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各种真空泵的工作原理介绍
  • 发布日期:2019-04-03      浏览次数:18
    •    各种真空泵的工作原理介绍
        1爪型干式真空泵
        爪型干式无油真空泵在泵腔内具有若干组相互啮合的爪型转子。转子与转子之间及转子与泵腔之间并不接触,留有微小的间隙,不用任何润滑剂,从而保证了清洁的真空环境。泵的结构采用多级转子窜连的形式,每组转子分别位于不同泵腔做同步反方向运动。泵腔被爪型转子分隔为吸气腔和排气腔两部分。随着转子连续运转,进行循环的吸气排气过程,实现了泵连续抽气的目的。
        罗茨转子由0°到360°的抽气过程。在0°位置时,进排气道关闭,吸气腔与排气腔沟通,泵腔内压力均衡相等。当两个转子旋转到50°时,形成负压腔,进气道打开,正压腔压力逐渐提高。工作过程中,此位置是转子正好处于换向泵腔压力平衡的瞬间,转子从该位置再转过一定角度,则转子开始密封分割为吸气腔与压缩排气腔两部分,此时开始做功。此位置进气口打开,随着转子的继续旋转负压腔容积逐渐增大开始吸气,排气腔容积逐渐减。?捎谂牌?谏形创蚩,因此气体被压缩,压缩量随排气口上线位置的变化而变化。当转子旋转到155°时,此时负压腔继续进气,排气道打开,开始排气。此位置时泵的吸气做功继续进行,排气口开始打开,被压缩的气体快速排入下一级泵腔。当转子旋转到312°时,进排气口关闭。此位置转子做功以完成一个周期,此时泵腔内压力逐渐恢复均衡状态。此位置又回到初始位置,随着泵转子的连续旋转,吸气和排气过程循环进行,实现了泵的连续抽气做功,实现了抽真空的目的。转子没转一周,吸气和排气各进行一次。
        2水环式真空泵
        水环真空泵(简称水环泵)是一种粗真空泵,它所能获得的极限真空为2000~4000Pa,串联大气喷射器可达270~670Pa。水环泵也可用作压缩机,称为水环式压缩机,是属于低压的压缩机,其压力范围为1~2×105Pa表压力。
        由于水环泵中气体压缩是等温的,故可抽除易燃、易爆的气体,此外还可抽除含尘、含水的气体,因此,水环泵应用日益增多。
        水环式真空泵工作原理如原理:叶轮偏心地安装在泵体内,起动时向泵内注入一定高度的水作为工作液。当叶轮中指示的方向顺时针旋转时,水被叶轮抛向四周,由于离心力的作用,水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的上部分内表面恰好与叶轮轮毂相切,水环的下部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间,而这一空间又被叶轮分成叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的上部0°为起点,那么叶轮在旋转前180°时小腔的与端面上的吸气口相通,在转动时容积由小变大,压强不断降低,当低于被抽容器的压强时,被抽气体不断被抽进来,当吸气终了时腔体则与吸气口隔绝;当叶轮继续旋转时,腔与排气口相通,腔体由大变。?蛊?宀欢媳谎顾,当气体的压强大于排气压强时,气体被排出泵外。水环泵是靠泵腔容积的变化来实现吸气、压缩和排气的,因此它属于变容式真空泵。
        3螺杆型干式真空泵
        螺杆泵的工作循环可分为吸气、压缩和排气三个过程。随着转子旋转,每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环,现以其中的一对齿来说明。
        1.吸气过程
