CN103742456B - 一种回旋式真空扩散泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及真空泵领域，特指一种回旋式真空扩散泵。该扩散泵采用了多级、每级多条片状高速蒸汽流以回旋式运动的方法来实现对空气的牵引与压缩，从而获得真空度。此外，蒸发油腔呈锥形，通过设计不同油腔分层的大小，在使油蒸汽于喷射口处获得较大的喷射速度的同时使外层的轻馏分获得比内层的重馏分更大的流速；不同级别的喷嘴的回旋速度从上往下呈现速度梯度，使得气体不断被挤压至泵体底层，通过机械泵排除；喷嘴之间采用行星齿轮机构传动，并由电机驱动，从上至下呈现速度梯度；采用纺锤形泵体，增大喷射流长度，使极限真空更好。

Description

一种回旋式真空扩散泵

技术领域

本发明涉及真空泵领域，特指一种回旋式真空扩散泵。

背景技术

用来获得真空的设备称为真空泵，其按工作原理可以分为两大类：压缩形真空泵和吸附形真空泵，任何真空泵的设计、制造和运用都是以加强抽气作用、抑制返流为目的的。

蒸汽流扩散泵属于压缩形真空泵，其是利用气体扩散现象来抽气，传统蒸汽流扩散泵通过定向、多级、伞状高温射流对气体分子的牵引作用来实现对气体的多次压缩，以获得真空度；泵中有一股高速运动的伞状蒸汽流，气体扩散入蒸汽流便被带往出气口，达到抽气目的；蒸汽流由工作液体加热转化而来，工作液体有汞和扩散泵油两种；扩散泵在工作时必须有机械泵在出口处提供前置真空，油被加热装置加热后进行分馏，通过油腔管道形成蒸汽流高速喷出，由于射流具有高的速度(约200m/s)、高的蒸汽密度(蒸汽压达数百帕)、且泵油具有高的相对分子质量(350～500amu)，故能有效地带走气体分子，因此，在射流的界面内，气体分子不可能长期停留，其浓度很小，导致在射流界面的两边，被抽气体有很大的浓度差，从而使得被抽气体能源源不断的越过界面，扩散到射流中并被带到出口处，由前置机械泵抽走。

由国内外学者研究可知：当提高射流的速度、增大射流的长度以及缩小气体分子的扩散系数，由喷嘴产生的压缩比就越高，从而在一定前置压强下有该泵抽气所得的极限压强就越低；而泵的抽速则与其抽气模型有关，不同的抽气模型决定了不同的抽速，就传统的Jaekel模型来说，为了求得较高的泵抽速，要求有较大的环形截面积、较高的何氏系数和流导值较大的进口管道。

根据查阅文献，常见的各种扩散泵都是通过采用多级喷嘴、对扩散泵油进行分馏、以及采用凸腔结构来优化扩散泵的性能，较新型的是采用优化泵油加热方式、增加温度控制系统、优化冷阱结构等抑制返流，或采用增加副泵、改善喷嘴结构等提高抽速等方法来提高真空扩散泵的性能，而上述的各种方法由于受制于抽气模型，从而对于性能的提高优先，因此，提出一种新的扩散泵抽气模型是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型真空扩散泵，通过对传统抽气模型进行结构优化和升级，从而解决传统扩散泵抽的极限真空度由于受制于高温蒸汽流的喷速与射流的长度而无法得到进一步的提高、抽速受制于传统的抽气模型而难以得到增大等问题。

该新型扩散泵主要技术方案有：

(1)高温喷射流通过喷射管道，以片状形式从椭圆形喷射口向下喷出，椭圆形喷射口长轴与短轴之比10-20：1，且喷射流呈现为三层，每层24条(如附图3所示)，由于呈片状，故两侧都可以吸附空气分子，从而提高了喷射流与空气分子的接触面积，使空气分子能充分扩散进喷射流。

(2)盘状旋转喷嘴在水平面内带动喷射流作回旋运动，喷射流中心线与回旋线速度方向形成钝角θ₁，θ₁为100°-120°,可以形成类螺纹结构，能将空气源源不断地斜向下挤压至泵体底层，辅助于喷射流的空气分子带走运动，在单位时间内带走的空气分子量能得到有效提高，因此可以提高泵的抽速。

(3)片状喷射流的喷射方向与竖直向下方向的夹角θ₂的大小从上至下(从外至内)呈梯度降低，按6:5:4排列，θ₂的范围为30°～45°，从而使相邻喷射流层间的空间上小下大，可以保证气体分子在喷射流层之间碰撞后，向泵体底部运动的概率大于其向顶部运动的概率，从而保证了整体的空气流向下运动。

(4)片状射流呈上述特定角度喷射，可以使空气分子在与高速喷射流碰撞后，获得沿喷射流运动方向的动量，从而结合反射原理，使其获得向内侧喷射流运动的动量。

(5)片状喷射流的喷速以及盘状旋转喷嘴的回旋速度，从上至下依次升高，可以使下层空气分子被带走的速度大于上层，使得泵体下部的压强总是小于泵体上部，从而使空气分子在压强差作用下源源不断地从上层喷射流向下层运动，从而保证空气流整体的运动方向；所述的速度梯度为喷射流速度从上至下依次升高，范围为160m～240m/s，按4:5:6排列；旋转喷嘴的回旋速度从上至下依次增大，转速范围为30r/min～50r/min，按3:4:5排列。

