扩散泵工作区域扩展的探索 www.goooglb.cc
时间：2012-07-10 阅读：440
一、前言
油扩散泵的应用量大面广，对各类气体都能有效抽气，还具有成本低、无振动噪音、使用及维护保养方便等优点,但其工作区域，尤其是高压强段抽气范围，却受很大局限。
问题的提出在于一些大放气量的真空镀膜设备如磁控溅射镀膜机、卷绕式真空镀膜机等，特别是后者，其工作真空常在lO-1Pa范围，且有持续的大放气量。因而在真空系统的真空泵选配上要求主抽气泵在10-2～10-1Pa范围内要有较大的抽速，且极限真空要优于lO-3Pa。传统的油扩散泵，一般在10-3～lO-2Pa一个半数量级范围内保持zui大值抽速，其抽速曲线的恒定满抽速段普遍延伸至7×lO-2Pa左右（凸腔泵还要差一些）。如进气口压强超过临界范围，便会导致油蒸汽射流的破坏，抽速曲线开始急剧衰减。而油增压泵虽能在l0-1～10Pa约二个半数量级内具备有效的抽速，但lO-2Pa范围抽速太差，更欠缺的是极限真空只在lO-2Pa水平。这就使得设计镀膜机时在真空系统的真空泵选配上，为如何兼顾真空度和抽气效率而颇费踌躇。
显然,这一问题的解决不是扩散泵或油增压泵所能单独胜任的,只能设法如何兼顾其在真空度和抽气量方面的各自优势.也正由于此,提出了在原有扩散泵的基础上进行扩展其抽气范围的设想.其主要手段是以扩散泵抽气特性为出发点,参照扩散泵和油增压泵各自性能和结构特点,增强其高压强段抽速,扩展延伸抽气曲线.如此改进的泵种我们称其为扩散增压泵.近年来我们研制出并大量用于镀膜设备的大口径扩增泵（KZ系列）有Ф600、Ф630、Ф800三种,在性能调试中获得了较多的有益数据,也积累了一些经验。
二、扩增泵的设计构思
所谓的扩展高压强段抽速，从实践上来说是2个目标：1．不使高压强段的抽速急降至零，形成一渐降的抽速曲线；2尽可能减小该曲线的下降斜率。
分析其特性，从原扩散泵基础上的改型，可考虑从三方面着手：1．改进喷嘴结构。要抽除高压强段的大负载量气体，传统扩散泵的喷嘴结构显然不能胜任。除了改变各喷嘴喉部面积、扩张率等参数以适应锅炉压强提高的变数外，还将原直简状喷射喷嘴改为拉瓦尔喷嘴和和与之相配的扩压管（见图1），以产生较强的正激波,大大提高排气口处的气体携带能力；2．加大加热功率。加大功率的目的是提高锅炉压强，从而在相同的扩张率下各级喷嘴出口处有较高的油蒸汽压，能形成更强的油蒸汽射流；3．换用泵液。泵液的换用是试图在相同的加热温度下，大大增加锅炉内油蒸汽的饱和蒸汽压，但该举目前还受很大局限，备选品只有增压泵油和普通扩散泵油,前者饱和蒸汽压过高,极限真空受到限制,即使采取分馏措施效果也不佳,不能进入10-3Pa.后者极限真空虽高，但高温下油蒸汽压过低，锅炉压强不理想，高压强段抽速要受很大损失。较理想的是常温下饱和蒸汽压比扩散泵油高一个数量级左右，但高温下油蒸汽压多向油增压泵油靠拢，兼备二类泵油特性的油种。这类产品国外以有一些可备选，国内则祈望扩散泵油厂家能早开发推出新品。
无论抽气机理或泵的具体结构,扩增泵都兼备了以扩散携带为主的扩散泵和以粘滞携带为主的油增压泵的特点。在其较宽的工作范围中，抽速曲线的二段不同走向可表征这一特性。
