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1、1,赵风周 物理学院 2011.5,真空物理与技术 Vacuum Physics and Technology,2,第三章 真空获得,真空泵的分类与性能 容积式真空泵 动量传递式真空泵 气体捕集式真空泵 超高真空获得技术,3,第三节 动量传递式真空泵,利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体或气体分子，使气体不断地从入口传输到出口的真空泵。 分子泵：牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。 喷射真空泵：水喷射泵、气体喷射泵和蒸汽喷射泵三大类 扩散泵：以油或汞蒸汽作为工作介质。汞扩散泵不带分馏装置，油扩散泵有分馏装置,4,一、分子真空泵(Molecular Pump),5,1.1 概
2、述,分子真空泵（分子泵）是1913年德国人盖德（W. Gaede）发明的，之后他又以气体的外摩擦作用为分子泵奠定了理论基础。利用了气体的外摩擦输运现象，也就是分子牵引力，所以称为牵引分子泵。 1956年，德国人贝克（W. Becker）发明了涡轮分子泵，以高速旋转的动叶片和静止的定叶片配合来实现抽气，极限压强可达10-9Pa以下。 1972年出现了涡轮-牵引复合分子泵，采用螺旋动密封，可直接向大气排气。 近年来，空气轴承和磁悬浮轴承的应用，使分子泵作为清洁真空获得设备更加完善。,6,空气轴承（Air Bearing）,7,磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）,8,9,1.2 牵引分子
3、泵的结构特点与抽气原理,1-吸气口 2-排气口 3-转子 4-泵体 5-挡块,Gaede,Holweck,Siegbahn,10,Gaede MDP,Holweck MDP,11,Molecular drag pump (MDP),12,气体在两个平行平面1、2之间运动，二平面速度分别为u1和u2，运动方向为Ox。认为气体速度在Ox垂直方向上非常小（vz=vy=0），在Oz和Oy方向，压强为常数。,盖德理论,13,由板间低压气体输运性质可得,将上式积分，可得两平板间气体速度与通道高度的关系式,（1-1）,（1-2）,14,根据靠近上下两个面的气层受力的平衡条件，可以得到积分常数C1和C2,通过
4、槽宽为b的通道的气体的流导为S，即通道的抽速,（1-3）,15,由式（1-3），可以得到流量公式,（1-4）,16,式（1-4）可看成两个单独的流量的和,（1-5）,（1-6）,17,分界压强ps和分界通道长度xs,第一项与压强p有关，第二项为常量 某一瞬间，不是第一项起支配作用就是第二项起支配作用,于是可得一个特征压强ps粘滞流态和分子流态的分界压强,（1-7）,18,讨论：(1) 粘滞流态和分子流态的流量与抽速,分界压强ps把压强范围分成pps和pps两个区域, pps区域，气体为粘滞流状态, pps区域，气体为分子流状态,19,讨论：(2) 分界通道长度xs,分界压强ps处定为通道长度x
5、的原点，x=0 p=patm时，其坐标为x=xs分界通道长度, psppatm区域，气体为粘滞流状态，压强为, pps区域，x0，气体为分子流状态，压强为,20,直排大气的牵引分子泵,21,1.3 涡轮分子泵的抽气原理与结构特点,Turbo molecular pump,22,Turbo molecular pump,23,24,25,涡轮分子泵的抽气原理,26,27,气体分子的平均热运动速度设为C 站在叶片上观测，速度分布如(d)、(e) 令A1,0、A1,0、 A2,0、A2,0构成的通道空间为K 1的空间内，区分子可自由地通过K区到区 2的空间内，没有分子能自由的飞过K区到达区,抽气系数
