油扩散泵的现状及发展

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1、油扩散泵的现状及发展作者：李殿东 兰州真空设备有限责任公司摘要：对国内外油扩散泵的主要性能及现状作了比较，初步分析出存在的差距，提出了今后的发展趋势。关键词：油扩散泵，抽气速率，临界前级压力，泵液返流率从上世纪我国研制出第一台油扩散泵开始，经过数代人的呕心沥血和长期探索研究发展，已达到相当的技术水平和一定的生产规模，被广泛应用于机械、电子、冶金、原子能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中，为我国的科技发展做出了显著的贡献。 油扩散泵具有对被气体无选择性、抽气速率大、结构简单、无机械传动、无摩擦和操作维护方便的特点，抽气原理是利用高速运动的油蒸汽流与被抽气体混合进行能理交换而达到抽气作用的。代表

2、油扩散泵技术水平的主要性能（参数）指标为：极限压力、抽气速率、临界前级压力、泵液返流率、平均无故障时间等。 国内直接从事泵的开发研制、生产的单位主要集中在2所大学、1个专业研究所和4家国企，目前有许多公司、企业通过交流、仿制等办法参与泵的制造。国际上油扩散泵技术水平较高的主要代表厂商为Leybold、BOC Edwards、ULVAC、Pfeiffer(Varian)等公司，其产品在国内都有用户，口碑均不错。下面我们对国内外油扩散泵的现状进行比较，探讨今后发展的方向。 1、分类与特点新国家推荐标准将油扩散泵分为K系列（直腔泵）、KT系列（凸腔泵）2个系列，主要依据泵的外形差异进行区别。实际上市

3、场现存的产品除包括上述2类外，还包括KA系列（直腔矮泵）、KTD系列（凸腔低返油泵）、KC系列（宽区域泵）等；按喷帽、喷嘴数量分有5级、4级、3级等形式。泵系列的演变是随着我国科技人员对油扩散泵研究的深入和解决实际就用问题的过程中逐步完善的。例如，在允许稍许降低泵的抽气速率指标下，通过合理的调节泵芯各级间距，可以降低泵的高度，从而减小空间高度，于是出现了直腔矮泵。实践发现在泵口尺寸不变的情况下增加泵腔尺寸可以将泵的抽气速率平均提高30%，甚至50%，对大泵来说也有一定的效果，我公司新研制的地么1200mm的凸腔泵比直腔泵的抽气速率提高20%，由于提速效果明显，凸腔泵很快系列化，并成为油扩散泵的

4、主流产品，广泛应用于各类真空应用设备中。随着半导体管行业的发展，提出了洁净真空的要求，必须严格限制泵液返流率，甚至要求无油真空的环境，因此只有降低泵本身的返流率并配置合理有效的防返油装置才能解决问题，于是凸腔低返油泵系列应运而生，该类泵的泵腔、泵腔的设计与凸腔泵有明显的不同，设计参数突破了原有的选择范围，并不只是简单地将水冷挡油帽置于泵腔内的结构，实际表明，凸腔低返油泵和预期的效果尚有差距，需进一步改进探索。油扩散泵在10-410-2Pa范围具有稳定的抽气速率，压力高于10-1Pa时抽气速率降幅非常大，形成明显的拐点，使油扩散泵与前级泵不能很好地衔接，延长抽气时间，新生的宽区域泵在不改变泵原有

5、的性能指标的情况下，提高泵在高压力区域的抽气速率，同时提高泵的临界前级压力，使抽气效率明显增大。外国公司的油扩散泵一般根据用途、配套的辅助部件（如挡板）的不同来划分系列：ULVAC公司分为ULK系列、UF系PEL系列；BOC Edwards公司按用途分科研、工来和彩管行业用泵，有Standard DIFFSTAIC、Cryo-cooled DIFFSTAIC、HT和EO系列；Pfeiffer公司分为DIF系列和DIFC系列；Leybold公司是DIP系列。各公司一般将科研用泵和工业用泵、通用型和专用型泵、小口径泵和大口径泵区别开来，有的公司将泵、阱、阀、冷却和电控集合为一体，方便了用户的使用。

6、外国公司产品联体界面，丰富产品类型的同时简化了用户使用手续，降低对用户专业化知识的要求。2、极限压力极限压力指标除了与泵的喷嘴、喷帽的喉部间隙有直接关系外，还与泵液的品质、一级冷帽板、阱）的温度、泵的漏率、系统的放气、泵液冷却的合理性等因素有关。国内重点企业提供的产品性能在该指标上基本一致，通达到国家标准规定的合格品指标，而普通企业的泵很多达不到10-5Pa,以至新的推荐标准将合格品指标降为1.510-4Pa。采用普通KS-3扩散泵油的国内知名品牌泵实测指标大多在510-5Pa，甚至可以达到2.510-5Pa，与采用275硅油泵的实测指标不相上下。该指标国产知名品牌泵与国外产品基本一致。如果采

7、用增加冷却挡板（阱）、使用单馏分高分子量的油作为工作液、泵体采用低放气量的不锈钢材质和进行长时间烘烤等手段，泵的极限压为至少可以达到510-6Pa。国外公司泵的极限压力与采用的工作液相对应，有的公司未给出具体的指标，只给出泵的抽气范围作为参考，如Pfeiffer公司。工作液的品质对泵的极限压力影响非常大，从Leybold公司的资料显示同一型号的泵采用不同的泵油其指标相差可达2个数量级，见表1。各公司均给出不同的工作液供用户选择，满足不同用户的需要。ULVAC公司有ULVAC-D11、ULVAC-D31等，Leybold公司有DIFFELEN、Silicone等，BOC Edwards公司有Sa