        螺杆泵的吸气过程,所研究的一对齿用箭头标出。阳转子按逆时针方向旋转,阴转子按顺时针方向旋转。转子端面是吸气端面。
        吸气过程即将开始时的转子位置。在这一时刻,这一对齿前端的型线完全啮合,且即将与吸气口连接。随着转子开始转动,由于齿的一端逐渐脱离啮合而形成了齿间容积,这个齿间容积的扩大,在其内部形成了一定的真空,而此齿间容积又仅与吸气口连通,因此气体便在压差作用下流入其中,在随后的转子旋转过程中,阳转子齿不断从阴转子齿的齿槽中脱离出来,齿间容积不断扩大,并与吸气孔口保持连通。
        吸气过程结束时的转子位置,其最显著的特点是齿间容积达到最大值。随着转子的旋转,所研究的齿间容积不会再增加。齿间容积在此位置与吸气孔口断开,吸气过程结束。
        2压缩过程
        螺杆泵的压缩过程。转子端面是排气端面。在这里,阳转子沿顺时针方向旋转,阴转子沿逆时针方向旋转。
        螺杆泵压缩过程即将开始时的转子位置。此时气体被转子齿和机壳包围在一个封闭的空间中,齿间容积由于转子齿的啮合就要开始减小。随着转子的旋转,齿间容积由于转子齿的啮合而不断减小。被密封在齿间容积中的气体被占据体积也随之减。?贾卵沽ι?,从而实现气体的压缩过程,压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口连通之前。
        3排气过程
        螺杆泵的排气过程。齿间容积与排气孔口连通后,即开始排气过程。随着齿间容积的不断缩。?哂信牌?沽Φ钠?逯鸾ネü?牌?卓诒慌懦。
        所示。这个过程一直持续到齿末端的型线完全啮合,此时,齿间容积内的气体通过排气孔口被完全排出,封闭的齿间容积的体积变为零。
        4往复式真空泵
        往复式真空泵(又称活塞式真空泵),属于低真空获得设备之一,它的极限压力一般在1330~2660P往复式真空泵(简称往复泵)又名活塞式真空泵,属于低真空获得设备之一。它与旋片式真空泵相比较,它能被制成大抽速的泵;与水环式真空泵相比,效率稍高。这类泵的主要缺点是结构复杂,体积较大,运转时振动较大等。
        往复式真空泵的工作原理,往复式真空泵的主要部件是气缸1及在其中作往复直线运动的活塞2,活塞的驱动是用曲柄连杆机构3(包括十字头)来完成的。除上述主要部件外还有排气阀4和吸气阀5等重要部件,以及机座、曲轴箱、动密封和静密封等辅助部件。运转时,在电动机的驱动下,通过曲柄连杆机构的作用(旋转运动转变成直线运动),使气缸内的活塞作往复运动。当活塞在气缸内从左端向右端运动时,由于气缸的左腔体积不断增大,左腔空间的压强不断的降低,当左腔空间内的压强低于被抽容器内的压强,根据气体压强平衡的原理,被抽容器内的气体经过吸气阀5不断地被抽进左腔,此时正处于吸气过程。当活塞达到最右位置时,气缸左腔内就充满了气体。接着活塞从右端向左端运动,此时吸气阀5自动关闭。气体随着活塞从右往左运动而逐渐被压缩。当气缸内的气体达到排气压力时,此时排气阀4被打开,气体被排出,完成了一个工作循环。当活塞在从左端向右端运动时,重复上述循环,如此反复下去,被抽容器内最终达到某一稳定的平衡压力为提高抽气效率,一般在气缸的两端均设有吸气阀和排气阀,然后用管路将气缸两端的吸气口和排气口并联起来。
        5喷射真空泵
        蒸汽喷射真空泵有一定压强的工作,蒸汽通过拉瓦尔喷咀,减压增速(蒸汽的势能转变为动能)以超音速喷入混合室,与被抽介质混合,进行能量交换,混合后的气体进入扩压器,减速增压(动通转化为压强能),为了减少后级泵的抽气负荷,配置冷凝器,通过有一定温差的两种介质对流,进行热交换,达到冷凝高温介质目的,排到大气压。
