扩散泵是如何工作的？

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扩散泵基本上由（参见图 2.44）带有低温泵壁 (4) 的泵体 (3) 和三级、四级或五级喷嘴系统 (A - D) 组成。用作泵液的油位于油池 (2) 中，通过电加热 (1) 从此处蒸发。泵液蒸汽流过上升管，并以超音速从环形喷嘴 (A - D) 喷出。然后，形成的射流会像伞一样散开，到达泵壁后发生泵液冷凝。冷凝液呈薄膜状沿泵壁向下流动，最终返回油锅。由于这种射流扩散，油池密度相对较低。空气或任何被抽的气体（或蒸汽）会迅速扩散到射流之中，因此尽管射流的速度很快，但被抽的介质仍会在射流中几乎达到饱和状态。因此，扩散泵可在很大的压力范围内实现出色的抽速。此抽速在扩散泵的整个工作区域 (≤ 10^-3 mbar) 内几乎是恒定的，因为空气在此低压之下不会影响到射流，因此其路线也不会受到干扰。当进气口压力较高时，射流的路线会发生改变。因此，抽速会降低，当压力达到大约 10^-1 mbar 时，此速度会降低至无法测出的水平。

图 2.44 扩散泵的工作模式。

加热器
油池
泵体
冷却盘管
高真空法兰
气体分子
蒸汽射流
前级真空连接口
喷嘴 A、B、C、D

前级真空压力也会影响蒸汽射流，如果其值超过某个临界极限，则会产生不利影响。此限值称为最大前级压力或临界前级压力。所选前级泵的容量必须保证能够抽走扩散泵排出的气体量，以避免形成的前级压力接近甚至超过最大许可前级压力。

可达到的最终压力取决于泵的结构、所用泵液的蒸汽压力、泵液的最大可能冷凝以及容器的清洁度。此外，应尽可能通过适当的障板或冷阱减少泵液回流到容器中。

泵油脱气 - 防止污染

在油扩散泵中，泵液在返回油池之前，必须对其进行脱气。加热泵油时，泵内可能出现分解产物。来自容器的污染物可能会进入泵，也可能污染物一开始就存在于泵内。如果这些杂质进入泵液，就可能对扩散泵可达到的极限压力造成巨大的不利影响。因此，泵液必须不含此类杂质以及所吸附气体中释放出来的杂质。

这就是脱气部分的作用，循环油液在重新进入油池之前会短暂地流经该部分。在脱气部分，挥发性最强的杂质会逸出。通过泵内得到精心控制的温度分布来实现脱气。呈薄膜状沿低温泵壁向下流的冷凝泵液在最低的扩散级下方被加热至大约 266°F (130°C)，以使挥发性成分蒸发并由前级泵除去。这样，再蒸发泵液中就只含有泵油中挥发性较低的组分。

扩散泵的抽速

扩散泵的比抽速 S 的大小（也就是实际入口表面单位面积的抽速）取决于多个参数，包括高真空级的位置和尺寸、泵液蒸汽的速度以及所抽气体的平均分子速度 c-（参见式 1.17）。根据气体动理论，室温下被抽气体时可达到的最大比抽速可计算为 S_max = 11.6 l · s^-1 · cm^-2。这是泵的进气区域的比（分子）流导，类似于相同表面积的孔（见式 1.30）。通常，与较重气体相比，扩散泵对较轻气体的抽速会更高。

(1.17)

(1.30)

为了表征扩散泵的有效性，定义了一个 HO 系数。它是实际达到的比抽速与理论最大可能比抽速的比值。Leybold 莱宝生产的扩散泵可达到理想值（最小型的泵为 0.3，较大的泵为 0.55）。

Leybold 莱宝生产的油扩散泵

Leybold 莱宝生产的各种油扩散泵在以下设计特征方面有不同（参见图 2.45）。

图 2.45 扩散泵的设计原理图。

前级真空连接法兰
定心环，带前级真空挡板
喷嘴系统
冷却液管路
高真空连接法兰
冷帽
泵壳
电气接线盒
加热器

DIP 系列油扩散泵

在这些泵中，卓越的加热器设计可保证泵液的蒸发过程几乎不存在急剧变化，进而可实现长时间高度恒定的抽速。加热器为内置型，包含加热筒，并从筒内引入焊接至导热板上的加热管。这些不锈钢管水平焊接到泵体中，位于泵油的上方。铜导热板仅部分浸入泵液中。导热板浸入部分的额定功率可确保泵液能急剧蒸发，但不会导致任何的沸腾延迟。导热板位于油位上方的部分则为蒸气提供更多的能量。得益于加热系统的特殊设计，在泵处于热机状态时也能更换加热筒。
DIP 泵带有一个采用了四级喷嘴设计的喷射组，适合在 10^-2 ~ 10^-8 mbar 的压力范围内抽真空。

