真空系统组成及各种真空泵的工作原理

1、真空系统的组成及各种真空泵的工作原理在真空实用技术中，其空的获得和测量是两个最重要的方而，在-个克空系统中，其空获得的设备和测量仪器 是必不可少的。目前常用的真空获得设备主要有旋片式机械貞空泵、汕扩散泵、涡轮分f泵、离了溅射泵、升华泵 签。真空测量仪器主要冇u型真空计、热传导真空计、电离真空计等。随着电子技术和计算机技术的发展，各种真 空获得设备向高抽速、高极限真空、无污染方向发展。各种真空测量设备与微型计算机相结合，具冇数字显示、数 据打印、自动监控和自动切换量程等功能。究竞什么是克空系统?用-句话来概括，就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。其空系统设计的娠本内 容：是根据被抽容器对真

2、空度的要求，选择适当的真空系统设计方案，进行选、配泵计算；确定导管、阀门、捕集 器、真空测量元件等，进行合理配置，最后划出真空系统装配图和零部件图。真空应用设备种类繁多，但无论何种真空应用设备都冇一套排除被抽容器内气体的抽气系统，以便在真空容器 内获得所需要的真空条件。举例来说：一个真空处理用的容器，用管道和阀门将它与真空泵连接起来，当真空泵对 容器进行抽空时，容器上要有真空测量装程，这就构成了一个披简单的真空抽气系统（如图1）。1.被抽容器 2.真空衷 3.连接管道4.真空阀门 5.真空泵图i uv r«f单白如命爲鬲魏图1所示的最简单的真空系统只能在被抽容器内获得低真空范围内的真

3、空度，当需耍获得高真空范围内的真空 度时，通常在图1所示的真空系统中串联一个高真空泵。当串联一个高真空泵之后，通常要在高真空泵的入口和出 口分别加上阀门，以便高真空泵能单独保持其空。如杲所串联的高真空泵是一个油扩散泵，为了防止大量的油蒸气 返流进入被抽容器，通常在油扩散泵的入口加一个捕集器一一水冷障板。凡是由两个以上真空泵串联组成的真空系统，通常都把抽低真空的泵叫做它上一级高真空泵的前级泵（或称前置 泵），而最高一级的真空泵叫做该真空系统的主泵，即它是最主耍的泵，被抽容器中的极限真空度和工作真空度就由 主泵确定。被抽容器出口到主泵入口之间的管路称为高真空管路，主泵入口处的阀门称为主阀。通常前级

4、泵乂兼作予克空抽气泵。被抽容器到予抽泵之间的管路称为予克空管路，该管路上的阀门称为予克空 管道阀。主泵出口到前级泵入口z间的管路称为前级管道，该管路上的阀门称为前级管道阀，而软连接管道是为了 隔离前级泵的振动而设置的。总起來说，一个较完善的真空系统由下列元件组成：1. 抽气设备：例如各种真空泵；2. 真空阀门；3. 连接管道；4. 真空测量装置：例如真空压力表、各种规管；5. 其它元件：例如捕集器、除尘器、真空继电器规头、储气罐等。获得真空用真空泵。真空泵按工作条件的不同分为两类：能够在大气压下工作的真空泵称为初级泵（如机械泵）, 用来产生预备克空。需要在预备条件下才能工作的克空泵称为次级泵（

5、扩散泵），次级泵用来进-步提高其空度,获得高 真空。真空分段：粗真空76010 pa; 低真空10io, pa;中真空10'2 -10 4 pa;高真空10,10饥;超高真空10210-2 pa;扩散泵是高真空泵，当机械泵的极限真空度不能满足要求时，通常加扩散泵來获得高真 空。这种泵不能从通常气斥下开始丄作，只能在低于1 p"气压下才能丄作。因此，必须与初级泵串联使用。由机械泵和油扩散泵组成的奇真空系统工作过程介绍未抽气前，主阀活塞在下面闭合，4预真空管道阀、5前级管道阀、7放气阀均关闭。开始抽气前打开扩散泵9 冷却水，然后开机械泵，这时机械泵对4预真空管道阀5前级管道阀到机

6、械泵出口的一段管道抽气，当抽气到一定程度 时，5前级管道阀打开,机械泵对扩散泵的前级抽气，当抽到符合扩散泵开启条件时,扩散泵电炉通电加热，这时维持4 予真空管道風 5 iw级爸道6 恢建擡管il 7.放代8."级jr9 主泵（油扩敬泵 10.水冷障板图2高真空票绽简hb旋片式机械泵的结构图2030min,以便扩散泵充分加热，进入工作状态。扩散泵进入工作状态后，5前级管道阀关闭，4预真空管道阀打开， 机械泵对被抽容器抽气，抽气达到耍求时，4预真空管道阀关闭，数秒钟后，3主阀5前级管道阀打开，扩散泵对被抽容 器抽高真空。10水冷障板作用是防止扩散泵油蒸汽进入高真空的被抽容器。在扫描电镜真

