油扩散泵的现状及发展
从上世纪我国研制出第一台油扩散泵开始, 经过数代人的呕心沥血和长期探索研究发展, 已达到相当的技术水平和一定的生产规模, 被广泛应用于机械、电子、冶金、原子能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中, 为我国的科技发展做出了显著的贡献。油扩散泵具有对被抽气体无选择性、抽气速率大、结构简单、无机械传动、无摩擦和操作维护方便的特点, 抽气原理是利用高速运动的油蒸汽流与被抽气体混合进行能量交换而达到抽气作用的。代表油扩散泵技术水平的主要性能(参数) 指标为: 极限压力、抽气速率、临界前级压力、泵液返流率、平均无故障时间等。
国内直接从事泵的开发研制、生产的单位主要集中在2 所大学、1 个专业研究所和4 家国企, 目前有许多公司、企业通过交流、仿制等办法参与泵的制造。国际上油扩散泵技术水平较高的主要代表厂商为Leybold、BOC Edwards、ULVAC、Pfeiffer (Varian) 等公司, 其产品在国内都有用户, 口碑均不错。下面我们对国内外油扩散泵的现状进行比较, 探讨今后发展的方向。
1、分类与特点
新国家推荐标准将油扩散泵分为K 系列(直腔泵)、KT 系列(凸腔泵) 2 个系列, 主要依据泵的外形差异进行区别。实际上市场现存的产品除包括上述2 类外, 还包括KA 系列(直腔矮泵)、KTD 系列(凸腔低返油泵)、KC 系列(宽区域泵) 等; 按喷帽、喷嘴数量分有5 级、4 级、3 级等形式。
泵系列的演变是随着我国科技人员对油扩散泵研究的深入和解决实际应用问题的过程中逐步完善的。例如, 在允许稍许降低泵的抽气速率指标下, 通过合理调节泵芯各级间距, 可以降低泵的高度, 从而减少空间高度, 于是出现了直腔矮泵。实践发现在泵口尺寸不变的情况下增加泵腔尺寸可以将泵的抽气速率平均提高30% , 甚至50% , 对大泵来说也有一定的效果, 我公司新研制的直径1200 mm 的凸腔泵比直腔泵的抽气速率提高20% , 由于提速效果明显, 凸腔泵很快系列化, 并成为油扩散泵的主流产品, 广泛应用于各类真空应用设备中。随着半导体等行业的发展, 提出了洁净真空的要求, 必须严格限制泵液返流率, 甚至要求无油真空的环境, 因此只有降低泵本身的返流率并配置合理有效的防返油装置才能解决问题, 于是凸腔低返油泵系列应运而生, 该类泵的泵腔、泵芯的设计与凸腔泵有明显的不同, 设计参数突破了原有的选择范围, 并不只是简单地将水冷挡油帽置于泵腔内的结构, 实际表明, 凸腔低返油泵和预期的效果尚有差距, 需进一步改进探索。油扩散泵在10-4～ 10-2Pa 范围具有稳定的抽气速率, 压力高于10-1 Pa 时抽气速率降幅非常大, 形成明显的拐点, 使油扩散泵与前级泵不能很好地衔接, 延长抽气时间, 新生的宽区域泵在不改变泵原有的性能指标的情况下, 提高泵在高压力区域的抽气速率, 同时提高泵的临界前级压力, 使抽气效率明显增大。
外国公司的油扩散泵一般根据用途、配套的辅助部件(如挡板) 的不同来划分系列:ULVAC 公司分为ULK系列、U、F系和、PFL系列; BOC Edwards 公司按用途分科研、工业和彩管行业用泵, 有Standard D IFFSTA IC、Cryocoo led DIFFSTA IC、HT 和EO 系列; Pfeiffer 公司分为DIF 系列和DIFC 系列; Leybold 公司是DIP 系列。各公司一般将科研用泵和工业用泵、通用型和专用型泵、小口径泵和大口径泵区别开来, 有的公司将泵、阱、阀、冷却和电控集合为一体, 方便了用户的使用。外国公司产品的多样性体现了国外产品的人性化设计思想和良好的联体界面, 丰富产品类型的同时简化了户使用手续, 降低对用户专业化知识的要求。
2、极限压力
极限压力指标除了与泵的喷嘴、喷帽的喉部间隙有直接关系外, 还与泵液的品质、一级冷帽(板、阱) 的温度、泵的漏率、系统的放气、泵液冷却的合理性等因素有关。