DIJ 系列油扩散泵

DIJ 系列采用了更多的改进设计，适用于要求在 5x10^-1 ~ 10^-7 mbar 的压力范围内具有高抽速和高气载的应用。带导热板的加热器设计借鉴了 DIP 系列，但又做了进一步的改进。DIJ 没有采用加热筒通过不锈钢管引入的管式设计，而是提供了法兰式设计。加热筒牢固并气密地安装在加热器容器中，并直接浸没在泵液中。这种设计进一步改善了泵液的加热，并简化了维护。喷射组包含一个额外的喷射器级，可提高前级真空的压力稳定性和带气载能力。由于扩散泵的原理是基于对油液进行加热，这些泵都涉及一个重要问题 - 泵所用能量的大约 80% 会排放到环境中。DIJ 系列在加热器容器的周围配备了隔热套，将其与周围环境隔离，从而缩短加热时间并降低能耗。

泵液

扩散泵中使用哪种油液？

矿物油和硅油适合用作油扩散泵的泵液。扩散泵对此类油液的要求极其严格，只有专门的油液才能满足。诸如蒸汽压力、耐热性和耐化学性、特别是对空气的耐受性决定了给定类型的泵或者要达到特定极限真空时所需使用的泵液。蒸汽泵所用油液的蒸汽压力要低于汞蒸气压力。有机泵液在工作中比汞更敏感，因为长期进气会致使油液分解。但是，硅油可耐受工作泵中长期和频繁进入的空气。

LVO510 是 Leybold 莱宝专门为扩散泵提供的典型矿物油。这种矿物油由优质原料通过精心蒸馏加工而成（参阅我们的产品目录）。LVO 510 是我们专为高真空应用提供的标准扩散泵油，具有良好的热稳定性。

为了获得理想的性能，Leybold 莱宝还推出了 LVO521（参阅我们的产品目录），这是一款高纯度的硅油解决方案，它所含的特种硅成分可帮助您在高真空和超高真空应用中获得出色的泵性能。这款硅油具有出色的热稳定性和优异的耐氧化和耐分解性。

Leybold 莱宝为油蒸汽喷射泵提供了 LVO540（参阅我们的产品目录），这是一款特殊的烃油。它具有更长久的使用寿命和更高的温度稳定性、出色的耐热性和耐化学性，以及优异的抗氧化性。它可在中真空范围内帮助蒸汽喷射泵达到所需的高抽速。

扩散泵冷却

为了让流体喷射泵中的泵液蒸发，加热器要持续地为泵供热，所以必须通过高效的冷却进行散热。被抽气体和蒸汽所需的能量极小。扩散泵壳体的外壁通常用水进行冷却。不过，一些小型油扩散泵也可以通过气流进行冷却，因为与汞扩散泵不同，低壁温不会对此类扩散泵的效率产生决定性影响。油扩散泵可在 86°F (30°C) 的壁温下正常运行，而汞扩散泵的壁温则必须冷却至 59°F (15°C)。在冷却水盘管未通过热控保护开关进行控制时，为了保护泵不会因冷却水断供而面临危险，应在冷却水回路中安装一个水循环监测器，以避免泵液在泵壁上蒸发。

汞能否用于扩散泵？

汞可以用作泵液。这种物质在汽化过程中不会分解，当有空气进入时也不会发生强烈氧化反应。但是，泵在室温下的蒸汽压力相对较高，为 10^-3 mbar。如果要达到较低的极限总压力，需要使用液氮冷阱。借助这种冷阱，汞扩散泵可达到 10^-10 mbar 的极限总压力。就像前文所述，汞是有毒物质并且会对环境造成危害，所以现在很少再将它用作泵液了。

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