真空泵工作原理.doc

第3讲 真空获得张振厚 李云奇3.1 概述3.1.1 真空的获得方法 人们通常把能够从密闭容器中排出气体或使容器中的气体分子数目不断减少的设备称为真空获得设备或真空泵。目前在真空技术中，采用各种不同的方法，已经能够获得和测量从大气压力105Pa到10-13Pa，宽达18个数量级的压力范围。显然，只用一种真空泵，获得这样宽的低压空间的气体状态，是十分困难的。 在真空获得技术中，目前用以获得真空的技术方法有两种，一种是通过某此机构的运动把气体直接从密闭容器中排出；另一种是通过物理、化学等方法将气体分子吸附或冷凝在低温表面上。利用这两种方法所制造的各种真空泵种类较多，分类方法各异，但是，最常用的方法还是按泵的工作原理或其结构特点加以分类。这一点，我们将在下一节中介绍。3.1.2 真空泵的分类 按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。随着真空应用技术在生产和科学研究领域中对其应用压强范围的要求越来越宽，大多需要由几种真空泵组成真空抽气系统共同抽气后才能满足生产和科学研究过程的要求，因此选用不同类型真空泵组成的真空抽气机组进行抽气的情况较多。为了方便起见，将这些泵按其工作原理或其结构特点进行一些具体的详细的分类是必要的。现分述如下：3.1.2.1 气体传输泵 气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵，这种泵基本上有两种类型： 1）变容真空泵 变容真空泵是利用泵腔容积的周期性变化来完成吸气和排气过程的一种真空泵。气体在排出前被压缩。这种泵分为往复式及旋转式两种： 往复真空泵：是利用泵腔内活塞做往复运动，将气体吸入、压缩并排出。因此，又称为活塞式真空泵。 旋转真空泵：是利用泵腔内活塞做旋转运动，将气体吸入，压缩并排出。旋转真空泵又有如下几种型式： 油封式真空泵：它是利用油类密封各运动部件之间的间隙，减少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，故又称气镇式真空泵。按其结构特点分为如下五种型式。 a)旋片式真空泵：转子以一定的偏心距装在泵壳内并与泵壳内表面的固定面靠近，在转子槽内装有两个（或两个以上）旋片，当转子旋转时旋片能沿其径向槽往复滑动且与泵壳内壁始终接触，此旋片随转子一起旋转，可将泵腔分成几个可变容积。 b）滑阀式真空泵：在偏心转子外部装有一个滑阀，转子旋转带动滑阀沿泵壳内壁滑动和滚动，滑阀上部的滑阀杆能在可摆动的滑阀导轨中滑动，而把泵腔分成两个可变容积。 c）定片式真空泵：在泵壳内装有一个与泵内表面靠近的偏心转子，泵壳上装有一个始终与转子表面接触的径向滑片，当转子旋转时，滑片能上、下滑动将泵腔分成两个可变容积。 d）余摆线式真空泵：在泵腔内偏心装有一个型线为余摆线的转子，它沿泵腔内壁转动并将泵腔分成两个可变容积。 e）多室旋片式真空泵：在一个泵壳内并联装有由同一个电动机驱动的多个独立工作室的旋片真空泵。 干式真空泵：它是一种不用油类（或液体）密封的变容真空泵。 液环式真空泵：带有多叶片的转子偏心装在泵壳内，当它旋转时，把液体（通常为水或油）抛向泵壳形成泵壳同心的液环，液环同转子叶片形成了容积周期变化的几个小容积，故亦称旋转变容真空泵。 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。它属于旋转变真空泵。机械增压泵即为这种型式的真空泵。 2）动量传输泵 这种泵是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。具体可分为下述几种类型。 分子真空泵：它是利用高速旋转的转子把能量传输给气体分子，使之压缩、排气的一种真空泵。它有如下几种型式： 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，被送到出口，因此，是一种动量传输泵。 