培训系列之5(张以忱)：真空获得设备原理与技术基础

1、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。东北大学第八期真空技术培训班真空获得设备原理真空获得设备原理及技术基础及技术基础主讲人：主讲人：张以忱张以忱Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China真空技术真空技术o一. 真空技术概况 （巴德纯）o二. 真空工程理论基础 （张世伟）o三. 干式真空泵原理与技术基础 （巴德纯）o四. 真空系统组成与设计基础 （刘坤）o五.

2、真空获得设备原理与技术基础 （张以忱）o六. 真空测量技术基础 （刘玉岱）o七.真空镀膜技术基础 （张以忱）o八. 质谱原理与真空检漏 （刘玉岱）o九. 真空冶金技术基础 （王晓冬）o十. 真空与低温技术及设备 （徐成海）东北大学第八期东北大学第八期培训系列之培训系列之Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1. 液环式真空泵液环式真空泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

3、 China1.1 液环泵的液环泵的工作原理及特点工作原理及特点液环泵是一种粗真空泵，极限压力：液环泵是一种粗真空泵，极限压力：单级泵：单级泵：2.669.31 kPa；双级泵：双级泵：0.1330.665 kPa ；串连大气喷射器：串连大气喷射器：0.270.67 kPa 液环式压缩机，工作压力范围：（液环式压缩机，工作压力范围：（12）105Pa（表压力）（表压力）用浓硫酸做工作介质：压力可达用浓硫酸做工作介质：压力可达 6105 Pa Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, Chin

4、a1.1.1 工作原理工作原理 如果以叶轮的上部如果以叶轮的上部0为起点，为起点，那么叶轮在旋转前那么叶轮在旋转前180时小腔的时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气容积由小变大，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气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。时，气体便被排出泵外。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern

5、 University, China图图1-1 液环泵工作原理图液环泵工作原理图A吸气口吸气口B排气口排气口1叶轮；叶轮； 2液环；液环；3橡胶球橡胶球4泵体泵体Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.1.2 液环泵的特点液环泵的特点 液环泵与其他类型的机械真空泵相比有如下液环泵与其他类型的机械真空泵相比有如下优点：优点：1）结构简单，制造精度要求不高，容易加工；）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）结构紧凑，泵的转数较高，一般可与

6、电动机直联，无须减速装置。故用小的结构尺寸，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；可以获得大的排气量，占地面积也小；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3）压缩气体基本是等温的（通常多变压）压缩气体基本是等温的（通常多变压缩指数缩指数n=1.11.15），即压缩气体过程，），即压缩气体过程，温度变化很小；温度变化很小；4）腔内无金属摩擦表面，无须对泵内进）腔内无金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑，且磨损很小，转动件与固定件间行润滑，且磨损很小

7、，转动件与固定件间的间隙可由液体来密封；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，）吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。维修方便。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China液环泵也有其缺点：液环泵也有其缺点：1）功率消耗大，效率低，一般在）功率消耗大，效率低，一般在30%左左右，较好的可达右，较好的可达50%。；。；2）极限压力高，它取决于液体种类；）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）真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制

8、，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达的限制。用水作工作液，极限压强只能达到到20004000Pa。用油作工作液，可达。用油作工作液，可达130Pa。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2 液环泵的基本类型与结构液环泵的基本类型与结构1.2.1 基本类型基本类型1）单级单作用液环泵）单级单作用液环泵:单级叶轮每旋转一周，单级叶轮每旋转一周， 吸气排气各进行一次。抽气效率较低。吸气排气各进行一次。抽气效率较低

9、。2）单级双作用液环泵：单级叶轮每旋转一周，）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。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。）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）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。的抽速，扩大了液环泵的使用范围。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2.2 液环泵的基本结构液环泵的基本结构 图1-2 水环泵的

10、结构图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China水环泵主要由泵体、叶轮、端盖组成。水环泵主要由泵体、叶轮、端盖组成。 泵体：泵体：内腔加工精度要求不高，但对铸件毛内腔加工精度要求不高，但对铸件毛坯有要求（不能有砂眼、疏松等铸造缺坯有要求（不能有砂眼、疏松等铸造缺陷）陷） ；叶轮：叶轮：为整体铸造形式，材料有球墨铸铁、为整体铸造形式，材料有球墨铸铁、不锈钢（耐腐蚀）等。不锈钢（耐腐蚀）等。 可以做成直叶片（限于小泵）；一可以做成直叶片（限于小泵）；一般做成向前弯曲的叶片，前弯曲叶片有

