广泛采用。 3. 泵的密封结构与润滑方式 (1) 主动轴外伸部分的动密封 目前采用较多的是标准型号的机械密封和带加强环的骨架真空橡胶密封。机械密封功耗小，允许线速度大；但结构复杂，成本较高。骨架密封结构简单，功耗较大，为减少轴与密封圈之间的摩擦，轴的表面硬度和光洁度要高。为了防止轴的磨损，可在轴上加一个硬度较高的且与轴静密封的轴套。另外，还可以采用独立的密封盒结构，使密封件的拆装和更换更加简捷方便。还有的罗茨泵把电动机密闭在泵体一端的壳体内，从而有效地解决了动密封问题，提高了泵的真空度，降低了驱动功率。但为防止电机绕组线圈在真空下起弧，电动机的电源电压应降至 50V 以下。该结构用于中、小型泵。 (2) 端盖壳体与泵腔之间的轴密封 由于齿轮箱或端盖壳体内均有预抽管道与泵的出口相通，即这部分的压力与前级泵入口压力基本相同，与泵腔之间的压差较小，所以一般可采用迷宫式密封、反螺旋式密封或活塞胀圈密封。 (3) 泵体端面的静密封 有的采用有机硅室温硫化橡胶膜密封，密封面不用加工密封槽，但因该硫化橡胶密封膜为一次性使用，且配制较麻烦，给现场维护带来不便，且密封膜的厚度对转子端面间隙有影响，在安装时要掌握好膜的厚薄均匀性。 还可采用真空橡胶圈密封，密封可靠，即保证了转子轴向间隙，又可方便地在现场拆装。如果对泵体端面的结构设计适当，密封槽的加工可以很方便。 (4) 泵的润滑方式 罗茨真空泵的润滑部位主要有三处：轴封处── 一般用油杯润滑；齿轮和轴承处──用 齿轮或甩油盘溅油来保证润滑。对于大泵也可采用油泵强制供油润滑方式。 (四) 泵设计中的关键问题 1. 罗茨泵的关键零件是转子，而转子的关键是它的型线。转子横截面的外轮廓线即为转子的型线。泵工作时，转子的表面之间不接触，但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。在实际设计中选用转子型线时，除了要能满足上述运动要求外，还应考虑如下条件： (1) 泵转子的容积利用系数要尽可能大，即转子占的体积要小 (2) 转子应有良好的几何对称性，保证运转平稳、互换性好 (3) 保证转子有足够的强度 (4) 转子应容易加工，易得到较高的精度 通常使用的转子型线有圆弧齿形、渐开线齿形和摆线齿型等。近年来由东北大学提出的“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。相信今后还会出现更新更好的罗茨泵转子型线，使罗茨泵的工作性能进一步提高。 24
2. 为了控制泵转子问、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 ( 一般为齿轮端 ) ，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。 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厢涨套联接方式。 (五)罗茨泵防止过载的措施 罗茨泵压缩气体所需的功率与压差成正比，一旦气体压差过高，泵就可能出现过载现象，造成电机绕组烧损。 解决泵过载问题的方法主要有以下几种： (1) 采用机械式自动调压旁通阀。 旁通阀安装在罗茨泵的出口和入口之间的旁通管路上，如图 19 所示。此阀控制泵出入口之间的压差不超过额定值。当压差达到额定值时，阀门靠压差作用自动打开，使罗茨泵出口和入口相通，使出入口之间的压差迅速降低，这时罗茨泵在几乎无压差的负荷下工作。当压差低于额定值时，阀自动关闭，气体通过罗茨泵内由前级泵抽走。带有旁通溢流阀的罗茨泵可以与前级泵同时启动，使机组操作简单方便。 (2) 采用液力联轴器 采用液力联轴器也能防止泵的过载现象发生，使泵可以在高压差下工作。液力联轴器安装在泵和电动机之间。在正常工作状态下，液力联轴器由电动机端向泵传递额定力矩。罗茨泵的最大压差由液力联轴器所传递的最大转矩来决定，而液力联轴器可传递的最大转矩由其中的液体量来调节。当泵在高压差下工作或与前级泵同时启动时，在液体联轴器内部产生了转速差即滑动，只传递一定的力矩，使泵减速工作。随着抽气的进行，气体负荷减小，罗茨泵逐渐加速至额定转速。 (3) 采用真空电气元件控制泵入口压力 在罗茨泵的入口管路处安置真空膜盒继电器或电接点真空压力表等压力敏感元件。真空系统启动后，当罗茨泵入口处压力低于给定值 ( 泵允许启动压力 ) 时，压力敏感元件发出信号，经电气控制系统开启罗茨泵 ( 如真空系统中装有罗茨泵旁通管路，则同时关闭旁通管路阀门 ) 。若泵入口压力高于规定值时，则自动关闭罗茨泵 ( 或同时打开泵旁通管路阀门 ) ，从而保证了罗茨泵的可靠运转。 第三讲：机械真空泵（7） 作者:张以忱 (六)罗茨泵 (罗茨泵机组) 有效抽速的计算 大多数的罗茨真空泵 ( 除直排大气罗茨泵以外 ) 都需与前级泵组合成罗茨泵真空机组应用于各个领域。根据用途不同，罗茨泵机组常用的前级泵有旋片泵、滑阀泵、水环泵等。 罗茨泵与各种前级真空泵组合后的真空机组抽速可以通过计算求出，在以下计算中忽略前级连接管路的流阻影响。 罗茨泵工作时的有效气体流量为： Qe = Qth － Qv （ 5.2 ） 式中 Qe ──罗茨泵的有效流量； Pa · L／s Qth──罗茨泵的几何流量， Qth = PA · Sth Qv 一罗茨泵的泄漏返流流量 Qv =Qv1 + Qv2 Qv1 为由于罗茨泵转子之间及转子与泵壳之间的间隙而造成的气体返流量， Qv1 可用下式表达： Qv1 = U （ Pv － PA ） (5.3) 式中 U ──罗茨泵内上述所有间隙的等效通导 Pv ──罗茨泵排气压力 ( 泵前级压力 ) PA ──罗茨泵吸入压力
25
Qv2 为罗茨泵转子在高压排气侧吸附及携带返回低压吸入侧的气体量，称返扩散气体量，所以有： Qv2 = Sr · Pv (5.4) 式中 Sr ──泵返扩散气体的等量抽速。 于是式 (5.2) 可表达成： Qe = Qth - (Qv1 + Qv2) = PA · Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.5) 根据罗茨泵零流量压缩比 K0 定义：关闭泵进气管路，气体流量为零时，前级真空管路中压力与泵入口压力之比为零流量压缩比 K0 =Pv /PA ， 该压缩比的最大值用 K0max 表示，称最大零流量压缩比。令 (5.5) 式中 Qe 等于零 ( 实测中用肓板将泵进气口法兰堵死 ) 则有 PASth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] = 0 (5.6) 目前利用公式 (5.6) 对 K0max 进行定量计算很困难。首先由于 K0max 与等效通导 U 有关，即与泵内转子间隙有关，而转子间隙与转子加工精度、泵体公差及加工精度、泵的安装精度、轴承间隙等一系列因素有关。另外，影响 K0max 的 Sr 值与转子表面精度有关，每台泵转子的表面在加工中也不能做到完全一致。因此目前都是通过实测求得 K0曲线及 K0max 值。 罗茨泵机组在实际抽气过程中存在以下关系: Qe = PA · Se = Pv Sv = PA Sth - [ U (Pv - PA) + Sr Pv ] (5.7) 式中 Se ──罗茨泵机组有效抽速 Sv ──前级泵的实际抽速，它随压力变化而变化 对（5.7）式化简有： (Sth + U) PA = (Sv + U + Sr) Pv （5.8） 同时有： Ke = Se / Sv = Pv / PA （5.9） 于是有： （5.10） 由于 Sth》U ，令： Kth = Sth / Sv（5.11） 则据（5.6）式有： 1 / Ke = 1 / Kth + 1 / K0max 即 （5.12） 用容积效率η表示罗茨泵机组 ( 即罗茨泵 ) 的有效抽速 Se 与罗茨泵 ( 机组 ) 的理论抽速 Sth 之比，则据公式 (5.9) 、 (5.11) ，可得 （5.13） 于是当机组中 K0max 、 Sth 、 Sv 已知时，可通过公式 (5.13) 求出η，进而求出罗茨泵机组此时的最大抽速 Se = ηSth （5.14） 罗茨泵机组中罗茨泵的有效抽速实际上就是机组的抽速。由以上分析可知，它除了与罗茨泵本身的理论抽速有关外，还决定于泵的最大零流量压缩比 K0max 及前级泵的实际抽速Sv 。对于某一型号的罗茨泵来说， Sth 值为已定值， K0max 值由实验测试所得。生产厂家应该在产品样本上给出泵的 K0 曲线，且应规定出 K0 值的范围，所生产的泵的 K0max 必须大于或等于规定值。 罗茨泵机组中的前级泵与主泵的配比也相当重要。若配用前级泵不当，则机组的有效抽速达不到罗茨直空泵技术条件 (ZBJ78013·2 — 89) 中规定的要求。一般根据经验，机组中罗茨泵的理论抽速与前级泵理论抽速的配比关系为 5:1 ～ 8:1 。 26
27
