分子增压泵在真空技术中的应用

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1、分子增压泵在真空技术中的应用龚建华储继国分子增压泵是一种新型的高真空泵，它最大的优点是清洁、节能，中真空具有超强的抽气能力。首先了解一下该泵为什么会具有以上的优点。清洁真空。各种类型的真空泵由于工作机理和结构的不同所获得的真空质量是不一样的，可以分为无油真空，清洁真空和普通真空。无油真空即无任何油蒸汽污染的真空，是真空质量的最高境界，低温泵、离子泵以及各类干式泵可以实现无油真空。清洁真空不是绝对无油，而是真空中的油蒸汽分压可以降到极低的水平，从而使真空质量得到很大的提升。涡轮分子泵以及某些泵配合使用低温冷

2、阱，可以实现清洁真空。而普通真空则含有较高的油蒸汽分压。油蒸汽作为高分子的碳水化合物，是一种主要的污染源。各种传统机械类型的真空泵以及以高速定向油蒸汽流抽气的真空泵，在获取真空的同时，不可避免地会产生油蒸汽对真空的污染。而不同的真空应用对真空的质量是有不同的要求的。各种类型的真空泵在抽除气体的同时，往往伴随着发生一些其他的过程，油蒸汽的返流即是一种，所谓返流就是油蒸汽分子沿着与抽气方向相反的方向逆向扩散运动，其后果造成了真空的油污染。低温泵、离子泵、干式泵等因无油污染源，所以也无油蒸汽的返流，故能获得无油

3、真空。各类机械原理的传统真空泵，在抽气通道中存在用于润滑、密封等作用的泵油，所以会由于油蒸汽的扩散运动而造成显著的污染。高速定向的油蒸汽射流具有明显的方向性，但这仅是气体动力学决定的宏观运动，而作为组成射流的一个个油蒸汽分子还存在一种本质的无规的热运动，两种运动的叠加可使油分子折向真空一方而造成返流，当然还有其他原因。涡轮分子泵是一种高速旋转的机械类型的真空泵，其高速转动的轴承需用油润滑，故存在油污染源，但该位置处于整个抽气通道的前方，低真空一侧，而其与泵的进气口即高真空一侧之间，由于高速旋转的涡轮叶片组

4、合存在巨大的压缩比，这一压缩比是随气体分子的质量而成指数增加的。因为油分子是高分子，比一般的气体分子具有更大的分子量，故而涡轮分子泵能对它产生比其他分子更大的压缩比，这一态势使得油分子返流明显地减弱，表现在被抽空间中的油蒸汽分压大大降低，从而实现所谓的清洁真空，当然这是在泵的工作状态下。分子增压泵虽然工作机理与涡轮分子泵不一样，但同样具有极高的压缩比，其大小与分子的质量亦成指数关系，所以同样可以实现清洁真空。从某种意义上讲，分子增压泵比涡轮分子泵具有更高的压缩比。通过质谱分析对比，涡轮分子泵谱图上可以发现

5、44质量数的CO2峰，而分子增压泵谱图28（N2峰）以后就不存在可以观察到的谱峰。1图1分子/增压泵的残气质谱图（中科院近代物理研究所提供）分子增压泵的抽气机理是基于全拖动的原理。气体分子在与其他分子或物体碰撞时，可以发生动量交换，若气体分子能始终获得定向动量，便能实现抽气作用。当气体分子与高速定向运动的蒸汽流碰撞时，气体分子是与单个油蒸汽分子之间发生动量交换。而气体分子与高速运动的物体发生碰撞时，则是气体分子与刚性表面之间发生动量交换。分子增压泵就是属于后者。该泵的抽气单元为圆盘上分割出的从边缘指向中心

6、的螺旋通道，吸气级具有两个平行的拖动面，而压缩级仅有一个拖动面，且压缩级是由多个拖动面串接而成，气体沿着螺旋通道依次由中心流向外缘，再由外缘流向中心，多级迂回后最终流向排气口。高速旋转的圆盘平面传递给碰撞其上的气体分子的动量应沿着切线方向，由于分割出的螺旋通道与半径方向有一夹角，故气体分子所获得的切向动量沿着螺旋通道方向有一分量，该分量迫使气体分子沿着通道从圆盘的外缘向中心运动（压缩），同样改变螺旋方向，也能迫使气体分子从中心向外缘运动（压缩）。正是多级的压缩通道串接起来，使得分子增压泵可以形成巨大的压缩

7、比（对N28而言可达10）。这样巨大的压缩比可以保证处于泵的前级部分润滑装置产生的油蒸汽难于返流至高真空一侧，这就是分子增压泵能够获得清洁真空的关键所在。作为完整的真空机组，分子增压泵只需一级前级低真空泵即可组成高真空机组。对于机组，分子增压泵不仅能抑制自身的返流，其压缩比还能有效的抑制前级泵的返油，而对于罗茨泵机组便做不到这一点。由于罗茨泵压缩比很低（约几十），所以除自身的返油外，该机组系统的返油中还包含了前级泵的油蒸汽。除了以上所述，结合抽气工艺，由分子增压泵的抽气特性可在诸多应用场合实现清洁真空，在

8、后面涉及的该泵的应用中会进一步讨论。节能。真空泵在工作过程中要产生能耗，这能耗主要来自两方面的原因。对于机械类的泵来讲，泵的组件在运行过程中会产生摩擦损耗，在抽气的过程中需要对气体2压缩做功。而对于靠蒸汽流工作的泵而言，除了蒸汽流在抽气过程中压缩气体需要做功外，在油从液态形成蒸汽的过程中还需要消耗大量的热能。工作在低真空的传统机械类泵，由于摩擦阻力较大，压缩气体的压力较高，故消耗的能量较大，不同种类、不同型号的泵能量消耗与其抽