涡轮分子泵：泵内装有带槽的圆盘或带叶片的转子，它在定子圆盘（或定片）间旋转。转子圆周的线速度很高。这种泵通常在分子流状态下工作。 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式分子真空泵。 喷射真空泵：它是利用文丘里（Venturi）效应的压力降产生的高速射流把气体输送到出口的一种动量传输泵，适于在粘滞流和过渡流状态下工作。这种泵又可详细地分成以下几种： 液体喷射真空泵：以液体（通常为水）为工作介质的喷射真空泵。 气体喷射真空泵：以非可凝性气体作为工作介质的喷射真空泵。 蒸气喷射真空泵：以蒸气（水、油或汞等蒸气）作为工作介质的喷射真空泵。 扩散泵：以低压高速蒸气流（油或汞等蒸气）作为工作介质的喷射真空泵。气体分子扩散到蒸气射流中，被送到出口。在射流中气体分子密度始终是很低的，这种泵适于在分子流状态下工作。可分为： 自净化扩散泵：泵液中易挥发的杂质经专门的机械输送到出口而不回到锅炉中的一种油扩散泵。 分馏式扩散泵：这种泵具有分馏装置，使蒸气压强较低的工作液蒸气进入高真空工作的喷嘴，而蒸气压强较高的工作液蒸气进入低真空工作的喷嘴，它是一种多级油扩散泵。 扩散喷射泵：它是一种有扩散泵特性的单级或多级喷嘴与具有喷射真空泵特性的单级或多级喷嘴串联组成的一种动量传输泵。油增压泵即属于这种型式。 离子传输泵：它是将被电离的气体在电磁场或电场的作用下，输送到出口的一种动量传输泵。3.1.2.2 气体捕集泵 这种泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵，有以下几种型式。 1）吸附泵 它主要依靠具有大表面的吸附剂（如多孔物质）的物理吸附作用来抽气的一种捕集式真空泵。 2）吸气剂泵 它是一种利用吸气剂以化学结合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式存在的金属或合金。升华泵即属于这种型式。 3）吸气剂离子泵 它是使被电离的气体通过电磁场或电场的作用吸附在有吸气材料的表面上，以达到抽气的目的。它有如下几种型式。 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。 溅射离子泵：泵内被电离的气体吸附在由阴极连续溅射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 利用低温表面捕集气体的真空泵3.1.3 真空泵的性能参数及使用范围3.1.3.1 真空泵的性能参数 1）真空泵的极限压强 泵的极限压强单位是Pa，是指泵在入口处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，趋向稳定的最低压强。 2）真空泵的抽气速率 泵的抽气速率单位是m3/s或l/s，是指泵装有标准试验罩，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指定位置测得的平衡压强之比。简称泵的抽速。 3）真空泵的抽气量 真空泵的抽气量单位是Pa m3/s或Pa l/s。是指泵入口的气体流量。 4）真空泵的起动压强 真空泵的起动压强单位为Pa，它是指泵无损坏起动并有抽气作用时的压强。 5）泵的前级压强 真空泵的前级压强单位是Pa，它是指排气压强低于一个大气压的真空泵的出口压强。 6）真空泵的最大前级压强 真空泵口最大前级压强单位是Pa，它是指超过了能使泵损坏的前级压强。 7）真空泵的最大工作压强 真空泵的最大工作压强单位是Pa，它是指对应最大抽气量的入口压强。在此压强下，泵能连续工作而不恶化或损坏。 8）压缩比 压缩比是指泵对给定气体的出口压强与入口压强之比。 9）何氏系数 泵抽气通道面积上的实际抽速与该处按分子泻流计算的理论抽速之比。 10）抽速系数 泵的实际抽速与泵入口处按分子泻流计算的理论抽速之比。 11）返流率 泵的返流率单位是g/cm2.s。它是指泵按规定条件工作时，通过泵入口单位面积的泵流质量流率。 