各种真空泵的工作原理

在真空实用技术中，真空的获得和测量是两个最重要的方面，在一个真空系统中，真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真空泵、油扩散泵、涡轮分子泵、离子溅射泵、升华泵等。真空测量仪器主要有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，具有数字显示、数据打印、自动监控和自动切换量程等功能。 
究竟什么是真空系统?用一句话来概括，就是用来获得有特定要求的真空度的抽气系统。真空系统设计的基本内容：是根据被抽容器对真空度的要求，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，{zh1}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有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置，这就构成了一个最简单的真空抽气系统

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空度，当需要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真空。如果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——水冷障板。 

真空分段: ① 粗真空760 ～10 Pa;② 低真空10 ～10- 2 Pa; ③ 中真空10- 2 ～10- 4 Pa; ④ 高真空10-4～10-7Pa;

⑤超高真空10- 12～10- 14 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,通常加扩散泵来获得高真空。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,必须与初级泵串联使用。 由机械泵和油扩散泵组成的高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 
20～30min,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,抽气达到要求时, 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 
旋片式机械泵的结构图     
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。转子是圆柱形轮子，它偏心地装成与定子空腔内切的位置。转子可绕自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内壁上。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、润滑与冷却作用的，进油槽是为了让油进入空腔。进空腔的油除了上述作用外，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。 
 （a） 表示两刮板转动时上刮板A与进气口之间的体积不断增大，这时被抽容器内气体从进气口进入这部分空间。（b）、（c）表示进入泵中的气体被刮板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。 
 
2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10-4～10-5帕，工作压力范围为10-1～10-4帕,抽速范围为几十至十几万升／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dk始，油扩散泵又有了新的发展。主要的改进是：①泵的材料采用放气量甚小的不锈钢。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为泵的工作液。③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。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。 
 
  结构和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。 另一种低成本的玻璃油扩散泵 
                
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,通常加扩散泵来获得高真空。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25～35 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。当硅油加热至沸腾时430℃, 便产生大量油蒸汽, 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, 20 min 后可达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    
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，能获得清洁的超高真空。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 主要有立式和卧式两种 
立式涡轮分子泵的剖面图 
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α1内反射的气体分子回到左侧；在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶轮右侧(图 3b),当气体分子入射到B点附近时，在α2角度内反射的气体分子将返回右侧；在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。