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国内扩散真空泵发展现状与前景概论

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发表时间:2024-07-10 09:05作者:张志军 张世伟等

国内扩散真空泵发展现状与前景概论

原创 张志军 张世伟等 真空聚焦 2024年06月19日 11:57

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摘要:本文简述扩散泵的原理、特点、分类、用途,回顾国内扩散泵发展的历史进程,分析扩散泵的现实水平、状况,探讨扩散泵未来的发展前景。

关键字: 扩散泵 特点 现状 前景


在过去的40年里,扩散泵是真空获得设备中发展和研究比较多的产品,《真空》杂志陆续刊登了许多学术研究论文和综述性文章,按阶段分析、探讨扩散泵的发展情况。本文是在这些前人工作的基础上,以《真空》杂志发表过的文章为主要参考文献,概述扩散泵在国内发展的历程、现状和前景。希望对国内扩散泵产品的持续发展起到推进作用。


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扩散泵简介

扩散泵是利用从伞形喷嘴喷出的高速工作介质蒸汽射流,携带扩散到蒸汽射流里的被抽气体,而实现抽真空的一种真空泵。其工作原理是:由电加热器(电炉)将装在泵腔(油锅)内的液态工作介质加热,使其变成蒸汽;蒸汽通过安装在泵腔里的泵芯喷嘴高速喷出,形成低密度、高速度的蒸汽射流;被抽气体通过扩散进入蒸汽射流中,被下一级蒸汽射流带走,最后由前级泵排出,而工作蒸汽到达水冷的泵壁,冷凝成为液态沿着泵壁流回油锅。在油锅里重新被加热变成油蒸汽。这样周而复始的工作,形成了扩散泵的正常抽气过程。

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在真空泵的大家族中,扩散泵属于高真空获得设备。它具有结构简单、无运动件、噪音很小、使用方便、维护容易、在高真空段有较大抽速,单位抽速所需制造成本较低等许多优点,因此,其应用面很广。扩散泵的主要缺点是返油、能耗高、热效率低。提高加热效率、降低能耗、降低返油率是多少年来扩散泵需要解决而至今尚未完全解决的主要问题。

扩散泵的分类方法比较简单:按使用的工作液可以分为油扩散泵和汞扩散泵;按制造扩散泵的材料可以分为金属扩散泵和玻璃扩散泵;按泵体形状可以分为直腔和凸腔扩散泵;按扩散泵的工作范围可以分为高真空、超高真空扩散泵和增扩泵(不同于增压泵);按加热器放置位置,可以分为内加热泵和外加热泵,以泵壳为界,放在泵壳内的为内加热器,放在泵壳外的为外加热器。

多年来,国内研究、设计、制造、使用扩散泵的单位和个人很多。

扩散泵的研究工作主要集中在:理论研究、结构研究、性能研究、测试方法研究等方面。

扩散泵的设计工作主要是:努力提高扩散泵的抽气性能、降低生产成本、提高热效率、节约能源。

扩散泵制造追求的是:工艺简单、省工省料、降低生产成本、提高可靠性。

扩散泵的使用主要集中在:真空镀膜设备、真空冶金设备、真空热处理设备、电子产品排气设备等,在高真空大抽速的需求场合扩散泵是不可替代的产品。用户希望扩散泵性能优良、运行可靠、价格低廉、操作简单、维修方便。

无论是理论研究、设计制造、应用单位共同希望的是:提高扩散泵的抽气性能,主要包括有:极限真空度、抽气速率、**出口压力、返油率。提高抽气性能主要研究泵的抽气理论、泵芯结构尺寸、泵体形状、工作介质、加热、冷却方式、温度等。降低生产成本主要考虑:泵的结构、材料、加工工艺。提高热效率、节约能源主要是解决加热、冷却方法、防止热损失的措施等。

目前,国内扩散泵已经形成标准化、系列化。依据扩散泵进气口直径,从K-80到K-1200分成16种规格,对于所能达的性能给出了具体指标。同时给出了实现这些性能指标的测试方法。


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扩散泵发展现状

到目前为止,扩散泵在国内的发展水平,可以从以下几个方面描述。

扩散泵结构和工作液的现状

从泵的结构材料看,主要有玻璃扩散泵和金属扩散泵。金属扩散泵的泵体多采用碳钢,泵芯采用铝。近些年,有些厂家的泵体和泵芯都采用放气量微小的不锈钢。

泵体结构主要有直腔和凸腔两种。凸腔的油扩散泵,是在泵的进气口法兰不变和不过分增大泵的外形尺寸条件下,在法兰下部突出地扩大泵腔的断面,其抽气速率可增大20~40%。

