扩散泵(解决掉这几个问题，扩散泵还有长远的发展前景)

Posted 2023-05-27

篇首语：博观而约取，厚积而薄发。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了扩散泵(解决掉这几个问题，扩散泵还有长远的发展前景)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

扩散泵(解决掉这几个问题，扩散泵还有长远的发展前景)

由于扩散泵具有极限真空度高、抽速大、抽气范围宽、结构简单、维护方便、没有运动部件等优点，使得扩散泵还有长远的应用前景，还有研究发展的空间。根据上述分析，预计发展方向应该是解决扩散泵耗能高、有返油、自动化程度低、理论不能指导设计等缺点。

1节能型扩散泵的研究

扩散泵的高效节能，应该在加热器上下功夫。

加热器主要有内加热器和外加热器两种。需要统一认识的是内、外加热器的定义，我们认为：应该以泵壁（泵底）为界，直接装在泵壁内（油锅里）的加热器称为内加热器，装在泵壁外面的加热器称为外加热器。目前有些工作人员将改进的、能插入到扩散泵底的加热管，称为内加热器是不确切的，应该还是属于外加热器。前文图5、图7都是外加热器，只是较普通外加热器有所改进，比较节约能源。

可以看到，无论外加热器与泵底安装得多么紧密，都必须留有空气隙，否则电加热元件将与泵底接触而造成短路。空气隙导致电炉对泵底（油锅）的加热只能是辐射加热和空气的对流加热，辐射加热的效率低，空气对流加热的热损失大。这就是外加热器无法克服的缺点。

内加热器是将加热器直接放在泵体内的油锅里，加热器直接加热油，省去了加热器与泵底的传导热阻和对外界的辐射、对流散热，因此内加热器的热损失少、热效率高，而且还有助于减少扩散泵的启动预热和停泵降温所需时间。

在20世纪70~80年代，曾经有几家工厂研制过内加热器，加热元件采用镍铬带，采用磁夹作为固定和绝缘元件，直接放在油锅里，实现节能。但是，按着当时的技术条件，出现了难题。主要是加热电极在通过泵壁时的密封、绝缘都很困难，而且不太可靠，密封、绝缘的零件需要经常更换；加热器的安装、更换比较难；使用时出现过短路现象。因此，内加热器没有发展起来。

现在的密封材料、绝缘材料都有了很大改变，电加热器也出现了好多种，如果认真研究，上述难题应该能够解决。

2低返油率扩散泵的研究

扩散泵的主要缺点之一是返油，降低返油率是解决扩散泵应用前景的重要问题。为降低扩散泵的返油率，应该在单泵的结构和扩散泵真空系统两方面下功夫。

前文图1和图2给出的低返油率扩散泵的结构，均是在第一级喷嘴之上加设水冷帽。还有人提出加大第一级喷嘴的扩展度，提高喷射的蒸汽射流速度，实现扩散泵的低返油率。这些结论应该是研制低返油率扩散泵的结构改进方向之一。

组建低返油率的扩散泵真空系统是另一个方向。在扩散泵顶部加低温冷阱是有效的方法，随着小型制冷机组的日臻成熟，这种方法在镀膜设备的扩散泵系统中已被大量采用。还有什么新的办法，值得期待。

3高度自动化扩散泵的研究

从加工制造、装配调试、性能测试、包装运输到使用维护，都需要自动化。现在扩散泵技术与其他制造技术相比相对落后，需要全面发展、赶上机械制造业的发展进程。制造不规范、装配不精准都会使得泵的性能不稳定。

值得强调的是扩散泵运行控制的自动化。例如，依据工作真空度和气体负荷实时调整油锅温度和加热功率，不仅可以降低能耗，还有望提高抽气性能和减少返流；对加热器和冷却系统的联合控制，可以解决目前普遍存在的预热升温和停车降温时间过长的问题；引入嵌入式故障报警系统，可大大提高扩散泵的有效可靠寿命。这些都需要研究和发展扩散泵与扩散泵真空系统的自动化。

4特殊需求扩散泵的研究

近年来，常规扩散泵的市场需求受到了来自用户使用要求提高和其他泵种发展的双重挤压。大抽速分子泵和廉价低温泵的发展，蚕食了无油清洁高真空的部分市场需求。针对市场特殊需求开发专属用途的产品，是扩散泵发展的重要方向。

早期曾面向逆流扩散检漏仪，开发出目前口径最小（65mm）的非标型号扩散泵，如图8所示，已得到实际应用；以及面向小型仪器应用市场，开展微小型扩散泵的实验研究。

图8 K-65型扩散泵的结构示意图

但随着微小型号分子泵的产品面世，小型仪器所使用的高真空扩散泵受到冲击。但扩散泵还会有属于它自己的市场需求，例如面向核聚变发电厂所开发的汞扩散泵，我国也正在筹划中。

5扩散泵的理论和设计方法研究

扩散泵的理论研究难度比较大，到目前为止，理论还不能指导扩散泵的设计，设计计算不可靠。扩散泵的设计主要还是靠经验。

目前对于扩散泵还有一些现象解释不清。例如：凸腔泵可以提高抽速是认识到的实际情况，为什么凸腔泵可以提高抽速也能解释。但是，凸腔开在什么位置、凸起大小怎么确定等问题还都是凭经验解决。因此，理论与实际相结合设计出性能良好的扩散泵还是非常期待的事情。

扩散泵理论研究的主要方向应该是低压气体动力学。设计方法的研究最好是抛弃经验设计，寻找科学的设计计算方法。

结论

扩散泵发展到今天，应该认识到：

1扩散泵的极限抽速为理论抽速，扩散泵的实际抽速受第一级喷嘴喷出的蒸汽射流形成的抽气面大小、结构、强度影响；受泵口到抽气面通导影响；受工作蒸汽返流大小影响。但实际抽速永远小于理论抽速。

2扩散泵的极限真空度，取决于泵工作液的饱和蒸气压、油锅温度、挡油帽或冷阱温度、泵的漏气率，受第一级喷嘴结构影响也比较大。目前扩散泵的极限真空度基本能满足用户要求，除特殊需要外，再花精力追求提高真空度没有太大意义。

3从公开发表的文章看，20世纪70年代扩散泵发展迅速，近些年来扩散泵的发展很慢，理论上没有突破，结构变化不大，性能指标基本稳定。其原因主要是扩散泵的理论研究难度较大、意义不大，致使研究人员减少；随着干式真空泵的发展，清洁无油真空环境的需要，扩散泵的用量在减少，致使研究、改进扩散泵结构和性能的人员减少。但是，扩散泵在目前是不会消亡的。

4扩散泵的发展方向，应该是研究、解决、提高理论认识；节约能源、降低成本、减少返油；根据需要发展满足特殊需求的扩散泵。

由于知识水平和搜集到的资料所限，文章中的观点可能有误，欢迎批评指正。

本文节选自《扩散泵的现状及发展趋势》

本文首发于《真空》杂志2019年第5期

本文作者：张志军，张世伟，韩进，徐成海

作者单位：东北大学机械工程与自动化学院