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VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空物理与技术第5章真空获得（

机械真空泵）VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechno

logy第5章真空获得⚫真空泵概述⚫机械式真空泵◆旋片泵分子泵罗茨泵⚫气流泵◆扩散泵⚫俘获泵◆吸附泵低温泵升华泵离子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuu

mScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空泵概述VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceand

Technology什么是真空泵？⚫Thisisnotatrivialquestion!◆能对空间排气（减少气相分子数,产生低压空间）的设备◼通过容积压缩排气(Bulkaction)⚫机械压缩◼动量传输(molecularaction)⚫分子直接碰撞⚫夹带：和其他分子碰撞◼降低

空间气体分子浓度:气体分子储存在表面时间>>>实验时间◼所有的真空泵都有一定的工作范围:⚫压强⚫气体种类VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienc

eandTechnology抽气原理⚫降低空间气体分子浓度（钛泵、低温泵）⚫排出气体：旋片泵⚫定向运动：扩散泵、分子泵、罗茨泵⚫“气体二极管”◆前进反向压力差◆返流（backthrough-put)反扩散、脱附⚫真空泵：能够维持压

力差的设备VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology按照抽气方式分类⚫压

缩性真空泵：将气体由一方压缩到另一方◆利用膨胀-压缩-排出原理：旋片泵◆利用气体束流牵引作用：蒸汽流喷射泵◆利用高速表面牵引分子作用：分子泵⚫吸附型真空泵：利用各种吸附作用将气体吸掉◆利用电离吸气作用：离子泵◆利用物理、化学吸附作用：吸附泵、低温泵、吸附剂泵VacuumSciencean

dTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology按照压强范围分类⚫粗真空泵:◆大气压-10-3torr◼旋片泵◼旋转柱塞泵◼滑片泵◼吸附泵◼罗茨泵⚫高真空泵◆10-

3to10-ntorr◼扩散泵◼低温泵◼分子泵◼离子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology

VacuumScienceandTechnology按照排气压强分类⚫排气压强：泵在此压强下可以排气◆往大气排气的泵◼前级泵◼前级压强◼旋片式机械泵◆只往低于大气压的环境排气◼系统粗抽◼需要前级泵（串联）◼扩散泵、分子泵、罗茨泵

◆束缚泵◼不需要出气口VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology典型泵组粗抽:机械泵主泵:扩散泵前级:机械泵Vacu

umScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空泵性能的基本参数⚫抽气速率S(抽速)◆单位时间流入泵内的气体量Q=S.PS=Q/P⚫极限压

强pu◆经过足够长时间的抽气后，所能达到的最低平衡压强⚫最大工作压强◆泵能正常工作的最高压强⚫使用范围◆具有抽气能力的压强范围⚫排气压强◆这一压强下,泵可以可以工作排气⚫超高真空泵参数◆抽气选择性、残余气体组分1|ppdtdVS==VacuumScienceandTec

hnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽速曲线•工作压强范围•抽速•极限压强•抽速与气体种类的关系抽速S一般不

是常数，随压强变化而变化VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽速范

围1.单级旋片泵(无气镇)2.单级气镇泵3.罗茨泵4.喷射泵5.扩散泵6.分子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumSci

enceandTechnology真空泵的压强范围VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽气曲线⚫被

抽容器中压强随时间变化曲线◆不随时间变化的压强就是极限压强◆抽速大小由达到一定压强所需时间长短来估计◼时间越短，抽速越大VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechno

logyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology真空系统时间常数⚫问题：S=60L/s的机械泵，对一个体积为10L的容器排气，是否经过10/60s，能将容器抽至P=0呢？◆即使是S=常数的理想真空泵，答案也是否定的◆容器内压强P随抽

气降低，同一体积（V）对应的气体量（PV）越来越小◆就气体量而言，抽气实际上越来越慢时间常数越大，压强下降越慢，“惰性”反映系统和泵的综合性能时间常数就是压强值将为1/e所需时间压强降低1个数量级需要2.303个时间常数)exp(0t

