第2章 真空泵與真空規(guī)

1、編輯ppt1第二章第二章 真空泵與真空規(guī)真空泵與真空規(guī)編輯ppt2典型的真空系統(tǒng)應(yīng)包括：待抽空的容器（真空室）、獲得真空的設(shè)備（真空泵）測(cè)量真空的器具（真空規(guī)），以及必要的管道、閥門和其他附屬設(shè)備。能使壓力從一個(gè)大氣壓開(kāi)始變小，進(jìn)行排氣的泵常稱為“前級(jí)泵”。另一些只能從較低壓力抽到更低壓力，這些真空泵稱為“次級(jí)泵”。真空泵是獲得真空的關(guān)鍵設(shè)備。 真空系統(tǒng)簡(jiǎn)介真空系統(tǒng)簡(jiǎn)介編輯ppt3真空泵:利用機(jī)械、物理、化學(xué)或物理化學(xué)的方法對(duì)被抽容器進(jìn)行抽氣而獲得真空的器件或設(shè)備，即用各種方法在某一封閉空間中產(chǎn)生、改善和維持真空的裝置 。分類標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)和工作原理按結(jié)構(gòu)分：旋片真空泵、往復(fù)真空泵、羅茨真空泵、滑

2、閥真空泵、液環(huán)真空泵、噴射泵等 真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介編輯ppt4真空泵簡(jiǎn)介真空泵簡(jiǎn)介升華泵升華泵編輯ppt5真空泵類型真空泵類型旋片式機(jī)械泵羅茨真空泵油擴(kuò)散泵渦輪分子泵吸附泵升華泵濺射離子泵 編輯ppt6真空泵類型真空泵類型旋片式機(jī)械泵：旋片式機(jī)械泵：旋片式真空泵是應(yīng)用轉(zhuǎn)子和可在轉(zhuǎn)子槽內(nèi)滑動(dòng)的旋片的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以取得真空的一種變?nèi)輽C(jī)械真空泵。工作原理：依靠插在偏心轉(zhuǎn)子中的數(shù)個(gè)可以滑進(jìn)滑出的旋片將泵體內(nèi)的氣體隔離、壓縮，然后將其排出泵體之外。極限真空度： 10-1 Pa左右。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠。缺點(diǎn)：油蒸氣回流、同進(jìn)污染系統(tǒng)。 編輯ppt7真空泵類型真空泵類型單極旋片式機(jī)械泵的結(jié)構(gòu)編輯ppt8

3、真空泵類型真空泵類型 編輯ppt9真空泵的極限真空限制因素：真空泵的極限真空限制因素：1.泵體結(jié)構(gòu)上存在有害空間，該空間的氣體，受壓后漏到吸氣空間。2.吸氣空間和排氣空間之間存在氣壓差，排氣空間高壓氣體從間隙竄回到吸氣空間。3.在吸氣和排氣空間的泵油氣，也在上述兩空間之間循環(huán)流動(dòng)。真空泵類型真空泵類型雙級(jí)泵：極限真空從單級(jí)泵的 1Pa 提高到 10-2Pa 數(shù)量級(jí)編輯ppt10總結(jié)說(shuō)明： 為了提高氣體的密封效果，防止氣體回流，旋片式機(jī)械泵的運(yùn)動(dòng)部件之間只有很小的配合間隙，并且在泵體內(nèi)還利用油來(lái)作為運(yùn)動(dòng)部件間的密封物質(zhì)。同時(shí)，油還起著對(duì)這些機(jī)械部件進(jìn)行潤(rùn)滑的作用。主要性能指標(biāo)：抽速：1300 L

4、/s極限真空度：?jiǎn)渭?jí)旋片泵 1Pa ，兩級(jí)串聯(lián) 0.01Pa旋片式機(jī)械泵不僅可以單獨(dú)使用，而且經(jīng)常被用做其他真空泵的前級(jí)真空泵。真空泵類型真空泵類型編輯ppt11真空泵類型真空泵類型旋片式機(jī)械泵圖片旋片式真空泵是目前使用最廣，生產(chǎn)系列最全的泵種之一。編輯ppt12真空泵類型真空泵類型羅茨真空泵容積作用原理：泵體內(nèi)的兩個(gè)呈8字型的轉(zhuǎn)子以相反的方向旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的咬合精度很高，因而轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子之間，轉(zhuǎn)子與泵體之間的間隙中不再使用油來(lái)作密封介質(zhì)。 編輯ppt13 真空泵類型真空泵類型編輯ppt14羅茨泵的主要性能指標(biāo)：抽速可達(dá)10 L/s優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)油氣回流，抽速很大。缺點(diǎn)：泵體與轉(zhuǎn)子發(fā)熱、膨脹，造

