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1、真空物理与技术,第5章 真空获得（机械真空泵）,第5章 真空获得,真空泵概述机械式真空泵旋片泵 分子泵 罗茨泵气流泵扩散泵俘获泵吸附泵 低温泵 升华泵 离子泵,真空泵概述,什么是真空泵？,This is not a trivial question!能对空间排气（减少气相分子数,产生低压空间）的设备通过容积压缩排气(Bulk action)机械压缩动量传输(molecular action)分子直接碰撞夹带：和其他分子碰撞降低空间气体分子浓度:气体分子储存在表面时间 实验时间所有的真空泵都有一定的工作范围:压强气体种类,抽气原理,降低空间气体分子浓度（钛泵、低温泵）排出气体：旋片泵定向运动：扩
2、散泵、分子泵、罗茨泵“气体二极管”前进 反向 压力差返流（back through-put)反扩散、脱附真空泵：能够维持压力差的设备,按照抽气方式分类,压缩性真空泵：将气体由一方压缩到另一方利用膨胀-压缩-排出原理：旋片泵利用气体束流牵引作用：蒸汽流喷射泵利用高速表面牵引分子作用：分子泵吸附型真空泵：利用各种吸附作用将气体吸掉利用电离吸气作用：离子泵利用物理、化学吸附作用：吸附泵、低温泵、吸附剂泵,按照压强范围分类,粗真空泵:大气压-10-3 torr旋片泵旋转柱塞泵滑片泵吸附泵罗茨泵,高真空泵10-3 to 10-n torr扩散泵低温泵分子泵离子泵,按照排气压强分类,排气压强：泵在此压强下
3、可以排气往大气排气的泵前级泵前级压强旋片式机械泵只往低于大气压的环境排气系统粗抽需要前级泵（串联）扩散泵、分子泵、罗茨泵束缚泵不需要出气口,典型泵组,粗抽:机械泵主泵:扩散泵前级:机械泵,真空泵性能的基本参数,抽气速率S(抽速)单位时间流入泵内的气体量Q=S.P S=Q/P极限压强pu经过足够长时间的抽气后，所能达到的最低平衡压强最大工作压强泵能正常工作的最高压强使用范围具有抽气能力的压强范围排气压强这一压强下,泵可以可以工作排气超高真空泵参数抽气选择性、残余气体组分,抽速曲线,工作压强范围抽速极限压强抽速与气体种类的关系,抽速S一般不是常数，随压强变化而变化,抽速范围,1.单级旋片泵(无气镇
4、)2.单级气镇泵 3.罗茨泵4.喷射泵 5.扩散泵 6.分子泵,真空泵的压强范围,抽气曲线,被抽容器中压强随时间变化曲线不随时间变化的压强就是极限压强抽速大小由达到一定压强所需时间长短来估计时间越短，抽速越大,真空系统时间常数,问题：S=60L/s的机械泵，对一个体积为10L的容器排气，是否经过10/60s，能将容器抽至P=0呢？即使是S=常数的理想真空泵，答案也是否定的容器内压强P随抽气降低，同一体积（V）对应的气体量（PV）越来越小就气体量而言，抽气实际上越来越慢,时间常数越大，压强下降越慢，“惰性”反映系统和泵的综合性能时间常数就是压强值将为1/e所需时间压强降低1个数量级需要2.303
5、个时间常数,机械泵,早期机械泵,液体泵利用液体压缩和排气,往复泵,斯普伦杰尔泵,水喷射泵,水环泵,旋转式真空泵,容积压缩泵使用机械方法使一个工作室体积周期性的扩大和缩小达到抽气目的旋片式定片式滑阀式,旋片泵,最常用的粗真空泵皮带泵和直联泵单级泵和双级泵实际上就是一个小型旋转压缩机,旋片泵工作图,最大抽速,几何抽速,L：泵腔深度（摩擦力）L=0.5-2.0D1 否则电动机功耗太高j：翼片伸缩频率 一般j=450转/分D2：不能太小，否则旋片泵的翼片容易断裂或密封不良,旋片式:D2=0.75-0.85D1定片式:D2=0.80-0.90D1滑阀式:D2=0.65-0.70D1,有害空间,理想抽速理