(一)牵引分子泵 1. 概述 分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德 (w · Gaede) 首先发明的，并阐述了分子泵的抽气理论，使机械真空泵在抽气机理上有了新的突破。分子泵的抽气机理与容积式机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同，分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。 2. 牵引分子泵结构特点 图 20 是 Gaede 牵引分子泵的结构原理图。泵腔内有可旋转的转子，转子的四周带有沟槽并用挡板隔开。每一个沟槽就相当于一个单级分子泵，后一级的入口与前一级的出口相连。转子与泵壳之间有 0.01mm 的间隙。气体分子由入口进入泵腔，被转子携带到出口侧，经排气管道由前级泵抽走。牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。曾一度被结构和制造简单，抽速大的扩散泵所代替。 就是在油扩散泵开始得到广泛应用的时代，人们在牵引分子泵的结构改进方面仍然做了许多工作。如 Holweck 、 Siehbahn 、 Gondet 等先后对 Gaede 型分子泵做了许多改进，提出了很多不同结构的新型牵引分子泵。但由于其结构仍较复杂，抽速低，因此未能得到广泛应用。 (二) 涡轮分子泵 1. 概述 随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。于是人们一方在探索改进扩散泵系统，另一方面一部分人对分子泵继续进行研究和改进。 1958 年，德国人 W · Becker 提出了一种不同类型的分子泵．使分子泵在结构上有了重大的突破，这就是可在超高真空下工作的涡轮分子泵。 涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。 由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积，放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高，克服了牵引分子泵抽速低的缺点，使分子泵进入了快速发展的时代。于是继 Becker 之后， 60 年代 Ch · H · Kruger 、 Shapiro 等人又研制成功了立式涡轮分子泵，并加以逐步完善。他们又以分子动力学的理论进一步分析了涡轮分子泵的机理，并对气体分子的传输几率进行了计算，得出了有价值的数据，为涡轮分子泵的理论分析和计算奠定了基础。 2. 涡轮分子泵的抽气原理与结构 (1). 涡轮分子泵的抽气原理
28
六、分子真空泵 分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时，分子间平均自由程可达 4.4mm 。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。 2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。 分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。例： H2 在空气中含量甚徽，但由于 H2 分子具有很大的运动速度 ( 最可几速度为 1557m /s) ，所以分子泵对 H2 的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85 ％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。 现以涡轮分子泵的一个叶片为例说明它的抽气原理。假设一个轴流式单叶列在分子流范围内以速度 V 运动，如图 21 所示。 设 I 侧为吸入侧，Ⅱ侧为排气侧。从 I 侧向Ⅱ侧运动的气体分子，可分为以下几种情况：有一部分气体分子与叶片的端部相碰返回 I 侧，一部分气体分子直接通过叶片槽到达Ⅱ侧，还有一部分气体分子在叶片槽内与叶片壁相碰，其碰撞结果将使一部分到达Ⅱ侧，而另一部分气体分子返回 I 侧。同样，对于Ⅱ侧来讲，也有一部分气体分子自Ⅱ侧直接抵达 I 侧，一部分气体分子与叶片碰撞后或返回Ⅱ侧或抵达 I 侧。如图 21(b) 所示，当 I 侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在α1 角内的将又回到 I 侧，而反射方向在β1 角内的气体分子最后将进入到Ⅱ侧或散射回 I 侧，撞击在γ1 角内再反射的气体分子将进入Ⅱ侧；同样，凡是从Ⅱ侧入射到叶片上的气体分子在角α2 内再反射的气体分子仍回到 I 侧，在角γ2 内再反射的气体分子将散射到 I 侧，而在角度β2 内再反射的气体分子或散射到 I 侧或返回Ⅱ侧。从α1 、α2 、β1 、β2 、γ1 、γ2 角度的大小关系可以看出：气体分子从 I 侧最终通过叶片进入到Ⅱ侧的几率 M21 大于气体分子从Ⅱ侧最终到达 I 侧的几率 M 21 且叶片的运动速度 V 值越大，效果越明显，这样就实现了泵的抽气目的。叶片的倾角α、叶片弦长 b 、节弦比 S0 、线速度 V 对叶列的抽气效果都有影响。 设 N1 、 N2 分别表示自 I 侧和 I 侧入射到叶片的气体分子流量。而用 W 表示由 I 侧到达 Ⅱ侧的净气体分子流量与入射气体分子流量之比， W 称何氏系数，则有 (6 · 1) 或 (6 · 2) 假定叶片两侧温度相等，而且气体分子速度分布函数相同，则N2 / N1等是密度比n2 / n1等或是压缩比P2 / P1。即： (6 · 3) 通过叶列的净气体流量为零时，可得最大压缩比 (6 · 4) 在压缩比为 1 时 (P2 = P1 ) ，何氏系数最大，即 (6 · 5) 实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成，即按动片、定片、动片、„„次序交替排列的。泵的总压缩比是由叶列的级数决定的。在涡轮分子泵的设计中，应对多级叶列的组合进行优化选配。一般在泵入口侧附近应选择抽速较大的叶片形状及尺寸，其压缩比可以相对的小一些。在经过几级压缩之后气体压力升高，抽速下降了，这时就应该选择那种压缩比高、抽速低的叶片形状。这样设计可以使整台泵的抽气性能得到抽速大、压缩比高、级数少的理想结果。 计算分子泵叶列传输几率M12和M21的方法很多。例如：积分方程法、角系数法、蒙特卡罗法、矩阵法、工程近似计算法等等。 (2) 涡轮分子泵结构特点
29
1) 卧式涡轮分子泵卧式涡轮分子泵特点是其转子主轴水平布置。这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装在各抽气单元的排气侧，见图 22 。 这种型式泵的特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过程中，转子位置不动，维修方便。 2) 立式涡轮分子泵 立式涡轮分子泵结构如图 23 所示。其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着转子组和定子组自高真空端向低真空端压缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大，通常在 lmm 左右，因此泵工作时很安全。立式泵的装配工艺要比卧式泵简单，所以立式泵发展很快。 轴承润滑方式有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备以下三个条件，才能满足泵的工作要求： a. 高速下具备良好的润滑性能； b. 饱和蒸气压低于前级泵工作液的饱和蒸气压． c. 粘度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。 3. 泵工作时振动的产生及其减振措施保证分子泵工作精度的最主要问题是尽量减少泵工作时的振动。组成分子泵的零部件以及安放它的基础，都可以认为是一个弹性系统。当分子泵高速运转工作时，泵在其平衡位置作往复性机械运动，即是分子泵的振动。 分子泵的振动，主要是其振动零部件的不平衡引起的，主要因素有： (1) 涡轮转子以及电动机主轴的不平衡是产生振动的主要来源。从涡轮转子的结构看，影响其平衡的原因有： 1) 转子的材质不均 ( 包括密度不均和膨胀系数的不均 ) ； 2) 涡轮转子的各组成零件在制造中的加工误差，如同轴度、转子端面的平行度、转子体的不对称性等等； 3) 转子的装配质量。如涡轮转子上下叶轮因装配不当产生偏差；涡轮转子在电动机轴上装得不正；或装配时压紧力不足，高速运转后产生松动等。以上诸因素会造成涡轮转子的质量分布不均，形成一定的质量偏心，当转子转动时产生不平衡的离心力，从而使分子泵产生有害的振动和噪音。 (2) 由于涡轮分子泵的转速很高，因此防止产生共振也是一个重要问题。在分子泵的设计中应正确地选用工作转速和合理地设计电动机的主轴。 (3) 主轴的支承条件，如轴承的精度、安装方式、润滑条件等对分子泵的振动也将产生较大的影响。 为了减少分子泵整机工作时的振动，在泵的设计制造中应采取以下措施： (1) 在工艺条件允许的情况下，尽可能提高零部件的加工精度。 (2) 对电动机主轴及涡轮转子等旋转零部件进行严格的动平衡试验。 (3) 为了防止产生共振，确保泵安全运转，泵设计时，应使主轴的工作转速 n 在其各阶临界转速之外。在轴的初步设计时，应对其临界转速进行验算，至少使其与工作转速相差 20 ％左右，否则应改变轴的尺寸或刚性来达到上述要求。 (4) 对主轴轴承的外侧设置橡胶减振环。橡胶减振环除了具有减振、隔音效果外，还有利于越过共振区，衰减高频振动和噪音的作用。 (5) 为减少分子泵的振动向外传递以及减少外界振动对分子泵的影响，在分子泵的四个支柱下装有四个橡胶垫以起到隔振作用。 4. 涡轮分子泵的应用特点 (1) 工作压力范围宽，在 10 ～ 10 pa 范围内具有稳定抽速； (2) 起动时间短，能抽除各种气体和蒸气； -1-8(3) 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。 第三讲：机械真空泵（9） 作者:张以忱 30
(三)复合式分子泵 1. 概述。 由于涡轮分子泵的级工作压力较低 (10 ～ 1Pa) ，当仅用机械泵做前级泵时偏离机械泵的有效抽速范围，影响系统的抽气效果。此外，由于涡轮分子泵前级压力低，前级泵油和分子泵自身轴承润滑油的蒸气返流率影响了分子泵入口的清洁程度。在某些领域中 ( 如半导体、等离子体刻蚀等 ) ，涡轮分子泵满足不了即要求高的本底真空，又需要在工作真空度范围内具有较大的抽速和良好的清洁条件的需求。这些都要求提高涡轮分子泵的前级压力和较高入口压力下的抽速，以适应更多领域的需要。于是人们经过对涡轮分子泵和牵引分子泵的不断研究改进，利用两种分子泵的各自优点，将两者结合，提出了复合分子泵。 70 年代初，法国的 Alcatle 公司首先研制成功 MODEL 型复合式分子泵。对于复合分子泵，国内也进行了许多研究。于 80 年代末及 90 年代初，中科院北京真空物理实验室和东北大学相继研制出涡轮一盘式复合分子泵和涡轮—筒式复合分子泵。 2. 复合式分子泵的结构特点 复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体。泵在很宽的压力范围内 ((10 ～ 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国 Alcatle 公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油，且不用前级泵直接向大气中排气。 复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：一种是涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合；另一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。 盘式牵引级是在平板圆盘平面上按一定规律开出数条型线沟槽，然后将数块圆盘串接起来构成，型线有阿基米德螺线、对数螺线、圆弧线等。抽气时靠高速转动的圆盘对气体分子进行“拖动”，使其沿沟槽作由内向外及由外向内的往复折回的定向流动，从而达到抽气目的。 筒式牵引级是在圆筒形的转子或定子的圆柱面上开一定断面形状的沟槽，如矩形、圆弧形、三角形及其它形状的多头螺旋槽。由于简式牵引泵型线沟槽开在转子圆柱外表面或泵体内表面上，因此可以充分利用圆柱外圆较高的线速度对气体分子进行动量传递，提高泵的抽气效果。在设计制造中，可以通过改变螺旋沟槽通道与抽气方向之间的夹角 ( 螺旋升角 ) 来达到较理想的抽气效果。 在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的应配和衔接关系。由于涡轮级有较大的抽气面积，抽速很大，而牵引级沟槽抽气面积较小，在两种结构的联接处，由涡轮叶片压缩下来的气体分子的流动方式突然转变，使气体分子的运动在联接处由有序变成无序，至使返流增加，抽气能力下降。因此，在设计时应在涡轮级和牵引级转换处加上过渡级结构，以提高泵的抽气性能。 随着复合分子泵的不断改进，其应用领域越来越广，在某些抽气系统上可以替代扩散泵，缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。 第三讲：机械真空泵（10） 作者:张以忱 2006-10-07 -6-1 31
32
33
34
七、无油干式机械真空泵 (一)概述 无油干式机械真空泵 ( 以下简称干式机械泵 ) 是指泵能从大气压力下开始抽气，又能将被抽气体直接排到大气中去，泵腔内无油或其他工作介质，而且泵的极限压力与油封式机械真空泵同等量级或者接近的机械真空泵。 目前，真空行业使用的大多数机械真空泵都是用油、水或其它聚合物等流体充当泵的工作介质，在泵内起冷却、密封、润滑等多种作用。随着科学技术的发展以及真空应用领域的扩大，原有的机械真空泵及其组成的抽气系统出现了两个急需解决问题：一是泵的工作介质返流污染被抽容器，而这种返流在许多情况下影响产品的质量、数量，增加设备的维护成本。其次，由于某些工艺过程中的反应物质使真空泵内的介质严重变质，使泵不能正常工作。 对于普通的无油真空系统来说，虽然可用油封式真空泵加上冷阱或吸附阱之类附件来防止返流，但不能彻底解决问题，而且使系统显得复杂。而使用适当型式的干式机械真空泵，则可以达到理想的使用效果。 干式机械真空泵的应用是广泛的，主要有以下几个方面： 1) 低压化学气相沉积中的多晶硅制备工艺中； 2) 半导体刻蚀工艺。在这些生产工艺中往往用到或生成腐蚀性气体和研磨微粒； 3) 除半导体工艺外的某些产生微粒的工艺，不希望微粒混入泵油中，而希望微粒排出泵外，则用一定型式的干式机械真空泵可以满足要求； 4) 在化学工业、医药工业、食品工业中的蒸馏、干燥、脱泡、包装等，要防止有机溶剂造成污染，适合用干式真空泵； 5) 用做一般无油清洁真空系统的前级泵，以防止油污染。 近年来，干式机械真空泵得到迅速的发展，国外多家大真空公司都研制出了新型的干式械真空泵。国内的许多单位也一直在进行干式机械真空泵的开发研制工作，如东北大学、沈阳真空技术研究所、上海真空泵厂等。目前，干式机械真空泵主要分为接触型及非接触型。接触型的干式泵有叶片式、凸轮式、往复活塞式、膜片式等，这类泵的速度较低，适用于小容量高压缩比 ( 单级压缩比 ) 。非接触型的干式泵有罗茨型、爪型、螺杆型、涡旋型等，其速度较高，适用大容量，低压缩比 ( 指单级压缩比 ) 。不同类型的干式泵具有各自的特点。使用时可根据不同的用途加以选择。 (二)活塞式无油机械真空泵 这种泵技术要求不太复杂，容易制造，其结构示意图见图 24 。 该泵的外形呈扁方形，是由四个阶梯形活塞及四个阶梯形气缸组成。与电机直联的轴通过四根连杆带动四个活塞。活塞的背面空间由次级活塞抽气，以减少泄漏和降低极限压力。每个气缸都有进气阀与排气阀。四个活塞组成三个压缩级，为了增加抽速，活塞 1 和活塞 2 是并联的，为了便于泵在大气压力下的启动，设置了辅助排气阀 1 ，当活塞 l 、 2 的排气压力高于大气压力时，有一部分气体通过阀 1 排入大气，当其排气压力低于大气压力时，则排出气体依次进入第三个、第四个气缸压缩后排出泵外。泵的压缩比可达到 105 ，泵的极限压力可达 1.3Pa 。泵气缸的内表面衬有聚合材料，以降低摩擦系数与磨损。这种泵的功率消耗低，散热条件较好，不需要冷却水。 (三)螺杆式无油机械真空泵
35
