img
img
img
img
img
banner

学术天地

热点推荐

2021世界公众科学素质促进大会在京举办
2021世界公众科学素质促进大会在京举办
2021世界公众科学素质促进大会在京举办
2021-12-02
查看详情
中国科协党组传达学习习近平总书记重要讲话精神
中国科协党组传达学习习近平总书记重要讲话精神
中国科协党组传达学习习近平总书记重要讲话精神
2021-12-02
查看详情
百年党史中的百年学会
百年党史中的百年学会
百年党史中的百年学会
2021-12-01
查看详情
>>
>>
> >
100余年的发展历程,国内外专家和企业各有何贡献?

100余年的发展历程,国内外专家和企业各有何贡献?

  • 分类:真空杂志
  • 作者:《真空》杂志
  • 来源: iVacuum真空聚焦
  • 发布时间:2020-05-15 12:40
  • 访问量:

【概要描述】

100余年的发展历程,国内外专家和企业各有何贡献?

【概要描述】

  • 分类:真空杂志
  • 作者:《真空》杂志
  • 来源: iVacuum真空聚焦
  • 发布时间:2020-05-15 12:40
  • 访问量:
详情

上世纪初至60年代
        1913年,德国物理学家W. 盖德最先发表了他研究扩散泵的报告。
        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10-5Pa的真空度。
        1928年,英国人C. D. 伯尔奇发现高沸点的石油衍生物,用作扩散泵的工作液。
        1932年,何增禄先生在PHYSICS杂志上发表论文,从理论上描述各种喷嘴结构的抽气效率,提出了“速度系数”的定义和表达式,后来被一些文献和书籍引用,将其称为“何氏系数”。
        1936年,C. D. 希克曼等人制成人工合成油,这种油在室温下的饱和蒸气压非常低,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。
        1953年,前苏联制定了扩散泵产品的统一系列。
        1960年左右开始,油扩散泵的发展逐渐成熟、完善。又经过50多年的改进,直至现在,几乎再没有创新性的重大变化。

上世纪70年代
        上世纪70年代,从国外文献中了解到——
        美国NRC的瓦里安公司采用大肚子(凸腔)泵提高抽速,比抽速可达6.9L/(cm2·s);德国雷暴-海拉斯公司通过改变喷嘴结构设计提高抽速;日本新德田公司比抽速在4.1L/(cm2·s)左右;英国爱德华公司,瑞士巴尔菜斯公司比抽速都在5.5L/(cm2·s)以上。比功率指标:抽除1.2Torr·L/s(1Torr=133Pa)的气体量,需要1kW的功率。
        这些国家在降低返油率方面的工作主要有:
        将普通扩散泵油改为使用饱和蒸气压低的硅油;
        在泵口上加装档油板、挡油帽、冷肼,返油率可以降低到10-6mg/(cm2·min);
        为了节约能源、实现启动快、冷却快的目的,开始尝试改进加热器,由普通电炉改成封闭的饼状电炉,由外加热器改成了内加热器。

国内研究逐渐增多
        参考国外的这些情况,从上世纪70年代开始,国内研究扩散泵的人逐渐增多。当时研究的主要方向是如何提高扩散泵的技术性能。
        追求的性能指标有:比抽速(单位时间、单位泵口面积所抽出的气体体积)、启动时间(从对泵加热开始到泵工作所需时间)、工作范围(泵正常工作的压力范围)、比功率(抽出单位容积气体量所消耗的功率)、泵的极限压力(真空度)、抽气速率、返油率等。
        沈阳真空技术研究所前总工程师龚求初参考国外的资料,提出对国内扩散泵发展的看法,希望扩散泵的性能指标达到:比抽速要达到6L/(cm2·s);最大排气压力60Pa(约0.5Torr);扩大抽气范围,希望在10-1Pa还有抽速;返油率不大于5×10-3mg/(min·cm2)。
        直到1977年真空技术研究所行业室的高学林发表文章指出:国内对于扩散泵的设计理论还没有掌握,产品性能不够稳定,有些产品的抽速还达不到部颁标准。应该总结经验,尽快找出抽气速率低、热效率低的原因。