7、空系统中采用的是液氮低 温冷各种真空泵的工作原理1旋片式机械泵图4.1-1-1 施片式机械菜剖而图i进气作；2进气门；3頂 部密封；一旋片：5泵油;6转子:7定子：8岀气门；9排 气阀片:10hl气口； 1 1曲油截板它由转子、定子、旋片（或称刮板）、活门和油槽等构成。泵的定子装在油槽中，定子的空腔时圆柱形。转子是 岡柱形轮子，它偏心地装成与定子空腔内切的位置。转子可绕口己的旋转对称轴转动，转子是由马达带动的。转子 中镶有两块刮板，刮板之间用弹簧相连，使刮板紧贴在定子空腔內壁上。当转子转动时，被抽容器中的气体经过进 气口到定子与转子之间的空间，由活门及进气口排出。定子浸在油中，油是起密封、润滑

8、与冷却作用的，进油榊是 为了让汕进入空腔。进空腔的汕除了上述作用外，还起着协助打开活门的作用，因为在压强很低时被压缩的气体不足以打开活门，而不可压缩的油，将强迫活门打开，活门的作用是让气体从泵中排出，而不让大气进入泵中。泵的 工作原理如下图所示。(a)(c>(d>图4.1 1 一 2 旋片戎松l械泵原理图(a) 表示两刮板转动吋上刮板a与进气口之间的体积不断增大，这吋被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。(b) 、(c)表示进入泵屮的气体被刮板b与被抽容器隔开并被压缩到活门。当转子转动到图(d)的位置时，被压 缩的气体的压强大于大气压强，这时活门被打开，气体排出泵外。两个刮板不停地

9、重复以上过程，实现了对容器连 续抽气的目的。以下是另一种旋片式机械泵的结构图。12 射于3主住裙丄 ar 乏67e0 件适口io 1 airuiarxuaj i hu1$ 汪沦口16 fam2油扩散泵金属油扩散泵利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。这种泵的极限真空为io410$帕，工作压力范围为 lo '-lo-4帕,抽速范围为儿十至十儿万升/秒（1升= 10-3米3）。油扩散泵是获得高真空的主要设备，广泛用于真空 冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。60年代开始，油扩散泵又冇了新的发展。主要的改进是：泵的材料采用放气量英小的不锈钢。采用饱和熬

10、气压很低、热稳定性好的油如聚苯醯和硅油作为泵的工作液。改革结构，新型油扩散泵在泵口法兰不变和不过分 增大泵的外形尺寸条件下，在法兰下部突出地扩大泵腔的断而，其抽气速率可增大2（）40%。如在此装设一个大直 径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等。泵可有通常泵（指没有扩大泵腔断而的泵）的抽气速率，并比较彻底地 克服了泵的返汕而获得低于10"帕清洁超高空。因此，汕扩散泵在淸洁超高真空的工业生产和科学试验屮又取得重要 的地位。磯气.口mith代气体 一代左油燕代加倔sr汕旷貳旳站杓除理田结构和工作原理油扩散泵主要山泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅.加热器.扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等 部分组成

11、（见图）。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕克空时，油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出岛速的蒸气流，热 运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的汕蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得动最，产生和汕蒸气分子运 动方向相同的定向流动。到前级，油蒸气被冷凝，释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的。另一种低成木的玻璃油扩散泵皱抽真统 o3htjkpw .chvacuuni xom玻璃w极扩就泉余形帕冷切水-v油扩散泵是高冀空泵，当机械泵的极限真空度不能满足要求时，通常加扩散泵來获得高冀空。这种泵不能从通常气 压下开始工作，只能在低于1 pa气压下才能工作。因此，必须与初级泵（机械泵）串联使用。扩散泵开始工

12、作之前；必须先开动机械泵抽气，达到预备真空时（约1.3 pa）,便可以使用电炉对扩散泵蒸发器中 的油进行加热，约2535 min的时间，便可观察到，扩散泵油开始沸腾，油蒸汽开始顺向每一级喷口定向喷发，形成 射流。当硅汕加热至沸腾时430"c,便产生大量汕蒸汽，蒸汽经过导管由各级喷嘴高速喷出，此时，由于来自被抽容器 的气体不断向蒸汽流中扩散,（便称扩散泵）便被带到下方伞形帽喷发的射流，这股射流的压强大于上一级射流，气 体分子进入下一级射流，这一级压强又大于上一级射流，而油蒸汽被冷凝水套凝结，沿着管壁经过回油管流回蒸发器, 被带到下方的气体则由机械泵以每秒4升的速率抽走,20min后可达

13、到扩散泵的极限真空度。这些工作状态，只有透 过玻璃很容易观察到，扩散、喷发和冷凝的过程，这也是扩散泵名称的由来，这些工作状态金属扩散泵是无法观察到 的。3 涡轮分子泵涡轮分子泵外形立式涡轮分子31 pfeiffertpu 150的结构图利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动 快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高其 空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。结构和工作原理主耍冇立式和卧式两种护财mtn立式涡轮分子泵的剖而图mh* 的转子£3动叶片旬工作示£田 dedec-isv3图3为一个动叶片的工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧（图3a）,当气体分子到达a 点附近时，在角度a 1内反射的气体分子冋到左侧；在角度0 1内反射的气体分子一部分冋到左侧，另一部