无油分子泵机组的设计方案

机械真空泵 李琦 中国科学院高能物理研究所

        一般分子泵机组的设计是单气路, 如图4 所示。工作过程是: ①启动前级机械泵P2 使真空室内气体经过连接管路—分子泵—连接管路—机械泵, 然后排到大气。②当分子泵前级达到分子泵启动压强时启动分子泵, 真空室内气体同样经过连接管路—分子泵—连接管路—机械泵, 然后排到大气。在过程①中, 分子泵没有启动, 仅起到一个管路的作用, 但由于分子泵具有多层涡轮型叶片的复杂结构,增大了机械泵的流阻, 同时也就必定增加了抽气时间。而对于前级是有油旋片泵的分子泵机组, 分子泵的这种结构起到挡油作用, 大大减少了机械泵的返油。有油分子泵机组上的分子泵需要定时清洗就是因为这个原因。

单气路连接分子泵机组

图4 单气路连接分子泵机组示意图

       对于本套机组而言, 如果采用一般气路设计方案, 在干泵粗抽时, 气体要先经过两个结构复杂、流阻大的分子泵才能排到大气, 对于较大的系统采用这种方案抽气时间较长, 是不可取的。我们充分利用干泵不会对真空系统造成油污染的优点, 又利用1By6 型干泵的大抽速性能, 对原有气路增加了一套旁路(见图5) , 工作过程是: ①开启阀门V 1、V 2, 启动干泵P3, 开启低真空计G2, 抽除真空室及两个分子泵中的气体; ② 当低真空计G2 的指示达到100Pa 时, 关闭阀门V 2, 启动牵引分子泵P2, 开启真空计G1; ③待达到A TP100 的启动压强后, 开启涡轮分子泵P1。

带旁路分子泵机组气路

图5 带旁路分子泵机组气路示意图

泵间配合计算

        本文以N 2 为例进行计算, 经过图5 中带旁路设计的工作过程①②, 根据图2 (P2 的抽速曲线) , 可计算最大排气量为Q = 300 Pa·L/s, 又根据P2 的最大出气口压力要求, 可计算出P2 需前级泵的抽速S 干> 0. 075 L/s; 由干泵抽速曲线图3①可知, 干泵不仅能满足要求而且有很大的盈余。开启冷规, 当冷规激发并工作正常后, 此时真空度进入0. 1 Pa 便启动涡轮分子泵P1, 再根据P1 的抽速曲线计算出最大排气量为Q = 9 Pa·L/s , 再由P1 最大出气口压力要求计算出牵引分子泵抽速S 牵分> 0. 9L/s。从牵引分子泵抽气曲线可以得知牵引分子泵抽速满足要求但盈余不大。

连接管路、仪器支架的设计及选择

      根据泵间配合的计算并结合BEPC 的实际情况设计了连接管路及仪器支架, 其特点主要表现在以下两个方面。

        ①两个分子泵及其电源、高真空计及规管安装在一个仪器推车上, 干泵安装在另一个仪器车上, 两车就位后用波纹管(两端快卸卡箍) 连接。这样就避免了干泵运转时的强烈震动影响分子泵及真空计工作。此外由计算知, 干泵作牵引分子泵前级抽速盈余较大, 波纹管上的抽速损失不会对机组运行造成太大影响。

        ②充分利用两分子泵体积小、重量轻、安装方向灵活的优点, 使涡轮分子泵正向垂直安装, 牵引分子泵反向垂直安装。这样就可以降低机组的高度且仪器推车的制造也相对简单。由于牵引分子泵作涡轮分子泵的前级抽速盈余不大, 因此两泵之间用适当尺寸的三通连接(其中一通为检漏仪预留) , 这样可以减少管路上的抽速损失。

总结:

        通过合理的设计连接, 最大限度地发挥了各泵的优点, 使连接后的机组得到很好的使用。此外, 由于干泵耐可凝性气体的能力较差, 在使用中要注意清洗原来使用过有油机械泵的被抽室。当干泵抽过一定数量曾暴露过湿度较高的大气的被抽室, 干泵的极限真空就会下降。当这种情况发生时, 我们通过实验总结出一个经验, 解决了泵室中的水分子含量较高的问题, 提高了泵的极限真空。因此, 如果有条件的话, 破坏真空时最好对被抽室充干燥氮气。如果高真空泵为冷凝泵就会大大减少这种情况。