此后围绕扩散泵研究开展的主要工作


1、提高扩散泵抽气速率方法的研究
        王铭朴首先提出尽可能增大射流面积、减小顶喷嘴直径、提高喷嘴出口蒸汽流速度、采用凸腔泵。
        寇斌、袁淑霞设计出双层复合喷嘴,但是因为结构复杂,提高抽速不明显而没有发展起来。
        张国孝、耿立华提出评价扩散泵抽气速率不采用比抽速或何氏系数来表述,而是建议采用抽速系数。抽速系数定义为泵入口平面处的实际抽速与其理论抽速之比,为小于1的无量纲系数。

        总结提高扩散泵的抽速即提高抽速系数的途径有:
        增大第一级喷嘴最大外缘截面上的泵壳直径(即凸腔泵);
        减小第一级喷嘴最大外缘直径;
        增大泵入口到第一级喷嘴最大外缘截面之间的通导(即缩小泵口平面到第一级喷嘴最大外缘截面的距离);
        提高第一级喷嘴最大外缘截面处的何氏系数,实现多级泵各级之间抽速搭配合理(使各级喷嘴的抽气量相等)。

        徐成海介绍了前苏联曾经研制的一种带有运动部件的扩散泵,在导管的顶部,装有能够旋转的螺旋桨,导管通过轴承装在底座上,在导管壁上开设螺旋线形喷嘴,油蒸汽从喷嘴喷出时,推动螺旋桨旋转,实现提高抽速、降低返油率的目的。因为结构复杂,国内没有开发这种结构的扩散泵。

        姚民生通过绘制蒸汽流图谱,为提高凸腔扩散泵抽气速率寻找理论根据。

        龚建华等通过计算抽速系数,证明了凸腔泵可以提高抽速。

2、提高扩散泵极限真空度方法的研究
        国外有文献介绍扩散泵的极限真空度与泵工作液的性能有关,DC-705硅油可以使泵的极限真空度达到10-8Pa;泵的密封、烘烤以及所用挡板、冷肼的结构冷凝效果都会影响极限真空度。
        Hablanian则认为锅炉的温度、加热面积对于极限真空度影响更大,锅炉温度超过250℃,泵的性能会恶化,在高温下采用低饱和蒸气压的油是无益的,有时在锅炉内设置防爆板,防止暴沸是有效的。
        张国孝、耿立华总结出的具体办法是:采用低饱和蒸气压的工作液,在泵底与泵芯结构上增加分馏装置;在第一级喷嘴顶上加挡油帽。曾有人提出采用聚本醚作为工作液可以提供极限真空度,后来证明聚本醚有毒,遂被淘汰。
        李殿东给出不同泵工作液、冷帽、冷肼的温度对扩散泵极限压力的影响,提出极限压力与第一级喷嘴角度、喉部间隙、泵漏气率有关系。


3、提高扩散泵最大出口压力方法的研究
        罗云汉、徐成海等提出,扩散泵的最大出口压力与最后一级(喷射级)喷嘴形状,扩压器形状有关,改进喷射级喷嘴形状,加大该级喷嘴的喉部面积,选择合理的扩压器形状,增强蒸汽流密度和强度,理论上可以使最大出口压力达到0.7Torr(93Pa)。


