CN108691821A - 一种浮动加热式真空扩散泵 - Google Patents

Abstract

一种浮动加热式真空扩散泵，包括泵体、泵油、泵芯、蒸发系统、冷却系统、喷射系统和控制系统，其蒸发系统采用浮动加热的加热方式，蒸发系统包括蒸发器、加热器和测温控温元件，蒸发器具有加热区和储油区，两者通过中间隔板分开并通过隔板上的油孔相连通，加热器设置在加热区内，对加热区内的泵油进行加热使其即时蒸发变成蒸气；加热器固定在中间隔板上，中间隔板能够漂浮在泵油中，使加热区在正常的泵油范围内保持恒定不变；加热器固定在中间隔板上，中间隔板能够漂浮在泵油中，使加热区在正常的泵油范围内保持恒定不变。

Description

一种浮动加热式真空扩散泵

技术领域

本发明涉及真空泵领域，尤其是一种浮动加热式真空扩散泵。

背景技术

真空扩散泵是目前获得高真空的最广泛、最主要的工具之一，扩散泵主要由泵体、泵油、泵芯、蒸发系统、冷却系统、喷射系统和控制系统等部分组成，在前级真空泵所形成的低真空条件下，蒸发系统使泵油沸腾蒸发，生成的蒸气以极高速度通过喷射系统喷出，使泵内上部的气体分子扩散到蒸气中，通过冷却系统使油蒸气在泵下部被冷凝，释放出的气体分子，即被前级泵抽走，而冷凝后的泵油又返回到蒸发系统中重新被加热，如此循环工作达到抽气的目的。蒸发系统是扩散泵最重要的组成部分之一，现有的蒸发系统是利用电阻加热（电阻丝等）或电磁感应加热对全部泵油以及扩散泵的底部进行加热，其存在的不足之处是扩散泵的泵油加热量大、升温速度慢、加热不均匀，扩散泵启动时间长，热能散失多、加热炉的功率大，耗能高、效率低，泵油的底部温度高、易爆沸、易分解变质，蒸发系统与冷却系统不能完全分开（通过泵体连在一起）内耗大，电阻丝容易烧断、更换电阻丝需要较长的停机时间，扩散泵停止工作后泵油长时间处在高温状态、容易氧化变质、降低了泵油的使用寿命，蒸发系统降温速度慢、需要冷却系统延长工作时间、增加了运行成本；此外，由于扩散泵在工作过程中，泵油的数量在不断减少、组成在不断变化，致使扩散泵的工作状况也不断发生变化，使真空度容易产生波动；频繁添加新油，不仅费时费力，而且也不利于泵油的净化和分馏。

发明内容

本发明的目的是提供一种浮动加热式真空扩散泵，通过对泵油进行局部加热、使其即时产生蒸气，并将蒸发系统与冷却系统完全分开，同时使加热区始终保持恒定不变，达到蒸发系统加热功率小、扩散泵启动时间短、能耗低、泵油降温快、工作状况稳定、使用寿命长等效果，从而提高扩散泵的抽气量和抽气速度、减少能量损耗、降低扩散泵的使用成本。

本发明的主要技术方案如下：

一种浮动加热式真空扩散泵，包括泵体、泵油、泵芯、蒸发系统、冷却系统、喷射系统和控制系统，其特征在于：蒸发系统采用浮动加热的加热方式，蒸发系统包括蒸发器、加热器和测温控温元件，蒸发器具有加热区和储油区，两者通过中间隔板分开并通过隔板上的油孔相连通，加热器设置在加热区内，对加热区内的泵油进行加热使其即时蒸发变成蒸气；加热器固定在中间隔板上，中间隔板能够漂浮在泵油中，使加热区在正常的泵油范围内保持恒定不变。

其中：

蒸发系统优选做成一个整体，蒸发器一般与泵体的形状相适应、呈圆盆或圆盘状，内有中间隔板、泵油和加热器以及测温电偶等，悬空安装在泵体内底部，优选采用隔热或绝热方式安装，即隔绝与泵体之间的热量传递，如减小两者的接触面积、采用绝热垫、隔热螺栓等；

蒸发系统可以由泵体的上部或底部隔热安装在泵体的内部，也可以与泵芯组装在一起后再安装在泵体的内部，还可以先安装在扩散泵的底座上、再安装泵芯、最后安装泵体；泵体是直腔或是凸腔，泵体是一体的或是上下分体的，上下分体更有利于安装和维修；

