第5章真空获得-机械真空泵

VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空物理与技术第5章真空获得（机械真空泵）VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空泵概述VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology什么是真空泵？Thisisnotatrivialquestion!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(Bulkaction)机械压缩动量传输(molecularaction)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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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：扩散泵、分子泵、罗茨泵“气体二极管”前进反向压力差返流（backthrough-put)反扩散、脱附真空泵：能够维持压力差的设备VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology按照压强范围分类粗真空泵:大气压-10-3torr旋片泵旋转柱塞泵滑片泵吸附泵罗茨泵高真空泵10-3to10-ntorr扩散泵低温泵分子泵离子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology按照排气压强分类排气压强：泵在此压强下可以排气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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology典型泵组粗抽:机械泵主泵:扩散泵前级:机械泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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.PS=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1|ppdtdVSVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽速范围1.单级旋片泵(无气镇)2.单级气镇泵3.罗茨泵4.喷射泵5.扩散泵6.分子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空泵的压强范围VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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'(1)uePSSPVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VS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个时间常数)exp(0tVSppVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology机械泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology水环泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology旋片泵工作图VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology最大抽速几何抽速22max122()4SDDLj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=0.65-0.70D1VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology有害空间理想抽速理论上的极限压强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max2VSmVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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/literVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology典型的直联式旋片泵电机和泵直接相连j提高1450转/分钟7cfm（cubicftperminute）=鞋盒尺寸60cfm=中等大小的狗尺寸EssentiallyallrotaryvanepumpsinresearchlaboratoriesarenowDirectDriveVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology双级旋片泵两个串联压缩腔更低的极限真空10-4Torr低返油VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology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