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永嘉縣良邦泵閥有限公司
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閱讀：486發布時間：2012-7-10
油擴散泵的應用量大面廣，對各類氣體都能有效抽氣，還具有成本低、無振動噪音、使用及維護保養方便等優點,但其工作區域，尤其是高壓強段抽氣范圍，卻受很大局限。
問題的提出在于一些大放氣量的真空鍍膜設備如磁控濺射鍍膜機、卷繞式真空鍍膜機等，特別是后者，其工作真空常在lO-1Pa范圍，且有持續的大放氣量。因而在真空系統的真空泵選配上要求主抽氣泵在10-2～10-1Pa范圍內要有較大的抽速，且極限真空要優于lO-3Pa。傳統的油擴散泵，一般在10-3～lO-2Pa一個半數量級范圍內保持zui大值抽速，其抽速曲線的恒定滿抽速段普遍延伸至7×lO-2Pa左右（凸腔泵還要差一些）。如進氣口壓強超過臨界范圍，便會導致油蒸汽射流的破壞，抽速曲線開始急劇衰減。而油增壓泵雖能在l0-1～10Pa約二個半數量級內具備有效的抽速，但lO-2Pa范圍抽速太差，更欠缺的是極限真空只在lO-2Pa水平。這就使得設計鍍膜機時在真空系統的真空泵選配上，為如何兼顧真空度和抽氣效率而頗費躊躇。
顯然,這一問題的解決不是擴散泵或油增壓泵所能單獨勝任的,只能設法如何兼顧其在真空度和抽氣量方面的各自優勢.也正由于此,提出了在原有擴散泵的基礎上進行擴展其抽氣范圍的設想.其主要手段是以擴散泵抽氣特性為出發點,參照擴散泵和油增壓泵各自性能和結構特點,增強其高壓強段抽速,擴展延伸抽氣曲線.如此改進的泵種我們稱其為擴散增壓泵.近年來我們研制出并大量用于鍍膜設備的大口徑擴增泵（KZ系列）有Ф600、Ф630、Ф800三種,在性能調試中獲得了較多的有益數據,也積累了一些經驗。
二、擴增泵的設計構思
所謂的擴展高壓強段抽速，從實踐上來說是2個目標：1．不使高壓強段的抽速急降至零，形成一漸降的抽速曲線；2盡可能減小該曲線的下降斜率。
分析其特性，從原擴散泵基礎上的改型，可考慮從三方面著手：1．改進噴嘴結構。要抽除高壓強段的大負載量氣體，傳統擴散泵的噴嘴結構顯然不能勝任。除了改變各噴嘴喉部面積、擴張率等參數以適應鍋爐壓強提高的變數外，還將原直簡狀噴射噴嘴改為拉瓦爾噴嘴和和與之相配的擴壓管（見圖1），以產生較強的正激波,大大提高排氣口處的氣體攜帶能力；2．加大加熱功率。加大功率的目的是提高鍋爐壓強，從而在相同的擴張率下各級噴嘴出口處有較高的油蒸汽壓，能形成更強的油蒸汽射流；3．換用泵液。泵液的換用是試圖在相同的加熱溫度下，大大增加鍋爐內油蒸汽的飽和蒸汽壓，但該舉目前還受很大局限，備選品只有增壓泵油和普通擴散泵油,前者飽和蒸汽壓過高,極限真空受到限制,即使采取分餾措施效果也不佳,不能進入10-3Pa.后者極限真空雖高，但高溫下油蒸汽壓過低，鍋爐壓強不理想，高壓強段抽速要受很大損失。較理想的是常溫下飽和蒸汽壓比擴散泵油高一個數量級左右，但高溫下油蒸汽壓多向油增壓泵油靠攏，兼備二類泵油特性的油種。這類產品國外以有一些可備選，國內則祈望擴散泵油廠家能早開發推出新品。
無論抽氣機理或泵的具體結構,擴增泵都兼備了以擴散攜帶為主的擴散泵和以粘滯攜帶為主的油增壓泵的特點。在其較寬的工作范圍中，抽速曲線的二段不同走向可表征這一特性。
