蒸汽喷射真空泵是如何工作的？

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流体喷射泵简介

喷射泵可分为射水泵 (17 mbar < p < 10¹³ mbar)、蒸汽喷射真空泵 (10^-3 mbar < p < 10^-1mbar) 和扩散泵 (p < 10^-3 mbar) 几种。喷射真空泵主要用于产生中等真空。扩散泵用于产生高真空和超高真空。这两种类型的泵均通过蒸气或液体形态（射水以及水蒸汽、油或汞蒸汽）泵液的快速流动。所有流体喷射泵的抽气机制基本相同。被抽气体分子从容器抽出并进入泵液流，后者通过喷嘴后发生膨胀。泵液流的分子通过冲击脉冲的形式沿气流方向输送气体分子，进而将被抽的气体传输至压力更高的区域。

在流体喷射泵中，工作中产生的相应蒸汽压力取决于泵液的类型、温度以及喷嘴的设计。如果是油扩散泵，沸腾室内的压力可能达到 1 mbar。泵中的前级压力必须足够低，以便蒸汽流出。为确保这一点，此类泵需要相应的前级泵，大多都是机械泵。蒸汽射流不能进入容器，因为蒸汽在经过喷嘴喷出后会在泵的被冷却外壁上冷凝。

流体喷射泵的工作原理

Wolfgang Gaede 最先发现，在压力更高的泵液流的帮助下，可以抽压力较低的气体，因此，可将气体分子从总压力较低的区域移至总压力较高的区域。这种现象看似矛盾，其存在的原因是蒸汽流最初几乎不含气体，因此气体会从气体分压较高的区域（容器）扩散到气体分压较低的区域（蒸汽流）。Langmuir（1915 年）在制造第一台现代扩散泵时，就利用了 Gaede 的这个基本概念。第一台扩散泵是用玻璃制成的汞扩散泵，后来改成了金属结构。在 60 年代，油几乎完全替代汞成为泵液介质。为了让蒸汽流达到尽可能高的速度并从喷嘴中以超音速的速度流出。构成蒸汽喷射流的泵液蒸汽会在泵壳的被冷却壁上冷凝，而被输送的气体通常会由后续的一个或多个泵级进一步压缩，直至被前级泵移除。流体喷射泵可达到的压缩比非常高：如果流体喷射泵入口的压力为 10^-9 mbar，前级压力为 10^-2 mbar，则所抽取气体的压缩系数可高达 10⁷！

流体喷射泵的类型

流体喷射泵的极限压力受泵工作温度下所用泵液的分压值的限制。在实际应用中，人们会通过引入挡板或冷阱来提高这个限值。此类构件都是流体喷射泵和真空室之间的“冷凝器”，因此，真空室中可以达到的极限压力现在仅受挡板温度下的泵液分压的限制。
我们基本上可根据朝向泵的高真空侧的顶部喷嘴出口处的泵液密度，将流体喷射泵分成不同的类型：

低蒸汽密度：扩散泵，包括油扩散泵和汞扩散泵
高蒸汽密度：蒸汽喷射泵，包括水蒸汽泵、油蒸汽喷射泵和汞蒸汽喷射泵
组合式油扩散/蒸汽喷射泵
射水泵

油蒸汽喷射泵的工作原理

这里将借助图 2.46 讲解蒸汽喷射级的工作原理。泵液在高压 p₁ 下进入拉瓦尔喷嘴结构的喷嘴 (1)，并在这里膨胀至入口压力 p₂。膨胀时，能量的急剧变化伴随着速度的增加。随后加速的泵液蒸汽喷射流过混合器区域 (3)，混合器连接至要排空的容器 (4)。在这里，容器中的气体分子随着蒸汽射流被拖动。泵液蒸汽与气体的混合物现在进入文丘里喷嘴结构的扩散喷嘴 (2)。在此处，蒸汽和气体的混合物压缩至前级压力 p₃，同时速度降低。然后，泵液蒸汽在泵壁上冷凝，而进入的气体则被前级泵排出。