图2所示，无论扩增泵或扩散泵，抽速曲线基本可分为二个区域：以4×10-2Pa为分界点，左边为低压强段，右边为高压强段，由图可见，二个区域的抽速呈现出*不同的走势。
低压强段抽速曲线范围为10-3～4×10-2Pa,该范围内各级油蒸汽射流充分膨胀,蒸汽压相对较低,且具备合适的厚度，各级射流稳定地连续抽气。被抽气体可在zui大抽气面积即一级环流面上，充分扩散进入油蒸汽射流，而被其携带抽除。相应抽速曲线在其zui大值上呈现较为恒定状态，为一微曲的水平线，这是扩散泵的基本特征。
高压强段抽速曲线范围为4×10-2～10-1Pa,该范围内进口压强不断增高,接近10-1Pa时,被抽气体压强相近甚至高于一级扩散喷嘴出口处油蒸汽压。一级油蒸汽射流膨胀度减小，zui后乃至被压缩。不能形成能有效抽气且能“封住”被抽气体返流的蒸汽射流。被抽气体返流增加。抽气速率开始下降。同样，随着进口压强继续增高，类似情况又在二、三喷嘴处相继出现。基于此，4×10-2Pa出现拐点后的抽速曲线是一下降的线段。
比较扩增泵和扩散泵的抽速曲线，在低压强段，扩散泵的抽速曲线更为稳定，而扩增泵有些相似于油增压泵，抽速从一较低处开始爬坡，直到10-2Pa后才超过扩散泵，扩增泵中，喷嘴出口处的油蒸汽射流密度远大于扩散泵，被抽气体分子扩散入油蒸汽射流中而被抽除的几率较低，而在较低压强处被抽气体分子返流的数量不多，扩增泵无优势可言，故抽速低于扩散泵。在高压强段，结果向相反方向变化，进气口压强逐步升高后，未到10-1Pa，扩散泵抽速已大幅下降，扩增泵则更为“抗跌”。
除了抽速曲线，图2还示出了扩增泵和扩散泵抽气量曲线，不同的是扩增泵在随进口压强升高而抽气量线形上升，至10-1Pa后渐趋稳定。2×10-1Pa后，则又出现抽气量的跃升。抽气量曲线中，扩增泵在高压强段的抽气性能显示得更为清晰。
三、扩增泵研制中的抽速试验
研制KZ-600扩增泵时，针对一些影响抽速的因素曾作了一系列抽速性能调试，本文简略叙述如下：
1．扩散泵喉部面积对抽气速率的影响
从图3可见，一级扩散喷嘴结构参数的变化只对低压强段抽速有显著影响：相同喷射角度、相同扩张率、不同喉部面积条件下，各曲线在低压强段差距明显，抽速（5～6×10-2Pa处）相差在30％以上。以后则逐渐收敛，至2×10-1Pa后趋于一致，此段抽速主要取决于二、三级喷嘴及拉瓦尔喷嘴参数，与原先设计时的设想相符。试验表明，一级喉部面积应不小于9cm2。
2．泵液种类对抽速的影响
高温下具有较高饱和蒸汽压的泵液能在相对小的功率（不至于大幅提高油温，避免泵油裂化）下，提供较高锅炉压强，这对增强油蒸汽射流强度、从而在高压强段提高抽速极为有利。KZ-600泵用增压泵油和扩散泵油（KS-3）分别作了抽速测试。进口压强大于3×10-2Pa时，二者开始显示不同走势，进口压强越大，增压泵油的优势越显著。
增压泵油在高压强段具有比扩散泵油好得多的抽气特性，但为获得较好的真空度，还是决定采用扩散泵油为扩增泵泵液。这也从另一角度给我们启示：如能研制介于二者之间（饱和蒸汽压常温下低于增压泵油、高温下高于扩散泵油的泵液）的油品。应该更能成为扩增泵泵液的优选。
3．水冷挡帽对抽速的影响