5、成泵體損壞；這種泵的抽速不僅在壓力低于0.1 Pa時(shí)，氣體回流造成抽速降低，而且壓力高于2000 Pa時(shí)抽速也將迅速降低。因此這種泵一般是與旋轉(zhuǎn)式機(jī)械泵串聯(lián)后使用。適用壓力范圍： 10-11000 Pa。 真空泵類型真空泵類型ZJP型羅茨真空泵編輯ppt15羅茨泵與其它油封式機(jī)械泵相比有以下特點(diǎn)： 較寬的壓力范圍內(nèi)有較大的抽速； 轉(zhuǎn)子具有良好的幾何對(duì)稱性，故振動(dòng)小，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。轉(zhuǎn)子間及轉(zhuǎn)子和殼體間均有間隙，不用潤(rùn)滑，摩擦損失小，可大大降低驅(qū)動(dòng)功率，從而可實(shí)現(xiàn)較高轉(zhuǎn)速； 泵腔內(nèi)無(wú)需用油密封和潤(rùn)滑，可減少油蒸氣對(duì)真空系統(tǒng)的污染； 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，對(duì)被抽氣體中的灰塵和水蒸汽不敏感； 壓縮比較低，對(duì)氫氣

6、抽氣效果差； 轉(zhuǎn)子表面為形狀較為復(fù)雜的曲線柱面，加工和檢查比較困難。應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域： 冶煉、石油化工、電工、電子等行業(yè)冶煉、石油化工、電工、電子等行業(yè) 真空泵類型真空泵類型編輯ppt16真空泵類型真空泵類型油擴(kuò)散泵工作原理：工作原理：把擴(kuò)散泵油加熱沸騰形成蒸氣，油蒸氣沿各級(jí)導(dǎo)流管上升，在噴嘴帽處改變方向、從噴嘴定向噴出，形成一環(huán)環(huán)的超音速蒸氣射流、把不斷向其擴(kuò)散來(lái)的氣體分子攜帶，一起向泵壁運(yùn)動(dòng)，碰到冷卻的泵壁，油蒸氣凝結(jié)在泵壁上形成油滴、流回油鍋內(nèi)再加熱，而氣體分子則繼續(xù)向下一級(jí)射流擴(kuò)散而被帶走，經(jīng)過(guò)逐級(jí)壓縮，將氣體分子送到排氣口，由前級(jí)機(jī)械泵抽除。編輯ppt17真空泵類型真空泵類型油擴(kuò)散

7、泵的工作示意圖噴射真空泵蒸氣編輯ppt18只能被用在 110-6 Pa 之間分子流狀態(tài)的真空狀態(tài)下，而不能直接與大氣相連。在使用油擴(kuò)散泵之前需要采用各種形式的機(jī)械泵預(yù)抽真空至 1 Pa 左右。 真空泵類型真空泵類型油擴(kuò)散泵的特點(diǎn)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：泵內(nèi)油蒸氣的回流會(huì)直接造成真空系統(tǒng)的污染。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：極限真空度高，抽速很大，根據(jù)口徑大小，抽速可以從每秒幾升至每秒上萬(wàn)升不等。 應(yīng)用領(lǐng)域：應(yīng)用領(lǐng)域：真空鍍膜、真空爐、電子、化工、航空、航天、冶金、材料、生物醫(yī)藥、原子能、宇宙探測(cè)等高科技領(lǐng)域。編輯ppt19影響油擴(kuò)散泵性能的主要因素有影響油擴(kuò)散泵性能的主要因素有: :擴(kuò)散泵油蒸氣的返流，解決的方法是在真空系統(tǒng)