中间隔板优选采用隔热板或绝热板，如采用双层不锈钢板等，利用双层不锈钢板中间的真空层进行隔热，以减少加热区与储油区之间的热传导，加热器只加热加热区的泵油而不加热储油区的泵油，使热能得到更有效的利用；大部分泵油储存在储油区，也避免了泵油长时间处于高温状态，延长了泵油的使用寿命；

中间隔板与加热器固定在一起，通过调整中间隔板中间空腔的大小、或采用配重或弹簧等手段，使其漂浮在泵油中；在正常情况下，储油区的大小可以改变、但加热区始终保持不变，因而加热器距离油面的位置也始终保持不变，从而保证扩散泵的工作状况始终保持不变；

中间隔板与蒸发器之间优选有位置探测器、限位开关等报警装置，当泵油消耗到下限时、报警装置自动提示添加泵油；

中间隔板可以是平底的圆盘状，优选底部是凸凹环相间的圆盘状；中间隔板的底部设置成凸环与凹环相间的形状，不仅有利于缩小加热区的容积、使加热速率更快、能耗更低，而且有利于将加热区分区、更好地与喷射系统相配合，还有利于泵油的分馏与净化，使轻馏分的泵油留存在最外侧的加热区；

加热器优选安装在加热区的泵油中，更优选安装在中间隔板底部的凹环内；加热器可以与凹环的内壁固定在一起，通过加热凹环来加热泵油，可以进一步增加泵油的蒸发面积、提高蒸汽量；优选一个凹环内有一个环形加热器，对应一个喷射加热区，环形加热器可以有一个至数个环，加热环位于泵油中或泵油的上部。

扩散泵工作时冷却回流的泵油，可以直接进入储油区，也可以先进入加热区再进入储油区，优选先进入最外侧的加热区，轻馏分的泵油留下、重馏分的泵油再通过油孔进入储油区，最后通过油孔进入内侧的各个加热区，以利于泵油的分馏与净化；油孔优选设置在加热区的最低点，以利于泵油在加热区和储油区的交换。

与喷射系统相对应、加热区可以分为一级喷射加热区（高真空区）、二级喷射加热区和三级喷射加热区等等，各个加热区的加热温度等由控制系统控制；整个加热区可以采用一个控温仪控制加热温度，优选各个加热区都有各自的控温电偶和控温仪，对加热温度分别进行控制，不但有利于泵油的分馏和净化、而且能够提高和调控蒸气量；通过恒温控制，使加热温度和蒸汽量始终处于稳定的最佳状态，避免了抽吸力大小的波动造成的真空度不稳定和返油现象的产生；进一步将加热温度（加热器的温度）控制在泵油的蒸发温度与分解温度之间，优选为高于蒸发温度5-50度，进一步优选为高于蒸发温度10-30度，既有利于泵油的蒸发又能防止泵油分解和碳化，还能大幅度减小能耗；最常用泵油的蒸发温度一般为235-275度，所以加热器的工作温度可选定在260-300度，与现有技术中加热炉1000度左右的温度相比大幅度降低，加热物质的重量也降至1/10以下，所以加热能耗（可降至1/10以下）、升温时间大幅度降低；对加热温度分别进行控制时，优选为一级喷射加热区的温度高于二级喷射加热区、二级喷射加热区的温度高于三级喷射加热区，以此类推；

喷射系统中的蒸气导管其底部优选插入对应加热区的泵油中，将加热区进行分区和分隔，不仅能够提高扩散泵的抽气速率和真空性能，而且有利于对泵油进行分馏和净化，使轻馏分的泵油只能停留在最外侧的加热区而被前级泵抽走，只有重馏分的泵油才能进入中心加热区，从而提高扩散泵的抽速和极限真空度。

为了实现停机时泵油和泵芯的快速冷却，可以加装油泵，油泵安装在扩散泵的内部或外部或专门设置的空间内；优选类似于潜水泵的潜油泵，潜油泵可以直接安装在储油区中，也可以安装在储油区中专门设置的凹坑内、以便于抽取更多的泵油；潜油泵上连接有油管，油管的顶端即出油口位于一级喷射的喷嘴处、即泵芯中部最高喷嘴处；扩散泵停止抽真空工作时，先关掉蒸发系统的电源、加热器停止加热，然后开启潜油泵，储油区中的泵油通过油管在喷嘴处射出，一部分油射到泵体内壁上、通过冷却系统进行降温，另一部分油喷淋在泵芯上、使泵芯降温，通过冷却系统降温的泵油与通过泵芯升温的泵油以及加热区温度较高的泵油都回到储油区中，经自然混合后再经潜油泵通过油管和喷嘴射出，循环往复，泵芯、加热区、加热管的热量就通过泵油传导给冷却系统，在几分钟内泵芯、加热区、加热管和泵油就会降至所设定的温度，此时就可以关闭潜油泵、冷却系统、控制系统和总电源，实现快速停机。