(6)蒸发油腔呈锥形，通过在蒸汽流上升过程中对其不断挤压以获得喷射流流速的不断提高，且因分馏器将蒸发油腔分为多层，通过使外层油腔容积大于内层油腔，按7:5:3排列，保证喷射流的速度由内向外逐渐升高。

(7)多级旋转喷嘴之间通过行星齿轮机构连接，由电机传动，在一定速度范围内，使下层旋转喷嘴的回旋速度大于上层喷嘴，按5:4:3排列；且由于行星齿轮的结构，使得第二层旋转喷嘴的回旋方向与一、三两层相反，如此形成相对运动，既能在保证片状喷射流的基本形状的前提下进一步提高了其与空气分子的接触频率，还能加快空气分子碰撞运动，进一步提高抽速。

(8)泵体外形为特殊设计的纺锤形，不仅可以提高喷射流的长度，而且位于泵体中下部的斜阶梯结构，可以使接触泵体的喷射流蒸汽有效地减少动能并充分冷却，减少反流，从而降低扩散泵的极限压强。

通过结合片状、特定方向的高速喷射流和回旋式的蒸汽流喷射结构，不仅能扩大喷射流与空气分子的接触面积、提高喷射流与空气分子的接触频率，还能形成类螺纹结构辅助空气抽取，故能有效地带走空气分子，相比传统抽气模型能有效提高抽速。采用锥形的蒸发油腔结构，在不提高加热温度的前提下，以提高蒸汽流喷射速度，既节能，还降低空气分子的无规则热运动；采用特殊形状的纺锤形泵体，不仅可以延长喷射流的长度，还能减少泵油蒸汽的反流，从而可以得到了更高的压缩比和更低的极限压强。

附图说明

图1是本新型真空扩散泵的整体结构示意图。

图中：泵体1，冷却水道出口2，蒸发油腔3，冷却水槽4，分馏装置5，加热装置6，保温层7，出气口8，冷却水道进口9，蒸发油腔内腔10，蒸发油腔中腔11，蒸发油腔外腔12，三级喷嘴13，连接管道14，二级喷嘴15，定齿轮16，一级喷嘴17，进气口18，驱动电机19，过滤网20。

图2是传动、连接机构的局部示意图。

图3是喷射流的外形与排布示意图。

图4是喷射流方向示意图。

具体实施方式

本发明的一种真空扩散泵如图1所示，基本结构包括：泵体1，进气口18与出气口8，过滤网20，冷却水槽4，加热装置6与分馏装置5，蒸发油腔3与多级旋转喷嘴，特征结构在于：泵体1呈纺锤形；蒸发油腔3呈锥形，其上有连接管道14连接多级喷嘴；多级旋转喷嘴之间通过行星齿轮机构连接与传动，并由电机19驱动；旋转喷嘴呈盘状且喷射口为椭圆形，椭圆形喷射口长轴与短轴之比(10-20)：1。

具体实施如下：

(1)泵体1：呈纺锤形；顶部有两个进气口18呈对称分布，底部有一个出气口8；内部底层有加热装置6，其上固定有分馏装置5。

(2)蒸发油腔3：位于泵体1下部，固定在分馏装置5之上；呈圆锥形，下部大，上部小，且通过保温层将其分为内外三层，包括蒸发油腔外腔12、蒸发油腔中腔11、蒸发油腔内腔10，并且由外向内容积逐渐减小，按7:5:3排列，从而保证喷射流的速度梯度；保温层两侧由金属板固定，以保证温度的稳定，避免相互干扰。

(3)连接管道14：固定在蒸发油腔3之上；不仅用作输送高温蒸汽的管道，还用作喷嘴旋转的中心轴，与每级旋转喷嘴之间都通过两个圆锥滚子轴承配合，保证了喷嘴旋转时的平稳性。

(4)多级旋转喷嘴(17、15、13)：呈盘状，位于泵体中上部，与连接管道14相连；为了保证喷射流呈片状且呈指定方向喷射，喷射口必须呈椭圆形，椭圆形喷射口长轴与短轴之比10-20：1，且流道出口切线方向与喷射流设计方向一致；多级旋转喷嘴分3层，包括一级旋转喷嘴17、二级旋转喷嘴15、三级旋转喷嘴13，每级24个喷射口，且呈同心、均匀分布，且从上层到下层，旋转喷嘴的半径逐渐减小，按7:6:5排列。

(5)定齿轮16：固定于连接管道14上，并与相邻的旋转喷嘴相啮合；与相邻的旋转喷嘴构成行星齿轮机构，外层旋转喷嘴驱动，内层旋转喷嘴从动，用于速度放大，使旋转喷嘴旋转速度从上至下依次减小，按5:4:3排列。

