从第七届国际真空展看扩散泵产品的变化

2013-12-02 徐成海东北大学　机械工程与自动化学院

　　评述现有国产扩散泵产品的进展情况，存在的不足之处，今后应努力改进的方向。讨论测量扩散泵返油率的几种方法，提出采用石英晶体振荡器测量扩散泵返油率的新建议。

1、对展出扩散泵产品的评价

　　在第七届国际真空展览会上，看到了不少扩散泵产品，其中感触最深的有：会展中心门前展出最高大的、口径1.6m的大型扩散泵，应该算是目前国内最大型的扩散泵，在此之前，国内最大口径的扩散泵大约是1.2m；在展览馆二楼D座展台上展出的、级数最多的五级扩散泵，据了解应该是五级泵同类产品中最矮的扩散泵；各展台上展出的扩散泵产品外观质量普遍有了提高，可以说是上了一个档次。在展览会上，很难评论产品的性能，只能从产品样本上和生产厂家的口头介绍中去分析。从外观上可以看出产品的功能齐全了，油面观察窗清晰醒目，注放油口尺寸加大，水温、油温测量、报警功能明显可见，加热器多路控制有利于启动和节能；扩散泵产品的加工工艺有了改进，泵体、泵芯有关部件采用拉伸工艺，减少了焊缝，保证了质量；临界前级压力提高了，最大可达75Pa；工作压力范围拓宽了，有些扩散泵能在1.3×10-1Pa稳定工作，返油率低，最低可达到1×10-2mg/cm2·min。

　　由此可见，近几年来，扩散泵产品从外观、功能到性能都有了较大的进展，这是扩散泵生产厂家努力的结果，是扩散泵用户的喜讯，是我国工业技术水平发展、进步的体现。

　　据了解还有些生产扩散泵的厂家没有来参展，只从参展的扩散泵产品可以看出：产品的品种还不多，例如风冷扩散泵、内加热扩散泵等没有产品展出；产品的性能、特点还不够突出，没有名牌产品、没有特色产品，大家展出的产品性能都差不太多，剩下的只有价格竞争了，这不是好的兆头；有的参展人员对技术不太熟悉，缺乏样本之外的知识，例如对最大出口压强可达75Pa是靠什么技术实现的，为什么能达到那么低的返油率，返油率是怎么测出来的等问题，参展人员很少有能说明白的，当然，参展单位产品很多，要求每个人都很熟悉困难确实很大，但由于说不清楚，会使用户产生信任危机感，怀疑性能指标的准确性，对产品销售是不利的。

2、对发展扩散泵产品的看法

　　扩散泵具有结构简单、制造容易、成本低、性能稳定可靠、使用方便、寿命长、没有运动件、无振动、无噪音等特点，受到广大用户的青睐。因此，扩散泵是有发展前景的。

　　扩散泵除了理论研究不够深入，设计计算方法

　　不够完善之外，主要的问题是耗能耗水和油污染。当前世界各国普遍认识到了能源危机，水资源短缺和油污染对产品质量有影响。因此，解决扩散泵的上述三个问题是扩散泵产品生产厂家和用户值得重视的研究方向。

　　2.1、关于能耗

　　扩散泵的能源浪费主要体现在加热器上。至今为止，各扩散泵生产厂家都使用裸露的电阻丝加热，电炉盘与泵底之间的间隙不可避免，尽管有的厂家加了保温措施，但收效不明显，这一点可以从各厂家的扩散泵样本上体会出来。在生产实际中，大多数厂家没有调压器，无法调出最佳加热功率。扩散泵节能的办法应该是彻底改变现有加热器的结构。外加热器可改成贴泵底的加热器，消除空气隙，增强导热率；内加热器功率损失最小，利用率最高，如果再加上翅片，不但能增加传热面积，还可以提高油蒸汽的温度和质量，形成汽相加热，减少油雾滴。这两种方法并不是什么新概念，国外有产品、国内有实验。可惜的是前些年的实验效果不佳，终告失败。这不是实验者的错，而是受当时技术、材料和工艺等条件的限制。这次展览会上看到了新的加热元件，给勇敢的实验者提供了条件和伙伴，不妨再试，为节约能源二次创新。调压器是各扩散泵生产厂家必备的装置，认真调试功率可在节能的同时，提高泵的性能。热计算，优化传热是理论工作者的任务，这方面的工作还很欠缺，需要有人去研究。