泵芯结构根据喷嘴的级数,主要有三级、四级、五级。其中喷射级喷嘴有圆筒形、渐扩形、渐缩形或拉瓦尔形,根据设计者对扩散泵性能的要求选定。

扩散泵的冷却方式可有水冷和风冷两类,水冷还有水冷套和水冷管两种。

扩散泵的型号主要有:普通直腔扩散泵(K型),凸腔扩散泵(KT型),矮形扩散泵(KA型),宽区域扩散泵(KC型),低返油扩散泵(KD型),凸腔低返油率扩散泵(KTD型)。低返油扩散泵采用一些降低返油率的结构或措施,如在**级喷嘴上装档油帽、在泵内壁上装档油环、在泵口装设小型制冷剂冷却或液氮冷却的冷阱等等。装冷阱的扩散泵比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8Pa的清洁超高空。因此,油扩散泵在清洁超高真空的工业生产和科学试验中又取得重要的地位。

扩散泵的加热器仍然以外加热为主。外加热器有普通电炉加热和加热管加热;受技术可靠性限制,内加热器没有发展起来。因此,扩散泵的节能问题没有解决。

扩散泵的工作液主要有油和汞两类。目前几乎全部采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油作为扩散泵的工作液,国内主要采用KS-3号扩散泵油;为提高泵的极限真空度,部分产品采用硅油;聚苯醚也可以作为泵的工作液,但是因为有毒,已经被淘汰了。以汞作为工作液,在普通工业应用中已经极为少见,但对一些特殊场合仍有价值,例如在国际高热原子能反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor)ITER的二期建设和核聚变发电厂(demonstration power plant)DEMO的规划中,就在论证采用汞扩散泵抽除核聚变中的氚。

扩散泵的自动控制水平还比较低。

扩散泵理论的发展现状

扩散泵的早期抽气理论是亚开尔理论,此后没有明显突破。只是清晰地认识到:

油扩散泵的**理论抽气速率是入口处气体的自由分子体积入射率,即

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其中S—抽气速率(m3/s);R=8.314(J/mol·K)—气体常数;T—气体温度(K);M—气体摩尔质量(kg/mol);A— 抽气面积(m2)。对于20℃空气,上式可以简化为S=11.6A(L/s)。

扩散泵抽气速率与被抽气体种类有关。一般情况对氢、氦等小分子气体抽速低,对氮气、氧气抽速较高。

扩散泵的蒸汽射流是抽除气体的动力,蒸汽射流的结构形状和流动属性决定着泵的抽气能力。影响蒸汽射流属性的结构和工艺因素、描述蒸汽射流属性的方法和测试技术等,还在研究中。

扩散泵性能的发展现状

极限压力6.7×10-5Pa;抽气范围6.7×10-5~1.3×10-1Pa;**反压力54Pa;返油率为2.8×10-4mg/(cm2 min); 启动加热时间20min。

扩散泵设计理论的发展现状

目前,扩散泵的设计计算很不成熟,还无法通过计算公式完成扩散泵的设计。只能通过扩散泵工质循环过程动力学分析,被抽气体传输及压缩过程的连续性分析,给出定性描述。用积累经验的办法设计扩散泵仍是主要的设计方法。公式计算方法,目前还只是参考。


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扩散泵发展前景

由于扩散泵具有极限真空度高、抽速大、抽气范围宽、结构简单、维护方便、没有运动部件等优点,使得扩散泵还有长远的应用前景,还有研究发展的空间。根据上述分析,预计发展方向应该是解决扩散泵耗能高、有返油、自动化程度低、理论不能指导设计等缺点。

节能型扩散泵的研究

扩散泵的高效节能,应该在加热器上下功夫。

加热器主要有内加热器和外加热器两种,需要统一认识的是内、外加热器的定义,我们认为应该以泵壁(泵底)为界,直接装在泵壁内(油锅里)的加热器称为内加热器,装在泵壁外面的加热器称为外加热器。目前有些工作人员将改进的、能插入到扩散泵底的加热管,称为内加热器是不确切的,应该还是属于外加热器。下图都是外加热器,只是较普通外加热器有所改进,比较节约能源。

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一种高效扩散泵加热器:1-锅炉底板;2-管状加热器;3-内部挡板;4-急冷管;5-恒温器;6-排油口和油标

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一种封闭式外加热器: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

可以看到,无论外加热器与泵底安装的多么紧密,都必须留有空气隙,否则电加热元件将与泵底接触而造成短路。空气隙导致电炉对泵底(油锅)的加热只能是辐射加热和空气的对流加热,辐射加热的效率低,空气对流加热的热损失大。这就是外加热器无法克服的缺点。

内加热器是将加热器直接放在泵体内,油锅里,加热器直接加热油。省去了加热器与泵底的传导热阻和对外界的辐射、对流散热,因此内加热器的热损失少,热效率高。

在20世纪70-80年代,曾经有几家工厂研制过内加热器,加热元件采用镍铬带,采用磁夹作为固定和绝缘元件,直接放在油锅里,实现节能。但是,按着当时的技术条件,出现了难题。主要是加热电极在通过泵壁时的密封、绝缘都很困难,而且不太可靠,密封、绝缘的零件需要经常更换;加热器的安装、更换比较难;使用时出现过短路现象。因此,内加热器没有发展起来。

