各种真空泵的比较.docx

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1、各种真空泵的比较【摘要】真空泵是获得真空的设备，本文将真空泵划分为：机械泵、蒸汽流泵、吸附泵。并在这三类中选择常见的真空泵，对其定义、工作环境、基本原理进行简要叙述，大致了解了不同真空泵的不同之处。关键词：真空泵、机械泵、蒸汽流泵、吸附泵一、引言“真空”是指气压低于一个大气压的气体状态。在真空状态下，单位体积中的气体分子数大大减少，分子平均自由程增大，气体分子之间、气体分子与其他粒子之间的相互碰撞也随之减少，这些特点被广泛应用于科学研究和生产的许多领域。在近代物理实验中开设有关真空技术的基础性实验，让学生有机会了解真空物理的基础知识，熟悉真空过程和操作，了解各种真空设备和仪表的工作原理和使用。

2、在真空技术中按气压的大小可分为：粗真空（76010Torr）、低真空（10103Torr）、高 真空（103108Torr）、超高真空（1081014 Torr）、极高真空（ 1014 Torr）。真空泵 是一种旋转式变容，产生高低压强差的泵体。在较宽的压力范围内有较大的抽速，对被抽除 气体中含有灰尘和水蒸汽不敏感。根据真空泵的性能，在各种应用的真空系统中它可承担如下一些工作：（1）主泵：在真空系统中用来获得所要求的真空度的真空泵；（2）粗抽泵：从大气压开始，降低系统的压强达到另一抽气系统开始工作的真空泵；（3）前级泵：用以使另 一个泵的前级压强维持在其最高许可的前级压强以下的真空泵。前级泵也

3、可以做粗抽泵使用；（4）维持泵：在真空系统中，当抽气量很小时，不能有效地利用主要前级泵，为此，在真 空系统中配置一种容量较小的辅助前级泵维持主泵正常工作或维持已抽空的容器所需之低压的真空泵；（5）粗（低）真空泵：从大气开始，降低容器压强且工作在低真空范围的真空泵。（6）高真空泵：在高真空范围工作的真空泵；（7）超高真空泵：在超高真空范围工作的真空泵；（8）增压泵：装于高真空泵和低真空泵之间，用来提高抽气系统在中间压强范围的抽气量或降低前级泵容量要求的真空泵。由于真空应用部门所涉及的工作压强的范围很宽，因此任何一种类型的真空泵都不可能 完全适应，只能根据不同的工作压强范围和不同的工作要求，使用不

4、同类型的真空泵。为了 使用方便，有时将各种真空泵按其性能要求组合起来，以机组型式出现。真空泵通常是按其 工作原理来进行分类的，大致分为：机械泵、蒸汽流泵、吸附泵。本文将简单介绍几种常见的真空泵。二、机械真空泵1.往复式真空泵往复式真空泵（又称活塞式真空泵）的极限真空，单级为 310Torr，双级可达102Torr， 用于从密封的容器中抽出气体，被抽气体温度不超过 35。往复式真空泵的排气量较大， 不适用于抽除腐蚀性的气体或含有颗粒状灰尘的气体。图 1 往复泵工作原理图1气缸；2活塞；3曲柄连杆机构；4排气阀；5吸气阀运转时，在电动机的驱动下，通过曲柄连杆机构的作用，使气缸内的活塞做往复运动。

5、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减小， 而形成抽气过程，此时容器中的气体经过吸气阀5 进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时， 气缸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 5 关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压强达到或稍大于一个大气压时，排 气阀 4 被打开，将气体排到大气中，完成一个工作循环。当活塞再自左向右运动时，又吸进一部分气体，重复前一循环，如此反复下去，直到被抽容器内达到某一稳定的平衡压强为止。 2.水环式真空泵水环式真空泵主要用于粗真空、抽气量大的工艺过程。这种泵的优点是：结构简单，制 造容