11、利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；高泵的极限真空度；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China端面圆盘：端面圆盘：开设有吸排气口，沟通泵腔（叶开设有吸排气口，沟通泵腔（叶轮舱）与泵侧端盖的吸排气通道（口）；轮舱）与泵侧端盖的吸排气通道（口）；泵体端盖：泵体端盖：小泵的单侧端盖上开有吸、排气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，增口，大泵为了满足抽、排气量的要求，增加

12、吸气面积，两侧都开有吸、排气通道，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；并联起来，以增加吸排气通道面积；Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.2.3 注意的注意的2个问题个问题1） 过压缩现象：封闭小腔没有到达排气口，其内过压缩现象：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，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）；且

13、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）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内气体尚未达到排气压力（常发生在吸气压力较低时）。低时）。* 以上现象均与吸入气体压力变化，而泵的两口位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。置（压缩比）固定不变有关。带来问题：消耗功率多（浪费能源），降低泵的抽带来问题：消耗功率多（浪费能源），降低泵的抽气效率。气效率。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

14、 China解决问题的办法：解决问题的办法：1）在排气口前设置橡皮球阀：当小腔内气）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；体过早达到排气压力时，球阀打开； 图图1-3 橡皮球阀结构示意图橡皮球阀结构示意图1- 进气管进气管 2- 排气管排气管 3- 排气口排气口 4- 吸气口吸气口 5- 橡皮球阀橡皮球阀Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2）采用柔性排气阀设计（专利），避免过）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

15、面压缩现象。柔性排气阀通过自动调节排气面积而降低泵的能量消耗。从而达到最佳运行积而降低泵的能量消耗。从而达到最佳运行效率。效率。3）设计时，以最低吸入压力（极限压力）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）来确定泵的压缩比（排气口位置）压缩比压缩比 P出出 / P入入V入入 / V出出设计时：设计时： P入入 取极限压力取极限压力Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.3 水环泵结构的改进水环泵结构的改进Nash泵泵泵内部进气口和排气口的改进泵内部进气

16、口和排气口的改进 ( * 最重要的改最重要的改进进)平面式泵：进气口和排气口设计在平面平面式泵：进气口和排气口设计在平面 端面（圆盘）上；端面（圆盘）上；锥体式泵：进气口和排气口设计在锥体上。锥体式泵：进气口和排气口设计在锥体上。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图图1-4 1-4 内部进气口和排气口的改进内部进气口和排气口的改进Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

17、 China图图1-5 1-5 锥体泵上部进气和下部排气的结构锥体泵上部进气和下部排气的结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4 液环泵的使用液环泵的使用 1.4.1 工作液工作液 在多数的水环泵中，其工作温度在多数的水环泵中，其工作温度约为约为1520，它取决于所补充水的，它取决于所补充水的温度。温度。 在排气时和密封处都会有水的损在排气时和密封处都会有水的损失，所以也要补充新水。失，所以也要补充新水。 由于油的蒸气压较低，双级液环由于油的蒸气压较低，双级液环泵使用油

18、作为泵的工作液体可获得较泵使用油作为泵的工作液体可获得较低的极限压力。低的极限压力。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1.4.2 气蚀现象气蚀现象 当泵接近极限压力时，泵入口处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大的噪声，同时泵的驱动轮和泵腔等部件被逐渐破坏。这

19、种现象通常称作部件被逐渐破坏。这种现象通常称作气蚀现象。气蚀现象。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China预防措施：预防措施：降低工作液温度降低工作液温度在入口管道上开小孔在入口管道上开小孔 使用气体喷射器使用气体喷射器 工作液采用更低饱和蒸汽压的液体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叶轮采用防汽蚀能力较强的材料Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University,

