1、第二章第二章 真空泵与真空规真空泵与真空规1典型的真空系统应包括：待抽空的容器（真空室）、获得真空的设备（真空泵）测量真空的器具（真空规），以及必要的管道、阀门和其他附属设备。能使压力从一个大气压开始变小，进行排气的泵常称为“前级泵”。另一些只能从较低压力抽到更低压力，这些真空泵称为“次级泵”。真空泵是获得真空的关键设备。 真空系统简介真空系统简介2真空泵:利用机械、物理、化学或物理化学的方法对被抽容器进行抽气而获得真空的器件或设备，即用各种方法在某一封闭空间中产生、改善和维持真空的装置 。分类标准：结构和工作原理按结构分：旋片真空泵、往复真空泵、罗茨真空泵、滑阀真空泵、液环真空泵、喷射泵等
2、真空泵简介真空泵简介3真空泵简介真空泵简介升华泵升华泵4真空泵类型真空泵类型旋片式机械泵罗茨真空泵油扩散泵涡轮分子泵吸附泵升华泵溅射离子泵 5真空泵类型真空泵类型旋片式机械泵：旋片式机械泵：旋片式真空泵是应用转子和可在转子槽内滑动的旋片的旋转运动以取得真空的一种变容机械真空泵。工作原理：依靠插在偏心转子中的数个可以滑进滑出的旋片将泵体内的气体隔离、压缩，然后将其排出泵体之外。极限真空度： 10-1 Pa左右。优点：结构简单、工作可靠。缺点：油蒸气回流、同进污染系统。 6真空泵类型真空泵类型单极旋片式机械泵的结构7真空泵类型真空泵类型8真空泵的极限真空限制因素：真空泵的极限真空限制因素：1.泵体
3、结构上存在有害空间，该空间的气体，受压后漏到吸气空间。2.吸气空间和排气空间之间存在气压差，排气空间高压气体从间隙窜回到吸气空间。3.在吸气和排气空间的泵油气，也在上述两空间之间循环流动。真空泵类型真空泵类型双级泵：极限真空从单级泵的 1Pa 提高到 10-2Pa 数量级9总结说明： 为了提高气体的密封效果，防止气体回流，旋片式机械泵的运动部件之间只有很小的配合间隙，并且在泵体内还利用油来作为运动部件间的密封物质。同时，油还起着对这些机械部件进行润滑的作用。主要性能指标：抽速：1300 L/s极限真空度：单级旋片泵 1Pa ，两级串联 0.01Pa旋片式机械泵不仅可以单独使用，而且经常被用做其
4、他真空泵的前级真空泵。真空泵类型真空泵类型10真空泵类型真空泵类型旋片式机械泵图片旋片式真空泵是目前使用最广，生产系列最全的泵种之一。11真空泵类型真空泵类型罗茨真空泵容积作用原理：泵体内的两个呈8字型的转子以相反的方向旋转。转子的咬合精度很高，因而转子与转子之间，转子与泵体之间的间隙中不再使用油来作密封介质。 12真空泵类型真空泵类型13罗茨泵的主要性能指标：抽速可达10 L/s优点：结构简单、无油气回流，抽速很大。缺点：泵体与转子发热、膨胀，造成泵体损坏；这种泵的抽速不仅在压力低于0.1 Pa时，气体回流造成抽速降低，而且压力高于2000 Pa时抽速也将迅速降低。因此这种泵一般是与旋转式机
5、械泵串联后使用。适用压力范围： 10-11000 Pa。 真空泵类型真空泵类型ZJP型罗茨真空泵14罗茨泵与其它油封式机械泵相比有以下特点： 较宽的压力范围内有较大的抽速； 转子具有良好的几何对称性，故振动小，运转平稳。转子间及转子和壳体间均有间隙，不用润滑，摩擦损失小，可大大降低驱动功率，从而可实现较高转速； 泵腔内无需用油密封和润滑，可减少油蒸气对真空系统的污染； 结构简单、紧凑，对被抽气体中的灰尘和水蒸汽不敏感； 压缩比较低，对氢气抽气效果差； 转子表面为形状较为复杂的曲线柱面，加工和检查比较困难。应用领域：应用领域： 冶炼、石油化工、电工、电子等行业冶炼、石油化工、电工、电子等行业 真