8、ntovac 5、Silicone、Apiezon系列等。表1 不同泵油的泵所能获得的极限压力Pa型式油牌号DIFFELENlightDIFFELENnormalDIFFELENUltra or DC704DC705无挡板1.310-31.310-46.010-54.010-5带式冷帽6.010-46.010-52.610-51.310-5带水冷阱1.310-41.310-52.610-61.310-6如果国内生产的扩散泵油能达到国外油的品质，从泵的设计、制造来看完全可以达到甚至超过国外泵的指标。如何提高和丰富泵油的质量、品种已摆在石化行业面前，从这点可以看出真空技术对其它行业发展的强烈信赖性

9、。上世纪九十年代国内一些研究所、企业（如上海惠丰化工研究所、北京石大中油石油化工技术有限公司、北京市燕山特种润滑油厂、北京四方针政策特种油品厂等）已经能向市场批量提供各类真空泵油，丰富了原有的大边、兰州、甘肃玉门各类真空泵油的品种，但扩散泵油仍然是水平相当的相互重和，与国外油品的差距并未明显缩小。泵油性能不稳定，即使同一企业的不同批号油的性能也有差异直观上颜色、粘度都不一样。因此制油企业的课题和商机是改进加工工艺，提供稳定、高品质的油。扩散泵油的性能需要满足以下几点要求：常温下低的饱和蒸汽压，工作温芳下饱各蒸汽压要尽量高；摩尔质量或平均摩匀质量要大，最好要高于500g/mol;具有较低的（蒸发

10、）汽化潜热；油品洁净、馏分单一，不含凝结物质和其它杂质；具有良好的抗氧化性、抗酸碱性和抗辐射性；油品性能、质量要稳定增长、统一，各批号之间的差异要小。表2提供了一些国外油的主要性能参数，该参数对泵的性能指标有直接的影响。表2 不同泵液的技术参数/DIFFELENApiezon301Stantovac5 SiliconelightnormalultraDC702DC704EUDC705饱和蒸汽压Pa(20C)110-61.510-72.710-94.810-62.610-86.510-51.310-62.610-8饱和蒸汽压Pa(100C)/3.310-26.510-41.310-12.610-

11、21.310-3饱和蒸汽压Pa(150C)/1.64.010-2101.310-1摩尔质量g/mol500570600584446530484546密度g/cm3(20-25C)0.8620.8620.8640.9651.1951.071.071.09泵的极限压力Pa见表11.310-61.310-76.510-46.510-61.310-73、抽气速率抽气速率反映了某一压力下泵排除气体的能力，该指标一般用于低于110-1Pa范围的度量标准，是真空设备配置的关键因素。压力高于110-1Pa范围时，抽气量通常作为泵性能特征的参数，公式如下Q=PSPa.L/s式中P泵入口压力，Pa；S抽气速率，L

12、/s由于没有公认的国际标准，各公司根据不同的标准测量、计算得出的抽气速率差异值很大。据资料显示，在分压强下测的值比全压强下测的值能高出30%，美国（AVS）的数值比ISO标准高15%。另外，各公司泵的进气口直径大小、规格和形式都不一样，所以指标参数不尽相同。因此只有对国外泵采用我国标准进行8测试才能真正反映出实际的差异为了真正徇每一个泵种的技术水平，建议采用比抽速作为衡量每一个泵种的技术水平，建议采用比抽速作为衡量参数，这样就排除了由于泵口直径的差异导致的指标偏离，对不同系列或同系列不同口径泵的比较提供了相对准确的依据。比抽速是抽速系数的变形。比抽速K：单位有效抽气面积的气体体积流率。K=Sp

13、/F(L/s.cm2)式中Sp泵的有效平均抽气速率，L/sF泵口最大有效通导面积，cm2因为泵口防返油装置的流导不同，对泵的抽气速率影响很大，一般在10%至30%之间，只有在泵的辅助配置一致或近似的前提下比抽速才能作为衡量、比较的参数，即要么泵口无防返油装置，要么没结构型式近似的冷板、冷阱等。下面采用比抽速和抽气量来比较Leybold公司和我公司KT系列泵的异同。表3 Leybold公司DIP系列泵技术参数/DIP3000DIP8000DIP12000DIP20000DIP30000DIP50000名义抽速L/s3000800012000200003000050000通径mm250400500

14、6308001000比抽速L/s.cm26.16.46.16.46.06.4抽气量Pa.L/S(110-1时）2705601000140020003500表4是我公司泵的最低参数，实际测得值要高一些。从表3和表4可以看出，在10-410-2Pa范围内，我公司的泵与进口泵性能基本一样，体现了泵在高真空范围良好的抽气特性；但压力高于110-1Pa时，我公司的KT系列泵的抽速的抽速平均衷减36.6%，出现明显的拐点；Leybold公司泵的抽速平均衷减仅25%，体现该类泵在高压力段强大的抽气性能。 表4 KT系列泵技术参数/K-150TK-200TK-300TK-400TK-600T名义抽速L/s110021004500780017000通径mm150200300400600比抽速L/s.cm26.26.76.46.26.0抽气量Pa.L/s(110-1Pa时）77136279 4681020表5是我公司对Leybold公司的新泵DIP30000采用我国标准进行测试的结果，泵油用国产275硅油；表6为我公司制造的K-800TD凸腔式油扩散泵的抽气速率表，泵油为KS-3扩散泵油。