20、 China1.4.3 水环泵机组水环泵机组 因工作液的关系，很少因工作液的关系，很少使用三级或多级液环泵。液使用三级或多级液环泵。液环泵常和气体喷射泵、水喷环泵常和气体喷射泵、水喷射泵和罗茨泵串联使用。射泵和罗茨泵串联使用。 在液环泵的入口串接一在液环泵的入口串接一个气体喷射泵。个气体喷射泵。 目的：提高机组低压下目的：提高机组低压下的抽速和极限真空度。的抽速和极限真空度。 图图1-6 空气喷射双级水环空气喷射双级水环泵机组（西门子中国）泵机组（西门子中国） Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univer

21、sity, China2往复式真空泵往复式真空泵往复式真空往复式真空泵又名活塞式真泵又名活塞式真空泵，属于低真空泵，属于低真空获得设备之一。空获得设备之一。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.1 往复泵的特点往复泵的特点优点：优点：它与水环泵相比较，具有真空度高、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。能被制成大抽速的泵。缺点：缺点：这种泵的主要缺点是结构复杂，老式这种泵的主要缺点是结构

22、复杂，老式泵带有牵引移动配气装置。泵带有牵引移动配气装置。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.2 往复泵的分类往复泵的分类 往复泵从结构形式上可分立式和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的和无油的。一般单级泵可获得极限压力为压力为1330-2660Pa，双级

23、泵极限压，双级泵极限压力可达力可达4-7Pa，三级泵极限压力可达，三级泵极限压力可达0.1-2.6Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.3 往复泵的结构和工作原理往复泵的结构和工作原理 2.3.1 结构结构 主要部件有气缸主要部件有气缸1及在其中做往复直线运及在其中做往复直线运动的活塞动的活塞2，活塞的驱，活塞的驱动是用曲柄连杆机构动是用曲柄连杆机构3(包括十字头包括十字头)来完成的。来完成的。除上述主要部件外还有除上述主要部件外还有排气阀排气阀4和吸气阀和吸气阀5等

24、重等重要部件，以及机座、曲要部件，以及机座、曲轴箱、动密封和静密封轴箱、动密封和静密封等辅助件。等辅助件。 1、汽缸、汽缸 2、活塞、活塞3、曲柄连杆机构；、曲柄连杆机构；4、排气阀；、排气阀；5、吸气阀、吸气阀图图 2-1 往复泵的结构和往复泵的结构和工作原理工作原理 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 近年来，在改进往复泵结构方面近年来，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。动气阀，简化了结构

25、，改善了性能。除此之外，国内外对降低往复泵的功除此之外，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。速，缩小体积等方面都做了不少工作。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.3.2 工作原理工作原理 当活塞在气缸内从左端向右端运动时，由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减小

26、，而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体经过吸气阀经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位进入泵体左腔。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，此时吸气阀从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。气缸内关闭。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，气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。工作循环。Vacuum and Fluid Engin

27、eering Research Center of Northeastern University, China2.4 极限压力极限压力 当泵的吸气量为零时，此时，泵当泵的吸气量为零时，此时，泵入口的压力值称为极限压力。通常滑入口的压力值称为极限压力。通常滑阀式往复泵真空度较高，固定阀的往阀式往复泵真空度较高，固定阀的往复泵真空度较低。这里以固定环状阀复泵真空度较低。这里以固定环状阀立式往复泵为例，讨论影响真空度的立式往复泵为例，讨论影响真空度的因素和解决办法。因素和解决办法。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeaster

28、n University, China2.4.1 吸、排气阀的阻力损失吸、排气阀的阻力损失 1)设计超薄型气阀，阀盖、阀座减薄之后减小了设计超薄型气阀，阀盖、阀座减薄之后减小了气道长度，缩小了流动阻力，减少了阀孔造成的气道长度，缩小了流动阻力，减少了阀孔造成的余隙容积。余隙容积。 2)尽可能设计大直径的气阀，以增大气阀中气流尽可能设计大直径的气阀，以增大气阀中气流通道面积，减小阀隙气速，日本规定设计真空泵通道面积，减小阀隙气速，日本规定设计真空泵气阀的气速气阀的气速30m/s，我们可以借鉴。，我们可以借鉴。 吸、排气阀的阻力损失愈小，则泵的耗吸、排气阀的阻力损失愈小，则泵的耗能小、温升小，可提