8、上加裝冷阱，能有效地防止油蒸氣的返流。氣體分子的反擴(kuò)散，通過(guò)在高真空機(jī)組中增加羅茨泵或雙機(jī)械泵，增大前級(jí)泵的抽速，降低擴(kuò)散泵出氣口的壓力，這樣不僅可減少氣體分子的反擴(kuò)散，而且還能減少油蒸氣的返流。擴(kuò)散泵油的裂化分解，采用合格的擴(kuò)散泵油防止裂化分解。擴(kuò)散泵臟化，污染物留在泵內(nèi)重復(fù)循環(huán)，應(yīng)對(duì)擴(kuò)散泵進(jìn)行清洗，并更換泵油。 真空泵類型真空泵類型編輯ppt20真空泵類型真空泵類型渦輪分子泵渦輪分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。編輯ppt21分子泵分子泵的核心部件是旋轉(zhuǎn)葉片和固定葉片.葉片的角度大，則排氣速度大，壓縮比小。葉片的角度小，則排氣速度小，壓縮比大

9、。分子泵的排氣速度基本上不受氣體種類的影響，泵的極限壓強(qiáng)可達(dá) 10-8Pa。分子泵是一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械泵，因此對(duì)平衡的要求很高，對(duì)固體異物非常脆弱，通常要在分子泵的入口處安裝金屬過(guò)濾網(wǎng)。真空泵類型真空泵類型編輯ppt22真空泵類型真空泵類型復(fù)合分子泵復(fù)合分子泵是渦輪分子泵與牽引分子泵的串聯(lián)組合。即在普通渦輪分子泵的高壓側(cè)設(shè)置高速旋轉(zhuǎn)的螺紋，依螺紋部位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步將氣體向排出口一方壓縮。從而提高泵的工作壓力范圍，以滿足大排氣量的需求。復(fù)合分子泵復(fù)合分子泵渦渦輪輪分分子子泵泵牽牽引引分分子子泵泵編輯ppt23真空泵類型真空泵類型分子泵的特點(diǎn)：分子泵的特點(diǎn)：工作壓力范圍寬，在 10-110-8

10、 Pa 范圍內(nèi)具有穩(wěn)定抽速達(dá)到1000 L/s；起動(dòng)時(shí)間短，能抽除各種氣體和蒸氣；分子泵適用于在要求清潔的高真空和超高真空的儀器及設(shè)備上使用。也可用來(lái)作為離子泵、升華泵、低溫泵等氣體捕集超高真空泵的前級(jí)預(yù)抽真空泵使用，這將獲得更低的極限壓力或更清潔的無(wú)碳?xì)浠衔锏恼婵窄h(huán)境。編輯ppt24真空泵類型真空泵類型在低溫下靠分子篩的物理吸附作用實(shí)現(xiàn)抽氣的真空泵。吸附泵：吸附泵：一切固體表面的原子或分子由于受到的力場(chǎng)不對(duì)稱，有過(guò)剩的自由能，因而對(duì)氣體或液體具有吸附作用。但實(shí)際上只有多微孔的物質(zhì)或磨得很細(xì)的物質(zhì)因表面積很大，才有明顯的吸附作用。分子篩就是這種物質(zhì)。分子篩（人造沸石）為多微孔型結(jié)構(gòu)的堿金屬鋁

11、硅酸鹽，體內(nèi)有許多空腔狀晶胞，其間有微孔相通。在液氮溫度下，氣體或液體分子通過(guò)微孔吸附于晶胞空腔的內(nèi)表面上。編輯ppt25真空泵類型真空泵類型編輯ppt26分子篩吸附泵是利用分子篩在低溫下能大量吸氣、在高溫下又能將吸附的氣體釋放出來(lái)的性質(zhì)而設(shè)計(jì)的一種真空泵。分子篩吸附泵的結(jié)構(gòu)要求：分子篩吸附泵要滿足如下幾個(gè)條件。 使分子篩能得到充分冷卻。 使被抽氣體易于深入分子篩內(nèi)部。 節(jié)省液氮的消耗量。 易于對(duì)分子篩加熱再生。 必須設(shè)置安全閥。真空泵類型真空泵類型編輯ppt27真空泵類型真空泵類型真空的實(shí)質(zhì)就是具有較低氣體分子濃度的空間。因此, 只要降低空間的氣體分子濃度就能獲得真空, 而不必有實(shí)際上的排氣

