油封机械真空泵系统的返流原因

2009-02-06 张以忱东北大学

油封机械真空泵(简称机械泵)广泛应用于真空系统中, 多数作为前级真空泵。由于科学技术的发展,对清洁真空的要求愈来愈普遍.因此机械泵中的油蒸气返油问题便愈来愈受到重视。我们把机械泵油流向高真空端的现象叫做机械泵的返油。

机械泵系统的返流原因

返油现象经常发生在抽气管道中压力较低时,一般系统粗抽时(真空度大于130Pa)不会发生返流现象,因为此时管道中的气流为定向粘滞流。但是随着泵入口管道中的压力降低,气体流动状态由定向粘滞流逐渐变为自由分子流,油蒸气分子的平均自由程不断增大,使分子之间的碰撞次数不断减少,这就会使机械泵油分子跑到扩散泵中或通过粗抽管道跑到真空室中,污染真空系统。

对于机械泵与油扩散泵组成的真空系统,机械泵油进入到扩散泵中后,不但影响扩散泵的极限真空,而且会使扩散泵的返油率增加。早在1960年代,Baker与LaHrenson用气液色谱仪对系统中的气体成分进行分析,发现机械泵中尽管用的是平均分子量为530的矿物油,但返流的油蒸气分子量却小于300,平均值为150。这表明机械泵油裂解是机械泵返油的主要因素。机械泵工作过程中是靠油膜密封和润滑的,在机械泵中由于金属旋片与金属泵腔内壁摩擦产生局部过热,使旋片连续划破油润滑膜,导致泵油发生单纯性的热分解或热金属作触媒的分解,油分解成碎片,从而产生轻馏分的油蒸气。这种轻馏分油蒸汽的分子量小,易反扩散,较容易跑到高真空端。若在矿物油中掺入l%的滑润剂(例MoS2),使泵内摩擦减轻,或采用性能良好的扩散泵油作机械泵工作液,可使油的裂变得到改善。如果采用全氟聚醚(Fomblin)作机械泵油,则返油率可降低1/3,而且它的蒸气或碎片(CF2,CF3,C3F3)在电子的轰击下不会形成聚合膜,而且组分中不包含氢或硅,因此不会反应生成碳氢化合物或硅化合物。表1给出了双级油封机械泵采用不同工作液的返油率测试结果。

表1 双级机械泵的返油率试验结果