常用真空泵简介

Holweck
Siegbahn
1-吸气口
2-排气口 3-转子
4-泵体
5-挡块
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Gaede MDP
Holweck MDP
10
Molecular drag pump (MDP)
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盖德理论
气体在两个平行平面1、2之间运动，二平面速度分别为u1和
u2，运动方向为Ox。认为气体速度在Ox垂直方向上非常小 （vz=vy=0），在Oz和Oy方向，压强为常数。
M — 气体的分子量
（1-3）
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由式（1-3），可以得到流量公式
dp pbh2 h 1 Q Sp hbp 2 dx 2 6 p u1 u 2 dp bh2 hp 1 Q hbp 2 dx 2 6 式中， — 外粘滞性系数，对 293K的空气， 1.61 10 - 3s / m u1 — 上表面速度，m / s u 2 — 下表面速度，m / s u1 u 2
② 涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合 涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的
叶片形状，级数在10级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩 比，提高泵的出口压强
在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的
应配和衔接关系。
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1、涡轮叶片与筒式牵引泵的组合
Compound molecular pump with Holweck stage
① 工作压力范围宽，在10-1~10-8Pa范围内具有稳定抽速； ② 起动时间短，能抽除各种气体和蒸汽； ③ 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
力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。
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1.5 复合分子泵(Compound molecular pump)
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复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两
种泵的优点于一体，在很宽的压强范围内 (10-6~1Pa) 具有较 大的抽速和较高的压缩比，大大提高了出口压强。
复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：
① 涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合
体
c) 抽气量大，应用广泛：冶金、化工、食品制造等领域
缺点：抽气效率低，能量损失大
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2.1 水喷射泵
☻ 水喷射泵是用水作为工作介质，通过高速射流来引射被抽
气体，使容器达到一定真空度的粗真空获得设备
☻ 单级泵的极限压强为3.3kPa，两级串联可获得好一些的真 空度，主要受水饱和蒸汽压的限制。 ☻ 可单独使用，也可作为其他真空泵的前级。
1972年出现了涡轮-牵引复合分子泵，采用螺旋动密封，可直
接向大气排气。 近年来，空气轴承和磁悬浮轴承的应用，使分子泵作为清洁 真空获得设备更加完善。
5
空气轴承（Air Bearing）
6
磁悬浮轴承（Magnetic Bearing）
7
8
1.2 牵引分子泵的结构特点与抽气原理
Gaede
真空物理与技术
Vacuum Physics and Technology 赵风周
物理学院 2011.5
1
第三章 真空获得
一．真空泵的分类与性能
二．容积式真空泵
三．动量传递式真空泵 四．气体捕集式真空泵
五．超高真空获得技术
2
第三节 动量传递式真空泵
利用高速旋转的叶片或高速射流，把动量传输给被抽气体
速下降。
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3、压缩比与转速和相对分子质量的关系
压缩比与转速和相对分子
质量的平方根有指数关系
K exp(Gu )
(1 - 19)
分子量大的气体，压缩比 高——涡轮分子泵获得清
洁真空的物理基础
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4、压缩比与前级压强的关系
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5、抽速与气体种类的关系
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38
6、涡轮分子泵应用特点
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2、涡轮叶片与盘式牵引泵的组合
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二、喷射真空泵(Jet Vacuum Pump)
喷射真空泵是利用液体或者气体的高速射流携带被抽气体
，使被抽容器内获得一定真空度的一种低真空泵。
按工作介质可分为水喷射泵、大气喷射泵和水蒸汽喷射泵 喷射泵特点：
a) 结构简单、工作稳定可靠 b) 可抽除含有水蒸汽、粉尘的气体、易燃易爆气体和腐蚀性气
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讨论：(2) 分界通道长度xs
分界压强ps处定为通道长度x的原点，x=0 p=patm时，其坐标为x=xs——分界通道长度 ① ps<p<patm区域，气体为粘滞流状态，压强为
3 分子流 粘滞流 大气 u1 u 6(u1 u 2 ) bh dp 2 Q hbp p p x ps (1 12) 2 2 12 dx h
入空间②的几率为W12，反向
_ 转子运动速度u 几率为W21
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W 12 W 21
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抽气系数和压缩比
气体分子的平均热运动速
度设为C
站在叶片上观测，速度分
布如(d)、(e)
令A1,0、A′1,0、 A′2,0、A2,0
构成的通道空间为K
1的空间内，①区分子可
自由地通过K区到②区
第一项与压强p有关，第二项为常量 某一瞬间，不是第一项起支配作用就是第二项起支配作用
Q 2 Q 2 bh3 dp p 12 dx bh2 dp 2 dx
于是可得一个特征压强ps—粘滞流态和分子流态的分界压强
6 ps h
（1-7）
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讨论：(1) 粘滞流态和分子流态的流量与抽速
— 内粘滞性系数， Pa s