29、高相对容积系数，降低泵能小、温升小，可提高相对容积系数，降低泵的极限压力。具体措施是：的极限压力。具体措施是： Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3)弹簧力太大，气阀的阻力大；弹簧弹簧力太大，气阀的阻力大；弹簧力太小，阀片又不能及时关闭。所以，力太小，阀片又不能及时关闭。所以，弹簧力大小要设计得恰到好处。弹簧力大小要设计得恰到好处。 4)采用超薄型环状阀片，以减轻其重采用超薄型环状阀片，以减轻其重量，有利于在压差较小时能够开启，量，有利于在压差较小时能够开启，达到降低极限压

30、力的目的。达到降低极限压力的目的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.2 余隙容积余隙容积V0 余隙容积对真空度的影响很大，设计时余隙容积对真空度的影响很大，设计时应尽可能减小余隙容积。减小余隙容积的措应尽可能减小余隙容积。减小余隙容积的措施有：施有： 1)轴向布置气阀。适于气缸直径较大，轴向轴向布置气阀。适于气缸直径较大，轴向能布置气阀的情况。能布置气阀的情况。2)气阀尽可能布置得靠近气缸中心，不产生气阀尽可能布置得靠近气缸中心，不产生偏置，否则会增加余隙容积。偏置

31、，否则会增加余隙容积。3)采用超薄型气阀、阀盖、阀座，使气阀通采用超薄型气阀、阀盖、阀座，使气阀通道造成的余隙较小。道造成的余隙较小。4)气阀装到阀腔以后，气阀内凸表面与缸盖气阀装到阀腔以后，气阀内凸表面与缸盖平齐，以减小余平齐，以减小余 隙容积。隙容积。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China5)活塞到外止点时，活塞螺母与螺母腔之活塞到外止点时，活塞螺母与螺母腔之间的空隙取得小一些，以减小余隙。间的空隙取得小一些，以减小余隙。6)活塞到内、外止点时，活塞端面与缸盖活塞到内、外止

32、点时，活塞端面与缸盖或填料箱之间的止点间隙取小一些或填料箱之间的止点间隙取小一些(如如0.8mm)。7)活塞上、下活塞环沟槽外缘厚度取得较活塞上、下活塞环沟槽外缘厚度取得较小。小。8) 平衡通道的横断面积在保证平衡气流畅平衡通道的横断面积在保证平衡气流畅通的情况下不宜取得太大，否则会影响余通的情况下不宜取得太大，否则会影响余隙容积。隙容积。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.3 曲轴的转速及活塞行程曲轴的转速及活塞行程 往复泵转速不宜太高，因为转速高，往复泵转速不宜太

33、高，因为转速高，在一定的抽气速率下，行程就短，为装在一定的抽气速率下，行程就短，为装气阀缸径又不能太小，则会引起余隙容气阀缸径又不能太小，则会引起余隙容积增大，膨胀线和压缩线变短，对提高积增大，膨胀线和压缩线变短，对提高真空度不利。特别是转速快了后，平衡真空度不利。特别是转速快了后，平衡通道的作用就不明显，来不及平衡气体。通道的作用就不明显，来不及平衡气体。转速太高以后，气阀的动作也跟不上，转速太高以后，气阀的动作也跟不上，易产生滞后现象，不利于真空度的提高。易产生滞后现象，不利于真空度的提高。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of No

34、rtheastern University, China 日本对移动阀的往复泵，曲轴转速规定不日本对移动阀的往复泵，曲轴转速规定不能超过能超过250rmin，对不开平衡气道的固定阀，对不开平衡气道的固定阀真空泵，曲轴转速也不能超过真空泵，曲轴转速也不能超过500rmin。活。活塞的平均线速度塞的平均线速度=不应大于不应大于1.85ms。 行程与缸径之间关系，日本规定行程与缸径之间关系，日本规定DS=1.5-3.5，为保证往复泵的真空度，行程，为保证往复泵的真空度，行程S不不能太小，否则真空度不会高。能太小，否则真空度不会高。 为提高往复泵的真空度，应该采用低转速、为提高往复泵的真空度，应该采用