6、和压缩比,28,气体分子从侧到侧的净气流量为,若A1=A2，T1=T2，p2/p1=n2/n1,29,H=0时，得最大压缩比Kmax,p1=p2时，得最大抽气系数Hmax,气体分子通过叶列的几率W12和W21与叶列的速度比C1、叶列倾角、叶列的节弦比a/b有关。通常W12和W21可用积分方程法、蒙特卡洛法、传输矩阵法和角系数法求得,30,31,涡轮分子泵都是由多级叶列组成的，转子与定子按次序交替排列，叶列的级数由泵要求的压缩比来确定，一般涡轮分子泵有1531级叶列。 若要提高抽速，叶列几何参数应选a/b1.0，=30o40o 若要提高压缩比，则应选a/b 0.5， =10o20o 多级叶列组合
7、时，在泵的吸入口附近应选择抽速大的叶片形状，压缩比可相对小一些；经过几级叶列压缩后，压强增大，抽速下降，这时应选择压缩比高抽速低的叶片形状整个涡轮分子泵的就能获得抽速高、压缩比大、级数少的结构。 叶片的速度比C1值越高，叶列的抽气性能越好，但是由于叶列受强度与气体摩擦生热的限制，C1不能选的过高，一般选C11.0,涡轮分子泵的结构特点,32,1.4 涡轮分子泵的特性,1、抽速,叶列的抽速可表示为,抽速与叶轮的转速之间大致有如下关系,若进气管道流导为SV，则实际抽速为,33,34,2、抽速与入口压强的关系,分子泵的抽速在分子流压强范围内几乎不变，但在过渡流和粘滞流范围内，由于大部分分子不能与叶列
8、碰撞，抽速会迅速下降。,35,3、压缩比与转速和相对分子质量的关系,压缩比与转速和相对分子质量的平方根有指数关系,分子量大的气体，压缩比高涡轮分子泵获得清洁真空的物理基础,36,4、压缩比与前级压强的关系,37,5、抽速与气体种类的关系,38,39,6、涡轮分子泵应用特点,工作压力范围宽，在10-110-8Pa范围内具有稳定抽速； 起动时间短，能抽除各种气体和蒸汽； 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。,40,1.5 复合分子泵(Compo
9、und molecular pump),41,复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体，在很宽的压强范围内 (10-61Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了出口压强。 复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种： 涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合 涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合 涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在10级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压强 在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的应配和衔接关系。,42,1、涡轮叶片与筒式牵引泵的组合,Compound molecular pum
10、p with Holweck stage,43,2、涡轮叶片与盘式牵引泵的组合,44,45,二、喷射真空泵(Jet Vacuum Pump),喷射真空泵是利用液体或者气体的高速射流携带被抽气体，使被抽容器内获得一定真空度的一种低真空泵。 按工作介质可分为水喷射泵、大气喷射泵和水蒸汽喷射泵 喷射泵特点： 结构简单、工作稳定可靠 可抽除含有水蒸汽、粉尘的气体、易燃易爆气体和腐蚀性气体 抽气量大，应用广泛：冶金、化工、食品制造等领域 缺点：抽气效率低，能量损失大,46,2.1 水喷射泵,水喷射泵是用水作为工作介质，通过高速射流来引射被抽气体，使容器达到一定真空度的粗真空获得设备 单级泵的极限压强为3
11、.3kPa，两级串联可获得好一些的真空度，主要受水饱和蒸汽压的限制。 可单独使用，也可作为其他真空泵的前级。,2.1.1 工作原理,47,2.1.2 水喷射泵的结构 喷嘴的作用是将水的压强转变成动能，其结构对泵的性能影响较大，常用锥形收缩型、流线型和多孔型。 吸入室一般为圆筒形，截面积为喷嘴出口面积的6-10倍 扩散器由渐缩段、喉管、渐扩段组成。渐缩段使气体顺利进入喉管(1530o)；喉管使液体与气体均匀混合，进行质量迁移和能量传递；渐扩段是将气液混合介质动能转变为压力能，使被抽气体压缩。(58o),48,2.1.3 水喷射泵的性能参数 水喷射泵的主要性能参数为极限压强、抽气量、抽速和体积引射