图 2.46 蒸汽喷射泵的工作过程。

喷嘴（拉瓦尔喷嘴）
扩散喷嘴（文丘里喷嘴）
混合室
接往真空室的连接口

油蒸汽喷射泵尤其适合在 1 ~ 10^-3 mbar 压力范围内抽取数量较多的气体或蒸汽。喷嘴中的蒸汽流密度更高，可确保蒸汽流中所抽走气体的扩散速度比扩散泵慢得多，因此只有蒸汽流的外层被气体渗透。此外，由于喷嘴的特殊构造，发生扩散的表面要小得多。因此，蒸汽喷射泵的比抽速小于扩散泵。由于在高得多的进气压力下，射流附近的被抽取、气体会决定性地影响流动线路的走向，只有在特定进气压力下才能实现理想工况。所以，在低进气压力下，抽速不会保持不变。由于蒸汽流的速度和密度都很高，油蒸汽喷射泵可以在相对较高的前级压力下输送气体。其临界前级压力为几个毫巴。当今真空技术中使用的油蒸汽喷射泵通常具有一个或多个扩散级和几个后续的喷射级。增压器的喷嘴系统由两个扩散级和两个喷射级以级联方式构成（参见图 2.47）。扩散级可在 10^-4 ~ 10^-3 mbar 之间提供较高的抽速（参见图 2.48），而喷射级则可在高压（参见图 2.49）和高临界前级压力下实现高气体通过量。通过选用大规格的油锅和大型泵液储罐，可以防止对泵液中溶解的灰尘和蒸汽过于敏感。油锅中可以容纳大量杂质，而不会让抽气特性变差。

图 2.47 油喷射（增压器）泵图。

图 2.48 各种蒸汽泵的抽速与进气压力的函数关系图（相对于标称抽取速度 1000 l/s）。油蒸汽喷射泵 (A) 和扩散泵 (B) 工作范围的极限压力

图 2.49 各种蒸汽泵的速度（源自图 2.48）

射水泵和蒸汽喷射器

流体喷射泵类别不仅包括使用快速流化的蒸气作为泵液的泵，还包括液体喷射泵。最简单和最便宜的真空泵就是射水泵。与蒸汽泵一样（参见图 2.46 或 2.51），水流首先从喷嘴释放，然后在湍流的作用下，与混合室中的被抽气体混合。最后，在文丘里管中，水和气体混合物的运动速度会变慢。射水泵所抽取的容器中的极限总压力取决于水的蒸汽压力，比如说在水温为 59°F (15°C) 时，压力约为 17 mbar。

图 2.46 蒸汽喷射泵的工作过程。

喷嘴（拉瓦尔喷嘴）
扩散喷嘴（文丘里喷嘴）
混合室
接往真空室的连接口

图 2.51 蒸汽喷射泵的工作过程示意图。

蒸汽进口
喷嘴
扩散器
混合区
接往真空室的连接口

蒸汽喷射泵一般可产生更高的抽速和更低的极限压力。单级泵的组成部分如图 2.51 所示。图中的标记与图 2.46 所示的部件对应。在实际应用中，有些泵级通常以级联方式安装。对于实验室工作，适合选用由蒸汽喷射级和水喷射级（前级）构成的两级泵组合，两者均由玻璃制成。水喷射级（前级）无需使用其他前级泵即可工作。借助过压时的蒸汽流，可将真空室排空至 3 mbar 左右的极限压力。蒸汽产生的冷凝水可通过排放附件排出。该泵的水喷射级由水进行冷却，以提高其效率。蒸汽喷射泵特别适合实验室使用，尤其是抽极具腐蚀性的蒸气时。对于实验室的蒸馏装置以及类似设备，当简单的射水泵无法满足压力要求时，尤其建议采用可在几个毫巴的压力下工作的蒸汽喷射泵。在这种情况下，使用旋片泵不具有经济性。