扩散泵的世纪回顾与发展

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:杨乃恒

  本文叙述了盖得的发明专利, 从初期的汞扩散泵到分馏油扩散泵的演变过程。讨论了泵体结构、喷咀型式、泵油性能和几个关键技术问题。现代油扩散泵的何氏系数达0.65 以上, 返油率达10- 5 mg/cm2·min,1 kW 功率抽气量可达200 PaL/s 。最后对泵的性能、结构和应用前景作了展望。

  古人云:温故而知新。继承、创新才能发展。因而回顾扩散泵近一个世纪的发展过程, 对其改进和发展是有重要意义的。尊重历史沿革, 单位制没作统一, 请见谅。

  在低于10- 2 Torr 的压力区域, 对现代工业和科学研究是非常重要的。高真空在活性金属和难熔金属的熔化和精炼, 塑料的装饰镀膜等许多方面得到广泛的应用。为了获得所需要的高真空而且应用最广的抽气设备是扩散泵。扩散泵借助定向的高速蒸汽流抽气, 可获得10- 2~10- 11 Torr 或更低的压力。( 在10- 9 Torr 以下通常使用障板和冷阱) 。扩散泵是高真空和超高真空获得设备。扩散泵与低温泵联合工作, 可获得10- 14 Torr 的真空度

1、扩散泵的发展过程与结构改进

  盖得于1913 年9 月25 日, 在德国申请了一项专利。用水银蒸汽流来产生高真空的装置。他指出:高真空是通过扩散作用而得到的。因而, 这种泵就以扩散泵而闻名。据前苏联文献报道:1912 年俄罗斯学者巴洛维克在彼得堡物理研究所首先提出这种泵, 而且在1913 年俄罗斯学者巴甫洛夫, 用这种泵进行过气体分子碰撞方面的研究工作。对于谁先发明的扩散泵这类知识产权的问题, 我们不必深究, 因为已经过去快一个世纪了, 虽然在工作原理上没什么变化, 但和原来盖得泵相比结构上完全不同了。今天的现代扩散泵是经过几代人的不断研究, 改进和创新的成果。但我们不能忘记盖得对扩散泵所作的贡献。

  盖德型扩散泵是以水银作为工作介质, 以煤气加热产生水银蒸汽流来抽气的。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)分析其抽气原理及结构如图1 所示。泵体及喷咀结构大部分由玻璃制成。这种泵抽速低, 水银蒸汽的温度要精确控制。

  1916 年I. Langmuir 发明了凝结泵, 它改进了盖德泵的缺点。

  这种凝结泵如图2 所示。该泵喷咀所形成的蒸汽流方向与被抽气体分子扩散的方向是一致的。蒸汽被良好的冷凝在泵壁上, 提高了泵的抽速,对电加热功率波动不敏感无需精确控制温度。

盖德扩散泵的原理与结构

(a) 利用扩散原理抽真空 (b) 盖德型扩散泵

图1 盖德扩散泵的原理与结构

  1917 年Crawford 对蒸汽流的速度作了改进,利用了渐扩喷咀,不用水冷却如图3 所示。

朗缪尔冷凝泵

图2 朗缪尔冷凝泵 图3 Crawford 蒸汽喷射泵

  1923 年盖德发明了三级水银扩散泵, 抽速达到15 L/s。1927 年日本东芝公司引进盖得三级扩散泵。

  1928 年C. R. Burch 在扩散泵上开始使用油作工作介质。

  1932 年何增禄先生提出何氏系数Ho 的概念以评价扩散泵的抽气效率, 并进行了多喷咀(19个喷咀) 的抽气试验。图4 为三级卧式玻璃油扩散泵。

  1935 年由K.C.D.Hickman 发明了分馏式油扩散泵的专利。分馏式油扩散泵如图5 及图6所示。

  工业上应用的分馏式三级金属油扩散泵如图7 所示。

三级卧式玻璃油扩散泵

图4 三级卧式玻璃油扩散泵;  图5 分馏式三级金属油扩散泵(Hicman型) ;  图6 多级分馏式金属油扩散泵(Hicman型)

(a) 泵剖面图  (b) 油分馏路线图

  如图7 所示:沿泵壁回流至油锅的泵油先经过外分馏环1, 轻馏分蒸发供给第三级喷咀;当泵油进入到分馏环2 时蒸发的次轻馏分的蒸汽供应第二级喷咀, 最后重馏分进入中心分馏区3 后蒸发供给一级喷咀, 分馏可以提高泵的极限真空度。

  用扩散泵获得高真空, 单级喷咀是不行的, 一般小泵为2~3 级, 大泵则为4~5 级, 甚至更多。

  各级喷咀串联工作的性能如图8、9 所示。从图8 和图9 可以得出如下结论:入口压力在5 ×10- 5< P < 5 ×10- 3 Torr 时多级泵的抽速S 是根据高真空喷咀的尺寸来确定的;在5×10- 3 和< 5×10- 2 Torr 中间(或10- 1 Torr),多级泵的抽速大于每个单喷咀的抽速S; 入口压力在5×10- 2 (或10- 1 Torr)< P< 5×10- 1 Torr 范围内时,多级泵的抽速,是根据前级真空喷咀尺寸来决定的。

三级分馏式油扩散泵结构图

图7 三级分馏式油扩散泵结构图

  由于篇幅所限, 其他各国的扩散泵的性能和结构特点,此处从略。

  近年来, 世界各国对扩散泵抽气性能和抽气理论, 结构和操作等方面的研究工作一直没有终断, 如意大利学者Toth 博士对扩散泵外型对抽速的影响, 利用动力学理论模型对直筒泵、凸腔泵进行了分析, 又如近年来韩国学者利用蒙特卡罗直接模拟法, 对扩散泵内的流场进行模拟计算和分析。人们对快速加热和局面速冷却扩散泵进行了研究提出锅炉快速冷却到150℃, 即可放入大气, 使功率大为降低。又如1987 年对扩散扩散泵喷咀的蒸汽密度和速度分布的计算。认为喷射为非粘滞的超音速喷射等。

  扩散泵的发明专利也很多, 这方面俄罗斯的专利(SU) 很多。有感兴趣者不妨查查。对研究工作是有益的。

  由于资料收集和个人水平所很, 难免有不当之外, 恳请读者指正。

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