　　2.2、关于节水

　　扩散泵节水比较麻烦，它与节能联系在一起，定量过程需要从热计算入手解决。定性分析可知，水冷套结构比冷却水管结构浪费水多一些，冷却水管在泵体不同部位盘绕的疏密程度应该有变化。对于小型扩散泵不用水冷，用风冷早已实现，口径在200mm以上的扩散泵，很少有风冷泵。如果在严重缺水的地方工作，可以设想采用热管技术，将扩散泵水冷套做成热管形式，在加热器加热油的同时，热管中的介质受热蒸发，由液体变成气体，气体到达热管顶部，即是泵口附近冷凝成液体，吸热降温。使热管中的温度分布与水冷作用相同，实现水冷改为热管冷却起到节水作用。

　　2.3、关于返油

　　扩散泵返油到被抽空间，产生油污染，影响产品质量是大家都很关心的问题。在制造扩散泵性能标准中规定有返油率的标准，生产扩散泵厂家的产品样本中也都写有返油率这项指标，有的厂家样本中扩散泵返油率可达1×10-3mg/cm2·min。这样低的返油率是怎样实现的呢?用什么方法测出来的呢?据说是根据国外同类产品得出来的，不够科学严谨。为降低扩散泵返油率，应该在泵的结构、加热功率方面下功夫。东北大学设计的低返油率扩散泵如图1所示(已申报专利)。生产出来的K-200D低返油率产品，用现有测量返油率的方法，测不出返油率。为测量返油率，应该研究制定出新的返油率测试方法和标准。最早的测试方法是用锡箔纸采样称重法，因其不准确而改用现在的测试罩采样、滴管收集法，这种方法精度太低，对于现有的低返油率扩散泵根本无法实施。

低返油率扩散泵

1.泵体　2.水冷帽　3.泵芯　4.挡油器　5.加热器

图1　低返油率扩散泵

3、对返油率测试方法的建议

　　扩散泵返油率不但与其结构和加热功率有关，而且还与装配者的技术水平、调试技术有关。图2(a)与(b)为同1台老式结构的油扩散泵，在泵口盖上有有机玻璃板，可定性观察其返油形成情况(照片)，由于两次泵芯装配调整关系不同，出现返油率的部位不同，在相同时间内的返油量不同。因此，在制定返油率测试方法及抽查标准时应给予关注。

扩散泵返油形成的情况照片

(a)在喷咀一侧大量返油，返油量大；(b)在喷咀周向均匀返油，返油量小

图2　扩散泵返油形成的情况照片

　　新型扩散泵的返油率确实低了，返油率的测试方法也应该相应改进。比较精确的方法应该用分压力测量和残余气体分析法。目前还没有专门用来测油蒸汽分压力的仪器，有待开发新产品。质谱分析确是好办法，但原理复杂，设备贵，一般技术人员操作困难。石英晶体振荡器法似乎更容易一些。规定石英晶体尺寸(面积A)、固有频率(f)、在扩散泵口的安放位置和测试时间。如果石英晶体上有油膜沉积，其厚度为D，则石英晶体振动频率将发生变化，其值为$f，$f与D有一定的比例关系，而油蒸汽沉积的质量$m=ADQ，Q为油的密度。将有关信号和参数传给计算机，经过适当换算关系，可求出返油率。当然这只是设想，具体实施需要研究解决相关问题，需要实验。建议有关部门想办法建立研究基金，或有能力，有开拓精神的工厂出资，厂校结合开展研究工作。