本发明具备的突出的实质性特点和显著的进步以及带来的有益效果如下：

本发明根据快速电蒸锅的原理、采用浮动加热的加热方式，与现有技术相比，泵油的加热方式由外加热改为内加热、由整体加热改为局部加热、由下部加热改为上部加热、由蒸发系统与冷却系统通过泵体相连改为完全隔绝、加热器的工作环境由空气改为真空，其有益效果是泵油蒸发区的温度由最低变为最高、加热泵油的数量大幅度减小、加热器的工作效率提至最高（放出的热量全部用于加热泵油）、加热器的工作温度大幅度降低，由现有加热炉的工作温度1000度左右降至250度左右（所需加热功率就降至1/4到1/5），因而加热器的加热功率、能耗和运行成本大幅度降低，可降至不足现有技术的一半。将泵油分别存放在加热区和储油区，仅加热蒸发加热区的泵油，使泵油的加热量大幅度减小、可以降至总油量的十分之一甚至更少，所以泵油所需的加热功率和加热时间都大幅度减小，扩散泵的启动时间也相应显著缩短，可由现在的20-80分钟缩短到1-3分钟，所以能耗大幅度降低，可降至一半以下；现有加热技术的加热器在扩散泵的底部、相当于通过底板先加热本发明的储油区、储油区的泵油受热后再通过对流和传导的方式将热量传递给加热区，储油区的温度始终高于加热区，亦即需要蒸发的泵油其温度是最低的，而加热器的热能是通过扩散泵的底部传递给储油区，在传热过程中加热器的热能会四处散发，传递给扩散泵底部的热能不但会通过泵体散发到空气中、而且还会传递给冷却系统，使蒸发系统与冷却系统产生内耗，其结果是不得不采用大功率的加热器、提高加热器的加热温度，从而导致加热器易被烧坏，储油器底部温度过高、泵油易分解变质和碳化，泵油易爆沸、扩散泵易返油，与之同时冷却系统效率下降、影响抽气速率和真空度，常常需要增加制冷设备，使能耗和使用成本进一步增加等等；本发明顺应蒸发系统的工艺要求，将加热区、加热器放置在泵油的最上端，加热器可在几秒内加热到工作温度、其周围的泵油立即被加热蒸发，即被蒸发的泵油其温度是最高的，由于被蒸发的泵油与总油量相比很少（只有十分之一甚至更少），所以加热器的功率可以很小、加热时间可以很短（在短至1分钟内泵就可以启动）、能耗就可以很低；由于泵油最高加热至沸点附近的温度、而且是一到蒸发温度就会立即大量蒸发，蒸气经喷嘴喷出后立即被冷却系统降温，所以泵油在高温段的时间很短、大约只有几秒钟，故不会热分解、更不会被碳化，因而泵油可以长时间使用；本发明的蒸发系统与泵体隔热或绝热式安装、自身又处于泵内的高真空中，所以具有很好的绝热性能、其自身的热量不会散失；本发明的蒸发系统与冷却系统完全隔离，两者之间不发生内耗，同时减少了两者的能量损失；由于蒸发系统和冷却系统的能耗以及泵油的更换是扩散泵的主要运行成本，所以本发明的扩散泵能够使其运行成本得到大幅度的降低；本发明将中间隔板和加热器漂浮在泵油中，可以一次性加入大量的泵油，储油区的大小随泵油量的多少而改变、但加热区始终保持不变，也就是加热功率和蒸汽量不因泵油的不断消耗而改变，所加入的泵油在初次使用过程中经分馏和净化后其组成也基本不变，所以本发明不仅避免了频繁添加泵油的麻烦，而且保证了扩散泵的工作状况始终保持不变；此外，蒸发系统和冷却系统以及分馏和净化系统的高效运行也会极大地提高扩散泵的工作效率，使扩散泵的抽速更高、极限压强更低、返油率更小；由于本发明的蒸发系统与冷却系统完全隔离，所以在扩散泵停止抽真空时，蒸发系统和泵芯仍处于真空下的绝热状态，所以其降温速率相对较慢；为了提高蒸发系统和泵芯的降温速率，本发明利用设置在储油区的潜油泵通过泵油的循环喷射，将蒸发系统和泵芯与冷却系统联系在一起，使蒸发系统和泵在极短的时间内（1分钟内）就可以降至预定的温度（接近冷却系统的温度），从而可以尽快关掉冷却系统和总电源，达到节省能源和人工的目的。综上所述，本发明具有加热功率小、加热速度快、冷却速度快、返油率低、极限真空高、抽气速率高、运行可靠、维护和使用成本低、启动和达到极限真空时间短等特点。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是本发明另一实施例的结构示意图。