螺杆式无油机械真空泵是利用齿轮传动同步反向旋转的相互啮合而不接触的左螺杆与右螺杆作高速转动，利用泵壳和相互啮合的螺旋将螺旋槽分隔成多个空间、形成多个级，气体在相等的各个槽内 ( 柱形等螺距 ) 进行传输运动，但无压缩，只有螺杆最末端的螺旋结构对气体有压缩作用。螺杆的各级间可形成压力梯度，以分散压差和提高压缩比。各部间隙和泵转速对泵的性能有很大影响。在设计螺杆各部的间隙时，要考虑膨胀、加工及装配精度和工作环境 ( 如抽除含粉尘气体等 ) 等。该泵与罗茨真空泵一样不设排气阀。 图 25 为日本橙山工业株式会社的 SDV-1500 泵的结构示意图。泵是立式结构，进气口在上方，排气口在中部，下部为电机和润滑油池。螺杆转子呈中空形，为悬臂支承结构。同步传动齿轮位于轴承支座下面。变频电机通过联轴节与主动转子连接。该泵的气体路径较短，且立式结构对排除含微尘气体较为有利。泵外壳有水冷却，泵维修也便利。 这种类型的泵如果选用适当的较简单螺杆牙型截面，则制造简单，可保证很高的加工精度，且容易动平衡。 第三讲：机械真空泵（11） 作者:张以忱 (四)爪形转子干式机械真空泵 1. 爪形转子干式机械真空泵工作原理 爪形转子干式机械真空泵 ( 以下简称爪式泵 ) 在泵壳内具有两个共轭啮合的爪形转子。与罗茨真空泵类似，转子由一对同步高精度齿轮来带动旋转并固定相位。转子型线由六段摆线和圆弧组成，转子之间及转子与泵壳之间并不接触，留有微小的间隙。气体的进气口和排气口均设在泵壳的端面上，分别由两个转子端面周期性的定时开闭，具有阀的调节作用。 从爪式泵的工作原理看，它属于旋转式容积真空泵。图 26 表示爪式泵的抽气工作过程。由图可见，泵腔被爪型转子分隔成吸气腔和排气腔两部分。图 26(a) 是泵在吸气和排气的过程，泵吸气腔随着转子的旋转，容积逐渐增大，吸入气体；而排气腔容积则逐渐减小，对气体进行压缩，从而排出气体。图 26(b) 是泵转子刚好位于吸气和排气终止位置，吸气口和排气口被转子的侧壁封住。此时吸气腔的容积最大为 Vs ，在两个转子之间还封存了部分未被排出的处于排气压力状态的气体，其容积为 Vc ，这部分气体经过两次膨胀后将被带回到吸气腔中。图 (c) 是转子正好处于换向的瞬间，转子从该位置再转过一微小角度，则转子间封存的部分气体将膨胀到环形空间去，这便是转子封存携带的气体的第一次膨胀过程。通过这次膨胀，转子间封存气体的压力降低，而环形空间内的压力则由于封存携带气体的进入而升高，从而增加泵的压缩比和节省泵的压缩功率。图 (d) 是转子将要进行下一次吸气时的位置。这时转子间封闭被带回去的剩余气体将和吸气口相通，这部分气体经过第一次膨胀后，压力已经降低了。随着转子的继续转动，吸气腔容积的增大，这部分气体将进行第二次膨胀。转子从图 (d) 位置继续转动，吸气腔容积逐渐增大，进行吸气。排气腔容积逐渐减小，由于排气口尚未打开，因此气体被压缩，压缩量随排气口上限位置的变化而变化，这种压缩过程是罗茨真空泵所不具备的，所以爪式泵的压缩比要远高于罗茨真空泵。当排气口与排气腔中的压缩气体接通时，被压缩气体或排到级间通道从而进入到下一级，或冲开排气阀，排到大气中去。随着泵转子的连续旋转，以上吸气和排气过程循环进行，实现了泵的连续抽气目的。泵转子每转一周，吸气和排气各进行一次。 通过以上分析可知，爪式真空泵同时具有罗茨真空泵和旋片真空泵的优点。 2. 泵的工作特性 (1) 压缩比 由于爪式泵转子与吸、排气口之间的阀调节作用及两转子之间封闭容积 Vc 内气体的二次膨胀作用，使泵具有较高的压缩比，每一级所达到的压缩比是由最大吸气腔容积 Vs 与封闭容积 Vc 比值的二次幂给出。其推导如下：当图 26 内的转子从图 (b) 位置转过图 (c) 位置时，封闭容积 Vc 内的部分气体 ( 处于排气压力 P0 下 ) 将膨胀进入吸气腔 Vs 。 ( 此前 Vs 内气体压力为吸气压力 Pi) ，使 Vs 与 Vc 内的压力暂时平衡在压力 P0 假定温度不变，则膨胀前后的气体量可列如下方程式： P0 Vc +Pi Vs - (Vc +Vs )P （ 7 · 1 ） 式中： P -位置 (c) 时的暂态气体压力 36
当转子继续从图 (c) 转到图 (d) 位置，形成与图 (b) 位置时同样的封闭容积 Vc ，但此时 Vc 内的气体压力为 P 。当转子继续转动通过图 (a) 位置回到图 (b) 位置后，该容积 Vc 内的气体将再次膨胀成容积 Vs ，所以有 PVc=PiVs (7 · 2 ) 从等式 (7 · 1) 和 (7 · 2) 中消掉 P ，可得压缩比为 P0 ／ Pi - (Vs ／ Vc) (7 · 3) 另外由于爪式泵的转子之间以及转子与泵体之间的间隙是两个圆柱之面间的间隙，从加工和装配的角度来看，可以保证很小的公差，气体的返流量能够严格控制，因此爪式泵在高压力段的压缩比要优于罗茨泵，且可以直排大气 ( 见图 27 的泵单级零流量压缩比曲线 ) 。 当爪式泵采用多级结构型式时 ( 例：采用四级爪型转子 ) ，在排气压力为大气压力时，泵的入口极限压力可达到 lPa 以下。 (2) 理论抽速 由图 26 可知，在图 (d) 位置时，转子将要对 Vs 腔内的气体 ( 压力已升到 P) 进行压缩排气；在图 (b) 位置时，排气刚好结束， Vc 空间内封入压力 P0 的气体，则转子每转一周排出来的气体量 Q 为 Q = VsP - P0Vc (7 · 4) 由 (7 · 1) 式得 (7 · 5) 将 (7 · 5) 式代入 (7 · 4) 式有 (7 · 6) 设泵的理论抽气容积为 V ，则有 Q = PiV ，代入 (7 · 6) 式得 令λ =P0 ／ Pi ( 压缩比 ) ，则上式变为 (7 · 7) 这样可得泵的理论抽速 S 为 (7 · 8) 式中： n -转子转速 r ／ min L -抽气级转子厚度 m As 、 Ac - Vs 、 Vc 对应的截面积 m 由 (7 · 8) 式可知，只要求出 As 、 Ac ，则泵的理论抽速可得。 (3) 压缩功 爪式真空泵与罗茨真空泵相比，所需的压缩功率小。由图 28 所示的 P-V 示功图可知，旋片泵的气体压缩过程是内压缩过程，每一循环分为等压吸气、多变压缩和等压排气三个阶段，其示功图如图 28(a) 所示。罗茨泵的气体压缩过程则是在排气时由外部气体返冲到泵腔内，使气体压力突然增高，然后混合排出，是外压缩。其示功图如 28(b) 所示。爪型泵的气体压缩过程复杂一些，参见图 26(b) ，吸气过程结束时，吸气腔 Vs 中的压力为吸入压力 Pi ，而封闭腔 Vc 内的气体处于排气压力 P0 。随着转子按箭头方向进一步旋转，由于两个爪起阀的作用，使 Vc 中的部分气体又返回到吸气腔 Vs 中，于是 Vs 腔内的气体压力由 Pi 升高至中间压力 P ，并进一步被转子压缩至排气压力 P0 ，其示功图如图 28(c) 所示。显然，从节省功耗的观点出发爪式泵优于罗茨泵。 3. 爪式泵的结构及其特点 爪式泵的整机型式分为立式和卧式两种。卧式结构以英国爱德华公司开发的一级罗茨转子加上三级爪形转子的 DP80 型机械真空泵为代表 ( 见图 29) 。罗茨转子为高真空吸气级，爪形转子为压缩排气级，这样安排可以在低入口压力下得到大抽气速率。其极限压力可达 1Pa 以下。 这种结构的泵特点是整机重心低，各级转子与隔板之间的间隙易于调整。为了在低压下获得较大抽速，泵的罗茨吸气级要做得比爪形排气级大 50 ％。为了避免泵在粗抽期间产生组间“过压”，在罗茨及中间爪型级之间设有较大的传输空间作为压力缓冲空间。另外还可以安装级间过压安全阀以保证工作可靠。为了有助于抽除水蒸汽，在泵的排气级设置了气镇阀。泵的传动型式与罗茨真空泵相同。 立式结构爪式真空泵是由德国莱宝公司首先开发制造的。图 30 为立式结构爪式泵结构简图。 图 30 所示为四级爪形转子串联结构。泵的转子轴及电机均为竖直安装，泵进气口在上面，排气口在泵下部，泵壳带有水冷套，以降低泵轴承及轴封处的温度。第一级泵腔为吸气级，其吸气容积比后面三级要大，形成级间压
37
22缩。四对转子装在二根平行轴上，轴由上下两端轴承支承，电动机倒立安装，经过渡齿轮将动力传递到转子轴上，转子轴由一对同步时限齿轮带动及调整和固定转子的相位。泵腔级与级之间有隔板，隔板上有级间气体通道。气体的进气口和排气口均开在隔板端面上，分别由两个转子端面定时开闭，具有阀门调节作用。当泵腔的一部分正在压缩气体和排气时，另一部分则打开入口，吸入气体。每一级都是气体入口在上，出口在下，与卧式泵比较，这种气流传输路线及泵结构是有利于抽除含有灰尘和带有悬浮微粒的气体，而且轴向返流小。 当泵在某些生成微粒量很大，甚至反应生成腐蚀性气体的生产工艺中使用时 ( 如 PCVD 工艺中多晶硅膜的制备和半导体刻蚀等 ) ，可以通过向泵内引入清洗气体的办法解决此类工艺过程的抽气问题。引入的气体通常为惰性气体 ( 例氮气 ) 。为了使被抽除气体中的微粒在泵内传输过程中保持悬浮状态和防止它们在泵腔内沉积，则引入的清洗气体的速率 Vgas 必须远大于微粒的最大自由落体速率 Vterm 。这样，引入气体必须在泵腔内的吸入气体开始被压缩以前进入，另外引入的气体量应该足够大，以使 Vgas 明显大于 Vterm 。这意味着应该在不同级分别引入气体，而且气体的引入流量必须与各级的压力比正比，即引入气体流量应逐级增加。一般清洗气体入口开在各级泵腔端面的排气转子一侧，其入口位置应能由排气侧转子控制，即可由排气侧转子进行时控。这样可以减少泵内部级间返流，而且也减小了对吸入侧的影响。 利用上述掺气原理，爪式泵可在化学工业、蒸馏、干燥工艺等生产过程中应用。例在某些 CVD 过程中反应出现的易燃易爆气体可以用这种方法来抽除。通过引入惰性气体 ( 通常为 N2 气 ) 可以将反应气体的浓度降到可燃性限制值以下。 