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1、油扩散泵的概述:

油扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似,也是靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽真空的目的,所以会有水蒸汽喷射泵相似的特点。不一样的一点是扩散泵工作在高真空区域,是获得高真空的主要设备。其工作压强范围为10-2~10-6pa 。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。 2、油扩散泵的工作原理与结构:

当油蒸汽从伞形喷咀(如I 级喷咀)以超音速喷射出来后,它的速度越来越快,压力及密度慢慢降低,喷射流上边的被抽气体A 因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B ,在B 处,工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环利用,而被抽气体在B 处堆积、压缩,最后被下级射流携带走,这样就可以逐级压缩,最后被前级泵抽走。其抽速特性曲线如图所示。 3、油扩散泵的发展历程:

历史1915年,德国物理学家W.盖得发表了他研究的扩散泵报告。1916年,美国人I.朗缪尔制成泵壁带有冷却系统的冷凝泵。这些泵以汞蒸气为工作介质,并且可以最终获得10-5帕的真空。1928年,英国人C.D.伯尔奇发现高沸点的石油衍生物。1936年,C.D.希克曼等人制成人工合成油。这两种油在室温下的饱和蒸气压都非常低,从而取代了汞作为扩散泵的工作液。从此油扩散泵在高真空领域的工业生产和科学试验中就逐渐普遍使用,并打下了高真空技术的基础。1960年代开始,油扩散泵又有了新的改变。主要的改进是:①泵的材料采用放气量微小的不锈钢。②采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油如聚苯醚和硅油作泵的工作液。③改变结构,新款的油扩散泵在泵的进气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面,其抽气速率可增大20~40%。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等。该泵可有通常泵(指没有扩大泵腔断面的泵)的抽气速率,并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空。因此,油扩散泵在清洁超高真空的工业生产和科学试验中又取得重要的地位。

4、结构和扩散泵工作原理

油扩散泵主要由泵体、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(见图)。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时,油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流,热运动的气体分子扩散到蒸气流中,与定向运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得动量,产生和油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。

真空泵油的蒸气压力直接影响到泵的真空性能。但是油扩散泵所用的任何泵油,都是蒸气压不同的多组分的混合物。因此,要提高油扩散泵的抽气和真空性能,泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化。分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴(高真空端的喷嘴);净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵

抽除,使真空油逐渐趋于纯净。

泵油分馏主要是利用泵油各组分的蒸发温度不同,使它们分别在不同的锅炉面积上蒸发。当工作后冷凝回流的泵油流到有保温罩部分的泵壁时,油即得到预加热,随即流到油锅周边,经锅底环形加热器加热,轻馏分的油达到蒸发温度便在外层蒸发而进入低真空工作喷嘴——靠近前级泵的喷嘴;未能蒸发的某些轻馏分油也是因为比重较其他馏分油小而浮到油面上。由于外层蒸气导管的限制,这部分馏分蒸发后仍进入低真空工作喷嘴。重馏分的油在外层蒸气导管中因未达到蒸发温度而未蒸发,所以从外层由锅底间的缝隙流到油锅中心蒸发,进入高真空工作喷嘴。轻、重馏分的油蒸气这样分道供给低真空工作喷嘴和高真空工作喷嘴这一个过程叫做分馏。从喷射喷嘴喷出的油蒸气在前级得不到充分的冷却,蒸气中的轻馏分即未能完全冷凝而被前级泵抽除。这样循环工作,泵油中的轻馏分就越来越少,重馏分的比例也就越来越大,泵油便逐渐趋于纯净。这一过程叫做净化。泵油的分馏和净化,对提高泵的极限真空有重要作用。

5、扩散泵油

在泵结构一定和无漏气的前提下,油扩散泵的抽气特性和极限真空主要是看泵油的性能。泵油种类很多,表为几类主要泵油及其特性。

扩散泵油被电炉加热的时候,产生油蒸气顺着导流管经过伞形喷嘴向下面喷出。因为喷嘴外面有机械泵提供的真空(Pa),故油蒸气流可喷出一长段距离,构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器,即靠油的蒸发喷射凝结重复循环来实现抽气。由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸气流中便获得向下运动的动量向下飞去。由于射流具有高流速(约200m/s),高的蒸气密度,且扩散泵油分子量大(300~500),故能有效地带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走。

