扩散泵工作原理

自 1913 年 Gaede 发明扩散泵已有 101 年，在此期间技术上已经有很大进步。生产的油扩散泵抽速已达到 100000 L/s 以上，扩散喷射泵的抽速也达 40000 L/s，蒸汽流真空泵在真空应用领域中起着十分重要的作用。尽管有许多其它类型的抽气方式也可以在高真空领域工作，但由于扩散泵结构简单、操作和维护方便、使用寿命长、对各种气体均有较好的抽气特性，因而它一直是获得高真空的主要抽气设备。

盖得于1913年9月25日，在德国申请了一项专利。用水银蒸汽流来产生高真空的装置。他指出：高真空是通过扩散作用而得到的。因而，这种泵以扩散泵而闻名。据前苏联文献报道：1912年俄罗斯学者巴洛维克在彼得堡物理研究所首先提出这种泵，而且在1913年俄罗斯学者巴甫洛夫，用这种泵进行过气体分子碰撞方面的研究工作。现代扩散泵是经过几代人的不断研究，改进和创新的成果。但我们不能忘记盖得对扩散泵所作的贡献。

该系统是上个世纪九十年代研发的新的大口径扩散泵，对传统的扩散泵作了重大改进.其主要特点有：①抽速大，抽速范围为3000~50000 L/s六种规格。泵壁有上凹槽，冷却水管卧在凹槽内，增大了接触面积、冷却效果好。莱宝公司又于2003年对DIP扩散泵进行了进一步的改进，将水冷管改为水冷夹层。扩散泵的整体改为全不锈钢材质。从而进一步提高DIP系列泵的性能指标。②油蒸汽返流率低。不加外置水冷挡板并使用普通矿物油，其返油率为1×10^-3mg/cm²·min；如果采用DC-705硅油，返油率可降至于1×10^-4mg/cm²·min；极限压力低于10^-6Pa。③抽气曲线上，在入口压力为10^-1Pa时达到最大抽速，且抽速稳定。④采用插入扩散泵内部的多支加热棒加热，传热效率高，预热时间短。对于抽速为3000~20000L/s的泵，预热时间少于25min；30000~50000L/s的泵预热时间少于30min。可在不停泵的情况下更换加热棒。⑤装有过热装置，防止泵油过热。通过观察窗可随时观察泵油的质和量。泵上设有注油口和放油口，换油时无须把扩散泵从真空系统中拆下。最大允许前级压力高，为60 Pa。

其结构示意图（以DIF800为例）如图1所示：

DIF系列为3~4级喷咀，并作成托盘结构，可调节各级喷咀的喉部间隙。在泵体内带水冷帽。用多个盘式加热器。

扩散泵系统的压强不稳定的原因，有内部和外部之分。泵外的原因有：①来自橡胶垫圈的气泡；②从障板上滴落下的泵油；③高的前级耐压；④阱除霜；⑤阱内冷冻层的破裂。泵内的原因有：①泵油爆沸或沸腾不稳定；②在导流管外部油的沸腾；③轻气体的低压缩比；④喷咀内的液滴；⑤顶喷咀变冷（蒸汽冷凝）；⑥锅炉附近泄漏，泵体要检漏。

锅炉内泵油的不稳定沸腾，会使喷出的蒸汽射流的密度波动，从而引起抽速和轻气体压缩比的变化。锅炉可能一时过热，使之有一段爆沸的时间，其补救的办法是在现代的油扩散泵中采用有翼片的锅炉，增加内表面积，降低热流密度，增加功率能使爆沸减低到最小或消除。在真空中，强力的爆沸，会引起自爆升腾，对喷咀，引起瞬间堵塞，造成汽流波动。泵内加防爆板可以防止爆沸的影响，因对轻气体压缩比低，可引起压力的不稳定，增加功率和泵的级数是有利的。在扩散泵中设置侧面出口喷射喷咀和扩压器，可使扩散泵这种不稳定性减至最小。顶喷咀帽过冷也会引起蒸汽流不连续，导致压力的不稳定。设法保持顶喷咀的温度不降，不使其过冷。来自橡胶密封的气泡，有时油捕集气体，通过密封胶圈渗透放出，因气泡有一定压力使油膜破裂后进入系统中。密封槽内集存的泵油应能排出，可使不稳定减少，若用金属垫圈就更好了。设计良好的冷帽能防止油滴落到顶喷咀的热表面上蒸发。在用碳氢化合物泵油时，操作不当，扩散泵系统有发生爆炸的危险。大多数情况下规管的灯丝就是点火源。泵的日常操作要规范，定期检查泵油的质和量。

（1）国内生扩散泵的厂家较多，型号、尺寸不统一，大泵越作越大，小泵则很少生产。况且对泵的全面性能也没有考核指标。行业应对提高性能和质量进行定期检查、组织生产厂家多做改进工作，使用户配套方便。

（2）泵在结构方面：要缩小尺寸、降低重量，保证零件的加工精度，可增加级数，提高在4×10^-1Pa时的抽气量。给出对几种常用的被抽气体的抽气量。

（3）增加附件。如设置挡油帽，过热保护装置（对冷却水水温、水压和泵油温度的在线测和自动保护。可自动切断和复位）。出口压力的监控。

（4）规定油量的最大值和最小值和耗油量（如0.5~0.7 g/h等）。要观察油位，以方便用户及时注油。从观察窗看泵油变质情况以便及时更换。

（5）给出合适的前级泵的容量。

（6）为了节能加热功率要可调，要快速起动和快速冷却停泵，提高设备的运转率。

（7）给出各种被抽气体的性能曲线，最好给出对一些气体的压缩比（方便用户选用。

（8）用微机控制运行和故障诊断。

（9）密封处要选高质量的放气率和透气率小的橡胶圈。

（10）给出各种泵的返油率限定值，进一步降低返油率，扩大油扩散泵的用途。油扩散泵的工作压力范围宽（1~10^-5Pa以下），它比其它高真空泵的可靠性高，成本低，只有少数部件需要维修，泵内无运动部件，工作中可更换加热器。硅油或聚苯醚的蒸汽压为10^-9~10^-10Torr，使用合适的挡板或阱在室温状态下可获得10^-10Torr或更低的压力。