        喷射真空泵的内部构件主要有拉瓦尔喷嘴和扩压器组成,单级蒸汽喷射泵的结构,其它各级的结构形式与此基本相同。
        其工作过程可分为三个阶段:绝热膨胀阶段、混合阶段、压缩阶段。
        在绝热膨胀阶段,工作蒸汽通过缩放喷嘴后,压力能转化为速度能,以极高的速度进入扩压器,同时工作蒸汽的压力在喷嘴出口处下降,形成真空把被抽气体吸入;
        混合阶段,被抽气体进入扩压器,在扩压器中,蒸汽与被抽气体发生碰撞、混合,进行能量交换,到扩压器喉部完成混合,两种气体达到同一速度;
        压缩阶段,经过扩压器喉部后,混合气速度降低,压力进一步上升,在扩压器出口达到大气压力或后一级喷射器的入口压力,把被抽气体排出。
        6旋片式真空泵
        旋片泵的旋片把转子、泵腔和两个端盖所围成的月牙形空间分隔成A、B、C三部分,当转子按箭头方向旋转时,与吸气口相通的空间A的容积是逐渐增大的,正处于吸气过程。而与排气口相通的空间C的容积是逐渐缩小的,正处于排气过程。居中的空间B的容积也是逐渐减小的,正处于压缩过程。
        由于空间A的容积是逐渐增大(即膨胀),气体压强降低,泵的入口处外部气体压强大于空间A内的压强,因此将气体吸入。当空间A与吸气口隔绝时,即转至空间B的位置,气体开始被压缩,容积逐渐缩。?詈笥肱牌?谙嗤。当被压缩气体超过排气压强时,排气阀被压缩气体推开,气体穿过油箱内的油层排至大气中。由泵的连续运转,达到连续抽气的目的。如果排出的气体通过气道而转入另一级(低真空级),由低真空级抽走,再经低真空级压缩后排至大气中,即组成了双级泵。这时总的压缩比由两级来负担,因而提高了极限真空度。
        7滑阀式真空泵
        滑阀式油封机械泵(简称滑阀泵)同旋片泵一样,也是一种变容式气体传输泵。其和范围和使用条件与旋片泵基本相同。
        这种泵亦分单级泵和双级泵两种,有立式和卧式两种结构形式。
        这种泵主要由泵体及在缸内作偏心转动的滑阀所组成。在泵缸中,装有滑阀环(4),其内装有偏心轮(3)。偏心轮固定在轴(2)上,轴与泵缸中心线相重合。在滑阀环上装有长方形的滑阀杆(5),它能在半圆形滑阀导轨(7)中上下滑动及左右摆动,因此泵缸被滑阀环和滑阀杆分隔为A,B两室,泵在运转过程中,由于A,B两室容积周期性地改变(极小与极大之间),从而达到抽气的目的。双级型的滑阀泵,实际上是由两个单级泵串联起来的,它的高、低真空室在同一泵体内,有的是直接铸造成一个整体,有的是压入中隔板来把泵腔分为高、低两室。但二者的前后两室均不直接有孔相通,而是高真空室把容器中的气体吸入经膨胀压缩后排到泵腔上部空腔,再由低真空室吸入经膨胀压缩过程排出泵外。
        滑阀泵由于其结构特点,容量比旋片泵大得多,因此常常被用在大型真空设备上。滑阀泵有单级和双级两种型式。单级泵的极限压力对小泵≤0.6Pa,对大泵≤1.3Pa(均关气镇),双级泵的极限压力≤0.06Pa(关气镇)。抽速大于150L/s的滑阀泵多采用单级型式。
        由于滑阀泵的旋转质量有较大的偏心,如果滑很好的质量平衡,在运转时会产生较大的振动。但泵旋转质心的运动轨迹是形状复杂的封闭曲线,因此很难实现对滑阀泵惯性力的完全平衡。做好滑阀的质量平衡,减少泵的振动一直是滑阀泵需要解决的一个重要课题。
        8罗茨真空泵
        罗茨泵的工作原理:
        罗茨泵在泵腔内,有二个"8"字形的转子相互垂直地安装在一对平行轴上,由传动比为1的一对齿轮带动作彼此反向的同步旋转运动。在转子之间,转子与泵壳内壁之间,保持有一定的间隙,可以实现高转速运行。由于罗茨泵是一种无内压缩的真空泵,通常压缩比很低,故高、中真空泵需要前级泵。罗茨泵的极限真空除取决于泵本身结构和制造精度外,还取决于前级泵的极限真空。为了提高泵的极限真空度,可将罗茨泵串联使用。
        罗茨泵的工作原理与罗茨鼓风机相似。由于转子的不断旋转,被抽气体从进气口吸入到转子与泵壳之间的空间v0内,再经排气口排出。由于吸气后v0空间是全封闭状态,所以,在泵腔内气体没有压缩和膨胀。
        但当转子顶部转过排气口边缘,v0空间与排气侧相通时,由于排气侧气体压强较高,则有一部分气体返冲到空间v0中去,使气体压强突然增高。当转子继续转动时,气体排出泵外。
        9油扩散真空泵
        油扩散真空泵,采用不锈钢内腔并含有纵向叠加的锥形喷射口的内室。通常有三个喷射口内室其大小逐个减小,最大的在底部。在内腔的底部是一滩特殊的低蒸汽压油。油由内腔底部下设的电加热器加热煮沸,气化的油油向上移,从各个内室的喷射口排出来。而水通过在内腔外壁的循环使内腔降温,从而避免热量外溢并维持其长时间的运转。
        之所以称它为扩散泵的理由是,根据观察抽取气体的分子渗透进蒸汽喷口的方式类似于一种气体扩散到另一种气体里。从相当大直径的喷射口出来,高能油滴以时速750英里每小时的速度在内室和内腔壁之间向下落去。这些油滴已达到了超音速,但却没有音爆,主要因为部分真空状态下分子间隔太大以至于不能传导声能。蒸汽喷口的捕捉率取决于他的密度,速率和分子量。高速喷口与在碰巧进入其内部的气体分子发生碰撞是由于气体分子的热运动。这通常会给分子以向下的动力使它们能从泵的排气口排出从而达到更高的真空水平。在内腔底部,积淀下来的大气气体分子被辅助泵消除,同时积淀下来的油则开始又一轮的循环。
        10分子泵工作原理
        分子泵的抽气机理与机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同,利用了动量传递原理,使分子定向流动而被排出泵外,从而达到抽气的目的。
        分子泵在电机的带动下高速旋转,采用变频电源驱动电机,目的是得到较高的转速。在分子流区域内,气体分子与高速转到的叶片表面碰撞,动量传递给气体分子,使部分气体分子在刚体表面的运动方向上,产生定向流动而被排出泵外,从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子,并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象,利用这一现象制成的真空泵称为牵引分子泵(盖德泵)。牵引分子泵的优点是启动时间短,在分子流态下有很高的压缩比,能抽除各种气体和蒸气,特别适于抽除较重的气体。但由于牵引分子泵抽速。?芊饧湎短?。?ぷ骺煽啃越喜,易出机械故障,而且制造困难,实际上很少应用。后来对牵引分子泵进行了改进,出现了涡轮分子泵。
        涡轮分子泵内有多组相间动轮叶和定轮叶,每一个轮叶上有许多按一定角度斜置的叶片,如图一所示。实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成,即按动片、定片、动片等依次交替排列。动叶片转动时又类似于电风扇叶片的作用,能将气体从一侧抽到另一侧。提高分子泵的转速,有利于提高分子泵的抽速。由于叶片转速限制,如果气体分子运动速度较大,泵抽真空就比较困难。
