扩散泵和扩散喷射泵技术

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳真空技术研究所 作者:王壮

  本文介绍和给出了扩散泵以及扩散喷射泵的主要尺寸、参数的设计与计算,并对抽气速率、蒸发面积及喷咀设置与返流率等问题进行探讨。最后对两种产品实例进行分析和计算,为产品设计、生产和改进提供参考和依据。

1、概述

  自1913 年Gaede 发明扩散泵至今已有101 年,在此期间技术上已经有很大进步。现在生产的油扩散泵抽速已达到100000 L/s 以上,扩散喷射泵的抽速也达40000 L/s,蒸汽流真空泵在真空应用领域中起着十分重要的作用。尽管有许多其它类型的抽气方式也可以在高真空领域工作,但由于扩散泵结构简单、操作和维护方便、使用寿命长、对各种气体均有较好的抽气特性,因而它一直是获得高真空的主要抽气设备。而扩散喷射泵,由于抽气量大、反压力高,因而需要的前级泵容量小,也是获得中真空较为理想的抽气方式。

2、抽气速率和抽气量

  抽气速率是评定蒸汽流真空泵的最重要指标,为方便于不同尺寸产品的比较,引入抽速系数这个词汇来评判最为合理。

  抽气速率是指按国家标准在泵上放一个标准试验罩,并引入一个已知的气体量Q,在稳定状态下,测量泵口压力P,因而得出抽气速率S=QP,抽速系数是指泵的实际抽速与泵入口处按分子泄流计算的理论抽速之比值。

将7 in 试验罩放置在35 in 试验罩的顶上

图1 将7 in 试验罩放置在35 in 试验罩的顶上

  Landfors 把一个7 in 直径的小试验罩放在一个35 in 扩散泵试验罩的顶部,如图1,像通常情况一样做35 in 扩散泵的抽速试验,并在图中所示位置加装模拟喷口帽和泵入口形状的圆筒。喷口帽与小试验罩直径之比为0.286,角度为22°。这时所测得的抽速为4000 L/s,而将7 in 试验罩放在一个7 in 泵上所测得的抽速为1600 L/s。因而确定泵的抽速系数为0.4,对于凸腔泵来说大约为0.5。

  上个世纪80 年代,真空行业协会组织行业内企业到欧洲考察并引进两台油扩散泵作为样机进行泵的性能测试,测试地点选在兰州真空设备厂和北京仪器厂,测试结果为:兰州厂测试结果(泵口直径准400 mm)抽气速率,在1.3×10-3~6.7×10-2 Pa 时平均值为工作液DC-704 5820 L/s 抽速系数0.399KS-3 5725 L/s 抽速系数0.393北京厂测试结果(泵口直径准320 mm)抽气速率在1.3×10-3~6.7×10-2 Pa 时平均值为3600 L/s,抽速系数为0.386。

  机械工业真空设备质量检验中心也曾对瓦里安公司生产的两台泵口直径为准890 mm 的油扩散泵抽速进行测试,其中一台抽速为31696 L/s,而另一台抽速为26231 L/s,其平均抽速为28963 L/s,平均抽速系数为0.4。

  可以认为,对于直筒扩散泵,其抽速系数是0.4。对于扩散喷射泵,其抽速系数要比扩散泵低一些,应该是小于0.3。

6 in 扩散泵入口和两个喷嘴之间被抽气体(空气)的密度分布

图2 6 in 扩散泵入口和两个喷嘴之间被抽气体(空气)的密度分布

  何氏系数是指喷咀间隙面积上的实际抽速与该处按分子泄流计算的理论抽速之比。图2 为1974年第六届国际真空会议上Hablanian 撰文给出的一台6 in 油扩散泵在入口压力为0.4×10-3×133 Pa时,喷咀间隙(环形面积)处以及两个喷嘴之间压力分布。可以看出,由于引入气流,喷咀环形面积上压力不同,很难找出一个能代表这个面积上的压力,因而不能测定出这个环形面积上的实际抽速,当然也就计算不出何氏系数值。因而用何氏系数来表示泵的特征参数,目前还值得商榷。关于抽气量,由于单级喷咀不能产生高的抽速和大的压缩比,因而泵都由多级喷咀串联工作来达到较好的工作特性。在泵的工作中,总有极少部分的油蒸汽或泵油裂化物不能充分冷凝,这将造成下一级的喷咀工作负担增加。图3 为扩散泵对各种气体的抽气特性,由图中可以看出;泵对泵油蒸汽和裂化物抽气能力很低,而泵在实际工作中,顶喷咀以下各级喷咀的实际负担在逐级增大。

扩散泵对各种气体的抽速特性曲线

图3 扩散泵对各种气体的抽速特性曲线

5、结束语

  通过上面两个实例的计算,可以看出计算结果和实际尺寸有一定的误差。希望共同做进一步探讨,提供更准确的工作模型和计算式。不过美国CTI 公司Steinherz 来华讲学时曾指出:扩散泵理论计算只能做尺寸估算的手段,性能的提高和完善主要依靠实验室逐步完成,这一点也是国人的普遍共识。

  笔者认为一方面要加强实验室工作,另一方面也要注重产品主要结构的精度,喷咀系统要有良好的刚性,以保证调试工作中测试数据的可靠性和重复性。由于喷咀系统都是由多级组成,互相间影响,调试中要把相互间的影响一并考虑。

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