扩散泵的缺点是返油问题，加上挡油帽和冷阱及正确操作，其返油率可降到1×10^-5mg/cm²min的地步。

油扩散泵致命的缺点就是泵油返流污染被抽系统。经过大量的研究，现代扩散泵由于增加了挡油帽、障板和冷阱等措施，使扩散泵的返油率降得很低。

所有的油扩散泵都存在一定程度的返流现象。返流的气体是少量残余的碳氢化合物。返流有两个不同性质的来源：泵油分子朝向扩散泵顶喷咀的上方运动构成泵的主要的返流。其次要的返流是被泵壁冷凝的泵油的迁移或再蒸发。利用好的锅炉和喷咀设计，可使主要的返流降至最低。在顶喷咀上方设置水冷挡油帽，它已成为顶喷咀专用的拦截返油的水冷装置，由于不断对冷帽结构的改进，使主要返流大大降低。

利用水冷挡油帽，使泵的抽速稍有损失外，可使返油率降低。对于许多应用场合是允许的。若在系统附加些管道、阀门和弯管，可使真空室的返流降低1/10~1/1000。若利用水冷式的光学密闭的障板，可限制主要返流，但使泵的抽速约下降50%。

次要的返流（即冷凝在表面上的泵油迁移和再蒸发是表面温度和泵油蒸汽压的函数，到达真空室的这种返流量取决于设置在泵与真空室之间的冷阱的几何形状和温度，常用液氮（ 77K）冷阱来捕集油分子。因此真空室的压力明显地低于泵油的蒸汽压。障板或冷阱不仅必须光学密闭，而且还必须使进入障板或冷阱的油分子与冷面最少碰撞一次。对于使用吸附剂（如沸石）的障板，为避免油分子直线飞行，要设置交错的吸附剂托盘。沸石是一种含有直径比气体分子直径稍大的微孔物质。1盎司（ 28.35g）沸石内部约有5英亩吸附面积，在小型超高真空系统中，使用分子吸附剂障板是有效的。因为在低压下，在几个星期内它能连续地吸附碳氢化合物和其它气体，并不需要液氮。

现代的油扩散泵在泵入口处，泵油的返流已降至大约室温下泵油蒸发速率的水平。

只有在使用时遵守一定的操作规程，才能保证系统的正常工作。前已详细叙述过有关机械泵、扩散泵的操作规程。经人们生产实践，对排气系统，也同样总结出来一套操作规程。以高真空排气系统为例（其他真空设备可仿照施行），其操作规程如下：

①检查真空系统各部分，熟悉系统的气路结构，了解真空系统各元件的作用以及操作部分的电路联接。

②关闭放气阀门，启动机械泵，对系统进行抽气，并随时用火花检漏器对系统各部分进行检漏。如系全金属系统，则可关闭阀门，用真空计读数记下P-t曲线（作静态升压试验）。如压强随时间呈直线上升，可断定系统有漏气源，应进行检漏。

③当系统真空度达到油扩散泵的前置压强（5×10^-2托）后，启动扩散泵，使加热电流逐渐升到额定（最佳）值。在启动扩散泵前，必须先开冷却水。

④扩散泵正常工作后，用火花检漏器（或热偶计）判断量测系统的真空度。到10^-3托以上（热偶计近满偏或95格以上）才能使用电离真空计。使用时先对规管除气，后测量真空度。

⑤对系统进行烘烤去气处理。对玻璃系统而言，硬玻璃烘烤温度为400℃～450℃ ，软玻璃为350℃～400℃ 。去气时间视具体要求而定，一般1～2小时。去气完后，真空度仍达不到要求，应使用电离计记P-t曲线，以判断是否漏气。亦可用丙酮、酒精等涂抹可疑处，看表针的摆动以发现漏孔。若为去气不良，应进一步烘烤，加长时间去气。新系统一般要抽较长时间才能达到预期的真空度。真空度老上不去，则要考虑系统设计、安装是否合理，有无死空间，放气源多否，维修时是否带进了脏物，被抽容器是否清洁等其他因素。

消除系统油蒸气返流的具体措施：

(1)加大扩散泵的启动功率来缩短机械泵与扩散泵切换时的压力过渡区。

(2)通过改变系统操作工艺和用阀门来避开返流危险区(切换过渡区)。例如，可使一个按照预定速度开启的高真空阀，逐渐地开启它，保证进入扩散泵的气体流量低于它的最大排气量，并且又使机械泵抽速保证扩散泵前级压力，以使扩散泵能树立工作。这样就能避开过渡区的出现。

(3)改善操作工艺，将扩散泵的加热功率调至最佳功率，避免出现泵油爆沸现象;一般扩散泵在加热开始和关闭过程中，返流将出现峰值，所以可用泵口处的高真空阀门来控制避免返流。

(4)在扩散泵入口处加装液氢冷阱或吸附阱来捕集返流油蒸气。

(5)选用优质的扩散泵工作液。

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所谓冷凝泵。这些泵以汞蒸气为工作介质可获得10-5帕真空。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日渐普遍使用，并奠定了高真空技术的基础。60年代开始，油扩散泵又有了新的发展。

主要的改进是：

①泵的材料采用放气量甚小的不锈钢。

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为泵的工作液。

③改革结构，新型油扩散泵在泵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。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 。