图5的试验表明，加上水冷挡油帽后，低压强段抽速增大，但高压强段变化不明显。这是由于加上水冷挡油帽后,抽气面积虽稍有减小，但有效的挡油效果使大量返流油蒸汽被捕集，起了部分抽除可凝性气体的作用，从而抽速增大；而在高压强段，返流油蒸汽量相比于全部被抽气体，其气体量比例较小，上述分析的效果不显著，故抽速曲线趋向于一致。如挡油帽用温度更低的冷却介质，在低胞虽段抽除可凝性气体含量更高的工作气体，该效果将更好。
4．不同加热功率对抽速的影响
扩增泵工作区域较宽，故*加热功率曲线在各段也有所区别。在低压强段，加热功率超过*功率后，蒸气流密度增大，但被抽气体扩散系数减小，抽速反而降低。但在高压强段加大功率后，油蒸汽流强度提高，携带被抽气体能力增强，抽速有增无减，曲线下降较缓。图6显示了不同功率对抽速影响的对比，10-2Pa区域内除了18.5kW,其他功率下抽速基本一致。而10-1Pa区域，整齐的排列清楚地显示了随着功率增加而抽速降势减缓（斜率减小）。
四、扩增泵的结构特点
不同于扩散泵性能特点的扩增泵当然具有其自身的结构特点，除了前述喷嘴结构的改进，我们在研制时还作了三方面的结构改进：
1．加热器的改进
扩增泵功率较扩散泵加大近一倍，这就带来二个问题，一是节能问题，敞开式电炉是通过热辐射至泵底再将热量传至泵液，如此单向传热启动慢，更有热量散失，热效率低的弊病。扩增泵将多根套管在方型加热锅炉的下部焊实。另将管状加热器穿入套管内，工作时整个套管浸入泵液中（见图7），热量径向传输，且是固体直接传热，既缩短加热时间，义减少热散失。二是单位加热功率问题，如仍沿用敞开式电炉结构，新的加热功率下加热表面的单位热载荷大大增加，会出现泵液的裂化和爆沸。如图7的结构改进加热方式后，大大增加了加热表面积，单位载荷控制在3.1W/cm2以内。
2．水冷挡油帽装置
扩增泵加大加热功率后，油蒸汽量增大，返油量也增大。大量的油蒸汽会使挡油帽温度迅速升高，减弱防返油效果。所以挡油帽上加水冷装置在大型扩增泵中是必须的，可大大降低返油率。从试验结果看，较低温度的挡油帽对抽速也是有益的。
3．前级水冷装置
扩增泵不光进气口返流的油蒸汽量大，排气口经拉瓦尔喷口排出的油蒸汽量也大，大量油蒸汽冲向前级管道后并不能*在前级管道壁和前级挡油阱处凝结，未凝结部分结果由前级泵抽除。这既使得泵油的耗量增大，义使前级泵增大了不必要的负载。同样道理，应有效地降低挡油片温度，使油蒸汽充分凝结。故设计时在扩增泵KZ系列在前级加了水冷挡油装置（见图8）。明显减少了泵油的耗量。
五、结束语
扩增泵的开发，是扩大油蒸汽流泵工作区域的一种新尝试。KZ系列扩增泵以其凸腔结构，不仅增大低压强段抽速，还将抽速曲线往下延伸，在进入lO-1Pa后拓展抽气范围近一个数量级，抽气量比原先提高一到二倍。该泵的调试结果表明，原先一些设想是可行的。
传统的扩散泵性能调试中，一些对抽速有显著影响的因素如减少返油、改变扩散喷嘴结构参数等，在进气口压强进入10-1Pa后逐渐淡出，起主要作用的转为能增强油蒸汽射流强度的一些因素，如加热功率、泵液种类的选用等。
扩增泵欲达到扩展高压强段抽气性能的目的，必须在喷嘴结构、配置参数等方面作一些必要的改进，此外改型后的扩增泵会出现一系列新的问题如：加热方式、表面热负载密度、返油、前级残余油蒸汽处理等，这些都可以通过结构改进来加以解决。
当然，还有许多问题尚待解决，如合宜的前级反压强的确定、合理选用泵液、提高单位功率抽气量和更合理选择加热功率等，这将在以后进一步探讨。