当用爪式泵抽除含化学溶剂蒸汽或气体液体混合物时，可在泵排气口设置气体冷却冷凝 器，被压缩和加热的工艺气体通过排气通道进入气体冷却冷凝器内，其中的化学溶剂或液体被冷凝回收，冷却后的气体大部分被排放掉，少量所需要的处于排气压力下的冷却气体被泵重新回抽入泵腔压缩级，而位于泵腔排气级侧的冷却气体入口在压缩腔的容积减小过程开始前被打开，冷却气体连续流入压缩腔内与先前吸入的工艺气体混合直至达到排气压力。只有此过程完成后，转子才将排气口打开，将混合气体排到气体冷却冷凝器中，进行下一次循环。为防止由于泵腔内进入冷却气体而增加泵抽除的工艺气体总量，将泵与气体冷却冷凝器形成闭循环的冷却回路，泵从过程中将所需要量的冷却气体从冷却冷凝器的末端回抽入压缩腔。 在以上抽气过程中，气体的压缩作用主要不是由减小泵腔的容积而是由通入冷却气体来完成的，这样可保证在某些工艺过程中产生的液气混合物或蒸汽在泵的工作条件下被抽除。 德国莱宝公司对于半导体制造工艺所用的爪式泵，从工作安全和使用方便考虑配置了工作参量监测与控制系统。泵在工作中的所有相关的参量，如温度、压力、气体流量等均由仪表监控并设 CPU 接口，可采用微机控制。 ( 五 ) 涡旋式无油机械真空泵 涡旋式无油机械真空泵是从涡旋式压缩机演变而来的一种新型的干式真空泵。 涡旋式无油机械真空泵的工作原理见图 31 。构成涡旋式真空泵抽气用涡旋体的曲线为渐开线。其结构型式见图 32 。固定的涡旋体称定子，转动的涡旋体称转子。转子无自转而以一定的回转半径平动公转。随着转子的平动公转，在两个涡旋体之间形成了吸气腔和压缩腔。吸入气体后的工作腔的容积随着转子的运动而缩小，从外圈向中心移动排出气体，连续完成了吸气、压缩和排气过程。 为了减轻泵涡旋体的重量，其基材用铝，在表面上涂镀一层特殊性能的聚四氟乙烯，以增加耐磨性和耐腐蚀性。该泵涡旋体间相邻工作腔的压差小 , 故气体泄露量小 , 泵的驱动转矩变化小，因此泵的噪昔低、振动小。 该泵特点是重量轻、体积小，为卧式结构，可以从大气压力下直接抽到 10Pa ，是一种使用范围很宽的粗抽用干式真空泵。 第四讲：蒸汽流真空泵(1) 作者:姚民生 -1 38
一、水蒸汽喷射泵
1．概述
水蒸汽喷射泵是以靠从拉瓦尔喷咀中喷出的高速水蒸汽流来携带气的，故有如下特点：
(1)该泵无机械运动部分，不受摩擦、润滑、振动等条件限制，因此可制成抽气能力很大的泵。工作可靠，使用寿命长。只要泵的结构材料选择适当，对于排除具有腐蚀性气体、含有机械杂质的气体以及水蒸等场合极为有利。
(2)结构简单、重量轻，占地面积小。(3)工作蒸汽压力为4～9×105Pa，在一般的冶金、化工、医药等企业中都具备这样的水蒸汽源。
因水蒸汽喷射泵具有上述特点，所以广泛用于冶金、化工、医药、石油以及食品等工业部门。
39
2．工作原理 喷射泵是由工作喷咀和扩压器及混合室相联而组成。工作喷咀和扩压器这两个部件组成了一条断面变化的特殊气流管道。气流通过喷咀可将压力能转变为动能。工作蒸汽压强P0和泵的出口压强P4之间的压力差，使工作蒸汽在管道中流动。 在这个特殊的管道中，蒸汽经过喷咀的出口到扩压器入口之间的这个区域(混合室)，由于蒸汽流处于高速而出现一个负压区。此处的负压要比工作蒸汽压强P0和反压强P4低得多。此时，被抽气体吸进混合室，工作蒸汽和被抽气体相互混合并进行能量交换，把工作蒸汽由压力能转变来的动能传给被抽气体，混合气流在扩压器扩张段某断面产生正激波(如图1中3'断面)，波后的混合气流速度降为亚音速ω'3，混合气流的压力升为P'3。亚音速的气流在扩压器的渐扩段流动时是降速增压的。混合气流在扩压器出口处，压力增至P4，速度降为ω4。故喷射泵也是一台气体压缩机。 3．多级喷射泵的结构 图2是典型五级泵的结构示意图。通常单级喷射器的压缩比不超过10，工作压强不低于lOkPa。因此当需要更低的工作压强时，则由两个或两个以上的喷射器和冷凝器串联组成，称为多级喷射泵。冷凝器的作用是将混合物中的可凝性蒸汽部分凝结排除，以减少下级喷射器的负荷。冷凝器的结构形式有混合式、表面式及喷射式三种形式。冷凝器按其在喷射泵系统中的安装位置，又分为前冷凝器、中间冷凝器和后冷凝器。 前冷凝器安装在第一级喷射器入口前，主要为了减少第一级泵的负荷。只有当被抽混合物中含有大量的可凝性蒸汽，并且其蒸汽分压强大于冷却水温所对应的饱和蒸汽压时方可使用。中间冷凝器安装在多级泵中间，具体位置应视进入冷凝器的混合物中的蒸汽分压强及冷却水温而定，其作用是减少下级泵的负荷。后冷凝器安装在末级喷射器之后，主要是为了消除末级喷射器的废气、噪声，有时用来回收未级喷射器的余热。 4．简易计算法 (1)喷咀喉部直径D0的计算 (1) 式中G0——工作蒸汽耗量(kg／h)，G0=Gh/μ。Gh为被抽气体量(kg／h)，μ为引射系数，可查表[1]得到。 P0——工作蒸汽压力(Pa) (2)扩压器喉径D3的计算 (2) 式中GK——通过扩压器喉部的空气流量(kg／h) GZ——通过扩压器喉部的蒸气流量(kg／h) P4——扩压器出口压力(Pa) (3)冷凝器直径D的计算 (3) 式中G∑h——进入冷凝器的混合物流量(kg／h) v∑h——进入冷凝器的混合物比容(m3／kg)，可近似地用P4查得的饱和水蒸汽比容代替。 第四讲：蒸汽流真空泵(2) 作者:姚民生 40
41
二、油扩散泵
1．概述
油扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似，都是靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，故有如水蒸汽喷射泵相似的特点。不同点是扩散泵工作在高真空区域，其工作压强范围为10-2～10-6pa。广泛用于电子、化工、冶金、机械、石油及原子能等工业部门中。 2．油扩散泵的工作原理与结构
42
图3是扩散泵的结构示意图。当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体A因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B，在B处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体在B处堆积、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。其抽速特性曲线如图4所示。 3．扩散泵的性能计算 (1)扩散泵的抽速S的计算[1] (4)
式中 ω——蒸汽射流的平均速度
R(L)、R(O)——分别表示泵筒与喷咀帽的直径 a——蒸汽射流与泵壁的夹角 D——气体在射流中的扩散系数
(2)扩散泵每级最大压缩比(P2／P1)max的计算 (5)
式中ω、D——意义同(4) L——蒸汽射流长度 (3)蒸汽射流流谱的计算
扩散泵各级蒸汽射流的工作压强范围为10-2～l0-6Pa，在这样宽的领域里，蒸汽流从连续流向滑流、过渡流、分子流过渡。用一种理论解决上述各种流态中的问题是很困难的。通常，在连续流领域里，可用气体动力学理论去处理，在分子流领域里，可用分子流理论去处理。然而，处理两种流态之间的问题也是很困难的。为此，在处理蒸汽流问题之前，必须弄清楚所要处理的蒸汽流是属于那种流态。 M．Wutz建议用特征碰撞数Z大于10作为应用气体动力学的判据[2]。 (6)
式中C——油蒸汽分子的平均热运动速度(cm／s)
l——蒸汽流中混合物分子的平均自由程，因射流中蒸汽分子密度nd》ng(混合物中空气分子密度)，所以l可看成是蒸汽分子的平均自由程(cm) L——蒸汽射流的长度(cm) V——蒸汽射流的平均速度(cm／s)
工作蒸汽在喷咀内的流动，可用一维定常等熵流的公式去计算，而工作蒸汽在喷咀外的流动比较复杂，往往是膨胀波、微压缩波和激波共存的复杂流场。
关于膨胀波的流场，可用下边的普朗特——迈耶流公式求解。对左伸膨胀波系，其计算公式为： （7）
对于右伸膨胀波系，其计算公式为： （8）
上二式中θ——气流方向角 λ——速度系数 K——气体绝热指数 C1，C2——积分常数
关于激波流场中的气流参数，由下面诸公式计算。 （9）
式中λ1——激波前的速度系数 λλ
2x——激波后的速度系数在2y——激波后的速度系数在
x轴上的分量 y轴上的分量
K——气体绝热指数 (10) (11)
43
(12) 上三式中P1、ρ1、T1及P2、ρ2、T2分别表示波前波后的压力，密度及温度 M1——波前气流马赫数 β——激波角 K——气体绝热指数。 根据膨胀波及激波流场中的诸计算式，可绘出扩散泵中各级射流流谱(如图3中的I级喷咀流谱)。显然，喷咀系统的几何形状、级间距离及压缩比等对流谱和泵的性能有很大影响。为了确定较佳的喷咀形状、级间距离及压缩比，应绘出多种工况下的流谱，选出其中一组较佳数据为设计方案。究竟选择那种流谱为最佳方案，应考虑下述原则： (1)各级射流不重叠。 (2)应保证第一级射流充分膨胀。 (3)保证第一级射流有足够的长度，并且与泵壁的夹角应尽量小，以利于提高何氏系数。 同样，第一喷咀上的挡油帽位置也应根据第一级射流流谱来确定，即挡油帽的轴向安装位置应保证挡住第一级射流流线中垂直泵壁以上的分量。 第四讲：蒸汽流真空泵(3) 作者:姚民生 44