6、油扩散泵的维护和保养

(1)油扩散泵安装时要垂直放置,使泵内泵芯部件处于正常工作状态。各橡胶密封处应密封可靠。

(2)油扩散泵加热前必须保证冷却水畅通,泵内处于约1帕的真空状态下才可以加热。

(3)油扩散泵停止工作时,泵内应避免放入大气,以延长泵油寿命并减少泵油的吸气量,特别应禁止泵刚停止工作尚未冷却就放入大气,以免泵油氧化。

(4)油扩散泵长期存放,最好抽成真空,以防止泵油污染和各零件腐蚀,并应吹净冷却水管和水套的余水。

(5)被抽气体应是干燥,无腐蚀,无灰尘的室温状态下的气体。

(6)泵正常工作时性能突然变坏,应检查加热器是否短路、断路,以及三相电流是否平衡。

(7)在长期工作后,泵性能逐渐变坏,应检查油量是否减少或氧化,以便增添油量或清洗后烘干换新油。

(8)一次装卸后,如果性能还是上不去,就要检查是否密封可靠或者装配不当。

(9)在操作过程中,应注意扩散泵的前级机械泵的工作是否正常,一般机械泵的极限压力应比泵前级压力低于一个数量级,当机械泵性能变坏后直接影响油扩散泵的正常工作。

(10)对用泵芯采用拉申旋压形成的中小型泵,第一级喷嘴帽轻轻旋紧,应防泵芯受重压变形。

扩散泵样子

扩散泵内部结构图

扩散泵加热部分

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如图为罗茨泵转子由0°转到180°的抽气过程。在0°位置时(图中a ),下转子从泵入口封入v0体积的气体。当转到45°位置时(图中b ),该腔与排气口相通。由于排气侧压强较高,引起一部分气体返冲过来。当转到90°位置时(图中c ),下转子封入的气体,连同返冲的气体一起排向泵外。这时,上转子也从泵入口封入v0体积的气体。当转子继续转到135°时(图中d ),上转子封入的气体与排气口相通,重复上述过程。180°(图e )位置和0°位置是一样的。转子主轴旋转一周共排出四个v0体积的气体。

罗茨真空泵的最大优点是在较低入口压力时具有较高的抽气速率,但它不能单独使用,必须有一台前级真空泵串联,待被抽系统中的压力被前级真空泵抽到罗茨真空泵允许人口压力时,罗茨真空泵才能开始工作,并且在一般情况下,罗茨真空泵不允许高压差时工作,否则将会过载和过热而损坏,因此使用罗茨真空;泵时必须合理地选用前级真空泵,安装必要的保护设备。

前级泵一般为油封真空泵,但如果极限压力要求不高时,可选用其他形式的粗真空泵作为前级泵。特别在抽除有大量水蒸汽的气体时,选用水环真空泵作为前级泵是很理想的,当然所能达到的极限压力要差些。 四、罗茨真空泵的结构:

罗茨真空泵的泵体的布置结构决定了泵的总体结构。目前国内外的罗茨真空泵总体结构大致有三种型式:(1)立式结构的进、排气口水平设置,装配和连接管路都比较方便。但泵的重心较高,在高速运转时稳定性差,故这种型式多用于小泵。(2)卧式泵的进气口在上,排气口在下。有时为了真空系统管道安装连接方便,可将排气口从水平方向接出,即进、排气方向是相互垂直的。此时,排气口可以从左或右两个方向开口,除接排气管道一端外,另一端堵死或接旁通阀。这种泵结构重心低,高速运转时稳定性好。一般大、中型泵多采用此种结构。(3)泵的两个转子轴与水平面垂直安装。这种结构装配间隙容易控制,转子装配方便,泵占地面积小。但泵重心较高且齿轮拆装不便,润滑机构也相对复杂。仅见于国外产品。 五、罗茨真空泵的传动方式:

罗茨真空泵的两个转子是通过一对高精度齿轮来实现其相对同步运转的。主动轴通过联轴器与电机联接。在传动结构布置上主要有以下两种:其一是电动机与齿轮放在转子的同一侧如图。从动转子由电动机端齿轮直接传过去带动,这样主动转子轴的扭转变形小,则两个转子之间的间隙不会因主动轴的扭转变形大而改变,故使转子之间的间隙在运转过程中均匀。这种传动方式的最大缺点是:a.主动轴上有三个轴承,增加了泵的加工和装配难度,齿轮的拆装及调整也不便;b.整体结构不匀称,泵的重心偏向电动机和齿轮箱一侧。另一种是电动机和传动齿轮分别装在转子两侧。这种形式使泵的整体结构匀称,但主动轴扭转变形较大。为保证转子在运转过程中的间隙均匀,要求轴应有足够的

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