6、论上的极限压强压缩比（排气口压强与进气口压强比）机械泵油封,1.有害空间 2.定子 3.转子 4.旋片,机械泵油,功能润滑剂密封剂热传导/冷却腐蚀防护基本要求化学稳定性热稳定性适当的润滑能力适度的粘性低饱和蒸汽压,矿物油各种馏分混合棕色-5/liter白色-20/liter氧化合成泵油炭氟化合物惰性500/liter,典型的直联式旋片泵,电机和泵直接相连 j提高 1450转/分钟 7 cfm（cubic ft per minute）=鞋盒尺寸60 cfm=中等大小的狗尺寸Essentially all rotary vane pumps in research laboratories are
7、 now Direct Drive,双级旋片泵,两个串联压缩腔更低的极限真空 10-4Torr低返油,抽速曲线,压强较高时，抽速稳定压强较低时，抽速显著下降极限压强时，抽速为0,单级,双级,气镇,抽除冷凝蒸汽（如水蒸汽）饱和蒸汽且温度较高-立刻凝结蒸汽压缩-压强增大-凝结凝结液体与泵油混合低压侧蒸发，限制极限压强气镇阀定时将一定量空气放入压缩区压缩气体-蒸汽混合物提前喷射,20C水蒸气 Pv=17.5Torr60C水蒸气 Pv=149Torr压缩比9:1,可抽除的蒸汽压,返油,油的返流油蒸汽逆着气流的方向进入泵入口，并进入真空室返油量随着真空度的降低而增加最轻的馏分防止返油吸附阱低返油的泵油（
8、贵）打开气镇,使用,启动泵一定的转向和转速冷却关泵回油放气电磁阀Great for pumping on air2X-2（2L/s）1500维护费用低防止水汽、杂物(尤其腐蚀性物质)进入泵油,旋片泵小结,压强范围大气压-10-3Torr优点可靠价廉抽大气缺点噪音脏油大且重,分 子 泵,分子牵引,基本原理：动量传输分子流条件下，碰撞运动表面的分子，离开表面时具有和运动表面速率u相近的切向速率气体分子从具有运动的表面得到定向动量,牵引分子泵-Gaede泵,h 特点：分子平均速度越大，S越大 10000转/分UB UL和气导相关，反比M1/2，M越大，S越大优点：启动时间短容易抽重气体分子缺点：密封
9、间隙太小(h0.1mm)加工精度，机械故障,UCD:从C迁移到D的气量UB:逆扩散(p1p2)UL:缝隙漏率UDC:逆时针返流,涡轮分子泵,轴向交错排列的转子和定子,转速16000-40000叶轮很薄（3mm)，单极压差很小，但数量很多（多级）转子直径越大，要求叶片数量越多倾角越小，压缩比越大，但抽速小 一般20度 单极压缩5开缝（间隙1mm)具有实用价值,抽速曲线,10-2Torr 取决于前级泵几乎与种类无关,M较小时S略降低但对氢抽速比空气抽速大20%逆扩散，极限压强10-10Torr,a:抽速45m3/h前级泵b:抽速10m3/h前级泵,稳态(S=0)时M越大,压缩比越大H2 1000N
10、2 108Ar 109重氢化合物 1010,涡轮分子泵基本结构,以中型涡轮分子泵为例,横式:中部为高真空端,两端为前级高真空端定子和转子各12片,每片开槽48条,=30o前级端定子8片,转子7片,每片开槽20条,=15o转速16000转/分(外沿线速度150m/s)最大抽速 140L/s压缩比 k=5x10-7经过300度烘烤后,极限压强pu10-10Torr,横式和立式分子泵比较,涡轮分子泵系统,应用,最高工作压强10-2-10-1Torr之间需要前级泵电源专用中频电源启动电机，5min后转速稳定，泵正常工作强迫冷却极限压强取决于最轻气体成分He,涡轮分子泵小结,启动压强 10-2Torr极限压强 10-10Torr优点无油泵，干净排出气体缺点振动价格昂贵相对效率低对He 抽速较低机械损坏灾难性损坏,罗茨泵,原理容积压缩分子牵引结构两个双叶型转子相反方向运转运转过程中紧密配合，不互相触及，也不触及泵体压缩比低,返流大（前级真空）无摩擦,转速高,相对抽速大,罗茨泵工作图,特性,抽速曲线,低压下效率高间隙流导减小10-2Torr最高,必须配备前级泵,罗茨泵组,罗茨泵和旋片泵配合工作吞吐量较旋片泵高,“干式”泵,湿泵（油泵）返油，油分子污染干式泵没有润滑液体的容积压缩泵罗茨泵的问题不能从大气开始压缩比比较小各种各样的干式机械压缩泵组合在一起构成干式泵,