        可以看出,涡轮分子泵也是一种机械式真空泵,通过高速旋转的多级涡轮转子叶片和静止叶片的组合进行抽气的,在分子流区域内对被抽气体产生很高的压缩比,从而获得所需要的真空性能。涡轮分子泵极限真空比扩散泵高,可达10^-8pa。正常工作时需要一定的前级真空度,其真空度高低视泵不同略有差异,一般在1-200Pa之间,可采用机械泵作为前级泵,高真空机组是由分子泵和机械泵组成的。由于涡轮分子泵的转速高,通常用中频电机带动,中频电源的频率在300-400Hz之间。涡轮分子泵一般采用水冷方式。
        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,能在很宽的压力范围10^-6-1Pa内,具有较大的抽速和较高的压缩比,大大提高了泵的出口压力。
        11钛升华泵
        钛升华泵的结构大致可分为三部分:吸气面、热丝(或升华器)和控制器。钛升华泵的工作过程是由控制器通电给升华器(或热丝),使钛加热到足够高的温度(1100oC)直接升华。升华出来的钛沉积在用水或液氮冷却的表面上,形成新鲜的钛膜层。钛在升化和沉积的过程中,与活性气体结合成稳定的化合物(固相的TiO或TiN),结果将空间的气体分子抽除了。
        钛升华泵抽除的气体分子吸附在钛膜上,吸附机理是比较复杂的.通常认为是物理吸附和化学吸
        附综合作用的结果,以化学吸附为主。
        钛升华泵的结构:
        钛升华泵可有三种类型,一种是单体泵,用法兰与被抽容器联接;另一种是升华器放入被抽容器中,被抽容器壁即为吸气面;第三种是与其它泵组合,作成组合泵。无论哪种类型,都必须有吸气面、升华器和控制器三部分。吸气面主要是泵体或各种壳体,控制器属于电控,升华器的种类较多,这里介绍几种升华器的结构。
        1)对升华器的要求:能提供所需要的钛升华率;钛升华率易于调节,可连续或间断地供应吸气剂;钛升华器本身出气少或易于去气;要有足够的工作寿命,即要有足够的储钛量。
        2)电阻加热式升华器:直接通电加热钛丝。常用两种结构。
       、俨?祁阉渴缴??:将钛丝直接缠绕在钨杆或钽杆上,钨杆或钽杆通电加热到足够高的温度,钛就不断升华出来。
       、陬杨馑渴缴??:这种升华器是将钛(85%)与钼(15%)冶炼成合金或将钛直接镀在钼杆上,然后将钛钼丝直接通电加热,使钛不断升华。
        3)热传导加热式:它是由导热性能良好的氧化铍陶瓷为芯,内串以铼钨丝制成的加热器。陶瓷芯上先绕一层钼箔,防止钛与氧化铍直接接触起反应,避免钛的加剧消耗。钛带缠绕在钼箔上,它们之间用氧化铪-甘油浆涂敷。
        4)辐射加热式升华器:这种升华器从结构上将加热源和升华源分成两部分。利用放在钛球内的螺旋钨丝,由电阻加热作热源,利用辐射加热钛球,使钛不断地升华。
        钛升华泵的特性:
        1)极限压强:可达10-10Pa。
        2)抽速:钛升华泵的抽速较大,新鲜钛膜在液氮温度下,对氮的抽速可达10.1L/cm²·s,对氢的抽速可达19.9L/cm²·s。钛升华泵的抽速受很多因素影响,升华速率是决定其抽速的主要因素之一。若吸气面足够大,在一定压强范围内,升华速率高,则泵的抽速大。当然膜沉积速率与排气量要相称,否则第一层钛膜吸气尚未饱和,第二层又覆盖上去,即使升华率高,抽速也增大不了多少。为了维持恒定的抽速,减少钛的消耗,需要对升华速率进行调节。当真空度高时要把升华速率降低。吸气面也是决定泵性能的重要因素之一。吸气面越大,泵的抽速越大。但泵口流导限制了泵的抽速。对室温下空气,泵口最大流导是11.7L/cm²·s。
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