4、降低扩散泵返油率方法的研究
        据国外文章介绍,最低返油率可以达到10-6mg/(cm2·min),还研究了测量返油率的方法。
        真空技术研究所行业情报室介绍:在第六届(1974年)国际真空会议上,Hablanian评述了扩散泵返油的对策,以及改进油蒸汽的蒸发方法;Hubcr讨论了返油的原因,认为被抽气体压力在10-4Torr(约10-1Pa)时返油率最大。
        挡油帽、挡板、水冷帽、水冷挡板、压缩机制冷挡板、液氮制冷挡板都可以降低返油率。
        陈益林等对于扩散泵返油原因进行了详细分析,并且通过研究扩散泵喷嘴内的附面层得出结论:降低扩散泵返油率需要增大第一级喷嘴的扩展度,增加蒸汽流速度,减少喷嘴内附面层的影响。
        徐玉江等采用图1形式的第一级喷嘴结构,用双层冷却的办法,降低扩散泵的返油率。


图1  K-800A型扩散泵第一级喷嘴结构

图2给出的是一种低返油率扩散泵的结构。


1-泵体;2-水冷挡油帽;3-泵芯;4-挡油器;5-加热器
图2  低返油扩散泵结构


        张静等认为采用常规挡油帽、档油环、障板也可以降低扩散泵返油率。

        夏正勋提出了蒸汽射流返流的计算模型,希望通过计算得到返油率的数值,然后寻找降低返油率的方法。

5、拓宽扩散泵抽气范围方法的研究
        主要是拓宽高压范围扩散泵的抽速,通过改变各级喷嘴喉部面积和喷射级喷嘴形状,实现在10-1Pa有较大抽速。
        张国孝设计了一种宽域高真空强力油扩散泵,采用扩散泵与增压泵结构相结合的方法,设计成带水冷帽的凸腔泵,拓宽了扩散泵抽气范围,使得该泵(入口直径600mm)的抽气压力范围向高压端延伸2个多数量级,即在1.3×10-1Pa、1.3Pa和10Pa区均有稳定的可复测之抽速。在1.3×10-2~1.3×10-1Pa处是高抽速区,平均抽速为16245L/s;其中5×10-2~1×10-1Pa处为最高抽速区,平均抽速>17000L/s;在1.3×10-1Pa处亦有较高抽速,其值为>16000L/s;当压力升至1.3×10-1~1.3Pa区,其抽速为2000~16000L/s;当压力升至1.3~10Pa区,其抽速为2000L/s~343L/s。
        徐成海等设计并生产了K—500型五级扩散泵,实现了拓宽抽气范围的目的,其结构如图3所示。经过调试,所达到的性能如图4所示。抽速大于10000L/s,极限压力6.6×10-5Pa,最大出口压力大于54Pa,在1.3×10-1Pa还有9000L/s的抽速,加热功率W,装油量4L。


1-水冷挡油帽冷却水管;2-水冷挡油帽;3-第一级喷嘴帽;
4-第二级喷嘴帽;5-泵体冷却水管;6-防护板;7-第三级喷嘴
8-泵体;9-第四级喷嘴;10-拉杆;11-挡油板;12-第一级导流管
13-防爆板;14-喷射级喷嘴;15-速冷水管;
16-放油及液面显示组合装置;17-加热器。
图3  K-500五级泵结构示意图