现在的密封材料、绝缘材料都有了很大改变,电加热器也出现了好多种,如果经过认真研究,上述难题应该能够解决。采用内加热器,还有助于减少扩散泵的启动预热和停泵降温所需时间。

低返油率扩散泵的研究

扩散泵的主要缺点之一是返油,降低返油率是解决扩散泵应用前景的重要问题。为降低扩散泵的返油率,应该在单泵的结构和扩散泵真空系统两方面下功夫。

图片 K-800A 型扩散泵**级喷嘴结构


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低返油扩散泵结构::1 泵体   2 水冷档油帽   3 泵芯   4 档油器   5 加热器

上图给出的低返油率扩散泵的结构,均是在**级喷嘴之上加设水冷帽。还有人提出加大**级喷嘴的扩展度,提高喷射的蒸汽射流速度,实现扩散泵的低返油率。这些结论应该是研制低返油率扩散泵的结构改进方向之一。

组建低返油率的扩散泵真空系统是另一个方向。在扩散泵顶部加低温冷阱是有效的方法,随着小型制冷机组的日臻成熟,这种方法在镀膜设备的扩散泵系统中已被大量采用。还有什么新的办法,值得期待。

高度自动化扩散泵的研究

从加工制造、装配调试、性能测试、包装运输到使用维护,都需要自动化。现在扩散泵技术与其它制造技术相比相对落后,需要全面发展、赶上机械制造业的发展进程。制造不规范、装配不精准都会使得泵的性能不稳定。

值得强调的是扩散泵运行控制的自动化。例如,依据工作真空度和气体负荷实时调整油锅温度和加热功率,不仅可以降低能耗,还有望提高抽气性能和减少返流;对加热器和冷却系统的联合控制,可以解决目前普遍存在的预热升温和停车降温时间过长的问题;引入嵌入式故障报警系统,可大大提高扩散泵的有效可靠寿命。这些都需要研究和发展扩散泵与扩散泵真空系统的自动化。

特殊需求扩散泵的研究

近年来,常规扩散泵的市场需求受到了来自用户使用要求提高和其它泵种发展的双重挤压。大抽速分子泵和廉价低温泵的发展,蚕食了无油清洁高真空的部分市场需求。针对市场特殊需求开发专属用途的产品,是扩散泵发展的重要方向。早期曾面向逆流扩散检漏仪,开发出目前口径最小(65mm)的非标型号扩散泵,如下图,已得到实际应用;以及面向小型仪器应用市场,开展微小型扩散泵的实验研究。但随着微小型号分子泵的产品面世,小型仪器所使用的高真空扩散泵泵受到冲击。但扩散泵还会有属于它自己的市场需求,例如面向核聚变发电厂所开发的汞扩散泵,我国也正在筹划中。

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K-65型扩散泵的结构示意图

扩散泵的理论和设计方法研究

扩散泵的理论研究难度比较大,到目前为止,理论还不能指导扩散泵的设计,设计计算不可靠。扩散泵的设计主要还是靠经验。目前对于扩散泵还有一些现象解释不清。例如:凸腔泵可以提高抽速是认识到的实际情况,为什么凸腔泵可以提高抽速也能解释。但是,凸腔开在什么位置、凸起大小怎么确定等问题还都是凭经验解决。因此,理论与实际相结合设计出性能良好的扩散泵还是非常期待的事情。

扩散泵理论研究的主要方向应该是低压气体动力学。设计方法的研究**是抛弃经验设计,寻找科学的设计计算方法。


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结 论

扩散泵发展到今天,应该认识到:

扩散泵的极限抽速为理论抽速,扩散泵的实际抽速受**级喷嘴喷出的蒸汽射流形成的抽气面大小、结构、强度影响;受泵口到抽气面通导影响;受工作蒸汽返流大小影响。但实际抽速永远小于理论抽速。

扩散泵的极限真空度,取决于泵工作液的饱和蒸气压、油锅温度、挡油帽或冷阱温度、泵的漏气率,受**级喷嘴结构影响也比较大。目前扩散泵的极限真空度基本能满足用户要求,除特殊需要外,再花精力追求提高真空度没有太大意义。

从公开发表的文章看,20世纪70年代扩散泵发展迅速,近些年来扩散泵的发展很慢,理论上没有突破,结构变化不大,性能指标基本稳定。其原因主要是扩散泵的理论研究难度较大、意义不大,致使研究人员减少;随着干式真空泵的发展,清洁无油真空环境的需要,扩散泵的用量在减少,致使研究、改进扩散泵结构和性能的人员减少。但是,扩散泵在目前是不会消亡的。

扩散泵的发展方向,应该是研究、解决、提高理论认识;节约能源、降低成本、减少返油;根据需要发展满足特殊需求的扩散泵。



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