真空获得设备原理与技术基础

经作者授权，版权所有归东北大学真空与流体工程研究中心与原作者共有。未经本中心及原著者同意，任何人或任何单位不得私自拷贝、刻录、传播、转载本讲义，或用于商业用途。东北大学第七期《真空技术》培训班真空获得设备原理及技术基础主讲人：张以忱VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China《真空技术》一.真空技术概况（杨乃恒）二.真空工程理论基础（张世伟）三.真空系统组成与设计基础（刘坤）四.干式真空泵原理与技术基础（巴德纯）五.真空获得设备原理与技术基础（张以忱）六.真空镀膜技术基础（张以忱）七.真空测量技术基础（刘玉岱）八.质谱原理与真空检漏（刘玉岱）九.真空冶金技术基础（王晓冬）十.真空设备选型的方法与实践（徐成海）东北大学第七期培训系列之VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.液环式真空泵VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1液环泵的工作原理及特点液环泵是一种粗真空泵，极限压力：单级泵：2.66～9.31kPa；双级泵：0.133～0.665kPa；串连大气喷射器：0.27～0.67kPa液环式压缩机，工作压力范围：（1～2）×105Pa（表压力）用浓硫酸做工作介质：压力可达6×105PaVacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1.1工作原理如果以叶轮的上部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-1液环泵工作原理图A──吸气口B──排气口1──叶轮；2──液环；3──橡胶球4──泵体VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.1.2液环泵的特点液环泵与其他类型的机械真空泵相比有如下优点：1）结构简单，制造精度要求不高，容易加工；2）结构紧凑，泵的转数较高，一般可与电动机直联，无须减速装置。故用小的结构尺寸，可以获得大的排气量，占地面积也小；VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China3）压缩气体基本是等温的（通常多变压缩指数n=1.1~1.15），即压缩气体过程，温度变化很小；4）腔内无金属摩擦表面，无须对泵内进行润滑，且磨损很小，转动件与固定件间的间隙可由液体来密封；5）吸气均匀，工作平稳可靠，操作简单，维修方便。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China液环泵也有其缺点：1）功率消耗大，效率低，一般在30%左右，较好的可达50%。；2）极限压力高，它取决于液体种类；3）真空度低，这不仅是因为受到结构上的限制，更重要的是受工作液饱和蒸气压的限制。用水作工作液，极限压强只能达到2000~4000Pa。用油作工作液，可达130Pa。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2液环泵的基本类型与结构1.2.1基本类型1）单级单作用液环泵:单级叶轮每旋转一周，吸气排气各进行一次。抽气效率较低。2）单级双作用液环泵：单级叶轮每旋转一周，吸气、排气各进行两次。抽气效率较高。3）双级液环泵：由单级单作用泵串联而成。4）气体喷射泵＋液环泵机组：可以提高低压下的抽速，扩大了液环泵的使用范围。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2.2液环泵的基本结构图1-2水环泵的结构图VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China水环泵主要由泵体、叶轮、端盖组成。泵体：内腔加工精度要求不高，但对铸件毛坯有要求（不能有砂眼、疏松等铸造缺陷）；叶轮：为整体铸造形式，材料有球墨铸铁、不锈钢（耐腐蚀）等。可以做成直叶片（限于小泵）；一般做成向前弯曲的叶片，前弯曲叶片有利于水环的稳定和提高水环的圆周速度，提高泵的极限真空度；VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China端面圆盘：开设有吸排气口，沟通泵腔（叶轮舱）与泵侧端盖的吸排气通道（口）；泵体端盖：小泵的单侧端盖上开有吸、排气口，大泵为了满足抽、排气量的要求，增加吸气面积，两侧都开有吸、排气通道，在泵体的外部用管路将两侧的吸、排气口并联起来，以增加吸排气通道面积；VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.2.3注意的2个问题1）过压缩现象：封闭小腔没有到达排气口，其内气体已经达到排气压力（一般常发生在大泵中，且吸气压力较高时容易发生）；2）压缩不足现象：封闭小腔与排气口接通，但其内气体尚未达到排气压力（常发生在吸气压力较低时）。**以上现象均与吸入气体压力变化，而泵的两口位置（压缩比）固定不变有关。带来问题：消耗功率多（浪费能源），降低泵的抽气效率。