经作者授权,版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意,任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义,或用于商业用途。东北大学第九期《真空技术》培训班真空获得设备原理及技术基础主讲人:张以忱VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China《真空技术》一.真空技术概况(巴德纯)二.真空工程理论基础(孙丽娜)三.干式真空泵原理与技术基础(巴德纯)四.真空系统组成与设计基础(岳向吉)五.真空获得设备原理与技术基础(张以忱)六.真空测量技术基础(刘玉岱)七.真空镀膜技术基础(张以忱)八.质谱原理与真空检漏(刘玉岱)九.真空冶金技术基础(王晓冬)十.真空与低温技术及设备(徐成海)东北大学第九期培训系列之VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.液环式真空泵VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1液环泵的工作原理及特点液环泵是一种粗真空泵,极限压力:单级泵:2.66~9.31kPa;双级泵:0.133~0.665kPa;串连大气喷射器:0.27~0.67kPa液环式压缩机,工作压力范围:(1~2)×105Pa(表压力)用浓硫酸做工作介质:压力可达6×105PaVacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1.1工作原理如果以叶轮的上部0°为起点,那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大,且与端面上的吸气口相通,此时气体被吸入,当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝;当叶轮继续旋转时,小腔由大变小,使气体被压缩;当小腔与排气口相通时,气体便被排出泵外。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-1液环泵工作原理图A──吸气口B──排气口1──叶轮;2──液环;3──橡胶球4──泵体VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1.2液环泵的特点液环泵与其他类型的机械真空泵相比有如下优点:1)结构简单,制造精度要求不高,容易加工;2)结构紧凑,泵的转数较高,一般可与电动机直联,无须减速装置。故用小的结构尺寸,可以获得大的排气量,占地面积也小;VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China3)压缩气体基本是等温的(通常多变压缩指数n=1.1~1.15),即压缩气体过程,温度变化很小;4)腔内无金属摩擦表面,无须对泵内进行润滑,且磨损很小,转动件与固定件间的间隙可由液体来密封;5)吸气均匀,工作平稳可靠,操作简单,维修方便。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China液环泵也有其缺点:1)功率消耗大,效率低,一般在30%左右,较好的可达50%。;2)极限压力高,它取决于液体种类;3)真空度低,这不仅是因为受到结构上的限制,更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液,极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液,可达130Pa。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2液环泵的基本类型与结构1.2.1基本类型1)单级单作用液环泵:单级叶轮每旋转一周,吸气排气各进行一次。抽气效率较低。2)单级双作用液环泵:单级叶轮每旋转一周,吸气、排气各进行两次。抽气效率较高。3)双级液环泵:由单级单作用泵串联而成。4)气体喷射泵+液环泵机组:可以提高低压下的抽速,扩大了液环泵的使用范围。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2.2液环泵的基本结构图1-2水环泵的结构图VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China水环泵主要由泵体、叶轮、端盖组成。泵体:内腔加工精度要求不高,但对铸件毛坯有要求(不能有砂眼、疏松等铸造缺陷);叶轮:为整体铸造形式,材料有球墨铸铁、不锈钢(耐腐蚀)等。可以做成直叶片(限于小泵);一般做成向前弯曲的叶片,前弯曲叶片有利于水环的稳定和提高水环的圆周速度,提高泵的极限真空度;VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China端面圆盘:开设有吸排气口,沟通泵腔(叶轮舱)与泵侧端盖的吸排气通道(口);泵体端盖:小泵的单侧端盖上开有吸、排气口,大泵为了满足抽、排气量的要求,增加吸气面积,两侧都开有吸、排气通道,在泵体的外部用管路将两侧的吸、排气口并联起来,以增加吸排气通道面积;VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2.3注意的2个问题1)过压缩现象:封闭小腔没有到达排气口,其内气体已经达到排气压力(一般常发生在大泵中,且吸气压力较高时容易发生);2)压缩不足现象:封闭小腔与排气口接通,但其内气体尚未达到排气压力(常发生在吸气压力较低时)。