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真空物理技术教材
真空技术在真空泵中的应用
院系名称:
理学院
专业班级:
应物1102班
学生姓名:
闫新政
学号:
201121020216
真空技术在真空泵中的应用
闫新政
(河南工业大学理学院,郑州,450001)
摘要
本文主要介绍了真空技术在真空泵中的一些应用。
以机械泵、扩散泵、分子泵、离子泵、低温泵为例,分别介绍了它们的结构、原理和一些具体的应用等。
文章最后对真空泵的应用前景进行了简单的展望。
关键词:
真空技术;机械泵;扩散泵;分子泵;离子泵;低温泵
Abstract
本文主要介绍了真空技术在真空泵中的一些应用。
以机械泵、扩散泵、分子泵、离子泵、低温泵为例,分别介绍了它们的结构、原理和一些具体的应用等。
文章最后对真空泵的应用前景进行了简单的展望。
Thispapermainlyintroducessomeapplicationsofvacuumtechnologyinthevacuumpump.Themechanicalpump,diffusionpumps,molecularpump,ionpump,cryogenicpumpasanexample,introducestheirstructure,principleandsomeconcreteapplication.Finally,theapplicationprospectofthevacuumpumpisasimpleprospect.
关键词:
真空技术;机械泵;扩散泵;分子泵;离子泵;低温泵
Keywords:
vacuumtechnology;mechanicalpump;diffusionpumps,molecularpump,ionpump,cryogenicpump
引言:
随着真空获得技术的发展,真空泵的真空应用日渐扩大到工业和科学研究的各个方面;已经在工业、食品、航空航天等领域得到了广泛的应用。
近年来,伴随着我国经济持续高速发展,真空泵相关下游应用行业保持快速增长势头,同时在真空泵应用领域不断拓展等因素的共同拉动下,我国真空泵行业实现了持续稳定地发展。
1机械泵
1.1旋片泵的工作原理
旋片泵主要由泵体、转子、旋片、端盖、弹簧等组成。
在旋片泵的腔内偏心地安装一个转子,转子外圆与泵腔内表面相切(二者有很小的间隙),转子槽内装有带弹簧的二个旋片。
旋转时,靠离心力和弹簧的张力使旋片顶端与泵腔的内壁保持接触,转子旋转带动旋片沿泵腔内壁滑动。
图1旋片泵的结构示意图
Fig.1Schematicdiagramoftherotaryvanepump
定子腔内高速旋转的偏心转子,使进气腔容积周期性扩大而吸气,排气腔的容积周期性缩小而压缩气体,并借助压缩气体的压力推开排气阀门,使待抽容器的气压下降
图2旋片旋转时的几个典型位置
Fig.2rotaryvanerotatesseveraltypicalposition
两个旋片把转子、定子内腔和定盖所围成的月牙型空间分隔成A、B、C三个部分,当转子按图示方向旋转时,与吸气口相通的空间A的容积不断地增大,A空间的压强不断的降低,当A空间内的压强低于被抽容器内的压强,根据气体压强平衡的原理,被抽的气体不断地被抽进吸气腔A,此时正处于吸气过程。
B腔的空间的容积正逐渐减小,压力不断地增大,此时正处于压缩过程。
而与排气口相通的空间C的容积进一步地减小,C空间的压强进一步的升高,当气体的压强大于排气压强时,被压缩的气体推开排气阀,被抽的气体不断地穿过油箱内的油层而排至大气中,在泵的连续运转过程中,不断地进行着吸气、压缩、排气过程,从而达到连续抽气的目的。
排气阀浸在油里以防止大气流入泵中,油通过泵体上的间隙、油孔及排气阀进入泵腔,使泵腔内所有运动的表面被油覆盖,形成了吸气腔与排气腔的密封,同时油还充满了一切有害空间,以消除它们对极限真空的影响。
1.2气镇阀
油封机械真空泵的压缩室上开一小孔,并装上调节阀,当打开阀并调节入气量,转子转到某一位置,空气就通过此孔掺入压缩室以降低压缩比,从而使大部分蒸汽不致凝结而和掺入的气体一起被排除泵外,起此作用的阀门称为气镇阀。
工作原理:
由于大气中都含有一定量的水蒸气,所以泵工作时所抽除的气体多是某些可凝性气体和永久性气体的混合物。
这种混合气体在泵内被压缩排气的过程中,如果可凝性气体的分压力超过了泵温下的饱和蒸气压,那么它们就会凝结并与泵油混合,随油一起循环。
当它们返回到高真空端时又重新蒸发变成蒸汽。
随着泵的运转,凝结物不断增加,使泵的极限真空和抽速降低。
当抽除的气体中湿度较大时,泵油的污染更加严重,使泵的密封、润滑和冷却性能变差,以至于经常更换新油。
气镇阀是防止蒸汽凝结从而避免油污染的有效方法。
这种方法是将室温干燥的空气经气镇孔进入泵的压缩腔中与被抽气体相混合。