6、空泵类型真空泵类型15真空泵类型真空泵类型油扩散泵工作原理：工作原理：把扩散泵油加热沸腾形成蒸气，油蒸气沿各级导流管上升，在喷嘴帽处改变方向、从喷嘴定向喷出，形成一环环的超音速蒸气射流、把不断向其扩散来的气体分子携带，一起向泵壁运动，碰到冷却的泵壁，油蒸气凝结在泵壁上形成油滴、流回油锅内再加热，而气体分子则继续向下一级射流扩散而被带走，经过逐级压缩，将气体分子送到排气口，由前级机械泵抽除。16真空泵类型真空泵类型油扩散泵的工作示意图喷射真空泵蒸气17只能被用在 110-6 Pa 之间分子流状态的真空状态下，而不能直接与大气相连。在使用油扩散泵之前需要采用各种形式的机械泵预抽真空至 1 Pa 左
7、右。 真空泵类型真空泵类型油扩散泵的特点缺点：缺点：泵内油蒸气的回流会直接造成真空系统的污染。优点优点：极限真空度高，抽速很大，根据口径大小，抽速可以从每秒几升至每秒上万升不等。 应用领域：应用领域：真空镀膜、真空炉、电子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物医药、原子能、宇宙探测等高科技领域。18影响油扩散泵性能的主要因素有影响油扩散泵性能的主要因素有: :扩散泵油蒸气的返流，解决的方法是在真空系统上加装冷阱，能有效地防止油蒸气的返流。气体分子的反扩散，通过在高真空机组中增加罗茨泵或双机械泵，增大前级泵的抽速，降低扩散泵出气口的压力，这样不仅可减少气体分子的反扩散，而且还能减少油蒸气的返流。扩
8、散泵油的裂化分解，采用合格的扩散泵油防止裂化分解。扩散泵脏化，污染物留在泵内重复循环，应对扩散泵进行清洗，并更换泵油。 真空泵类型真空泵类型19真空泵类型真空泵类型涡轮分子泵涡轮分子泵是利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。20分子泵分子泵的核心部件是旋转叶片和固定叶片.叶片的角度大，则排气速度大，压缩比小。叶片的角度小，则排气速度小，压缩比大。分子泵的排气速度基本上不受气体种类的影响，泵的极限压强可达 10-8Pa。分子泵是一种高速旋转的机械泵，因此对平衡的要求很高，对固体异物非常脆弱，通常要在分子泵的入口处安装金属过滤网。真空泵类型真空泵类型21真空泵类
9、型真空泵类型复合分子泵复合分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合。即在普通涡轮分子泵的高压侧设置高速旋转的螺纹，依螺纹部位的旋转运动。进一步将气体向排出口一方压缩。从而提高泵的工作压力范围，以满足大排气量的需求。复合分子泵复合分子泵涡涡轮轮分分子子泵泵牵牵引引分分子子泵泵22真空泵类型真空泵类型分子泵的特点：分子泵的特点：工作压力范围宽，在 10-110-8 Pa 范围内具有稳定抽速达到1000 L/s；起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；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
10、力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。23真空泵类型真空泵类型在低温下靠分子筛的物理吸附作用实现抽气的真空泵。吸附泵：吸附泵：一切固体表面的原子或分子由于受到的力场不对称，有过剩的自由能，因而对气体或液体具有吸附作用。但实际上只有多微孔的物质或磨得很细的物质因表面积很大，才有明显的吸附作用。分子筛就是这种物质。分子筛（人造沸石）为多微孔型结构的碱金属铝硅酸盐，体内有许多空腔状晶胞，其间有微孔相通。在液氮温度下，气体或液体分子通过微孔吸附于晶胞空腔的内表面上。24真空泵类型真空泵类型25分子筛吸附泵是利用分子筛在低温下能大量吸气、在高温下又能将吸附的气体释放出来的性质而设计的一种真空泵。分子筛吸附