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China解决问题的办法：1）在排气口前设置橡皮球阀：当小腔内气体过早达到排气压力时，球阀打开；图1-3橡皮球阀结构示意图1-进气管2-排气管3-排气口4-吸气口5-橡皮球阀VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2）采用柔性排气阀设计（专利），避免过压缩现象。柔性排气阀通过自动调节排气面积而降低泵的能量消耗。从而达到最佳运行效率。3）设计时，以最低吸入压力（极限压力）来确定泵的压缩比（排气口位置）压缩比＝P出/P入＝V入/V出设计时：P入取极限压力VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.3水环泵结构的改进－Nash泵泵内部进气口和排气口的改进(*最重要的改进)平面式泵：进气口和排气口设计在平面端面（圆盘）上；锥体式泵：进气口和排气口设计在锥体上。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-4内部进气口和排气口的改进VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China图1-5锥体泵上部进气和下部排气的结构VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4液环泵的使用1.4.1工作液在多数的水环泵中，其工作温度约为15～20℃，它取决于所补充水的温度。在排气时和密封处都会有水的损失，所以也要补充新水。由于油的蒸气压较低，双级液环泵使用油作为泵的工作液体可获得较低的极限压力。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4.2气蚀现象当泵接近极限压力时，泵入口处的水开始出现沸腾现象（接近饱和压力）。当转至泵的出口时，水中所形成的气泡开始破裂。这样就会产生很大的噪声，同时泵的驱动轮和泵腔等部件被逐渐破坏。这种现象通常称作气蚀现象。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China预防措施：降低工作液温度在入口管道上开小孔使用气体喷射器工作液采用更低饱和蒸汽压的液体叶轮采用防汽蚀能力较强的材料VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China1.4.3水环泵机组因工作液的关系，很少使用三级或多级液环泵。液环泵常和气体喷射泵、水喷射泵和罗茨泵串联使用。在液环泵的入口串接一个气体喷射泵。目的：提高机组低压下的抽速和极限真空度。图1-6空气喷射－双级水环泵机组（西门子中国）VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2．往复式真空泵往复式真空泵又名活塞式真空泵，属于低真空获得设备之一。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.1往复泵的特点优点：它与水环泵相比较，具有真空度高、消耗功率低等优点；与旋片泵相比较，它能被制成大抽速的泵。缺点：这种泵的主要缺点是结构复杂，老式泵带有牵引移动配气装置。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.2往复泵的分类往复泵从结构形式上可分立式和卧式两种；从级数上可分单级、双级和四级泵；从抽气方式上可分为单作用和双作用；从润滑方式上可分有油的和无油的。一般单级泵可获得极限压力为1330-2660Pa，双级泵极限压力可达4-7Pa，三级泵极限压力可达0.1-2.6Pa。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.3往复泵的结构和工作原理2.3.1结构主要部件有气缸1及在其中做往复直线运动的活塞2，活塞的驱动是用曲柄连杆机构3(包括十字头)来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5等重要部件，以及机座、曲轴箱、动密封和静密封等辅助件。1、汽缸2、活塞3、曲柄连杆机构；4、排气阀；5、吸气阀图2-1往复泵的结构和工作原理VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China近年来，在改进往复泵结构方面做了不少工作，采用固定气阀代替移动气阀，简化了结构，改善了性能。除此之外，国内外对降低往复泵的功率消耗，减少泵的振动噪声，提高转速，缩小体积等方面都做了不少工作。VacuumandFluidEngineeringResearchCenterofNortheasternUniversity,China2.3.2工作原理当活塞在气缸内从左端向右端运动时，由于气缸的左腔体积不断增大，气缸内气体的密度减小，而形成抽气过程，此时被抽容器中的气体经过吸气阀5进入泵体左腔。当活塞达到最右位置时，气缸左腔内就完全充满了气体。接着活塞从右端向左端运动，此时吸气阀5关闭。气缸内的气体随着活塞从右向左运动而逐渐被压缩，当气缸内气体的压力达到或稍大于一个大气压时，排气阀4被打开，将气体排到大气中，完成一个