35、低转速、长行程。长行程。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.4.4 填料密封的性能填料密封的性能 填料密封性能的好坏对泵的真空度影响较填料密封性能的好坏对泵的真空度影响较大，密封不好，空气会漏入气缸，降低泵的真大，密封不好，空气会漏入气缸，降低泵的真空度。日本设计的无油润滑往复式真空泵的填空度。日本设计的无油润滑往复式真空泵的填料采用了料采用了5道密封环，如图道密封环，如图2-2所示，隔环采用所示，隔环采用L形，密封性能较好。形，密封性能较好。图图2-2 日本真空泵用填料

36、密封日本真空泵用填料密封Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图2-3 国产真空泵用填料密封国产真空泵用填料密封 国内采用国内采用5道填充聚四氟乙烯密封环，道填充聚四氟乙烯密封环，在填料的外侧还设置了两道刮油环，以阻在填料的外侧还设置了两道刮油环，以阻止机身中的油进入气缸，如图止机身中的油进入气缸，如图2-3所示。所示。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2

37、.4.5 活塞环的密封活塞环的密封 活塞环的密封好坏对真空度的影响也很活塞环的密封好坏对真空度的影响也很大。对无油润滑的往复式真空泵，日本采用大。对无油润滑的往复式真空泵，日本采用2道填充聚四氟乙烯环或石墨作为活塞环，如道填充聚四氟乙烯环或石墨作为活塞环，如图图2-4所示。活塞环为开式，环内孔处加了张所示。活塞环为开式，环内孔处加了张力环，以保证活塞环的弹力，提高密封效果。力环，以保证活塞环的弹力，提高密封效果。另外还设置了另外还设置了2道导向环道导向环(或称支承环或称支承环)，导向，导向环为整圈式。环为整圈式。 图图2-5采用了采用了4道活塞环和道活塞环和1道导向环，密道导向环，密封性能较好

38、，二级抽气真空度可达封性能较好，二级抽气真空度可达104.5Pa。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图2-4 国内国内LVP型真空泵采用的活塞环如图型真空泵采用的活塞环如图2-6所示，活塞环槽为两个，每槽中放两个活塞所示，活塞环槽为两个，每槽中放两个活塞环。活塞环采用填充聚四氟乙烯材料，活塞环。活塞环采用填充聚四氟乙烯材料，活塞环内侧加了张力环。这种结构的优点是既保环内侧加了张力环。这种结构的优点是既保证了密封效果，又减小了活塞的轴向高度。证了密封效果，又减小了活塞的轴向

39、高度。图图2-5图图2-6Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5 设计中的几个问题设计中的几个问题 2.5.1 开平衡通道开平衡通道 平衡气道可以帮助活塞顺利通平衡气道可以帮助活塞顺利通过死点位置。过死点位置。 图图2-7 带平衡通道泵的示功图带平衡通道泵的示功图Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5.2 往复泵活塞环的设计往复泵活塞环的设计 活塞环

40、的作用是减少压缩侧的气体泄漏到活塞环的作用是减少压缩侧的气体泄漏到吸气侧，以提高泄漏系数，增大排气量。在吸气侧，以提高泄漏系数，增大排气量。在接近极限压力时，若活塞环密封不好，必然接近极限压力时，若活塞环密封不好，必然会影响真空度。会影响真空度。 一般往复泵常取一般往复泵常取4道活塞环。活塞环典型道活塞环。活塞环典型结构如图结构如图2-4、图、图2-5、图、图2-6所示。所示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2.5.3 无油往复泵的设计问题无油往复泵的设计问题 设计无油

41、往复泵的关键是活塞环设计无油往复泵的关键是活塞环和密封环或填料函的自润滑材料。目和密封环或填料函的自润滑材料。目前使用最多的是填充聚四氟乙烯材料。前使用最多的是填充聚四氟乙烯材料。另一种新兴的密封材料是碳纤维增强另一种新兴的密封材料是碳纤维增强聚四氟乙烯聚四氟乙烯(CFRP) ，其耐磨性、耐热，其耐磨性、耐热性、强度及弹性模量均高于其他填充性、强度及弹性模量均高于其他填充聚四氟乙烯，自润滑性能优异，最近聚四氟乙烯，自润滑性能优异，最近几年发展很快。几年发展很快。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern Univer