12、過(guò)程。升華泵和濺射離子泵都屬于鈦泵，其工作原理升華泵和濺射離子泵都屬于鈦泵，其工作原理為：通過(guò)加熱、電離等方法使鈦原子與空間氣體分子發(fā)生一系列復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng), 使氣體分子伴隨鈦原子一起沉積下來(lái), 從而達(dá)到降低空間氣體分子濃度的目的。這與壓縮泵的原理 ( 即將氣體從一方壓縮到另一方來(lái)獲得真空) 有所不同。升華泵和濺射離子泵：升華泵和濺射離子泵：編輯ppt28真空泵類型真空泵類型鈦升華泵：鈦升華泵：在抽真空的電子管中蒸發(fā)化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng)的金屬（如鈦）, 使其與管內(nèi)未能抽凈的氣體發(fā)生反應(yīng), 從而降低空間的氣體分子濃度。這種方法叫做化學(xué)清除。通過(guò)電加熱使鈦持續(xù)蒸發(fā)到一個(gè)冷卻的壁上進(jìn)而大量俘獲氣體分子

13、獲得真空的泵, 叫做鈦升華泵。升華泵通常不能排除惰性氣體和甲烷。編輯ppt29真空泵類型真空泵類型濺射離子泵：濺射離子泵：利用高速電子轟擊氣體分子可以得到正離子, 正離子在電場(chǎng)作用下被驅(qū)逐到負(fù)電極上, 中和后由于分子間的范德瓦爾斯力被金屬吸附而不再離開(kāi)電極。這樣降低了空間氣體分子濃度, 達(dá)到了獲得真空的目的。這種現(xiàn)象稱為電清除, 利用電清除達(dá)到除氣目的的泵稱為離子泵。離子泵對(duì)吸附的氣體沒(méi)有選擇性。 濺射離子泵主要由陽(yáng)極 (不銹鋼桶)、陰極(鈦)、永磁鐵和泵體幾部分組成。編輯ppt30真空泵類型真空泵類型濺射離子泵的特點(diǎn)濺射離子泵的特點(diǎn)： 抽速對(duì)于不同的氣體是不一樣的（活性高的氣體，抽速大） 濺

14、射離子泵所抽除的氣體分子不會(huì)在高溫下再被釋放出來(lái) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：濺射離子泵是一種獲得清潔超高真空的真空獲得設(shè)備，完全不用油。一旦封離，跟大氣空間的通道就全部截?cái)?，即使由于停電等原因而中斷能量的供給也無(wú)關(guān)緊要，如果再通電又會(huì)重新啟動(dòng)。所需的只是電力，具有無(wú)噪聲、無(wú)振動(dòng)、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。離子泵工作是封閉系統(tǒng)，不需要有連續(xù)工作的前級(jí)真空系統(tǒng)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：Ti電極的不斷濺射使得離子泵的壽命是有一定限度的。應(yīng)用：應(yīng)用：濺射離子泵是無(wú)油超高真空機(jī)組的主泵，可應(yīng)用于高能粒子加速器，受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、電真空器件、半導(dǎo)體材料制備、電子顯微鏡、質(zhì)譜儀等科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置及其它需要超高真空的工業(yè)設(shè)備中。編輯ppt31真空規(guī)

15、真空規(guī)測(cè)量真空的元件常被稱為真真空規(guī)空規(guī) U形管真空計(jì) 麥克勞真空規(guī) 熱偶真空規(guī) 皮喇尼真空規(guī) 電離真空規(guī) 隔膜真空規(guī)編輯ppt32真空規(guī)真空規(guī)U U形管真空計(jì)形管真空計(jì) U形管真空計(jì)(U tube Manometer)是利用液柱的高度差來(lái)進(jìn)行氣體壓強(qiáng)測(cè)量的真空計(jì)，真空測(cè)量中一般使用水銀，也有使用油的。 使用時(shí)，將管的一端與待測(cè)真空系統(tǒng)相連，另一端開(kāi)口聯(lián)通大氣或封死，讀數(shù)由U形管兩邊得液面差決定 測(cè)量范圍：10105Pa。 在低真空范圍內(nèi)測(cè)量全壓強(qiáng)的絕對(duì)真空計(jì) 。編輯ppt33真空規(guī)真空規(guī)開(kāi)式開(kāi)式U U形管真空計(jì)形管真空計(jì) 開(kāi)始抽氣前，兩端液面等高； 開(kāi)始抽氣后，隨著真空系統(tǒng)壓強(qiáng)降低，兩端液面