图中：泵体1，泵芯2，冷却系统3，喷射系统4，加热器5，泵油6，蒸发系统7，隔板8，油孔9，储油区10，加热区11，底板12，绝热垫13，潜油泵14，油管15。

具体实施方式

实施例1：本发明的一种浮动加热式真空扩散泵的实施例如图1所示，基本结构包括：泵体1、泵芯2、冷却系统3、喷射系统4、泵油6、蒸发系统7以及控制系统，泵芯2、冷却系统3、喷射系统4、泵油6和控制系统与现有技术大体相同，泵体1可分为直腔和凸腔两种，为方便组装、泵体1的底部可设置活动底板12，蒸发系统7可以由泵体1的底部通过绝热垫13隔热安装在泵体1的内部，蒸发系统7的外表面、泵体1的内表面以及底板12的上表面为低辐射面或有低辐射膜，以阻止蒸发系统7的辐射传热、借助于真空环境使其处于绝热状态；泵芯2可由泵体1的上部装入、通过绝热垫13隔热安装在泵体1的内部，泵芯2的各级蒸气导管的下端与蒸发系统7的各级加热区11相对应、并优选浸没在泵油6中，以便于泵油6的分馏和净化；蒸发系统7通过隔板8分为储油区10和加热区11两部分，泵油6存放于两区之中，两区的泵油6通过油孔9相连通；加热区11设置有加热器5，加热器5优选为环形加热管或加热棒、与加热区11的形状相匹配，可以是电阻加热或感应加热或其他加热方式，加热器5的内部或表面或附近优选有热电偶等测温装置，加热器5可按加热区分别设置和控温，设置温度可由外到内依次升高（一级喷射加热区的温度最高），以便于提高抽速以及泵油6的分馏和净化，加热器5可以全部或部分浸没在泵油6中，优选不工作时加热器5全部浸没在泵油6中、工作时加热器5部分浸没在泵油6中，这样更有利于提高扩散泵的启动速度和缩短停止工作时冷却系统3的工作时间；中间隔板8采用双层不锈钢板制成，双层不锈钢板中间的空腔在真空环境下形成真空层有很好的隔热性能，可以减少加热区11与储油区10之间的热传导，加热器5只加热加热区11的泵油而不加热储油区10的泵油，使热能得到更有效的利用；大部分泵油6储存在储油区10，也避免了泵油6长时间处于高温状态，延长了泵油6的使用寿命；中间隔板8与加热器5固定在一起，通过调整中间隔板8中间空腔的大小、或采用配重或弹簧等手段，使其漂浮在泵油6中；在正常情况下，储油区10的大小可以改变、但加热区11始终保持不变，因而加热器5的加热功率、蒸气生成量等也始终保持不变，从而保证扩散泵的工作状况始终保持不变，避免了真空度的波动和返油的产生。

本发明的浮动加热式真空扩散泵的工作过程如下：

当前级泵将扩散泵内部的气压预抽至小于1Pa时，控制系统使各加热器5开始加热，由于加热器5的热容量小和被加热泵油6的数量少，所以在几秒钟内就可以使加热区11中的泵油6产生蒸汽，控制系统使各加热器5的表面温度稳定在泵油6的蒸发温度与分解温度之间，一般控制在高于蒸发温度5-20度的范围内；由于泵油6沸腾后、油温升高而且加热器5的上部会暴露在油蒸气中，所以不仅所需加热功率大幅度降低而且可以加热蒸气从而使扩散泵启动更快、抽速更快；加热区11中的泵油6部分蒸发后，储油区10中的泵油6通过油孔9自动补充到加热区11中。