6、易，工作可靠，使用方便，耐久性强，可以抽腐蚀性气体、含有灰尘的气体和气水混合物，被抽气体的温度在2040为宜。单级水环泵的极限真空可达 6115Torr，双级水环泵的极限真空可达 0.8Torr。图 2 水环泵工作示意图1盖端；2泵体；3工作轮；4排气孔；5水环；6吸气孔；7工作室水环泵工作轮 3 在泵体 2 中旋转时形成了水环 5 和工作室 7。水环与工作轮构成了月牙形空间。右边半个月牙形的容积由小变大，形成吸气室。左边的半个月牙形的容积由大变小， 构成了压缩过程（相当于排气室）。被抽气体由吸气管和吸气孔 6 进入吸气室。转自进一步转动，使气体受压缩，经过排气孔4 和排气管排出。排出的气体和

7、水滴由排气管道进入水箱，此时气体由水中分离出来，气体经管道排到大气中，水由水箱进入泵中，或经过管道排到排水设备中。3. 旋片式真空泵旋片式真空泵有单级和双级之分，双级泵的极限压力可到达104Torr，在单级泵中，由 于选用的结构形式和参数不同，泵的极限压力也不同，一种单级泵可达3 102Torr 左右， 另一种单级泵为 0.3751.5Torr 左右。旋片式真空泵的特点是结构较简单，使用方便，能从大气压力下起动，可直接排入大气，偏心质量较小，维护简便。国内已有定型系列化产品（2X 型），在它适用的真空度范围内，可以单独使用，也可以与其他类型的真空泵配套作为预真空抽气设备。2X 型真空泵只能在环

8、境温度540范围内使用。此种泵不适用于对真空油起化学反应以及含有尘埃颗粒的气体。文中主要介绍单级旋片式真空泵。图 3 单级旋片式真空泵工作原理图1定子；2旋片；3转子，4弹簧，5排气阀转子绕自己的中心轴按箭头所示方向转动，转动中定子、转子保持接触，旋片靠弹簧作 用始终与定子接触。两旋片将转子与定子间的空间分割为两部分。进气口与被抽容器相连通， 出气口装有单向阀。当转子由图中位置开始转动时，由进气口吸入气体，并且空间 A 不断扩大，吸入的气体量不断增加。继续转动后，空间A 和进气口隔开，此时 A 体积最大。继续转动后，气体被推向右侧空间，并被逐渐压缩，气体的压强升高，直到冲开单向排气阀排 出泵外

9、。转子继续转动，这些过程不断重复，从而把与进气口乡里啊不同的容器内的气体不 断抽出，达到真空状态。4. 分子泵分子泵是靠高速转动的转子携带气体分子获得超高真空的一种机械真空泵，工作压强范 围为1021010Torr，先进的泵可以获得1011Torr 的极限真空。分子泵主要用作超高真空泵和高真空泵，但它不能直接对大气排气，需要配制前级泵。国内生产的分子泵型号为FW-140 型涡轮式分子真空泵。它的性能特点为：起动快，抽速平稳，返油率小，耐空气冲击，适用于真空作业。图 4 涡轮分子泵结构示意图分子泵的转子和定子都装有很多层带斜槽的涡轮叶片，转子与定子的斜槽方向相反，每一个转片处于两个定片之间。分子

10、泵工作时，转子高速旋转，迫使其头分子通过斜槽从泵的中央流向两端，从而产生抽起作用。泵两端的气体经排气管道有前级泵抽走。二、蒸汽流泵1. 水蒸气喷射泵水蒸气喷射泵的工作范围很宽（760104Torr），对被抽介质无严格要求。水蒸气喷射泵有喷射器、冷凝器、消音器等组成。喷射器是由喷嘴、吸入室和扩压器三部分组成的。冷凝器分为大气冷凝器和表面冷凝器。消音器安装在最终的一级喷射器上，以消除工作噪音。图 5 水蒸气喷射泵外形示意图图 6 水蒸气喷射泵的基本原理喷射器的工作过程可分为三个阶段：（1） 绝热膨胀阶段，工作蒸汽通过喷嘴绝热膨胀的过程将压力能转化为动能；（2） 混合阶段，工作蒸汽与被抽气流在混合室

