[科普中国]-油扩散泵

油扩散泵是利用低压、高速和定向流动的油蒸气射流抽气的真空泵。这种泵的极限真空为10-4～10-5帕，工作压力范围为10-1～10-4帕，抽速范围为几十至十几万升/秒（1升=10-3米3）。油扩散泵是获得高真空的主要设备，广泛用于真空冶炼、真空镀膜、空间模拟试验和对油污染不敏感的一些真空系统中。

历史1915年，德国物理学家W.盖得发表了他研究的扩散泵报告。1916年，美国人I.朗缪尔制成泵壁带有冷却系统的所谓冷凝泵。这些泵以汞蒸气为工作介质可获得10-5帕真空。1928年，英国人C.D.伯尔奇发现高沸点的石油衍生物，1936年，C.D.希克曼等人制成人工合成油。这两种油在室温下的饱和蒸气压都非常低，从而取代了汞作为扩散泵的工作液。从此油扩散泵在高真空领域的工业生产和科学试验中就日渐普遍使用，并奠定了高真空技术的基础。60年代开始，油扩散泵又有了新的发展。

主要的改进是：

①泵的材料采用放气量甚小的不锈钢。

②采用饱和蒸气压很低、热稳定性好的油如聚苯醚和硅油作为泵的工作液。

③改革结构，新型油扩散泵在泵口法兰不变和不过分增大泵的外形尺寸条件下，在法兰下部突出地扩大泵腔的断面，其抽气速率可增大20～40%。如在此装设一个大直径扩散喷嘴和液氮冷却的大直径挡油帽等。泵可有通常泵（指没有扩大泵腔断面的泵）的抽气速率，并比较彻底地克服了泵的返油而获得低于10-8帕清洁超高空。因此,油扩散泵在清洁超高真空的工业生产和科学试验中又取得重要的地位1。

结构油扩散泵主要由泵体、扩散喷嘴、蒸气导管、油锅、加热器、扩散器、冷却系统和喷射喷嘴等部分组成。当油扩散泵用前级泵预抽到低于1帕真空时，油锅可开始加热。沸腾时喷嘴喷出高速的蒸气流，热运动的气体分子扩散到蒸气流中，与定向运动的油蒸气分子碰撞。气体分子因此而获得动量，产生和油蒸气分子运动方向相同的定向流动。到前级，油蒸气被冷凝，释出气体分子，即被前级泵抽走而达到抽气目的。

原理泵油的蒸气压直接影响泵的真空性能。但油扩散泵所使用的任何泵油，都是蒸气压不同的多组分的混合物。因此，要提高油扩散泵的抽气和真空性能，泵在工作中自身还要对泵油进行分馏和净化。分馏目的是使高蒸气压组分的油不进入高真空工作喷嘴（高真空端的喷嘴）；净化目的是使高蒸气压组分的油在工作过程中不断为前级泵所抽除，使油逐渐趋于纯净。

泵油分馏主要是利用泵油各组分的蒸发温度不同，使它们分别在不同的锅炉面积上蒸发。当工作后冷凝回流的泵油流到有保温罩部分的泵壁时，油即得到预加热，随即流到油锅周边,经锅底环形加热器加热,轻馏分的油达到蒸发温度便在外层蒸发而进入低真空工作喷嘴 (靠近前级泵的喷嘴);未能蒸发的某些轻馏分油也因比重较其他馏分油小而浮到油面上。由于外层蒸气导管的限制，这部分馏分蒸发后仍进入低真空工作喷嘴。重馏分的油在外层蒸气导管中因未达到蒸发温度而未蒸发，遂从外层由锅底间的缝隙流到油锅中心蒸发，进入高真空工作喷嘴。轻、重馏分的油蒸气这样分道供给低真空工作喷嘴和高真空工作喷嘴这一过程谓之分馏。从喷射喷嘴喷出的油蒸气在前级得不到充分的冷却，蒸气中的轻馏分即未能完全冷凝而被前级泵抽除。如此循环工作，泵油中的轻馏分便越来越少，重馏分的比例则越来越大，泵油便逐渐趋于纯净。这一过程谓之净化。泵油的分馏和净化，对提高泵的极限真空有重要作用2。

主要问题油扩散泵真空系统的污染物来源：

(1)扩散泵油蒸汽的返流。这是最重大的污染源。

(2)系统中的零部件，在装配时用有油的手拿。用有油污的手套拿，这样粘染的有机分子可以造成系统内的污染。

(3)前级油封机械泵油的返流。这个问题也很严重，当入口压力较高时，在达到过渡区(1～10-1Pa)压力时，机械泵的油蒸汽即可直接进入扩散泵内，对系统直接进行污染。很多真空工艺过程的污染来自机械泵返油。当停机械泵时如不及时向泵内放大气，机械泵油可直接返到扩散泵油锅内。当扩散泵起动时对系统的污染更为严重。

(4)抽气系统中密封材料的放气造成的污染。特别是人造橡胶密封圈，密封油脂，润滑油等，也同样造成严重的污染。

(5)当停泵后放大气时，使真空零部件在空气中粘污上水蒸汽，油烟等，造成对真空系统的污染2。

预防措施消除系统油蒸气返流的具体措施：

(1)加大扩散泵的启动功率来缩短机械泵与扩散泵切换时的压力过渡区。

(2)通过改变系统操作工艺和用阀门来避开返流危险区(切换过渡区)。例如，可使一个按照预定速度开启的高真空阀，逐渐地开启它，保证进入扩散泵的气体流量低于它的最大排气量，并且又使机械泵抽速保证扩散泵前级压力，以使扩散泵能树立工作。这样就能避开过渡区的出现。

(3)改善操作工艺，将扩散泵的加热功率调至最佳功率，避免出现泵油爆沸现象;一般扩散泵在加热开始和关闭过程中，返流将出现峰值，所以可用泵口处的高真空阀门来控制避免返流。

(4)在扩散泵入口处加装液氢冷阱或吸附阱来捕集返流油蒸气。

(5)选用优质的扩散泵工作液。

保养注意事项(1)油扩散泵安装或维修时应垂直放置，使泵芯部件处于正常工作状态。

(2)清洗零件及泵腔时，先用航空汽油清洗，然后用丝绸蘸乙醚或丙酮进行擦洗，并置于80-100℃下烘干或用电吹风吹干。

(3)清洗完毕后，按顺序进行装配，注意保持泵芯与泵底垂直，并与泵腔同心，各级喷嘴间隙要按原要求调整好。

(4)连接密封处，橡胶密封应可靠。

(5)扩散泵如暂时不用，保管期问应在室温保持真空状态，以免泵油污染和零件腐蚀，并将冷却水套内的剩水吹净。

(6)在长期工作后，泵性能逐渐变坏，应检查油量是否减少或氧化，必要时增添油量，更换新油时要清洗后烘干3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学