国内重点企业提供的产品性能在该指标上基本一致, 能达到国家标准规定的合格品指标, 而普通企业的泵很多达不到10-5 Pa, 以至新的推荐标准将合格品指标降为1.5×10-4 Pa。采用普通KS-3 扩散泵油的国内知名品牌泵实测指标大多在5×10-5 Pa, 甚至可以达到2.5×10-5 Pa, 与采用275 硅油泵的实测指标不相上下。该指标国产知名品牌泵与国外产品基本一致。如果采用增加冷却挡板(阱)、使用单馏分高分子量的油作为工作液、泵体采用低放气量的不锈钢材质和进行长时间烘烤等手段, 泵的极限压力至少可以达到5×10-6 Pa。
国外公司泵的极限压力与采用的工作液相对应, 有的公司未给出具体的指标, 只给出泵的抽气范围作为参考, 如Pfeiffer 公司。工作液的品质对泵的极限压力影响非常大, 从Leybold 公司的资料显示同一型号的泵采用不同的泵油其指标相差可达2 个数量级, 见表1。各公司均给出不同的工作液供用户选择, 满足不同用户的需要。ULVAC 公司有UL-VAC-D11、ULVAC-D31 等, Leybold 公司有DIF-FELEN 、Silicone 等, BOC Edw ards 公司有San tovac 5、Silicone、Apiezon 系列等。
表1 不同泵油的泵所能获得的极限压力Pa
如果国内生产的扩散泵油能达到国外油的品质, 从泵的设计、制造来看完全可以达到甚至超过国外泵的指标。如何提高和丰富泵油的质量、品种已摆在石化行业面前, 从这点可以看出真空技术对其它行业发展的强烈依赖性。上世纪九十年代国内一些研究所、企业(如上海惠丰化工研究所、北京石大中油石油化工技术有限公司、北京市燕山特种润滑油厂、北京四方特种油品厂等) 已经能向市场批量提供各类真空泵油, 丰富了原有的大连、兰州、甘肃玉门真空泵油的品种, 但扩散泵油仍然是水平相当的相互重和, 与国外油品的差距并未明显缩小。泵油性能不稳定, 即使同一企业的不同批号油的性能也有差异, 直观上颜色、粘度都不一样。因此制油企业的课题和商机是改进加工工艺, 提供稳定、高品质的油。扩散泵油的性能需要满足以下几点要求:
● 常温下低的饱和蒸汽压, 工作温度下饱和蒸汽压要尽量高;
● 摩尔质量或平均摩尔质量要大, 最好要高于500 g/mol;
● 具有较低的(蒸发) 汽化潜热;
● 油品洁净、馏分单一, 不含凝结物质和其它杂质;
● 具有良好的抗氧化性、抗酸碱性和抗辐射性;
● 油品性能、质量要稳定、统一, 各批号之间的差异要小。
表2 提供了一些国外油的主要性能参数, 该参数对泵的性能指标有直接的影响。
表2 不同泵液的技术参数
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7、综合参数指标
除上述所说的指标外, 必须完善泵的可操作性和实用性, 方便用户的使用。国内产品除了设有注、放油口外, 一般无其它辅助部件。国外产品一般有液位显示油标、油温测量显示装置、加热器控制装置、加热器热屏蔽装置、冷却系统控制报警装置、快速冷却装置等辅助部件。虽说增加这些部件难度不大, 但国内没有几个产品设置, 说明老产品的改造不力, 产品的人性化思路没有深入到设计者的思想中。由于加工工艺的原因, 特别是泵芯的加工精度不高, 从而对泵的装配、喉部间隙的控制带来困难, 使得泵的性能与装配人员的素质有很大关系, 对泵油的品质、用量非常敏感, 对运输要求较高。因此除了有色金属采用旋压方式外, 还可以把泵芯改为钢件, 用精加工的方式提高尺寸、形位公差的精度。同时要非常注意外观质量和加工工艺, 制造出体积小、重量轻、造型美观的产品。
8、结论
真空行业是随着科技进步不断发展的行业, 各类制造、销售、代理公司不断涌现, 丰富了真空市场的产品种类, 向用户提供了大量的国内外设备, 用户有了更多的选择, 激烈的竞争降低了设备实际价格,降低了用户配套成本; 另一方面则是大量低水平、不合格的泵充斥了市场, 扰乱了市场, 损害了客户的利益, 最终损害了真空产业的健康发展, 降低了与国外真空产品的竞争力, 使一些用户不得不花费数十倍的价格进口产品。加入WTO , 对真空行业来说, 既是机遇, 又是挑战, 如何把握, 已摆在大家面前, 这是一个不可回避的问题。从油扩散泵来看, 虽说在关键指标上与国外差距不大, 通过努力在短期内是可以消除的, 但综合水平国内外产品的差距还是比较明显的, 有大量的工作需要我们去做。只有建立市场第一、用户第一的思想, 及时收集用户反馈的意见并完善之, 加强校企联合, 密切企业间的合作, 我们相信有能力应对国外公司的挑战。