(6)驱动电机19：固定于泵体顶部，输出轴与一级旋转喷嘴17相连接；用于驱动一级旋转喷嘴17转动，从而通过行星齿轮机构带动整个多级旋转喷嘴的转动。

(7)冷却水槽4：分布于泵体外部，将其包裹；其进水口9在下，出水口2在上，可时刻保证水道内充满冷却水，用以充分冷却油蒸汽，减少蒸气反流。

(8)过滤网20：位于泵体进气口18和出气口8处；不仅防止外部杂物进入扩散泵，干扰其正常运作，也可以防止油蒸汽从扩散泵内流出，污染外部环境。

本新型旋转式扩散泵的工作过程如下：

扩散泵工作时，泵油经过底部加热器加热，并通过分馏装置形成轻重不同的三种馏分蒸汽分别进入蒸发油腔的不同层，外层轻、内层重，在锥形油腔内，蒸汽在上升过程中，由于通道横截面积变小，在流量不变的情况下，流速得到提升。蒸汽流出蒸发油腔后，经过连接管道继续向上运动，最终通过特定角度的喷射口呈片状喷出。

泵体顶部的驱动电机带动一级旋转喷嘴转动，通过行星齿轮机构依次带动二、三级旋转喷嘴旋转，且相邻旋转喷嘴之间呈相向运动，旋转嘴转速通过行星齿轮传动从上至下依次增大，旋转喷嘴带动片状喷射流一起运动，通过限制一定的旋转速度范围，可以在喷射流有效带走空气分子和保持片状喷射流基本形态之间达到一定的平衡。

通过喷射流的高速运动及类螺纹结构的挤压运动带动空气分子从泵体入口处不断向泵体底部运动，由于在泵体出口处通过前置机械泵形成一定的前置真空，在压力差作用下能有效地排出空气。

Claims (6)

1.一种回旋式真空扩散泵，包括泵体、冷却水槽、加热装置与分馏装置、蒸发油腔与多级旋转喷嘴，泵体内部底层有加热装置，加热装置上固定有分馏装置，蒸发油腔位于泵体下部，固定在分馏装置之上，其特征在于：泵体呈纺锤形，蒸发油腔呈锥形，蒸发油腔上方固定有用作输送高温蒸汽和作为多级旋转喷嘴旋转中心轴的连接管道，连接管道与每级旋转喷嘴之间都通过两个圆锥滚子轴承配合，多级旋转喷嘴之间通过行星齿轮机构连接与传动，最上方一级的旋转喷嘴与固定于泵体顶部驱动电机的输出轴连接，由电机驱动带动多级旋转喷嘴旋转；所述多级旋转喷嘴分3层，从上至下为一级旋转喷嘴、二级旋转喷嘴和三级旋转喷嘴，呈盘状，为了保证喷射流呈片状且呈指定方向喷射，喷射口必须呈椭圆形，椭圆形喷射口长轴与短轴之比(10-20)：1，且流道出口切线方向与喷射流设计方向一致，每级旋转喷嘴24个喷射口，且呈同心、均匀分布，且从上层到下层，旋转喷嘴的半径逐渐减小，按7:6:5排列。

2.如权利要求1所述的一种回旋式真空扩散泵，其特征在于：所述的蒸发油腔通过保温层将其分为内外三层，包括蒸发油腔外腔、蒸发油腔中腔、蒸发油腔内腔，并且由外向内容积逐渐减小，按7:5:3排列，从而保证喷射流的速度梯度；保温层两侧由金属板固定，以保证温度的稳定，避免相互干扰。

3.如权利要求1所述的一种回旋式真空扩散泵，其特征在于：所述的多级旋转喷嘴之间通过行星齿轮机构连接与传动指：定齿轮固定于连接管道上，并与相邻的旋转喷嘴相啮合；与相邻的旋转喷嘴构成行星齿轮机构，最上方一级的旋转喷嘴驱动，下方的旋转喷嘴从动，用于速度放大，使多级旋转喷嘴旋转速度从上至下依次增大且相邻两层旋转喷嘴之间呈相对回旋运动。

4.如权利要求1所述的一种回旋式真空扩散泵，其特征在于：喷射口喷出的喷射流的喷射角度、喷射流速度及盘状旋转喷嘴回旋速度由上至下随层次的延伸而呈现梯度。

5.如权利要求4所述的一种回旋式真空扩散泵，其特征在于：所述喷射流速度从上至下依次升高，范围为160m/s～240m/s，按4:5:6排列；多级旋转喷嘴的回旋速度从上至下依次增大，转速范围为30r/min～50r/min，按3:4:5排列。

6.如权利要求4所述的一种回旋式真空扩散泵，其特征在于：所述的喷射角度为片状喷射流的几何中心线与多级旋转喷嘴回旋速度方向的夹角θ₁和片状喷射流的几何中心线与竖直向下方向的夹角θ₂；θ₁范围为100°～120°，θ₂大小从上至下依次降低，范围为30°～45°，按6:5:4排列。