42、sity, China 图图2-8 无十字头往复泵示意图无十字头往复泵示意图 为减少活塞杆处的填料密封，无油往复为减少活塞杆处的填料密封，无油往复泵常采用无十字头的结构，如图泵常采用无十字头的结构，如图2-8所示。所示。这种结构使泵的尺寸和重量都减小了，成本这种结构使泵的尺寸和重量都减小了，成本降低了，但在曲轴箱内需抽真空，曲轴伸出降低了，但在曲轴箱内需抽真空，曲轴伸出端必须采用无油机械密封。端必须采用无油机械密封。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 图图2-9 三级无油往

43、复泵示意图三级无油往复泵示意图 为降低往复泵的极限压力，美国瓦里安为降低往复泵的极限压力，美国瓦里安(Varian)公司开发出一种四级往复泵，如图公司开发出一种四级往复泵，如图2-9所示。所示。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3. 油封机械泵油封机械泵 3.1 旋片式油封真空泵旋片式油封真空泵 图图3-1 2X型旋片泵型旋片泵图图3-1 2XZ型旋片泵型旋片泵Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeas

44、tern University, China3.1.1 概述概述 旋片泵为一种变容式气体传输真空泵，是旋片泵为一种变容式气体传输真空泵，是真空技术中最基本的真空获得设备之一。工作压真空技术中最基本的真空获得设备之一。工作压力范围力范围1013251.3310-2 Pa，属低真空泵。，属低真空泵。 可单独使用，也可作其他高真空泵的前级可单独使用，也可作其他高真空泵的前级泵，用以抽除密封容器中的干燥气体。若附有气泵，用以抽除密封容器中的干燥气体。若附有气镇装置，还可抽除一定量的可凝气体。镇装置，还可抽除一定量的可凝气体。 旋片泵不适于抽除含氧过高、有爆炸性的、旋片泵不适于抽除含氧过高、有爆炸性的、

45、对金属有腐蚀性的、与泵油会发生化学发应的、对金属有腐蚀性的、与泵油会发生化学发应的、含有颗粒尘埃的气体。含有颗粒尘埃的气体。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.2 旋片泵的工作原理与结构特点旋片泵的工作原理与结构特点 旋片把转子、泵体、旋片把转子、泵体、端盖形成的月牙形空间分端盖形成的月牙形空间分隔成隔成A A、B B、C C三部分。三部分。 3.1.2.1 工作原理工作原理图图3-3 旋片泵工作原理图旋片泵工作原理图1-旋片旋片 2-旋片弹簧旋片弹簧 3-泵体泵体

46、4-端盖端盖 5-转子转子Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 若转子按图中箭头方向旋转时，若转子按图中箭头方向旋转时，A A空间空间容积增加，压力降低，气体经泵入口被吸入，容积增加，压力降低，气体经泵入口被吸入，此时处于吸气过程；此时处于吸气过程；B B空间的容积减小，压力空间的容积减小，压力增加，处于压缩过程；增加，处于压缩过程；C C空间的容积进一步缩空间的容积进一步缩小，压力进一步增加，当压力超过排气压力小，压力进一步增加，当压力超过排气压力时，压缩气体推开泵油密封的

47、排气阀，处于时，压缩气体推开泵油密封的排气阀，处于向大气的排气过程。在泵的连续运转过程中，向大气的排气过程。在泵的连续运转过程中，不断进行吸气、压缩和排气过程，从而达到不断进行吸气、压缩和排气过程，从而达到连续抽气的目的。连续抽气的目的。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3.1.2.2 结构特点结构特点 旋片泵在结构上可分为油封式（图旋片泵在结构上可分为油封式（图3-4a）和油浸式（图和油浸式（图3-4b）两大类。）两大类。 1 1）油封式）油封式油箱设在泵体上，油起密封排