VSpp−=VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology机械泵VacuumScien

ceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology早期机械泵⚫液体泵◆利用液体

压缩和排气⚫往复泵斯普伦杰尔泵水喷射泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTec

hnology水环泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTe

chnology旋转式真空泵⚫容积压缩泵◆使用机械方法使一个工作室体积周期性的扩大和缩小达到抽气目的◼旋片式◼定片式◼滑阀式VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumSciencean

dTechnologyVacuumScienceandTechnology旋片泵⚫最常用的粗真空泵◆皮带泵和直联泵◆单级泵和双级泵◆实际上就是一个小型旋转压缩机VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuum

ScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology旋片泵工作图VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnolog

yVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology最大抽速⚫几何抽速L：泵腔深度（摩擦力）L=0.5-2.0D1否则电动机功耗太高j：翼片伸缩频率一般j=4

50转/分D2：不能太小，否则旋片泵的翼片容易断裂或密封不良旋片式:D2=0.75-0.85D1定片式:D2=0.80-0.90D1滑阀式:D2=0.65-0.70D1VacuumScienceandTechnologyVacuumSc

ienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology有害空间⚫理想抽速⚫理论上的极限压强◆压缩比（排气口压强与进气口压强比）⚫机械泵油封1.有害空间2.定子3.转子4.旋

片max2VSm=VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology机械泵油⚫功能◆

润滑剂◆密封剂◆热传导/冷却◆腐蚀防护⚫基本要求◆化学稳定性◆热稳定性◆适当的润滑能力◆适度的粘性◆低饱和蒸汽压⚫矿物油◆各种馏分混合◆棕色-¥5/liter◆白色-¥20/liter◆氧化⚫合成泵油◆炭氟化合物◼惰性◼¥500/literVacuumScien

ceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology典型的直联式旋片泵⚫电机和泵直接相连j提高1450转/分钟⚫7cfm（cubicftperminute）=鞋盒尺

寸⚫60cfm=中等大小的狗尺寸⚫EssentiallyallrotaryvanepumpsinresearchlaboratoriesarenowDirectDriveVacuumScienceandTechnologyVacuu

mScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology双级旋片泵⚫两个串联压缩腔⚫更低的极限真空10-4Torr⚫低返油VacuumScienceandTechnologyVac

uumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽速曲线⚫压强较高时，抽速稳定⚫压强较低时，抽速显著下降⚫极限压强时，抽速为0单级双级Vacuum

ScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology气镇⚫抽除冷凝蒸汽（如水蒸汽）◆饱和蒸汽且温度较高-立刻凝结◆蒸汽压缩-压强增大-凝结◆凝结液体与泵油

混合◆低压侧蒸发，限制极限压强⚫气镇阀◆定时将一定量空气放入压缩区◆压缩气体-蒸汽混合物◆提前喷射20C水蒸气Pv=17.5Torr60C水蒸气Pv=149Torr压缩比＝9:1VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechno

logyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology可抽除的蒸汽压⚫VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienc

eandTechnologyVacuumScienceandTechnology返油⚫油的返流◆油蒸汽逆着气流的方向进入泵入口，并进入真空室◆返油量随着真空度的降低而增加◆最轻的馏分⚫防止返油◆吸附阱◆低返油的泵油（贵）◆打开

气镇VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology使用⚫启动泵◆一定的转向和转速◆冷

却⚫关泵◆回油◆放气◆电磁阀⚫Greatforpumpingonair◆2X-2（2L/s）¥1500◆维护费用低⚫防止水汽、杂物(尤其腐蚀性物质)进入泵油VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTec

hnologyVacuumScienceandTechnology旋片泵小结⚫压强范围◆大气压---10-3Torr⚫优点◆可靠◆价廉◆抽大气⚫缺点◆噪音◆脏◆油◆大且重VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumSc

ienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology分子泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTe

chnologyVacuumScienceandTechnology分子牵引⚫基本原理：动量传输◆分子流条件下，碰撞运动表面的分子，离开表面时具有和运动表面速率u相近的切向速率◆气体分子从具有运动的表面得到