当把这种混合气体压缩到排气压力时,由于掺气作用使得其中的蒸汽分压能保持在泵温状态的饱和蒸气压以下,因而蒸汽不会凝结而与其它气体一起被排至泵外。
被抽气体中蒸汽的含量越多,掺入的干燥气体量就需越多。
1.3旋片泵的用途及使用范围
1.3.1旋片泵是用来对密封容器抽除气体的基本设备之一。
它可单独作用,也可作为增压泵、扩散泵、分子泵等的前级泵,维持泵,钛泵的预抽泵用。
可用于电真空器件制造、保温瓶制造、真空焊接、印刷、吸塑、制冷设备修理以及仪器仪表配套等。
因为它具有体积小、质量轻、操声低等优点,所以更适宜于实验室里使用。
1.3.2在环境温度5℃–40℃范围内,进气口压强小于1.3×103帕的条件下允许长期连续运转,被抽气体相对湿度大于90%时,应开气镇阀。
1.3.3进气口连续畅通大气运转不得超过一分种。
1.3.4不适用于抽除对金属有腐蚀的,对泵油起化学反应的,含有颗粒尘埃的气体,以及含氧过高的,有爆炸性的,有毒的气体。
1.4旋片式机械真空泵特点
1.4.1其工作压强范围为101325-1.33×10-2(Pa)属于低真空泵。
1.4.2它可以单独使用,也可以作为其它高真空泵或超高真空泵的前级泵
1.4.3结构简单,工作可靠
1.4.4由于它以油作为密封物质,因此它会造成油蒸气的回流和对真空系统造成油的污染。
2扩散泵
2.1工作原理
泵油经电加热后,产生油蒸汽沿做蒸汽导流管上升到泵的上部,从伞型嘴向下喷出,形成高速运动的、具有优越运载气体分子的能力射流,达到把气体分子抽出的效果。
2.2优缺点
2.2.1优点:
稳定、蒸汽压低、汽化热小、不分解、不吸收气体、不与周围物质起反应。
2.2.2缺点:
油蒸汽对真空腔的污染。
2.3油扩散泵
2.3.1工作原理:
泵的底部—是装有真空泵油的蒸发器,真空泵油经电炉加热沸腾后,产生一定的油蒸汽,蒸汽沿着蒸汽导流管传输到上部,经由三级伞形喷口向下喷出。
喷口外面的压强较油蒸汽压低,于是便形成一股向出口方向运动的高速蒸汽流,使之具有很好的运载气体分子的能力。
油分子与气体分子碰撞,由于油分子的分子量大,碰撞的结果是油分子把动量交给气体分子自己慢下来,而气体分子获得向下运动的动量后便迅速往下飞去.并且,在射流的界面内气体分子不可能长期滞留,因而界面内气体分子浓度较小.由于这个浓度差使被抽气体分得以源源不断地扩散进入蒸汽流而被逐级带至出口,并被前级泵走.慢下来的蒸汽流在向下运动的过程中碰到水冷的泵壁,油分子就被冷凝下来,沿着泵壁流回蒸发器继续循环使用.冷阱的作用是减少油蒸汽分子进入被抽容器。
2.3.2特点:
扩散泵必须和机械泵联合工作,才能构成高真空抽气系统。
单独的扩散泵时没有抽气作用的;理论上,扩散泵的极限真空取决于泵油的蒸气压。
而且泵油必须具备很高的热稳定性和化学稳定性;扩散泵油在高温下接触一旦大气非常容易变质,即使时常温下,长期接触大气也会因为吸收水分而降低性能。
因此扩散泵内应尽量保存良好的真空状态;扩散泵油易挥发,因此在进气口都有挡油的冷阱。
图3扩散泵的结构示意图
Fig.3Schematicdiagramofthediffusionpump
3分子泵
3.1分子泵原理
分子泵是一种动量型真空获得设备,在分子流态下,气体分子与高速运动的表面发生碰撞获得一定方向的动量,从而使气体分子得到逐级压缩,最后被抽除。
图4动叶片的工作示意图
Fig.4Schematicdiagramofthebladework
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。
3.2涡轮分子泵
3.2.1工作原理:
通过高速转动(24000-80000rpm)的叶片将动量传递给气体分子,使气体产生定向流动而抽气,极限真空:
5X10-11乇
3.2.2涡轮分子泵的特点:
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。
3.3分子泵输送气体应满足二个必要条件
3.3.1涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。
因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时,其中气体分子的平均自由程则随之增加。
在常压下空气分子的平均自由程只有0.06μm,即平均看一个气体分子只要在空间运动0.06μm,就可能与第二个气体分子相碰。
而在1.3Pa时,分子间平均自由程可达4.4mm。
若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时,气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。