48、油箱设在泵体上，油起密封排气阀的作用，泵为水或风冷却。一般大泵多采气阀的作用，泵为水或风冷却。一般大泵多采用这种结构形式；用这种结构形式； 2 2）油浸式）油浸式整个泵体浸在油内，油起密封、整个泵体浸在油内，油起密封、冷却作用。小泵和直联泵多采用。冷却作用。小泵和直联泵多采用。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图3-4a 油封式油封式2X型旋片泵结构简图型旋片泵结构简图1进气管；进气管；2滤网；滤网；3注油活塞；注油活塞；4油窗；油窗；5放油螺塞；放油螺塞；6旋片；旋片；

49、7旋片弹簧；旋片弹簧；8转子；转子；9气镇阀；气镇阀；10泵体；泵体；11排气阀；排气阀；12排气管排气管 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图3-4b 油浸式油浸式2X型旋片泵结构简图型旋片泵结构简图 1电机；电机；2手把；手把；3支架；支架；4油箱；油箱；5排气管；排气管；6挡油板；挡油板；7气镇阀；气镇阀；8油窗；油窗；9油泵；油泵；10放油螺塞；放油螺塞；11低级泵盖；低级泵盖；12排气阀；排气阀；13低级旋片弹簧；低级旋片弹簧；14低级旋片；低级旋片；15低级转

50、子；低级转子；16中隔板；中隔板；17中间气道压板；中间气道压板；18挡油板支柱；挡油板支柱；19高级转高级转子；子；20高级旋片及弹簧；高级旋片及弹簧；21辅助排气阀；辅助排气阀；22高级泵盖；高级泵盖；23泵连轴器；泵连轴器；24电机连轴器。电机连轴器。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China1. 泵体（定子）：主要有泵体（定子）：主要有3种：种： 图图3-5 泵体结构泵体结构 (a)整体式；整体式； (b)中壁压入式；中壁压入式； (c)组合式组合式Vacuum and F

51、luid Engineering Research Center of Northeastern University, China 整体式整体式 ：结构紧凑，连接及密封加工面少，结构紧凑，连接及密封加工面少，密封性能好。加工工艺较难。密封性能好。加工工艺较难。 关键：保证两腔同心度和泵腔内表面的精度及关键：保证两腔同心度和泵腔内表面的精度及粗糙度（光洁度）。粗糙度（光洁度）。 中壁压入式：中壁压入式：高低腔为一整体，中隔板由压高低腔为一整体，中隔板由压力机压入，泵腔加工工艺性好。结构紧凑。中力机压入，泵腔加工工艺性好。结构紧凑。中壁压入公差较严，采用过盈配合定位，泵腔与壁压入公差较严，采用过

52、盈配合定位，泵腔与中隔板邻近处易产生变形。中隔板邻近处易产生变形。 一般采用小过盈量，加一定位销，或小过一般采用小过盈量，加一定位销，或小过盈微量浮动减少因大过盈量引起的变形；或在盈微量浮动减少因大过盈量引起的变形；或在泵腔相应处设计加强筋减少变形（大泵）泵腔相应处设计加强筋减少变形（大泵） 。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China 组合式：组合式：各零件易于加工，容易保证高精各零件易于加工，容易保证高精度，废品率低，互换性好，适于大批量生产，度，废品率低，互换性好，适于大批量

53、生产，但其加工面多，装配麻烦。但其加工面多，装配麻烦。 泵体材料：泵体材料： 大多数厂家均采用高强度灰铸铁，如大多数厂家均采用高强度灰铸铁，如H200，250等。等。 也可采用铝合金或球墨铸铁等耐磨、自也可采用铝合金或球墨铸铁等耐磨、自润滑好的材料。润滑好的材料。 泵体毛坯铸件应进行时效处理，以消除泵体毛坯铸件应进行时效处理，以消除内应力，防止变形，提高耐磨性。内应力，防止变形，提高耐磨性。Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China2. 转子转子 转子结构有三种形式：整体式、转子结