11、进行混合两股气流进行能量交换；（3） 压缩阶段，即在扩压器中气体与蒸汽一边继续进行能量交换，一边逐渐压缩，动能又转化为压力能，到扩压器的喉部完成了混合过程，从而将被抽气体排出喷射器。2. 油扩散泵油扩散泵是用来获得高真空或超高真空的主要设备，工作压强范围为104108Torr。对各种气体无选择性，结构简单，没有机械运动部分，操作简单，便于维护。图 6 油扩散泵结构示意图扩散泵油锅中的泵油在真空中加热到沸腾温度（约200）产生大量的油蒸汽，油蒸汽 经导流管有各级喷嘴定向高速喷出。由于扩散泵进气口附近被抽气体的分压强高于蒸汽流终 该气体的分压强，所以被抽气体分子就不断地扩散到蒸汽流中。油蒸汽撞击被

12、抽气体分子， 是被抽气体分子沿蒸汽流束的方向高速运动。气体分子碰到泵壁又反射回来再受到蒸汽流的 碰撞二重性沿蒸汽流方向流向泵壁。经过几次碰撞后，气体分子被压缩到低真空端，再由下 几级喷射嘴喷出的蒸汽流进行多级压缩，最后由前级真空泵抽走。而油蒸汽在冷却的泵壁上 被冷凝后又返回到油锅中重新被加热，如此循环工作。四、吸附泵1. 钛泵由于钛有强烈的吸气能力，在室温下性质稳定、不易燃烧爆炸、易于加工成形，所以近年来广泛地应用于真空技术中，并逐渐发展成一种无污染的超高真空泵钛泵。钛泵对被 抽气体有明显的选择性，对活泼气体抽速大，蒸发钛泵的真空极限一般为1081011Torr， 冷阴极溅散离子泵为1010

13、1012 Torr。钛泵可分为蒸发钛泵、升华钛泵、轨旋式钛泵和溅散离子泵。2. 低温泵用低温介质将抽气面冷却到20K 一下，抽气面就能大量冷凝沸点温度比该抽气面温度高的气体，产生很大的抽起作用。这种用低温表面温度将气体冷凝而达到抽气目的的泵叫做低温泵，或称冷凝泵。低温泵的抽气能力和所能达到的极限压强，都和被抽气体的饱和蒸汽压有关。抽气原理：（1）低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上，其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时，冷板温度必须低于 25K；抽氢时，冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达 10 毫米左右。（2）低温吸附：气体分子以一个单分子层厚 (108厘米

14、数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在 20K 时氢的蒸气压力等于大气压力，用 20K 的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于108 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。（3）低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。一般说来，泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K 时， 水的蒸气压已低于108帕。温度为20K 时，除氦、氖和氢外，其他气体的蒸气压也低于108帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同，泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的 容器，低温板为 20K 时，泵

15、的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4 倍。低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。五、参考文献1 杨乃恒.真空获得设备M.北京：冶金工业出版社，1987.1-5.2 熊俊.近代物理实验M.北京：北京师范大学出版社，2007.185-192. 3真空设计手册（上册）M.北京：国防工业出版社，1979.88-236. 4日本真空技术株式会社.真空手册M.北京：原子能出版社，1986.15 5何璧生.旋片式真空泵J.真空 VACUUM，2002.4,2:26-32.6宋长安.分子泵获取高真空实验研究J.甘肃科技，2004,20(10)：113-115. 7杨乃恒.如何选择和使用涡轮分子泵J.真空 VACUUM,2010,47(2)：1-6. 8杨乃恒.分子泵的世纪回顾与展望J.真空 VACUUM，2001.4,2:1-14.9杨乃恒.扩散泵的世纪回顾与展望J.真空 VACUUM，2008.45(1):1-16. 10李殿东.油扩散泵的现状及发展J.真空 VACUUM，2002.8,4:1-6.11马兴坤.真空的获得与测量J.大学物理，1993,21(8)：36-37.