**以上现象均与吸入气体压力变化,而泵的两口位置(压缩比)固定不变有关。带来问题:消耗功率多(浪费能源),降低泵的抽气效率。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China解决问题的办法:1)在排气口前设置橡皮球阀:当小腔内气体过早达到排气压力时,球阀打开;图1-3橡皮球阀结构示意图1-进气管2-排气管3-排气口4-吸气口5-橡皮球阀VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2)采用柔性排气阀设计(专利),避免过压缩现象。柔性排气阀通过自动调节排气面积而降低泵的能量消耗。从而达到最佳运行效率。3)设计时,以最低吸入压力(极限压力)来确定泵的压缩比(排气口位置)压缩比=P出/P入=V入/V出设计时:P入取极限压力VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3水环泵结构的改进-Nash泵泵内部进气口和排气口的改进(*最重要的改进)平面式泵:进气口和排气口设计在平面端面(圆盘)上;锥体式泵:进气口和排气口设计在锥体上。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-4内部进气口和排气口的改进VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-5锥体泵上部进气和下部排气的结构VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4液环泵的使用1.4.1工作液在多数的水环泵中,其工作温度约为15~20℃,它取决于所补充水的温度。在排气时和密封处都会有水的损失,所以也要补充新水。由于油的蒸气压较低,双级液环泵使用油作为泵的工作液体可获得较低的极限压力。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4.2气蚀现象当泵接近极限压力时,泵入口处的水开始出现沸腾现象(接近饱和压力)。当转至泵的出口时,水中所形成的气泡开始破裂。这样就会产生很大的噪声,同时泵的驱动轮和泵腔等部件被逐渐破坏。这种现象通常称作气蚀现象。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China预防措施:降低工作液温度在入口管道上开小孔使用气体喷射器工作液采用更低饱和蒸汽压的液体叶轮采用防汽蚀能力较强的材料VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4.3水环泵机组因工作液的关系,很少使用三级或多级液环泵。液环泵常和气体喷射泵、水喷射泵和罗茨泵串联使用。在液环泵的入口串接一个气体喷射泵。目的:提高机组低压下的抽速和极限真空度。图1-6空气喷射-双级水环泵机组(西门子中国)VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.往复式真空泵往复式真空泵又名活塞式真空泵,属于低真空获得设备之一。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.1往复泵的特点优点:它与水环泵相比较,具有真空度高、消耗功率低等优点;与旋片泵相比较,它能被制成大抽速的泵。缺点:这种泵的主要缺点是结构复杂,老式泵带有牵引移动配气装置。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.2往复泵的分类往复泵从结构形式上可分立式和卧式两种;从级数上可分单级、双级和四级泵;从抽气方式上可分为单作用和双作用;从润滑方式上可分有油的和无油的。一般单级泵可获得极限压力为1330-2660Pa,双级泵极限压力可达4-7Pa,三级泵极限压力可达0.1-2.6Pa。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.3往复泵的结构和工作原理2.3.1结构主要部件有气缸1及在其中做往复直线运动的活塞2,活塞的驱动是用曲柄连杆机构3(包括十字头)来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5等重要部件,以及机座、曲轴箱、动密封和静密封等辅助件。1、汽缸2、活塞3、曲柄连杆机构;4、排气阀;5、吸气阀图2-1往复泵的结构和工作原理VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China近年来,在改进往复泵结构方面做了不少工作,采用固定气阀代替移动气阀,简化了结构,改善了性能。除此之外,国内外对降低往复泵的功率消耗,减少泵的振动噪声,提高转速,缩小体积等方面都做了不少工作。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.3.2工作原理当活塞在气缸内从左端向右端运动时,由于气缸的左腔体积不断增大,气缸内气体的密度减小,而形成抽气过程,此时被抽容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时,气缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动,此时吸气阀5关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩,当气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时,排气阀4被打开,将气体排到大气中,完成一个工