54、构有三种形式：整体式、压套式和转子盘式。压套式和转子盘式。 整体式整体式 ：加工基准是两端中心孔，加工基准是两端中心孔，与转子盘式结构相比，其加工件和装与转子盘式结构相比，其加工件和装配量少，加工简单，节省工序，几何配量少，加工简单，节省工序，几何精度和尺寸精度也得到了保证。但缺精度和尺寸精度也得到了保证。但缺点是对材质要求较高，而且其旋片槽点是对材质要求较高，而且其旋片槽加工较困难，难以达到高精度，较适加工较困难，难以达到高精度，较适于大泵；于大泵； Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University

55、, China 压套式：压套式：如图如图3-6(a)所示，两半转子中间所示，两半转子中间用衬块保证旋片槽宽，该结构加工量稍小些，用衬块保证旋片槽宽，该结构加工量稍小些，但要求加工精度较高，装配较复杂；但要求加工精度较高，装配较复杂； 转子盘式：转子盘式：是当前采用最多的形式，其结是当前采用最多的形式，其结构如图构如图3-6(b)所示，两半转子盘用螺钉和锥所示，两半转子盘用螺钉和锥销紧固后，两转子体之间形成旋片槽，这种销紧固后，两转子体之间形成旋片槽，这种结构零件多，加工装配量大，有较高的加工结构零件多，加工装配量大，有较高的加工精度。精度。Vacuum and Fluid Engineerin

56、g Research Center of Northeastern University, China图图3-6 转子结构转子结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China3. 旋片旋片 结构形式结构形式 旋片的结构形式多为矩形旋片的结构形式多为矩形 和和 T 形形 旋片的厚度与型号有关（一般从旋片的厚度与型号有关（一般从614 mm）Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, C

57、hina旋片材料旋片材料 国内一般用国内一般用 45 钢、钢、H250、QT 或或20钢淬火（硬度：钢淬火（硬度：HRC4045） 对旋片材料的一般要求：对旋片材料的一般要求：1）要有足够的抗弯强度；在正常泵温下膨）要有足够的抗弯强度；在正常泵温下膨胀系数尽可能小，最好能接近铸铁，达到胀系数尽可能小，最好能接近铸铁，达到0.8105 1.1105 l/；2）比重小，摩擦系数小，耐磨损；良好的）比重小，摩擦系数小，耐磨损；良好的自润滑性；自润滑性；3）低成本；良好的机械加工性能；）低成本；良好的机械加工性能；4）化学稳定性，没有污染和毒害。）化学稳定性，没有污染和毒害。Vacuum and Fl

58、uid Engineering Research Center of Northeastern University, China4. 排气阀排气阀 排气阀对泵的真空度和噪音影响排气阀对泵的真空度和噪音影响较大。较大。 排气阀有两种形式：一种是用橡排气阀有两种形式：一种是用橡胶垫做阀片，如图胶垫做阀片，如图3-7(a)所示；另一种所示；另一种是用布质酚醛层压板或弹簧钢片做阀是用布质酚醛层压板或弹簧钢片做阀片，如图片，如图3-7(b)所示。所示。 排气阀必须浸在泵油中。在排气排气阀必须浸在泵油中。在排气过程中，压缩气体推开排气阀片，穿过程中，压缩气体推开排气阀片，穿过泵油排出。泵油起到密封的作用

59、。过泵油排出。泵油起到密封的作用。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图3-7 排气阀结构排气阀结构Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China辅助排气阀辅助排气阀 在双级泵中，当高真空级与低真空在双级泵中，当高真空级与低真空级为泵腔宽度不等时，需在两级之间设级为泵腔宽度不等时，需在两级之间设置中间辅助排气阀，如图置中间辅助排气阀，如图3-8所示。所示。 辅助排

60、气阀的作用是在入口压力较辅助排气阀的作用是在入口压力较高、经高真空级压缩的气体已达到排气高、经高真空级压缩的气体已达到排气压力时，辅助排气阀打开，部分气体由压力时，辅助排气阀打开，部分气体由辅助排气阀排出，部分气体由低真空级辅助排气阀排出，部分气体由低真空级抽走。抽走。 Vacuum and Fluid Engineering Research Center of Northeastern University, China图图3-8 双级泵结构示意图双级泵结构示意图 高真空级；高真空级； 低真空级；低真空级；1中间辅助排气阀；中间辅助排气阀；2通道；通道；3低真空级排气阀低真空级排气阀Vac