图4  K-500型扩散泵抽速曲线


6、扩散泵设计方法的研究
        崔承林用作图和数据统计的方法对K-400型扩散泵进行了改进设计,给出了扩散泵各级喷嘴角度、各级喷嘴间距、各级导管上段外径、各级导管下段外径、各级扩散喷嘴间隙、各级扩散喷嘴出口面积的经验公式和具体数值。
        王铭朴讨论了原苏联茨特林给出的扩散泵喷嘴喉部面积的计算公式,认为公式中喷嘴效率值η的选用应该考虑压缩比,给出推荐值为:当压缩比为2时,η值可选(2~3)×10-3,当压缩比为6~10时,η值可选(1~1.5)×10-3,当压缩比达到20时,η值可选(2~2.5)×10-4。即压缩比大时,选小的η值,而压缩比小时,选大的η值。
        王铭朴、张璠、可庆英给出扩散泵设计的几个经验值:喷嘴角度范围α=45~75,第一级喷嘴直径d=(1/2~1/3)D,其中D是泵口直径。并且提出了扩散泵设计的几项原则:(1)各级喷嘴有适当的过流面积(亦称扩散面积或抽气面积);(2)在照顾到其他因素的情况下,争取最大限度地提高喷嘴出口蒸汽流速度;(3)喷嘴出口蒸汽压力及密度与被抽气体压力及密度之比值保持恰当的数值范围;(4)单位时间内各级喷嘴喷出的蒸汽量,即各级喷嘴流量,必须与各级喷嘴抽气量相适应,以保证蒸汽射流与被抽气体碰撞而交换动量之后,其运动速度的大小和方向不发生较大的改变,且足以将被抽气体压缩到相应的压力;(5)具有适当的泵体高度及有效的冷却系统,以保证到达泵壁的蒸汽流得到充分的冷凝,减小下一级的负担;(6)对于锅炉内的蒸发面积、加热方式、功率,对泵喷嘴的几何形状、尺寸、角度等均需合理安排。
        姚民生发表文章关注蒸汽射流的抽气机制。基于气体动力学原理,通过绘制蒸汽射流特征线网图谱,从理论上分析扩散泵结构对蒸汽流结构的影响,为设计扩散泵提供理论依据,并且对凸腔扩散泵中凸腔大小与第一级喷嘴尺寸的关系进行了分析,给出了第一级喷嘴扩展度的经验值为10~20之间。
        陈益林等讨论了在扩散泵设计中喷嘴角度与扩展度之间的关系,各级喷嘴间距的确定方法。给出了凸腔泵凸腔部分的直径与泵口直径的经验关系式,即Dx=(1.7)1/2D,式中Dx为凸腔直径,D为泵的入口直径。


7、扩散泵节能方法的研究
        扩散泵的能耗主要体现在加热器上,节能方法主要体现在改变加热器的加热方式和防止热损失两方面。现在应用最多的是普通外加热器,热损失很大;普遍认识到内加热器的热效率高,在国内锦州电炉厂曾经研究应用,用镍铬带加热,陶瓷夹绝缘。但是,因为密封、绝缘困难,国内没有很好解决,而没有发展起来。


图5  一种高效扩散泵加热器


        图5给出的是日本人研发的一种高效加热器,其结构较普通电炉盘加热器复杂,但是热效率有较大提高。图中1是带散热片的锅炉底板,增加了热交换面积,加热温度比较均匀,使泵油的热分解大大减少了。2是管状加热器,热容量小,使启动和停泵时间缩短。3是内部挡板,防止爆沸的油滴达到喷嘴。4是急冷管,可以缩短工作后的冷却时间。5是锅炉过热器自动切断电源的恒温器。6是排油口和油标。

图6  一种内置式加热器的结构


        为了提高热效率,前苏联研制一种内置式加热器的结构,如图6所示。加热器4支撑在支架7上,与泵底8有一定间隙。由于泵液及加热器与泵底分开,所以消耗功率降低。

1-加热器支座;2-泵体;3-加热盘;4-绝缘层;5-电炉丝;6-电炉盘
7-发热盘端盖;8-陶瓷绝缘套管;9-连接轴;10-放松弹簧
11-压紧螺母;12-电源接线柱
图7  一种封闭式外加热器


        图7是一种封闭式外加热器,其特点是更换加热丝方便,也比较节能。

 

本文发表于《真空》杂志2019年第5期
原文标题:扩散泵的现状及发展趋势
本文作者:张志军,张世伟,韩进,徐成海
作者单位:东北大学机械工程与自动化学院

扫二维码用手机看

相关下载

暂时没有内容信息显示
请先在网站后台添加数据记录。

中国真空网是中国科协所属的中国真空学会门户网站,提供真空泵、真空系统、真空测量、真空检漏、真空镀膜相关的学术研究报告、行业资讯、行业标准、工艺技术培训、厂家设备选型等真空行业前沿资讯。

地 址:上海市长宁区番禺路75弄1号 200052