圖2所示，無論擴增泵或擴散泵，抽速曲線基本可分為二個區域：以4×10-2Pa為分界點，左邊為低壓強段，右邊為高壓強段，由圖可見，二個區域的抽速呈現出*不同的走勢。
低壓強段抽速曲線范圍為10-3～4×10-2Pa,該范圍內各級油蒸汽射流充分膨脹,蒸汽壓相對較低,且具備合適的厚度，各級射流穩定地連續抽氣。被抽氣體可在zui大抽氣面積即一級環流面上，充分擴散進入油蒸汽射流，而被其攜帶抽除。相應抽速曲線在其zui大值上呈現較為恒定狀態，為一微曲的水平線，這是擴散泵的基本特征。
高壓強段抽速曲線范圍為4×10-2～10-1Pa,該范圍內進口壓強不斷增高,接近10-1Pa時,被抽氣體壓強相近甚至高于一級擴散噴嘴出口處油蒸汽壓。一級油蒸汽射流膨脹度減小，zui后乃至被壓縮。不能形成能有效抽氣且能“封住”被抽氣體返流的蒸汽射流。被抽氣體返流增加。抽氣速率開始下降。同樣，隨著進口壓強繼續增高，類似情況又在二、三噴嘴處相繼出現?；诖?，4×10-2Pa出現拐點后的抽速曲線是一下降的線段。
比較擴增泵和擴散泵的抽速曲線，在低壓強段，擴散泵的抽速曲線更為穩定，而擴增泵有些相似于油增壓泵，抽速從一較低處開始爬坡，直到10-2Pa后才超過擴散泵，擴增泵中，噴嘴出口處的油蒸汽射流密度遠大于擴散泵，被抽氣體分子擴散入油蒸汽射流中而被抽除的幾率較低，而在較低壓強處被抽氣體分子返流的數量不多，擴增泵無優勢可言，故抽速低于擴散泵。在高壓強段，結果向相反方向變化，進氣口壓強逐步升高后，未到10-1Pa，擴散泵抽速已大幅下降，擴增泵則更為“抗跌”。
除了抽速曲線，圖2還示出了擴增泵和擴散泵抽氣量曲線，不同的是擴增泵在隨進口壓強升高而抽氣量線形上升，至10-1Pa后漸趨穩定。2×10-1Pa后，則又出現抽氣量的躍升。抽氣量曲線中，擴增泵在高壓強段的抽氣性能顯示得更為清晰。
三、擴增泵研制中的抽速試驗
研制KZ-600擴增泵時，針對一些影響抽速的因素曾作了一系列抽速性能調試，本文簡略敘述如下：
1．擴散泵喉部面積對抽氣速率的影響
從圖3可見，一級擴散噴嘴結構參數的變化只對低壓強段抽速有顯著影響：相同噴射角度、相同擴張率、不同喉部面積條件下，各曲線在低壓強段差距明顯，抽速（5～6×10-2Pa處）相差在30％以上。以后則逐漸收斂，至2×10-1Pa后趨于一致，此段抽速主要取決于二、三級噴嘴及拉瓦爾噴嘴參數，與原先設計時的設想相符。試驗表明，一級喉部面積應不小于9cm2。
2．泵液種類對抽速的影響
高溫下具有較高飽和蒸汽壓的泵液能在相對小的功率（不至于大幅提高油溫，避免泵油裂化）下，提供較高鍋爐壓強，這對增強油蒸汽射流強度、從而在高壓強段提高抽速極為有利。KZ-600泵用增壓泵油和擴散泵油（KS-3）分別作了抽速測試。進口壓強大于3×10-2Pa時，二者開始顯示不同走勢，進口壓強越大，增壓泵油的優勢越顯著。
增壓泵油在高壓強段具有比擴散泵油好得多的抽氣特性，但為獲得較好的真空度，還是決定采用擴散泵油為擴增泵泵液。這也從另一角度給我們啟示：如能研制介于二者之間（飽和蒸汽壓常溫下低于增壓泵油、高溫下高于擴散泵油的泵液）的油品。應該更能成為擴增泵泵液的優選。
3．水冷擋帽對抽速的影響