三、油增压泵(油扩散喷射泵) 1．概述 油增压泵的工作原理与油扩散泵相似，因此具有相似的特点，并且应用领域也相似。只是油增压泵工作压强范围比油扩散泵高(10～10-2Pa)，所以油增压泵除作主泵外，还可作油扩散泵的前级泵，起增压作用。 2．油增压泵的工作原理与结构 油增压泵的结构示意图如图5所示。其工作原理与油扩散泵相似，仍然是以靠工作射流来携带气体，达到抽气目的。不同点是油增压泵的射流主要是以靠被抽气体与蒸汽射流之间的粘滞摩擦来携带气体进行抽气。为使油增压泵能在较高的压强区域内工作，必须增大蒸汽射流强度(密度)，所以油增压泵的加热功率要比同容量的油扩散泵大得多。 图6表示油增压泵抽速特性曲线。 油增压泵的性能计算公式与油扩散泵相似，不再赘述。 参 考 文 献 1. 真空获得设备．冶金出版社，1987． 2. 扩散泵蒸汽流的理论分析与计算．真空，1983，(3) 第五讲：气体捕集式真空泵(1) 作者:徐成海 6-10-14 23:03:19 一、引 言 气体捕集式真空泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵内表面上的真空泵，可分以下几种型式。 1.吸附泵，它是依靠具有大表面积的吸附剂(如多孔物质)的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。例如分子筛吸附泵。 2.吸气剂泵，它是一种利用吸气剂以化学方式捕获气体的真空泵。吸气剂通常是以块状或沉积新鲜薄膜形
45
式存在的金属或合金。例如钛升华泵和锆铝吸气泵属于这种类型。 3.吸气剂离子泵，它是使被电离的气体通过电场或电磁场的作用吸附在吸气材料的表面上，以达到抽气目的的。它有如下两种型式。 1)蒸发离子泵：泵内被电离的气体吸附在以间断或连续方式升华(或蒸发)而覆在泵内壁的吸气材料上，以实现抽气的一种真空泵。例如轨旋式离子泵(或称弹道式钛泵)。 2)溅射离子泵：泵内被电离的气体吸附在由阴极连续溅散出来的吸气材料上以实现抽气目的的一种真空泵。 4．低温泵，它是利用低温表面捕集气体的真空泵。 下面介绍几种典型的气体捕集式真空泵。 二、分子筛吸附泵 分子筛吸附泵是利用分子筛作为吸附剂的一种表面吸附泵。 1.分子筛的结构及其抽气原理 分子筛是一种人工合成的沸石。其原料一般为白色晶体粉末，粒度在1～10μm范围内。实际应用的粒状或
46
球状的分子筛是在原粉中加羊甘土作为粘接剂而加工成型的。成型后加热到一定温度，脱出水分，分子筛晶体结构保持不变，同时形成许多与外部相通的均一的微孔。当气体分子直径比此微孔直径小时，可以进入孔的内部，从而使某些分子大小不同的物质分开，起到筛分子的作用，故称之为分子筛。 分子筛的结构比较复杂。其中铝硅酸盐阴离子骨架可以形象地看作是一座晶体的“化学建筑物”，里边排列着几种不同形状的“走廊”(孔道)纵横贯穿着，而且“房子”上还开有大小不同的窗口(晶孔)。分子筛的容积大约有一半是空腔，小于晶孔直径的气体分子即可通过晶孔而吸附于晶穴的内表面，巨大的内表面积决定了分子筛能大量吸气的特性。 根据化学组成和结构的不同，分子筛有许多种。常用的有5A型分子筛，其内表面积为585m2／g；13X型分子筛，其内表面积为520m2／g。这两种分子筛在1×lO-3～1×10-2Pa压强范围内对氮吸附量较大。为提高分子筛在低压下的吸附量和吸附速率，采用离子交换改性法得到了NaM和ZSM-5型分子筛，其在10-4Pa范围内吸附量较高。在液态氮温度下，分子筛吸附的气体体积为其自身体积的50～110倍。 分子筛对气体的吸附是物理吸附，过程是可逆的。低温下吸附的气体在温度回升时将如数地释放出来。分子筛吸气能力可用吸附等温线来表示。吸附等温线是在一定温度下，分子筛对气体的吸附量与气体平衡压强的关系曲线。 2.分子筛吸附泵的结构 分子筛吸附泵是利用分子筛在低温下能大量吸气、在高温下又能将吸附的气体释放出来的性质而设计的一种真空泵。它是目前获得无油超高真空较为理想的一种予抽泵。 1)分子筛吸附泵的结构要求：分子筛吸附泵要满足如下几个条件。(1)使分子筛能得到充分冷却。(2)使被抽气体易于深入分子筛内部。(3)节省液氮的消耗量。(4)易于对分子筛加热再生。(5)必须设置安全阀。 2)分子筛吸附泵的结构类型：按冷却方式不同，可分为内冷式和外冷式。(1)内冷式：如图l所示。泵外壳用不锈钢制成。分子筛放在无氧铜翼片上，四周有镍网围住，防止分子筛漏掉。翼片间距适当。以保证分子筛的充分冷却。由上盖板的两个孔注入液氮后，分子筛便大量吸气，泵内被抽成真空。当液氮消耗完毕，分子筛吸附的气体缓慢放出，泵内压强超过一个大气压时，冲开安全阀的氟橡胶塞子，气体排入大气中。这种吸附泵用7～8次后需加热再生一次。再生电炉是细棒状，由液态注入口插入，可使分子筛被加热到300～500oC。(2)外冷式：如图2所示。泵壳是一个不锈钢圆筒，焊上辐射状铜制导热片(图a)或液氮冷却管(图b)，以保证分子筛冷却良好，泵的中心安放一个顶端封闭的圆柱状金属网筒，以保证气路畅通。分子筛放在这些导热片(或液氮冷却管)与网筒之间。吸附泵套上一只塑料筒盛放液氮；分子筛需加热再生时，把它卸下，另装一“穿衣式”电炉加热。 3.分子筛吸附泵的特性 1)极限压强：一般为10-2～10-3Pa。 2)吸附泵的抽速：分子筛吸附泵的抽速可用经验公式计算。 S = 2.8×10-2A (L／S) (1) S = 6.6×10-3A·K (L／s) (2) n = 4( W / A ) (3) 式中A为垂直于泵轴线的截面积(cm2)；K为系数；W为分子筛用量(g)；当 n>17 时，用(1)式计算抽速S，当 n<17 用(2)式计算S，系数K按表1选取。 表1 系数K n K 2 1.75 4 2.85 6 3.35 8 3.65 10 3.75 14 3.99 17 4.0
第五讲：气体捕集式真空泵(2) 作者:徐成海 47
三、钛升华泵 利用加热的方法升华钛并使其沉积在一个冷却的表面上，对气体进行薄膜吸附的抽气装置，称为钛升华泵。 1.钛升华泵的工作原理 从图3可见，钛升华泵的结构大致可分为三部分：吸气面、热丝(或升华器)和控制器。钛升华泵的工作过程是由控制器通电给升华器(或热丝)，使钛加热到足够高的温度(1100C)直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上，形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中，与活性气体结合成稳定的化合物(固相的TiO或TiN)，结果将空间的气体分子抽除了。 钛升华泵抽除的气体分子吸附在钛膜上，吸附机理是比较复杂的．通常认为是物理吸附和化学吸附综合作用的结果，以化学吸附为主。 2.钛升华泵的结构 钛升华泵可有三种类型，一种是单体泵，用法兰与被抽容器联接；另一种是升华器放入被抽容器中，被抽容器壁即为吸气面；第三种是与其它泵组合，作成组合泵。无论哪种类型，都必须有吸气面、升华器和控制器三部分。吸气面主要是泵体或各种壳体，控制器属于电控，升华器的种类较多，这里介绍几种升华器的结构。 1)对升华器的要求：能提供所需要的钛升华率；钛升华率易于调节，可连续或间断地供应吸气剂；钛升华器本身出气少或易于去气；要有足够的工作寿命，即要有足够的储钛量。 2)电阻加热式升华器：直接通电加热钛丝。常用两种结构。(1)缠绕钛丝式升华器：将钛丝直接缠绕在钨杆或钽杆上，钨杆或钽杆通电加热到足够高的温度，钛就不断升华出来。(2)钛钼丝式升华器：这种升华器是将钛(85％)与钼(15％)冶炼成合金或将钛直接镀在钼杆上，然后将钛钼丝直接通电加热，使钛不断升华。 3)热传导加热式：它是由导热性能良好的氧化铍陶瓷为芯，内串以铼钨丝制成的加热器。陶瓷芯上先绕一层钼箔，防止钛与氧化铍直接接触起反应，避免钛的加剧消耗。钛带缠绕在钼箔上，它们之间用氧化铪-甘油浆涂敷。 4)辐射加热式升华器：这种升华器从结构上将加热源和升华源分成两部分。利用放在钛球内的螺旋钨丝，由电阻加热作热源，利用辐射加热钛球，使钛不断地升华。 3.钛升华泵的特性 1)极限压强：可达10Pa。 2)抽速：钛升华泵的抽速较大，新鲜钛膜在液氮温度下，对氮的抽速可达10.1L／cm·s，对氢的抽速可达19.9L／cm·s。钛升华泵的抽速受很多因素影响，升华速率是决定其抽速的主要因素之一。若吸气面足够大，
48
22-10o在一定压强范围内，升华速率高，则泵的抽速大。当然膜沉积速率与排气量要相称，否则第一层钛膜吸气尚未饱和，第二层又覆盖上去，即使升华率高，抽速也增大不了多少。为了维持恒定的抽速，减少钛的消耗，需要对升华速率进行调节。当真空度高时要把升华速率降低。吸气面也是决定泵性能的重要因素之一。吸气面越大，泵的抽速越大。但泵口流导限制了泵的抽速。对室温下空气，泵口最大流导是11.7L／cm·s。钛升华泵的抽速 可用下式估算：