12、系数。 极限压强决定于水温对应的饱和蒸汽压,抽速与被抽气体的压强、温度有关，与泵的排气压强有关，与工作介质的体积流量、温度、压强有关,49,当pApf，pWpBpA时，泵的抽速为,注意：此时泵的抽速与被抽气体的压强无关,体积引射系数为泵的抽速与工作介质体积流率之比,50,2.2 水蒸汽喷射泵,水蒸汽喷射泵是用水蒸汽作为工作介质，从拉瓦尔喷嘴中喷射出高速蒸汽射流来携带被抽气体，使容器达到一定真空度的粗真空获得设备 单级泵的压缩比一般为810，为了获得更低的极限压强，需要多个喷射泵串联起来工作。,51,2.2.1 水蒸汽喷射泵的结构与工作原理 单级泵主要由拉瓦尔喷嘴、混合室、扩压器组成,1-工作蒸
13、汽进入室；2-吸入室；3-混合室；4压缩室；5-拉瓦尔喷嘴 6-扩压器；A-抽气入口；B-工作蒸汽入口；C-排气口；D-冷凝液排出口,52,工作原理 工作蒸汽在拉瓦尔喷嘴中的流动 工作蒸汽经拉瓦尔喷嘴加速，在喷嘴喉部达到音速WK，在扩张段继续加速，出口处获得超音速气流，喷射到混合室，在其中形成低压，将被抽气体吸入。 工作蒸汽和被抽气体在混合室中的流动 工作蒸汽和被抽气体在混合室中进行动量和能量交换，使二者速度趋于一致 混合气体在扩压器中的流动 混合气体在扩压器中减速增压，在喉部出现正激波，气流压强突升，速度同时骤降至亚音速；在扩张段压强进一步升高，最终克服出口反压排出泵外。,53,2.2.2
14、抽气性能 水蒸汽喷射泵的抽气性能可由引射吸收和压缩比来描述。,引射系数：被抽气体质量流率与工作蒸汽质量流率之比，反映了泵的抽气能力和效率,压缩比：出口压强与入口压强之比，反映了泵的排气能力和获得的极限真空度,水蒸汽喷射泵的抽气性能与工作介质的压强、温度、流量有关，与被抽气体的种类、压强、温度、流量等因素有关,54,2.2.3 多级喷射泵系统 为了获得更高的真空度，可将两个或者两个以上的喷射泵串联起来工作 中间设置冷凝器，将失去工作能力的蒸汽冷凝以减少下级泵的气体负荷 多个喷射泵、冷凝器以及管道、阀门、供水、供气系统、测控系统构成多级喷射泵系统。,55,使用压强高的水蒸汽可获得大的膨胀比，喷射器
15、有较高的引射系数（被抽气体与工作蒸汽的重量比），可减少泵的蒸汽耗量和冷却水。 压强高于1.2兆帕时效果不明显,而且还会增加生产蒸汽的费用。 通常选用0.41兆帕的蒸汽，低到0.25兆帕的蒸汽也可使用。 使用湿蒸汽会使泵的性能不稳定，一般选用干饱和蒸汽或过热蒸汽。,2.2.4 水蒸汽的选用,56,补充,1. 时间常数与排气时间,用抽速S=常数的真空泵，对容积为V的容器抽气，在dt时间内的抽气量为pSdt，压强变化dp，对应于dp的气体量为-Vdp,积分上式，考虑初始条件pt=0=p0，有,57,时间常数,抽气时间,58,2. 排气状态微分方程,考虑表面脱附、渗透、气体返流、泄漏等因素后，排气状态
16、微分方程可写为,(1) Q=0，理想状态,59,(2) Q=QB,排气状态微分方程可写为,t=0时，p=p0,t=时，dp/dt=0，p=p=QB/S,有效抽速,60,抽气时间,61,(3) Q=QL，S=constant,(4) Q=constant，S=0,真空泵不工作或由阀门隔开,62,例,P294，第3题,解：V=500L，p0=1atm，p=1Torr，求有效抽速,需要求解S和p,p1Pa,63,P294，第7题,解：S=10L/s，V=5L，p0=1atm，p=3Pa，p=610-2Pa，求抽气时间,64,P294，第9题,解：D=20cm，d=10cm，l=10cm，h滑片=0.4cm，=400rpm，V=5L，p0=1atm，p=10Pa，求最大抽速和抽气时间,对双旋片泵，其最大抽速为,当旋片垂直于泵腔中心-转子中心连线时，露出槽外长度最小，为Dcos-d,65,泵腔半径R，转子半径r，t时刻旋片总长度AB，OO1为偏心距e，过泵腔中心O做AB垂线ON，AB与泵腔直径