圖5的試驗表明，加上水冷擋油帽后，低壓強段抽速增大，但高壓強段變化不明顯。這是由于加上水冷擋油帽后,抽氣面積雖稍有減小，但有效的擋油效果使大量返流油蒸汽被捕集，起了部分抽除可凝性氣體的作用，從而抽速增大；而在高壓強段，返流油蒸汽量相比于全部被抽氣體，其氣體量比例較小，上述分析的效果不顯著，故抽速曲線趨向于一致。如擋油帽用溫度更低的冷卻介質，在低胞雖段抽除可凝性氣體含量更高的工作氣體，該效果將更好。
4．不同加熱功率對抽速的影響
擴增泵工作區域較寬，故*加熱功率曲線在各段也有所區別。在低壓強段，加熱功率超過*功率后，蒸氣流密度增大，但被抽氣體擴散系數減小，抽速反而降低。但在高壓強段加大功率后，油蒸汽流強度提高，攜帶被抽氣體能力增強，抽速有增無減，曲線下降較緩。圖6顯示了不同功率對抽速影響的對比，10-2Pa區域內除了18.5kW,其他功率下抽速基本一致。而10-1Pa區域，整齊的排列清楚地顯示了隨著功率增加而抽速降勢減緩（斜率減小）。
四、擴增泵的結構特點
不同于擴散泵性能特點的擴增泵當然具有其自身的結構特點，除了前述噴嘴結構的改進，我們在研制時還作了三方面的結構改進：
1．加熱器的改進
擴增泵功率較擴散泵加大近一倍，這就帶來二個問題，一是節能問題，敞開式電爐是通過熱輻射至泵底再將熱量傳至泵液，如此單向傳熱啟動慢，更有熱量散失，熱效率低的弊病。擴增泵將多根套管在方型加熱鍋爐的下部焊實。另將管狀加熱器穿入套管內，工作時整個套管浸入泵液中（見圖7），熱量徑向傳輸，且是固體直接傳熱，既縮短加熱時間，義減少熱散失。二是單位加熱功率問題，如仍沿用敞開式電爐結構，新的加熱功率下加熱表面的單位熱載荷大大增加，會出現泵液的裂化和爆沸。如圖7的結構改進加熱方式后，大大增加了加熱表面積，單位載荷控制在3.1W/cm2以內。
2．水冷擋油帽裝置
擴增泵加大加熱功率后，油蒸汽量增大，返油量也增大。大量的油蒸汽會使擋油帽溫度迅速升高，減弱防返油效果。所以擋油帽上加水冷裝置在大型擴增泵中是必須的，可大大降低返油率。從試驗結果看，較低溫度的擋油帽對抽速也是有益的。
3．前級水冷裝置
擴增泵不光進氣口返流的油蒸汽量大，排氣口經拉瓦爾噴口排出的油蒸汽量也大，大量油蒸汽沖向前級管道后并不能*在前級管道壁和前級擋油阱處凝結，未凝結部分結果由前級泵抽除。這既使得泵油的耗量增大，義使前級泵增大了不必要的負載。同樣道理，應有效地降低擋油片溫度，使油蒸汽充分凝結。故設計時在擴增泵KZ系列在前級加了水冷擋油裝置（見圖8）。明顯減少了泵油的耗量。
五、結束語
擴增泵的開發，是擴大油蒸汽流泵工作區域的一種新嘗試。KZ系列擴增泵以其凸腔結構，不僅增大低壓強段抽速，還將抽速曲線往下延伸，在進入lO-1Pa后拓展抽氣范圍近一個數量級，抽氣量比原先提高一到二倍。該泵的調試結果表明，原先一些設想是可行的。
傳統的擴散泵性能調試中，一些對抽速有顯著影響的因素如減少返油、改變擴散噴嘴結構參數等，在進氣口壓強進入10-1Pa后逐漸淡出，起主要作用的轉為能增強油蒸汽射流強度的一些因素，如加熱功率、泵液種類的選用等。
擴增泵欲達到擴展高壓強段抽氣性能的目的，必須在噴嘴結構、配置參數等方面作一些必要的改進，此外改型后的擴增泵會出現一系列新的問題如：加熱方式、表面熱負載密度、返油、前級殘余油蒸汽處理等，這些都可以通過結構改進來加以解決。
當然，還有許多問題尚待解決，如合宜的前級反壓強的確定、合理選用泵液、提高單位功率抽氣量和更合理選擇加熱功率等，這將在以后進一步探討。
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