（1-4）
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式（1-4）可看成两个单独的流量的和 u1 u 2 Q1 bhp 2 bh2 hp 1 dp Q2 2 6 dx
（1-5） （1-6）
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分界压强ps和分界通道长度xs
bh2 Q2 2 hp 1 dp 6 dx
强度与气体摩擦生热的限制，C1不能选的过高，一般选C1≤1.0
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1.4 涡轮分子泵的特性
1、抽速
叶列的抽速可表示为
S 1 S 0H max A ( l/s) A：叶列的总吸气面积 ( cm2 ) S 0：最大理论比抽速， 20o C下的氮气，S 0 11.6 l/(s cm2 ) (1 - 16)
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1.1 概述
分子真空泵（分子泵）是1913年德国人盖德（W. Gaede）发 明的，之后他又以气体的外摩擦作用为分子泵奠定了理论基
础。——利用了气体的外摩擦输运现象，也就是分子牵引力
，所以称为牵引分子泵。 1956年，德国人贝克（W. Becker）发明了涡轮分子泵，以高 速旋转的动叶片和静止的定叶片配合来实现抽气，极限压强 可达10-9Pa以下。
H W 12
p2 p1
W 21
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p1=p2时，得最大抽气系数Hmax
H max W 12 W 21
H=0时，得最大压缩比Kmax
(1 - 14)
K max
p2 W 12 p 1 max W 21
(1 - 15)
气体分子通过叶列的几率W12和W21与叶列的速度比C1、叶列 倾角、叶列的节弦比a/b有关。通常W12和W21可用积分方程 法、蒙特卡洛法、传输矩阵法和角系数法求得
2的空间内，没有分子能
自由的飞过K区到达①区
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节弦比：s 0 速度比：C 1
a b u 2RT / M
气体分子从①侧到②侧的净气流
量为
Cn 1 4 4 4 H — —表征抽气效率的抽气 系数 何氏系数 A1H Cn 1 A1 W 12 Cn 2 A 2W 21
若A1=A2，T1=T2，p2/p1=n2/n1
1.3 涡轮分子泵的抽气原理与结构特点
Turbo molecular pump
21Leabharlann Baidu
Turbo molecular pump
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涡轮分子泵的抽气原理
取涡轮分子泵的一个转子叶列
，叶片的倾角为, 厚度为t，
①
②
叶片间距为a，长度为b，叶片
可看成是彼此平行的长平板。 转子叶片将空间分割成空间① 和② 气体分子从空间①经过叶片进
或气体分子，使气体不断地从入口传输到出口的真空泵。
(1) 分子泵：牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵三大类。
(2) 喷射真空泵：水喷射泵、气体喷射泵和蒸汽喷射泵三大类 (3) 扩散泵：以油或汞蒸汽作为工作介质。汞扩散泵不带分馏 装臵，油扩散泵有分馏装臵
3
一、分子真空泵(Molecular Pump)
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30
涡轮分子泵的结构特点
涡轮分子泵都是由多级叶列组成的，转子与定子按次序交替排列 ，叶列的级数由泵要求的压缩比来确定，一般涡轮分子泵有
15~31级叶列。
若要提高抽速，叶列几何参数应选 a/b≥1.0，=30o~40o 若要提高压缩比，则应选a/b ≥0.5， =10o~20o 多级叶列组合时，在泵的吸入口附近应选择抽速大的叶片形状， 压缩比可相对小一些；经过几级叶列压缩后，压强增大，抽速下 降，这时应选择压缩比高抽速低的叶片形状——整个涡轮分子泵 的就能获得抽速高、压缩比大、级数少的结构。 叶片的速度比C1值越高，叶列的抽气性能越好，但是由于叶列受
u1 u 2
u1 u 2
通过槽宽为b的通道的气体的流导为S，即通道的抽速
h/2 u1 u 2 RT dp bh2 h 1 3 S m b v x dz hb （ m / s） h / 2 Mp 2 dx 2 6 式中，m — 气体的质量流率， kg / s
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由板间低压气体输运性质可得
d 2vx 1 dp 2 dz dx
— 动力黏性系数
v x — Ox方向上气体的运动速度
（1-1）
将上式积分，可得两平板间气体速度与通道高度的关系式
1 dp z 2 vx C 1z C 2 dx 2
（1-2）
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根据靠近上下两个面的气层受力的平衡条件，可以得到积 分常数C1和C2
若进气管道流导为SV，则实际抽速为
S
SV S 1 SV S 1
S gu
(l/s)
(1 - 17)
抽速与叶轮的转速之间大致有如下关系
(1 - 18)
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2、抽速与入口压强的关系
分子泵的抽速在分子流压强范围内几乎不变，但在过渡流和
粘滞流范围内，由于大部分分子不能与叶列碰撞，抽速会迅
dp h 1 2 / h 2 dx 6 dp z 2 h 2 h (u1 u 2 )z u1 u 2 vx dx 2 8 2 2 / h 2 C1 ；C 2
式中为外摩擦系数，表征表 面对气体的阻力
2.1.1 工作原理
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2.1.2 水喷射泵的结构
喷嘴的作用是将水的压强转变成动能，其结构对泵的性能影 响较大，常用锥形收缩型、流线型和多孔型。 吸入室一般为圆筒形，截面积为喷嘴出口面积的6-10倍 扩散器由渐缩段、喉管、渐扩段组成。渐缩段使气体顺利进 入喉管(15~30o)；喉管使液体与气体均匀混合，进行质量迁 移和能量传递；渐扩段是将气液混合介质动能转变为压力能 ，使被抽气体压缩。(5~8o)
x<0 O x=xS ② p<ps区域，x<0，气体为分子流状态，压强为 p<pS p=pS p=patm u1 u 2 (u1 u 2 ) bh2 dp Q hbp p ps exp x 2 2 dx h
(1 13)
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直排大气的牵引分子泵
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分界压强ps把压强范围分成p>ps和p<ps两个区域 ① p>ps区域，气体为粘滞流状态
Q u1 u 2 2 u1 u 2 2 bh3 dp hbp p 12 dx bh3 dp hb 12 dx (1 8) (1 9)
S
② p<ps区域，气体为分子流状态
bh2 Q hbp 2 2 u1 u 2 bh2 S hb 2 2p u1 u 2 dp dx dp dx (1 10) (1 11)