在分子流范围内,气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。
当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时,气体分子就会较多地射向转子和定子叶片,为形成气体分子的定向运动打下基础。
3.3.2分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。
具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。
分子泵的转速越高,对提高分子泵的抽速越有利。
实践表明,对不同分子量的气体分子其速度越大,泵抽除越困难。
例:
H2在空气中含量甚微,但由于H2分子具有很大的运动速度(最可几速度为1557m/s),所以分子泵对H2的抽吸困难。
通过对极限真空中残余气体的分析,可发现氢气比重可达85%,而分子量较大,而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。
这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高,抽吸效果好的原因。
3.4分子泵的应用
一般来讲,分子泵用来获得高,或超高真空。
广泛应用于:
工业工艺过程(装饰、ITO、PVD、晶振、玻璃镀膜,照明、真空炉排气);仪器、设备;科研、军工以及半导体等领域。
4离子泵
4.1溅射离子泵
4.1.1工作原理:
极板间加高压(~5kV);电子螺旋运动(longerpath-length).气体分子被电子离化,向阴极运动;离子注入阴极(Ti,Ta),溅射阴极材料;溅射出的阴极材料与气体反应,沉积在角落中或阳极上;10-4Torrto10-11Torr
4.1.2溅射离子泵的组成:
溅射离子泵主要由阳极、阴极、永磁铁和泵体四大部分组成。
4.1.3溅射离子泵的工作过程:
首先,电源启动,用磁控放电生成离子。
其次用化学活性金属(通常是钛)制作的阴极在离子的轰击下发生溅射。
最后被溅射的金属形成的薄膜对气体进行吸附,空间中的气体和被溅射的阴极材料形成化合物从空间中除去。
4.1.4溅射离子泵的优缺点
优点:
是一种完全不用油的清洁泵。
一旦封离,跟大气空间的通道就全部截断,即使由于停电等原因而中断能量的供给也无关紧要,如果再通电又会再启动。
所需的只是电力,高真空时耗电量少。
缺点:
对排除反应性气体十分有效(如氧气,氮气),但是对排除惰性气体的排除是有限的。
特别是氩气,在排气过程中,压强急剧变化,很不稳定。
每隔2-3年清洗一次,费用较高。
4.2钛升华泵
4.2.1工作原理:
加热Ti丝使其蒸发到冷壁.Ti原子与气体反应.
4.2.2优点及缺点:
工作范围10-8-10-11Torr;便宜,可靠,无噪音,无振动,无断电问题;需要再生,很难排除惰性气体和甲烷。
5低温泵
图5低温泵的结构示意图
图5低温泵的结构示意图
Fig.5Schematicdiagramofcryogenicpump
5.1低温泵及其应用:
低温真空泵(又称低温泵、冷泵、冷凝泵)是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽气的容积式真空泵,是无油高真空环境获得设备。
低温泵应用于半导体、集成电路、光电器件的制造工艺过程,是集成电路专用设备中的关键设备之一;低温泵也用于各种其它镀膜设备和真空应用设备中。
5.2冷凝泵
5.2.1工作机理
低温冷凝。
由于低温泵冷板表面温度很低,极容易将撞击其表面之气体分子粘住,使其温度急速下降而被冻结,从而减低空间中的分子数低温吸附。
这是基于低温泵的吸附材料与碰撞的气体分子之间的束缚力而产生的对一些像H2和He等不易冷凝的气体分子的相对固定,尽管它们的蒸汽压力还相对较高。
低温捕集。
两种气体同时被抽,但其中一种充当吸附剂。
如:
如果Ar气被冷凝成冰晶,它对其它气体来说,又相当于吸附剂及冷阱。
5.2.2低温泵抽气机理
5.2..2.1低温冷凝:
图6平衡压力和低温沉积温度之间的关系
Figure6Relationshipbetweenequilibriumpressureandtemperatureofthedepositiontemperature
上图表示低温泵把真空室内的压力降到极低水平的能力。
它表示了低温沉积层上面平衡压力和低温沉积温度之间的关系。
例如:
水在760Torr压力下在373K沸腾。
在273K的结冰温度上蒸汽压为4Torr。
如果冰层被进一步冷却到150K,平衡蒸汽压将为4×10-8Torr。
如果在制冷机一级温度上,压力将低于10-10托数量级。
从这个图上我们也可看出,对N2来说,如果冷板温度小于等于20K,压力将小于10-10托。
5.2.2.2低温吸附:
单用低温冷凝是不够的,Ne、H2、He等气体在20K的平衡蒸汽压力太高了,不能被低温冷凝在光的表面上,因而,用活性炭来吸附这些气体。
用活性炭作吸附材料是因为它有大的表面面积,也因为再生过程中它在室温下气体能很容易地脱附。
吸附在活性炭上的氢的平衡压力决定于活性炭温度和已吸附的氢的量。
随着吸附的氢的增加,吸附就变为在活性炭表面的冷凝。
但冷凝层厚度增加时压力不变。
活性炭抽氢能力很大,如果制冷机把1克活性炭保持在15K,它可以在10-6托吸住280SCC的氢。
低温泵能够吸住气体的最大量(抽气容量)是指对特定的气体种类的抽吸能力,也就是低温泵被再生前抽除的气体的体积。
5.3低温泵的抽气速度(抽速)
由于多数真空系统工作在室温,设想理想速度基于室温。
这样一种分子的速度仅仅由分子重量决定,较轻的气体具有较大的速度,氢的分子重量是2,通过每平方厘米开口面积上的抽速为44.6L/S。
水分子量为18,理想抽速为14.9L/Scm2,而氮为这组中最重的为28,它的理想抽速为11.98L/Scm2。
如果所有碰到泵口迎面上的气体分子都冷冻在百叶窗上的话,就实现了理想抽速。
事实上,水就达到了这一点,几乎所有碰到泵表面的水分子都粘在了百叶窗表面而不返弹回去。
象N2这类气体必须穿过百叶窗冷冻在内部冷板上,一部分分子返弹回去,其余的部分穿过去冷冻在内部冷板上,为了有效阻挡辐射热到达内部冷板,低温泵有入口百叶窗,它允许大约40%~25%的空气分子(O2和N2)流过它冰冻结在冷板上。
这样,对N2的净抽速是理想抽速的25%—40%或3.0—4.8L/Scm2,Ne、H2、He要走过更曲折的道路才能到达活性炭部位,结果只有约12%—20%的到达泵口表面的H2分子被低温吸附了,其余将弹回,所以H2的净抽速约为理想抽速的12%—20%或5.6—8.9L/Scm2。
5.4低温泵的抽气能力(抽气容量)
低温泵能够聚集大量的固态水、空气、氩、氮和氧,然后再蒸发除霜。
在这些霜层形成时,泵的抽速很少降低,制冷温度变化也很少,随着霜层增加到一定程度,抽速和温度都会有明显变化。
水被聚集在障板上直到堵掉一半的障板面积(例如:
一个φ200口径的低温泵可凝聚300克水蒸气成冰)。
固体氮和氩聚集在低温板的外层达几个厘米,通常这个厚度仅受到不能挨到辐射屏的限制。
(例如:
一个φ200口径的泵在低温板外凝聚1cm厚的空气或氩,其量为1200标准升。
该泵专门用于溅射台,其低温板较大。
另一种同样口径的泵该值仅为350标准升)。
能吸收氢的量为对氢抽速减少50%时所聚集的氢平衡压力(一段选l×10-6托)决定,当抽除其它气体使低温板温度升高时,能吸附氢的量就减少。
6总结
随着科技的不断进展,真空泵已经在食品、工业、航空航天等多个领域得到了广泛的应用。
以上介绍了几种常见的真空泵,简单介绍了真空技术在这些真空泵中的一些应用;这几种真空泵有一些共同的之处;当然它们也有各自不一样的特点。
因此,在实际的应用中,我们应该根据实际的需要来选择适合的真空泵。
当然,由于实际问题通常比较复杂,很多时候我们往往需要多种真空泵来实现我们的需求。
为了便于比较它们各自的特点,下表列出了这些真空泵的原理和相应压强的工作范围:
表1常见真空泵的原理和工作范围
table1theprincipleofcommonvacuumpumpandthescopeofwork
上表可以看出每一种真空泵都有一个工作范围,目前没有任何一种真空泵可以从大气压一直工作到接近超高真空的。
为此,必须将几种泵联合使用,如机械泵、油扩散泵联合的有油系统和吸附泵、溅射离子泵、钛升华泵联合的无油系统
7展望
真空泵已经在多个领域得到了广泛的应用;是一个量大面广的产品,产量很大,产值不高,但它确实是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。
我国真空泵制造业有着悠久的历史和雄厚的基础,国产真泵已经在各个不同领域得到应用并经过验证,有些泵还出口国外,得到国外用户的认可并受到好评,应该说我国真空泵制造业在国内外市场仍然有着巨大的发展空间。
我们相信;随着科技的不断发展,真空技术在真空泵中的应用将会逐步地有单一方面转向综合方面,唯有如此,才能逐渐走向小型化、综合化;不仅节约资源和成本,也能满足市场的需求。
参考文献
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[3]徐成海.真空工程技术[M].化学工业出版社.2006.
[4]郭方淮.实用真空技术[M].大连理工大学出版社.2012.
[5]全国化工设备设计技术中心机泵技术委员会.工业泵选用手册[M].化学工业出版社.2011.
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