12）水蒸气允许量 水蒸气的允许量单位是kg/h，它是指泵在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时能抽除的水蒸气质量流量。 13）最大允许水蒸气入口压强 最大允许水蒸气入口压强单位是Pa 。它是指在正常环境条件下，气镇泵在连续工作时所能抽除的水蒸气的最高入口压强。3.1.3.2 真空泵的使用范围由于各种真空泵所具有的工作压强范围及起动压强均有所不同，因此在选用真空泵时必须满足这些要求。表3-1给出了各种常用真空泵的工作压强范围及泵的起动压强值，以供参用。表3-1 常用真空泵的工作压强范围及起动压强真空泵种类工作压强范围（Pa）起动压强（Pa）活塞式真空泵旋片式真空泵水环式真空泵罗茨真空泵涡轮分子泵水蒸气喷射泵油扩散泵油蒸气喷射泵分子筛吸附泵溅射离子泵钛升华泵锆铝吸气剂泵低温泵11051.310211056.710-111052.71031.31031.31.31.310-511051.310-11.310-21.310-71.3101.310-211051.310-11.310-31.310-91.310-21.310-91.3101.310-111.31.310-111105110511051.31031.311051.3101.310511056.710-11.310-21.3101.31.310-13.1.4 真空泵在真空系统中所承担的工作任务 由于各种真空泵的性能除均能满足对容器进行抽真空的共同点之外，尚具有不同之处。因此在选用时必须明确泵在真空系统中所承担的工作任务是十分重要的，泵在各种不同工作领域中所起的作用归纳起来主要有如下几个方面 1）在系统中做主泵所谓主泵就是对真空系统被抽容器直接进行抽真空，以获得满足工艺要求所需真空度的真空泵。2）粗抽泵 粗抽泵是指从大气压开始降低真空系统压强达到另一抽气系统可以开始工作的真空泵。 3）前级泵 前级泵是指用于使另一个泵的前级压强维持在其最高许可的前级压强以下的真空泵。 4）维持泵 维持泵是指当真空系统抽气很小时，不能有效的利用主要前级泵。为此，在真空系统中另配一种抽气速度较小的辅助前级泵来维持主泵的正常工作或维持已抽空的容器所需的低压的真空泵。 5）粗真空泵或低真空泵 粗、低真空泵是指从大气开始，降低被抽容器的压强后工作在低真空或粗真空压强范围内的真空泵。 6）高真空泵 高真空泵是指在高真空范围工作的真空泵。 7）超高真空泵 超高真空泵是指在超高真空范围工作的真空泵。 8）增压泵 增压泵通常指工作在低真空泵和高真空泵之间，用以提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵抽气速率要求的真空泵。3.1.5 真空泵型号及规格的表示方法 根据中华人民共和国机械行业标准JB/T7673-95的规定，国产各种真空泵是由基本型号和辅助型两部分组成，两者中间为一横线。其表达型式为123456。格中数字123表示基本型号，456表示辅助型号。 国产真空泵的型号通常以表3-2中的汉语拼音字母来表示。若在拼音字母前冠以“2”字，则表示泵在结构上为双级泵。 某些真空泵系列对其抽气速率则以几何级数来分档。其单位是“L/S”。共分18个等级，分别为0.2，0.5，1，2，4，8，15，30，70，150，300，600，1200，2500，5000，10000，20000，40000。真空泵系列有时也可用泵的入口尺寸来表示，其单位是“mm”。由于泵的种类较多，选用时应参阅不同生产厂家的产品说明书式样本，是很重要的。 表3-2 常用真空泵的汉语拼音代号及名称代 号名 称代 号名 称W往复真空泵Z油扩散喷射泵（油增压泵）D定片真空泵S升华泵X旋片真空泵LF复合式离子泵H滑阀真空泵GL锆铝吸气剂泵ZJ罗茨真空泵（机械增压泵）DZ制冷机低温泵YZ余摆线真空泵DG灌注式低温泵L溅射离子泵IF分子筛吸附泵XD单级多旋片式真空泵SZ水环泵F分子泵PS水喷射泵K油扩散真空泵P水蒸气喷射泵