扩散泵

一、扩散泵原理示意图

真空处理系统里的油扩散泵是借着高速蒸汽射流来携带气体以达到抽气的目的，它用于高真空区域工作，其工作压强范围是10-2～10-6pa。油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低。

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1、油扩散泵的概述：

油扩散泵的工作原理与水蒸汽喷射泵相似，也是靠高速蒸汽射流来携带气体以达到抽真空的目的，所以会有水蒸汽喷射泵相似的特点。不一样的一点是扩散泵工作在高真空区域，是获得高真空的主要设备。其工作压强范围为10-2～10-6pa。广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。

2、油扩散泵的工作原理与结构：

当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷射出来后，它的速度越来越快，压力及密度慢慢降低，喷射流上边的被抽气体A因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B，在B处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环利用，而被抽气体在B处堆积、压缩，最后被下级射流携带走，这样就可以逐级压缩，最后被前级泵抽走。其抽速特性曲线如图所示。

3、油扩散泵的发展历程：

历史1915年，德国物理学家W.盖得发表了他研究的扩散泵报告。1916年，美国人I.朗缪尔制成泵壁带有冷却系统的冷凝泵。这些泵以汞蒸气为工作介质，并且可以最终获得10-5帕的真空。1928年,英国人C.D.伯尔奇发现高沸点的石油衍生物。1936年，C.D.希克曼等人制成人工合成油。这两种油在室温下的饱和蒸气压都非常低，从而取代了汞作为扩散泵的工作液。从此油扩散泵在高真空领域的工业生产和科学试验中就逐渐普遍使用，并打下

了高真空技术的基础。1960年代开始，油扩散泵又有了新的改变。主要的改进是：①泵的材料采用放气量微小的不锈钢。②采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油如聚苯醚和硅油作泵的工作液。③改变结构，新款的油扩散泵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%。如在此装设一个大直径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等等。该泵可有通常泵(指没有扩大泵腔断面的泵)的抽气速率，并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空。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。

4、结构和扩散泵工作原理

油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成(见图)。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时,油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流，热运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得动量，产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动。到前级，油蒸气被冷凝，释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的。

真空泵油的蒸气压力直接影响到泵的真空性能。但是油扩散泵所用的任何泵油，都是蒸气压不同的多组分的混合物。因此，要提高油扩散泵的抽气和真空性能，泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化。分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴(高真空端的喷嘴);净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵所抽除，使真空油逐渐趋于纯净。

泵油分馏主要是利用泵油各组分的蒸发温度不同，使它们分别在不同的锅炉面积上蒸发。当工作后冷凝回流的泵油流到有保温罩部分的泵壁时，油即得到预加热，随即流到油锅周边,经锅底环形加热器加热,轻馏分的油达到蒸发温度便在外层蒸发而进入低真空工作喷嘴——靠近前级泵的喷嘴;未能蒸发的某些轻馏分油也是因为比重较其他馏分油小而浮到油面上。由于外层蒸

气导管的限制，这部分馏分蒸发后仍进入低真空工作喷嘴。重馏分的油在外层蒸气导管中因未达到蒸发温度而未蒸发，所以从外层由锅底间的缝隙流到油锅中心蒸发，进入高真空工作喷嘴。轻、重馏分的油蒸气这样分道供给低真空工作喷嘴和高真空工作喷

嘴这一个过程叫做分馏。从喷射喷嘴喷出的油蒸气在前级得不到充分的冷却，蒸气中的轻馏分即未能完全冷凝而被前级泵抽除。这样循环工作，泵油中的轻馏分就越来越少，重馏分的比例也就越来越大，泵油便逐渐趋于纯净。这一过程叫做净化。泵油的分馏和净化，对提高泵的极限真空有重要作用。

5、扩散泵油

在泵结构一定和无漏气的前提下，油扩散泵的抽气特性和极限真空主要是看泵油的性能。泵油种类很多，表为几类主要泵油及其特性。

扩散泵油被电炉加热的时候，产生油蒸气顺着导流管经过伞形喷嘴向下面喷出。因为喷嘴外面有机械泵提供的真空(Pa)，故油蒸气流可喷出一长段距离，构成一个向出气口方向运动的射流。射流最后碰上由冷却水冷却的泵壁凝结为液体流回蒸发器，即靠油的蒸发喷射凝结重复循环来实现抽气。由进气口进入泵内的气体分子一旦落入蒸气流中便获得向下运动的动量向下飞去。由于射流具有高流速(约200m/s)，高的蒸气密度，且扩散泵油分子量大(300～500)，故能有效地带走气体分子。气体分子被带往出口处再由机械泵抽走

二、油扩散泵的常见故障及原因

由于真空设备长期运转及其它一些因素的影响，扩散泵的性能可能会逐渐变坏，现将使用中经常出现的一些问题如述如下;

1)极限真空变低

原因：

a.系统中有渗漏；

b.系统太脏；

c.泵油污染；

d.加热功率不够；

e.冷却水不足；

f.过量或过冷的冷却水；

g.前级压力高；检查密封性能及前级管道是否有泄漏现象；

h.快冷管内有水。

2) 抽气较慢，原因：

a.加热功率低；

b.油量不足；

c.喷帽安装位置不当或受损。

3)进口压力波动，原因：

a.加热器输入功率不当；

b.油脱气；

c.扩散泵进口前面系统有渗漏。

4)工作腔污染大，原因：

a.前级压力高；

b.在高于10-1Pa压力下长期工作；

c.系统操作有误。

5) 返油率过大，原因：

a. 顶喷嘴帽松动，间隙过大；

b. 加热功率不对；