高温油蒸气经各级导管通过喷射系统4的各级喷嘴定向高速喷出，由于扩散泵进气口区域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地扩散到蒸气流中；油蒸气撞击被抽气体分子，使被抽气体分子沿蒸气流的方向高速运动；气体分子碰到泵体内壁又反射回来，再次受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进行多级压缩，最后由前级真空泵抽走；而油蒸气被冷却系统3冷凝后又返回到蒸发系统7中重新被加热，如此循环工作。

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（轻馏分）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加热区11蒸发（图1中共有三级加热区，可以有更多的加热区，加热区的加热温度可以分别设置）。当扩散泵工作时冷凝回流的泵油首先流进第三级加热区，轻馏分的油达到蒸发温度便在此蒸发而进入低真空工作喷嘴 (靠近前级泵的喷嘴)；未能蒸发的轻馏分油也因比重较重馏分油小而浮到油面上。重馏分的油因未达到蒸发温度而未蒸发，遂从加热区进入储油区、再从储油区分别进入第二级加热区和第一级加热区，在此被加热蒸发后进入高真空工作喷嘴。轻、重馏分的油蒸气这样分别供给低真空工作喷嘴和高真空工作喷嘴的过程谓之分馏。从低真空工作喷嘴（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。

扩散泵停止工作时，控制系统使加热器5断电停止加热，由于加热器5的质量小、热容量小，所以泵油6会马上停止沸腾、压力减小，储油区10内的泵油6立即通过油孔9进入加热区11中，并将加热器5淹没，使加热器5降温更快；随着泵体1内壁上冷凝的泵油6逐渐流回到蒸发系统7，加热器5和加热区11的温度越来越低、降至设定的温度后控制系统将冷却系统关闭，最后关闭控制系统和电源。

实施例2：本发明的另一种浮动加热式真空扩散泵的实施例如图2所示，与实施例1相比，在储油区10内增加了潜油泵14和油管15；潜油泵14与油管15相连接，油管15的顶端位于一级喷射系统的喷嘴处；扩散泵停止抽真空时，先关闭真空阀门和蒸发系统7的电源、加热器5停止加热，然后开启潜油泵14，储油区10中的泵油6通过油管15在喷嘴处射出，一部分泵油6射到泵体1的内壁上、通过冷却系统3进行降温冷却，另一部分泵油6喷淋在泵芯2上、使泵芯2降温，通过冷却系统3降温的泵油6与通过泵芯2升温的泵油6以及加热区11内温度较高的泵油6都回到储油区10中，经自然混合后再经潜油泵14通过油管15和喷嘴射出，循环往复，泵芯2、加热区11、加热器5的热量就通过泵油6传导给冷却系统3，在一分钟内泵芯2、加热区11、加热器5和泵油6就会降至所设定的温度，此时就可以关闭潜油泵14、冷却系统3、控制系统和总电源，实现快速停机。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种浮动加热式真空扩散泵，包括泵体、泵油、泵芯、蒸发系统、冷却系统、喷射系统和控制系统，其特征在于：蒸发系统采用浮动加热的加热方式，蒸发系统包括蒸发器、加热器和测温控温元件，蒸发器具有加热区和储油区，两者通过中间隔板分开并通过隔板上的油孔相连通，加热器设置在加热区内，对加热区内的泵油进行加热使其即时蒸发变成蒸气；加热器固定在中间隔板上，中间隔板能够漂浮在泵油中，使加热区在正常的泵油范围内始终保持恒定不变。

2.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述蒸发系统悬空绝热安装在泵体内底部，所述蒸发系统与冷却系统完全隔离。

3.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述中间隔板采用隔热板或绝热板，以减少所述加热区与储油区之间的热传导。

4.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述中间隔板的底部设置成凸环与凹环相间的形状，有利于缩小加热区的容积、使加热速率更快、能耗更低。

5.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述扩散泵装有油泵，所述油泵通过泵油的循环喷射，将蒸发系统和泵芯与冷却系统联系在一起。

6.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述加热器为环形加热管或加热棒。

7.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述加热器为电阻加热或感应加热。

8.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述加热器不工作时全部浸没在泵油中、工作时部分浸没在泵油中。

9.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述加热器的加热温度控制在高于泵油的蒸发温度10-30度，既有利于泵油的蒸发又能防止泵油分解和碳化，还能大幅度减小能耗。

10.根据权利要求1所述的浮动加热式真空扩散泵，其特征在于所述喷射系统中的蒸气导管其底部插入对应加热区的泵油中，将加热区进行分区和分隔。