11、泵的结构要求：分子筛吸附泵要满足如下几个条件。 使分子筛能得到充分冷却。 使被抽气体易于深入分子筛内部。 节省液氮的消耗量。 易于对分子筛加热再生。 必须设置安全阀。真空泵类型真空泵类型26真空泵类型真空泵类型真空的实质就是具有较低气体分子浓度的空间。因此, 只要降低空间的气体分子浓度就能获得真空, 而不必有实际上的排气过程。升华泵和溅射离子泵都属于钛泵，其工作原理升华泵和溅射离子泵都属于钛泵，其工作原理为：通过加热、电离等方法使钛原子与空间气体分子发生一系列复杂的物理和化学反应, 使气体分子伴随钛原子一起沉积下来, 从而达到降低空间气体分子浓度的目的。这与压缩泵的原理 ( 即将气体从一方压缩
12、到另一方来获得真空) 有所不同。升华泵和溅射离子泵：升华泵和溅射离子泵：27真空泵类型真空泵类型钛升华泵：钛升华泵：在抽真空的电子管中蒸发化学活动性强的金属（如钛）, 使其与管内未能抽净的气体发生反应, 从而降低空间的气体分子浓度。这种方法叫做化学清除。通过电加热使钛持续蒸发到一个冷却的壁上进而大量俘获气体分子获得真空的泵, 叫做钛升华泵。升华泵通常不能排除惰性气体和甲烷。28真空泵类型真空泵类型溅射离子泵：溅射离子泵：利用高速电子轰击气体分子可以得到正离子, 正离子在电场作用下被驱逐到负电极上, 中和后由于分子间的范德瓦尔斯力被金属吸附而不再离开电极。这样降低了空间气体分子浓度, 达到了获得
13、真空的目的。这种现象称为电清除, 利用电清除达到除气目的的泵称为离子泵。离子泵对吸附的气体没有选择性。 溅射离子泵主要由阳极 (不锈钢桶)、阴极(钛)、永磁铁和泵体几部分组成。29真空泵类型真空泵类型溅射离子泵的特点溅射离子泵的特点： 抽速对于不同的气体是不一样的（活性高的气体，抽速大） 溅射离子泵所抽除的气体分子不会在高温下再被释放出来 优点：优点：溅射离子泵是一种获得清洁超高真空的真空获得设备，完全不用油。一旦封离，跟大气空间的通道就全部截断，即使由于停电等原因而中断能量的供给也无关紧要，如果再通电又会重新启动。所需的只是电力，具有无噪声、无振动、操作方便等优点。离子泵工作是封闭系统，不需
14、要有连续工作的前级真空系统。缺点：缺点：Ti电极的不断溅射使得离子泵的寿命是有一定限度的。应用：应用：溅射离子泵是无油超高真空机组的主泵，可应用于高能粒子加速器，受控热核反应装置、电真空器件、半导体材料制备、电子显微镜、质谱仪等科学实验装置及其它需要超高真空的工业设备中。30真空规真空规测量真空的元件常被称为真空规真空规 U形管真空计 麦克劳真空规 热偶真空规 皮喇尼真空规 电离真空规 隔膜真空规31真空规真空规U U形管真空计形管真空计 U形管真空计(U tube Manometer)是利用液柱的高度差来进行气体压强测量的真空计，真空测量中一般使用水银，也有使用油的。 使用时，将管的一端与待