2
式中σ是吸气面的最大粘着系数；A为吸气面面积(cm)；K为泻流系数(L／cm·s)，T为气体绝对温度，
2
2
M为气体摩尔质量；B为1个气体分子需要和几个钛原子结合，B = 1～2；G是1Pa·L气体的分子数(G = 7.2×10·1/T)；P为压强(Pa)；R是1杪种内供给吸气面的钛原子数(升华速率为1g／h时，为3.5×10个／s)。
19
18
四、溅射离子泵
溅射离子泵又称潘宁泵，它是靠潘宁放电维持抽气的一种无油清洁超高真空泵。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。
1.溅射离子泵的结构
溅射离子泵主要由阳极、阴极、磁场和电源四大部分组成。根据阴极、阳极和电位的不同，可以有好几种不同结构，这里仅介绍最简单的二极型溅射离子泵。
如图4所示，阳极由多个不锈钢圆筒(或四方格、六方格)组成，放于两块由钛板组成的阴极之间，磁场方向与阴极板垂直，当阳极加上适当高压(对阴极为正电位)时，在阳极小室内产生放电，这种放电在压强低于1Pa时发生，放电可维持到很低的压强。
49
2.溅射离子泵的抽气机理 如图5所示，在每个阳极筒内发生的物理过程，可分解成六个步骤展开说明。 1)图中A表示在低压下，当阴极和阳极间加上高压时，引起场致发射。 2)图中B表示在电、磁场作用下电子作螺旋运动。 3)图中C表示电子与气体分子碰撞产生正离子和二次电子，引起雪崩效应。 4)图中D表示正离子轰击钛阴极，溅散出钛原子落在阳极筒上，形成新鲜钛膜，也有的落在阴板外围区(β区)。 5)图中E表示活性气体与新鲜钛膜反应形成化合物，化学吸附在阳极筒内壁。隋性气体被电离，离子在电场作用下轰击阴极过程中被排出。其排除方式为：(1)离子直接打入阴极表面内或β区(如图中a)；斜射的离子切入阴极表面，离子和钛一起被掀掉，埋葬在β区(图中b)；(2)离子没打入阴极内，从阴极得一电子恢复为中性原子或分子，反射到阳极内表面被埋掉(图中c)，这叫“荷能中性粒子反射”。 6)图中F表示对于氢，由于其质量小，氢离子轰击钛板的溅射产额甚低，氢离子 H2 或 H 打到钛板上与电子复合变成H原子，然后扩散入钛的晶格内，形成TiH固溶体而被排出。常温下这种固溶体中H2的浓度为0.05％，当温度高于250C以上时，便又开始分解放出氢。钛大量吸氢后。由于放热反应钛板温度上升，达到250C以后，除重新释放氢之外并导致钛板晶格膨胀造成龟裂。通常需加大钛板的散热能力来改善溅射离子泵对氢的排除能力。要提高对氢的抽速，需保持钛板表面清洁，选用晶格常数较大的β-Ti或钛合金作为阴极板，或引入与氢可比拟的氩含量。因氩的溅散产额高，可提高对氢的抽速。 3.溅射离子泵的特性 1)极限压强：可达10Pa。 2)抽速：在高真空时，二极型溅射离子泵每一阳极格子的抽速经验公式为 -10oo++ 式中h 为阳极筒高度(cm)；Ua为阳极电压(V)；H 为磁场强度(A／m)；d 为阳极简直径(cm)；e = 2.71828。 多个阳极筒组成一台溅射离子泵以后，其总抽速不考虑泵口流导影响)为： So = m·nfs (L/s) (6) 式中m 优为泵高方向并联单元组数；n 为泵深方向每一纵行单元数；f 为抽速有效系数，与单元排列有关；s为每一单元的抽速。 3)在抽除惰性气体时，二极泵会出现氩不稳定性。 4)对有机蒸气污染敏感，连续抽30min油蒸气就会使泵起动困难。 50
五、低温泵 低温泵是利用低温(低于100K)表面冷凝和吸附气体来获得和保持真空的泵。 1.低温泵的抽气原理与分类 北方的冬天，在玻璃窗上常结一层霜，这就是低温抽气作用。水蒸汽凝结在0C以下的玻璃表面上，使空气中水蒸汽的分压强降低了，达到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果设法使某一固体表面温度足够低，使其低于空气中主要气体成分的饱和蒸汽压温度，空气中大部份气体被凝结，达到了抽真空的目的。按这种原理抽真空的泵叫低温冷凝泵。
51
o 利用低温表面上的吸附剂和打在其上的气体分子发生吸附而达到抽气作用的泵叫作低温吸附泵。根据所用吸附剂不同，又可分为三种类型：1)非金属吸附剂泵：以活性炭、分子筛等为吸附剂。2)金属吸附剂泵：以蒸发或升华在冷面上的钛、钽、铝等金属或其合金为吸气剂。3)气体霜也有类似吸附剂一样的吸气作用，象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的气体，在低温表面上凝结的同时，将不易冷淀的气体(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。 如果按供低温介质的方式分类，又可分为贮槽式、连续流动式和闭循环小型制冷机低温泵。
2.低温泵的结构
图6是一种低温冷凝泵。它由三种部件组成，一是由低温介质(液氦)冷却的抽气表面；二是各种形状和温度的辐射屏(图中是人字形障板，液氮温度)；三是泵体。
实际应用的低温泵常将低温冷凝与吸附作用结合起来，构成如图7所示的结卡勾。对各种气体都能抽除。 图8是闭循环小型制冷机低温泵。它由低温泵、压缩机和膨胀机等部份组成。制冷介质氦气由压缩机压缩，经进气管到膨胀机。这时进气阀门打开，膨胀机活塞在专用电机带动下向上运动，使膨胀机下腔充满高压气体。当活塞到达上部顶端时，关闭进气阀，同时打开排气阀，使膨胀机与低压端相通，气体膨胀制冷，活塞向下移动把冷量贮存在活塞内的蓄冷器中。如此多次循环，便在一、二级冷头处分别获得低于80K和20K的低温和所需的制冷功率，并使气体在低温面上凝结，在活性炭上吸附而被抽除。
3.低温泵的特性
1)低温冷凝泵的理论抽速：
式中 A为冷却面的面积cm；Tg为被抽气体温度K；M为被抽气体分子量；R为气体常数。如果抽20C空气，则Smax= 11.6A(L/scm)，若冷面为9m，其最大抽速可达10(L／s)。 2)低温冷凝泵的实际抽速：
从(7)式可见，最大理论抽速与容器中的压强和冷面温度无关，这是不可能的。实际上对低温冷凝泵来说，当被冷凝泵抽除的气体压强等于冷凝物在低温表面温度下的平衡压强时，冷凝泵就失去了抽气能力，抽速为零。因此，泵的实际抽永远小于理论抽速。
(1)被抽气体压强和冷面温度对抽速的影响：
2
2
6
2
o
式中Pg为被抽气体压强(Pa)；Ps为在冷面温度下，被抽气体的蒸汽压强(Pa)；Ts为冷面温度(K)。 (2)凝结系数对冷凝泵抽速的影响： Sa= a·Spt (9)
式中 a是凝结系数，其值受很多因素影响。一般由实验确定。例如300K的H2O，打在77K冷面上a=0.92；He打在4.2K5A分子筛上a=0.7；H2打在4.2K铜板上a=0.5～0.75等等。
(3)屏蔽通导对抽速的影响：低温泵为减少低温介质消耗，减轻低温板的热负荷，往往在低温板周围加上辐射屏，这时低温泵的抽速要受到辐射屏流导的影响。 1/Su = 1/Sa + 1/u (10)
式中Su为考虑辐射屏后低温泵的抽速(L／s);u为辐射屏的通导(L／s)；Sa为无辐射屏低温板的实际抽速(L／s)。 (4)凝结层对冷凝泵抽速的影响：冷凝泵在工作一段时间以后，低温表面上将凝结一定厚度的固态气体层。
52
对冷凝泵的抽速有一定影响。其影响主要取决于冷凝层的性质，也就是取决于冷凝层的结构和类型。冷凝层的导热率是冷凝层的类型和结构的复杂函数。如果沉积速率低，冷凝层可以有一个玻璃状外表，凝结层热传导好，对抽速几乎无影响；如果沉积速率高，冷凝层出现类似雪花状结构，热传导不好，会降低抽速，但对捕集非凝结性气体是有利的。 3)低温冷凝泵的极限压强 达到极限压强时，泵的抽速为零。从(8)式可得： 式中Pg为极限压强(Pa)；Tg为被抽气体温度(K)；Ts为冷凝面温度(K)；Ps为冷凝物上的蒸汽压(Pa)，其值随温度而变化。 低温泵的极限真空度可达l0Pa。 4)低温泵的降温时间：降温时间是闭循环小型制冷机低温泵的主要技术指标之一。降温时间与技术水平有关，还要考经济性。目前国内外的产品中，小型泵的降温时间一般不超过90min，大型泵不超过180min。 5)低温泵的工作寿命： (1)再生寿命：泵使用到必须加热再生的时间。 -3 2 3式中D = ρK (Ts - Tw)；A为冷凝面面积cm；K`为凝结热J／g；m为凝结量g／s；ρ为凝结物密度g／cm；Ts为凝结层外表面温度(K)；Tw为冷凝面温度(K)；K为凝结物的热传导率(W／cm·K)。 (2)贮槽式泵的装填寿命：充装一次制冷制所能工作的时间。 t = V / Qv (13) 式中V是装冷剂的容积L；Qv为单位时间制冷剂的耗量L／s。 (3)吸附泵的工作寿命：吸附板两次活化(再生)所间隔的时间。 tmax = Vm /SP (14) 式中V为吸附容量，可根据吸附等温线确定(Pa·L／kg)；m为吸附剂质量(kg)；S为抽速(L／s)；P为泵入口压强(Pa)。 为了在再生时不产生有爆炸危险的混合气体，每m泵室容积中氢含量不应超过安全界线，通常为1600～6600Pa·m。一般在泵上都装有安全阀。 第五讲：气体捕集式真空泵(3) 作者:徐成海 33 53