16、出現(xiàn)高度差，某一時(shí)刻達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，有：p p0 gh 使用水銀為工作液時(shí)， =13.595103 kg/m3p p0 1.333105h編輯ppt34 將管內(nèi)預(yù)抽至10-1Pa真空，注入工作液，開(kāi)口端與待測(cè)系統(tǒng)相連 抽氣到某一時(shí)刻，兩端液面處于靜力平衡時(shí)，待測(cè)壓強(qiáng)為p gh 真空規(guī)真空規(guī)閉式閉式U U形管真空計(jì)形管真空計(jì) 使用水銀為工作液時(shí)p 1.333105h 編輯ppt35真空規(guī)真空規(guī)U U形管真空計(jì)的改進(jìn)形管真空計(jì)的改進(jìn) 當(dāng)待測(cè)壓強(qiáng)很小時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)困難，可作如下改進(jìn)：換用密度小的液體將U形設(shè)計(jì)改成斜放式利用光放大讀數(shù)光干涉放大，可確定1.7210-9m的液面變化 編輯ppt36真空

17、規(guī)真空規(guī)壓縮式真空計(jì)壓縮式真空計(jì)- -麥克勞真空規(guī)麥克勞真空規(guī) 壓縮式真空計(jì)由硬質(zhì)玻璃吹制而成，主要包含一下幾部分： 測(cè)量毛細(xì)管、比較毛細(xì)管、玻璃泡、水銀貯存器、刻度尺、連接導(dǎo)管。 原理原理： 理想氣體的波意耳定律。 測(cè)量前，將真空計(jì)與被測(cè)系統(tǒng)連接，壓強(qiáng)相等。 測(cè)量時(shí)，線將水銀面提到MM線高度，將被測(cè)系統(tǒng)與玻璃泡分開(kāi), 玻璃泡內(nèi)的壓強(qiáng)與被測(cè)壓強(qiáng)p p相等， MM線以上玻璃泡+測(cè)量毛細(xì)管體積為V 。編輯ppt37真空規(guī)真空規(guī) 水銀面升到右圖位置時(shí), 測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)氣體體積為 V1，壓強(qiáng)為 P1，而比較毛細(xì)管內(nèi)壓強(qiáng)仍為 P，測(cè)量毛細(xì)管和比較毛細(xì)管的液面差 h=h1-h2，則測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)壓強(qiáng)為p1 g

18、h p 根據(jù)玻義耳定律，有 編輯ppt38 測(cè)量低壓， ，可得壓縮真空計(jì)基本方程：真空規(guī)真空規(guī) V和d在制作壓縮真空計(jì)時(shí)可測(cè)得，為固定數(shù)據(jù)，則上式可寫成： K：真空計(jì)常數(shù)，Pa/m2編輯ppt39熱傳導(dǎo)真空計(jì)熱傳導(dǎo)真空計(jì)是基于氣體分子熱傳導(dǎo)能力在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)與氣體壓強(qiáng)有關(guān)的原理制成。真空規(guī)真空規(guī)L 編輯ppt40電阻真空計(jì)電阻真空計(jì)又稱為皮喇尼真空計(jì)，是憑借熱絲電阻的變化反映氣體壓強(qiáng)變化的熱傳導(dǎo)真空計(jì)，測(cè)量范圍10410-1Pa 。真空規(guī)真空規(guī) 在10-210-3Pa時(shí)，將電橋調(diào)于一定電壓U0，改變RV使電橋平衡，電表CB指零； P增大時(shí)，熱損耗增大，熱絲溫度降低，電阻變小 ，電橋失衡，電表CB不為零； 改變電橋電壓至U，熱絲溫度和電阻恢復(fù)。編輯ppt41真空規(guī)真空規(guī)