15、测真空系统相连，另一端开口联通大气或封死，读数由U形管两边得液面差决定 测量范围：10105Pa。 在低真空范围内测量全压强的绝对真空计 。32真空规真空规开式开式U U形管真空计形管真空计 开始抽气前，两端液面等高； 开始抽气后，随着真空系统压强降低，两端液面出现高度差，某一时刻达到平衡状态时，有：p p0 gh 使用水银为工作液时， =13.595103 kg/m3p p0 1.333105h33 将管内预抽至10-1Pa真空，注入工作液，开口端与待测系统相连 抽气到某一时刻，两端液面处于静力平衡时，待测压强为p gh 真空规真空规闭式闭式U U形管真空计形管真空计 使用水银为工作液时p
16、1.333105h 34真空规真空规U U形管真空计的改进形管真空计的改进 当待测压强很小时，就会出现读数困难，可作如下改进：换用密度小的液体将U形设计改成斜放式利用光放大读数光干涉放大，可确定1.7210-9m的液面变化 35真空规真空规压缩式真空计压缩式真空计- -麦克劳真空规麦克劳真空规 压缩式真空计由硬质玻璃吹制而成，主要包含一下几部分： 测量毛细管、比较毛细管、玻璃泡、水银贮存器、刻度尺、连接导管。 原理原理： 理想气体的波意耳定律。 测量前，将真空计与被测系统连接，压强相等。 测量时，线将水银面提到MM线高度，将被测系统与玻璃泡分开, 玻璃泡内的压强与被测压强p p相等， MM线以
17、上玻璃泡+测量毛细管体积为V 。36真空规真空规 水银面升到右图位置时, 测量毛细管内气体体积为 V1，压强为 P1，而比较毛细管内压强仍为 P，测量毛细管和比较毛细管的液面差 h=h1-h2，则测量毛细管内压强为p1 gh p 根据玻义耳定律，有 37 测量低压， ，可得压缩真空计基本方程：真空规真空规 V和d在制作压缩真空计时可测得，为固定数据，则上式可写成： K：真空计常数，Pa/m238热传导真空计热传导真空计是基于气体分子热传导能力在一定压强范围内与气体压强有关的原理制成。真空规真空规L39电阻真空计电阻真空计又称为皮喇尼真空计，是凭借热丝电阻的变化反映气体压强变化的热传导真空计，测
18、量范围10410-1Pa 。真空规真空规 在10-210-3Pa时，将电桥调于一定电压U0，改变RV使电桥平衡，电表CB指零； P增大时，热损耗增大，热丝温度降低，电阻变小 ，电桥失衡，电表CB不为零； 改变电桥电压至U，热丝温度和电阻恢复。40真空规真空规热偶真空计热偶真空计是借助热电偶直接测量热丝温度的变化，热电偶产生的热电势直接表征规管内的压强。测量范围：10210-1Pa。1-加热丝；2-热偶；3-导管 (接系统)；4-电压表；5-调节器；6-加热电流表；7-电源结构原理结构原理 构成：热偶式规管和测量线路 在较低压强下， 热丝温度、热偶电势E决定于规管内的压强p 加热电流一定时，可根
19、据热电偶的电势E直接得到被测系统的压强 加热电流改变，灵敏度和测量范围都会随之改变41真空规真空规42真空规真空规电离真空规电离真空规电离真空计是通过使气体分子电离，测量离子数量(电流)而得出压强的真空计。其测量真空度在 10-8Pa以上，被广泛应用于高真空至超高真空领域。电离真空计可以按照电离方式不同分为两种：一种是依靠高温阴极热电子发射原理而工作的热阴极电离真空计热阴极电离真空计；另一种是利用真空中的高压放电原理而工作的冷阴极电离真空计冷阴极电离真空计。43真空规真空规隔膜真空规隔膜真空规是利用隔膜在气体分子作用下发生变形而测量压强的真空计。隔膜和电极之间处于绝缘状态，两者之间的距离随压强的变化而改变，从而引起其间的电容变化。反过来，通过测量隔膜和电极之间的电容，就可知隔膜的变形量，继而推算出压强。隔膜材料通常由几十微米的Inconel铬镍铁合金或者Al2O3制成。4445习题简述机械泵、扩散泵及分子泵的工作原理？