四、溅射离子泵 溅射离子泵又称潘宁泵，它是靠潘宁放电维持抽气的一种无油清洁超高真空泵。是目前抽惰性气体较好的真空获得设备。 1.溅射离子泵的结构 溅射离子泵主要由阳极、阴极、磁场和电源四大部分组成。根据阴极、阳极和电位的不同，可以有好几种不同结构，这里仅介绍最简单的二极型溅射离子泵。 如图4所示，阳极由多个不锈钢圆筒(或四方格、六方格)组成，放于两块由钛板组成的阴极之间，磁场方向与阴极板垂直，当阳极加上适当高压(对阴极为正电位)时，在阳极小室内产生放电，这种放电在压强低于1Pa时发生，放电可维持到很低的压强。 2.溅射离子泵的抽气机理 如图5所示，在每个阳极筒内发生的物理过程，可分解成六个步骤展开说明。 1)图中A表示在低压下，当阴极和阳极间加上高压时，引起场致发射。 2)图中B表示在电、磁场作用下电子作螺旋运动。 3)图中C表示电子与气体分子碰撞产生正离子和二次电子，引起雪崩效应。 4)图中D表示正离子轰击钛阴极，溅散出钛原子落在阳极筒上，形成新鲜钛膜，也有的落在阴板外围区(β区)。 5)图中E表示活性气体与新鲜钛膜反应形成化合物，化学吸附在阳极筒内壁。隋性气体被电离，离子在电场作用下轰击阴极过程中被排出。其排除方式为：(1)离子直接打入阴极表面内或β区(如图中a)；斜射的离子切入阴极表面，离子和钛一起被掀掉，埋葬在β区(图中b)；(2)离子没打入阴极内，从阴极得一电子恢复为中性原子或分子，反射到阳极内表面被埋掉(图中c)，这叫“荷能中性粒子反射”。 6)图中F表示对于氢，由于其质量小，氢离子轰击钛板的溅射产额甚低，氢离子 H2+ 或 H+ 打到钛板上与电
54
子复合变成H原子，然后扩散入钛的晶格内，形成TiH固溶体而被排出。常温下这种固溶体中H2的浓度为0.05％，当温度高于250oC以上时，便又开始分解放出氢。钛大量吸氢后。由于放热反应钛板温度上升，达到250oC以后，除重新释放氢之外并导致钛板晶格膨胀造成龟裂。通常需加大钛板的散热能力来改善溅射离子泵对氢的排除能力。要提高对氢的抽速，需保持钛板表面清洁，选用晶格常数较大的β-Ti或钛合金作为阴极板，或引入与氢可比拟的氩含量。因氩的溅散产额高，可提高对氢的抽速。 3.溅射离子泵的特性 1)极限压强：可达10-10Pa。 2)抽速：在高真空时，二极型溅射离子泵每一阳极格子的抽速经验公式为 式中h 为阳极筒高度(cm)；Ua为阳极电压(V)；H 为磁场强度(A／m)；d 为阳极简直径(cm)；e = 2.71828。 多个阳极筒组成一台溅射离子泵以后，其总抽速不考虑泵口流导影响)为： So = m·nfs (L/s) (6) 式中m 优为泵高方向并联单元组数；n 为泵深方向每一纵行单元数；f 为抽速有效系数，与单元排列有关；s为每一单元的抽速。 3)在抽除惰性气体时，二极泵会出现氩不稳定性。 4)对有机蒸气污染敏感，连续抽30min油蒸气就会使泵起动困难。 55
五、低温泵 低温泵是利用低温(低于100K)表面冷凝和吸附气体来获得和保持真空的泵。 1.低温泵的抽气原理与分类 北方的冬天，在玻璃窗上常结一层霜，这就是低温抽气作用。水蒸汽凝结在0C以下的玻璃表面上，使空气中水蒸汽的分压强降低了，达到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果设法使某一固体表面温度足够低，使其低于空气中主要气体成分的饱和蒸汽压温度，空气中大部份气体被凝结，达到了抽真空的目的。按这种原理抽真空的泵叫低温冷凝泵。 利用低温表面上的吸附剂和打在其上的气体分子发生吸附而达到抽气作用的泵叫作低温吸附泵。根据所用吸附剂不同，又可分为三种类型：1)非金属吸附剂泵：以活性炭、分子筛等为吸附剂。2)金属吸附剂泵：以蒸发或升华在冷面上的钛、钽、铝等金属或其合金为吸气剂。3)气体霜也有类似吸附剂一样的吸气作用，象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的气体，在低温表面上凝结的同时，将不易冷淀的气体(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。 如果按供低温介质的方式分类，又可分为贮槽式、连续流动式和闭循环小型制冷机低温泵。 2.低温泵的结构 图6是一种低温冷凝泵。它由三种部件组成，一是由低温介质(液氦)冷却的抽气表面；二是各种形状和温度的辐射屏(图中是人字形障板，液氮温度)；三是泵体。 实际应用的低温泵常将低温冷凝与吸附作用结合起来，构成如图7所示的结卡勾。对各种气体都能抽除。 图8是闭循环小型制冷机低温泵。它由低温泵、压缩机和膨胀机等部份组成。制冷介质氦气由压缩机压缩，经进气管到膨胀机。这时进气阀门打开，膨胀机活塞在专用电机带动下向上运动，使膨胀机下腔充满高压气体。当活塞到达上部顶端时，关闭进气阀，同时打开排气阀，使膨胀机与低压端相通，气体膨胀制冷，活塞向下移动
56
o把冷量贮存在活塞内的蓄冷器中。如此多次循环，便在一、二级冷头处分别获得低于80K和20K的低温和所需的制冷功率，并使气体在低温面上凝结，在活性炭上吸附而被抽除。
3.低温泵的特性
1)低温冷凝泵的理论抽速：
式中 A为冷却面的面积cm；Tg为被抽气体温度K；M为被抽气体分子量；R为气体常数。如果抽20C空气，则Smax= 11.6A(L/scm)，若冷面为9m，其最大抽速可达10(L／s)。 2)低温冷凝泵的实际抽速：
从(7)式可见，最大理论抽速与容器中的压强和冷面温度无关，这是不可能的。实际上对低温冷凝泵来说，当被冷凝泵抽除的气体压强等于冷凝物在低温表面温度下的平衡压强时，冷凝泵就失去了抽气能力，抽速为零。因此，泵的实际抽永远小于理论抽速。
(1)被抽气体压强和冷面温度对抽速的影响：
2
2
6
2
o
式中Pg为被抽气体压强(Pa)；Ps为在冷面温度下，被抽气体的蒸汽压强(Pa)；Ts为冷面温度(K)。 (2)凝结系数对冷凝泵抽速的影响： Sa= a·Spt (9)
式中 a是凝结系数，其值受很多因素影响。一般由实验确定。例如300K的H2O，打在77K冷面上a=0.92；He打在4.2K5A分子筛上a=0.7；H2打在4.2K铜板上a=0.5～0.75等等。
(3)屏蔽通导对抽速的影响：低温泵为减少低温介质消耗，减轻低温板的热负荷，往往在低温板周围加上辐射屏，这时低温泵的抽速要受到辐射屏流导的影响。 1/Su = 1/Sa + 1/u (10)
式中Su为考虑辐射屏后低温泵的抽速(L／s);u为辐射屏的通导(L／s)；Sa为无辐射屏低温板的实际抽速(L／s)。 (4)凝结层对冷凝泵抽速的影响：冷凝泵在工作一段时间以后，低温表面上将凝结一定厚度的固态气体层。对冷凝泵的抽速有一定影响。其影响主要取决于冷凝层的性质，也就是取决于冷凝层的结构和类型。冷凝层的导热率是冷凝层的类型和结构的复杂函数。如果沉积速率低，冷凝层可以有一个玻璃状外表，凝结层热传导好，对抽速几乎无影响；如果沉积速率高，冷凝层出现类似雪花状结构，热传导不好，会降低抽速，但对捕集非凝结性气体是有利的。
3)低温冷凝泵的极限压强
达到极限压强时，泵的抽速为零。从(8)式可得：
式中Pg为极限压强(Pa)；Tg为被抽气体温度(K)；Ts为冷凝面温度(K)；Ps为冷凝物上的蒸汽压(Pa)，其值随温度而变化。
低温泵的极限真空度可达l0Pa。
57
-3
4)低温泵的降温时间：降温时间是闭循环小型制冷机低温泵的主要技术指标之一。降温时间与技术水平有关，还要考经济性。目前国内外的产品中，小型泵的降温时间一般不超过90min，大型泵不超过180min。 5)低温泵的工作寿命： (1)再生寿命：泵使用到必须加热再生的时间。 2 3式中D = ρK (Ts - Tw)；A为冷凝面面积cm；K`为凝结热J／g；m为凝结量g／s；ρ为凝结物密度g／cm；Ts为凝结层外表面温度(K)；Tw为冷凝面温度(K)；K为凝结物的热传导率(W／cm·K)。 (2)贮槽式泵的装填寿命：充装一次制冷制所能工作的时间。 t = V / Qv (13) 式中V是装冷剂的容积L；Qv为单位时间制冷剂的耗量L／s。 (3)吸附泵的工作寿命：吸附板两次活化(再生)所间隔的时间。 tmax = Vm /SP (14) 式中V为吸附容量，可根据吸附等温线确定(Pa·L／kg)；m为吸附剂质量(kg)；S为抽速(L／s)；P为泵入口压强(Pa)。 为了在再生时不产生有爆炸危险的混合气体，每m泵室容积中氢含量不应超过安全界线，通常为1600～6600Pa·m。一般在泵上都装有安全阀。 33
58
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容