[科普中国]-油扩散真空泵

结构与工作原理

下图是扩散泵的结构示意图。

油扩散泵时借助于喷嘴中高速喷出的油蒸气喷流的动量而输运气体的真空泵。从这种意义上讲，应该称其为蒸气喷流泵，但发明人盖却强调气体扩散混入蒸气流的过程而命名为扩散泵，一直沿用至今。用油形成蒸气的叫油扩散泵，用水银形成蒸气的叫水银扩散泵。因水银操作麻烦且对人体有害，现在已不大实用。

当油蒸汽从伞形喷咀(如I级喷咀)以超音速喷出后，其速度逐渐增大，压力及密度逐渐降低，射流上边的被抽气体A因密度差要向蒸汽射流中扩散并被射流携带到水冷的泵壁处B，在B处，工作蒸汽大部分被冷凝成油滴沿泵壁流回到油锅中循环使用，而被抽气体在B处堆积、压缩，最后被下级射流携带走，以达到逐级压缩，最后被前级泵抽走。

用三级喷嘴喷油形成喷流的扩散泵，随年代的发展如图1所示。扩散泵油锅中的泵油在真空中加热到沸腾温度（约200℃），产生大量的油蒸气，油蒸气经导流管由各级喷嘴定向高速喷出。由于扩散泵进气口附近被抽气体的分压力高于蒸气流中该气体的分压力，所以被抽气体分子就不断的扩散到蒸气流中。油蒸气撞击被抽气体分子，是被抽气体分子沿蒸气流束的方向高速运动。气体分子碰到泵壁又反射回来，再碰到蒸气流的碰撞而重新沿蒸气流方向流向泵壁。经过几次碰撞后，气体分子被压缩到低真空端，再由下几级喷嘴喷出的蒸气流进行多级压缩，最后由前级泵抽走。而油蒸气在冷却的泵壁上被冷凝后又返回到油锅中重新被加热，如此循环工作。2

性能影响因素影响扩散泵性能的主要因素有：

(1)扩散泵油蒸气的返流，解决的方法是在真空系统上加装冷阱，能有效地防止油蒸气的返流。

(2)气体分子的反扩散，通过在高真空机组中增加罗茨泵或双机械泵，增大前级泵的抽速，降低扩散泵出气口的压力，这样不仅可减少气体分子的反扩散，而且还能减少油蒸气的返流。

(3)扩散泵油的裂化分解，采用合格的扩散泵油防止裂化分解。

(4)扩散泵脏化，污染物留在泵内重复循环，应对扩散泵进行清洗，并更换泵油。

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就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，通过合理的调节泵芯各级间距，可以降低泵的高度，从而减小空间高度，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，我公司新研制的地么1200mm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。随着半导体管行业的发展，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、泵腔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10-1Pa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、UF系PEL系列；BOC Edwards公司按用途分科研、工来和彩管行业用泵，有Standard DIFFSTAIC、Cryo-cooled DIFFSTAIC、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。外国公司产品联体界面，丰富产品类型的同时简化了用户使用手续，降低对用户专业化知识的要求。

使用事项使用注意事项如下：

(1)定期检查泵的性能，更换符合要求的扩散泵油，参见使用说明书。

(2)扩散泵加热前及工作过程中冷却水必须保证畅通，停止加热后，必须保证泵油已完全冷却后才能关闭冷却水，具体冷却到什么温度才关闭冷却水，详见说明书。

(3)扩散泵停止工作时，泵内应保持真空状态，避免放人大气造成泵油氧化，以延长泵油寿命。

(4)只有达到扩散泵的前级真空度时，才能进行加热，否则会加速泵油的氧化。

(5)被抽的应当是干燥、无腐蚀、无灰尘气体。

(6)如果扩散泵正常工作时真空度突然下降，应首先检查加热器是否断路，再检查是否存在漏点。

(7)新安装的扩散泵达不到极限真空度，应检查密封是否可靠，装配是否正确。

(8)扩散泵工作过程中，应注意前级机械泵的工作情况，因为前级机械泵变坏后，直接影响油扩散泵的正常工作。

(9)要求机械泵的极限压力应比扩散泵前级压力低一个数量级。