定向动量VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology牵引分子泵-G

aede泵⚫λ>h⚫特点：◆分子平均速度越大，S越大10000转/分◆UBUL和气导相关，反比M1/2，M越大，S越大⚫优点：◆启动时间短◆容易抽重气体分子⚫缺点：◆密封间隙太小(h<0.1mm)◆加工精度，机械

故障UCD:从C迁移到D的气量UB:逆扩散(p1>p2)UL:缝隙漏率UDC:逆时针返流VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacu

umScienceandTechnology涡轮分子泵轴向交错排列的转子和定子,转速16000-40000叶轮很薄（3mm)，单极压差很小，但数量很多（多级）转子直径越大，要求叶片数量越多倾角越小，压缩比越大，但抽速小一般20度单极压缩~5开缝（间隙1mm)具有实用价值VacuumScience

andTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology抽速曲线<10-3Torr抽速恒定>10-2Tor

r取决于前级泵几乎与种类无关,M较小时S略降低但对氢抽速比空气抽速大20%逆扩散，极限压强10-10Torra:抽速45m3/h前级泵b:抽速10m3/h前级泵稳态(S=0)时M越大,压缩比越大H21000N2108Ar109重氢化

合物>>1010VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceand

Technology涡轮分子泵基本结构VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTec

hnology以中型涡轮分子泵为例横式:中部为高真空端,两端为前级高真空端定子和转子各12片,每片开槽48条,θ=30o前级端定子8片,转子7片,每片开槽20条,θ=15o转速16000转/分(外沿线速度150m/s)最大抽速140L/s压缩

比k=5x10-7经过300度烘烤后,极限压强pu<10-10TorrVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology横式和立

式分子泵比较横式立式泵体T型双端，造价贵异物落入时不损伤叶片寿命长噪声大泵体直圆筒型，造价低异物落入引起损伤平衡轻微变化会造成不稳定轴承损伤后不易更换VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScience

andTechnologyVacuumScienceandTechnology涡轮分子泵系统VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTech

nology应用⚫最高工作压强◆10-2-10-1Torr之间◆需要前级泵⚫电源◆专用中频电源◆启动电机，5min后转速稳定，泵正常工作◆强迫冷却⚫极限压强◆取决于最轻气体成分◼HeVacuumScienceandT

echnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology涡轮分子泵小结⚫启动压强10-2Torr

⚫极限压强10-10Torr⚫优点◆无油泵，干净◆排出气体⚫缺点◆振动◆价格昂贵◆相对效率低◆对He抽速较低◆机械损坏－灾难性损坏VacuumScienceandTechnologyVacuumSciencean

dTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology罗茨泵⚫原理◆容积压缩＋分子牵引⚫结构◆两个双叶型转子◆相反方向运转◆运转过程中紧密配合，不互相触

及，也不触及泵体◆压缩比低,返流大（前级真空）◆无摩擦,转速高,相对抽速大VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumSc

ienceandTechnology罗茨泵工作图VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnology特性⚫抽速曲线⚫低

压下效率高◆间隙流导减小◆10-2Torr最高必须配备前级泵VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScien

ceandTechnology罗茨泵组⚫罗茨泵和旋片泵配合工作⚫吞吐量较旋片泵高VacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTechnologyVacuumScienceandTe

chnology“干式”泵⚫湿泵（油泵）◆返油，油分子污染⚫干式泵◆没有润滑液体的容积压缩泵◆罗茨泵的问题◼不能从大气开始◼压缩比比较小⚫各种各样的干式机械压缩泵◆组合在一起构成干式泵