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油扩散泵的现状及发展
发布日期:2015/11/26 21:30:16    浏览人数:12454 分享到:

摘要:对国内外油扩散泵的主要性能及现状作了比较,初步分析出存在的差距,提出了今后的发展趋势。
关键词:油扩散泵,抽气速率,临界前级压力,泵液返流率

从上世纪我国研制出第一台油扩散泵开始,经过数代人的呕心沥血和长期探索研究发展,已达到相当的技术水平和一定的生产规模,被广泛应用于机械、电子、冶金、原子能、空间模拟等工业领域和科学技术研究中,为我国的科技发展做出了显著的贡献。

油扩散泵具有对被气体无选择性、抽气速率大、结构简单、无机械传动、无摩擦和操作维护方便的特点,抽气原理是利用高速运动的油蒸汽流与被抽气体混合进行能理交换而达到抽气作用的。代表油扩散泵技术水平的主要性能(参数)指标为:极限压力、抽气速率、临界前级压力、泵液返流率、平均无故障时间等。

国内直接从事泵的开发研制、生产的单位主要集中在2所大学、1个专业研究所和4家国企,目前有许多公司、企业通过交流、仿制等办法参与泵的制造。国际上油扩散泵技术水平较高的主要代表厂商为Leybold、BOC Edwards、ULVAC、Pfeiffer(Varian)等公司,其产品在国内都有用户,口碑均不错。下面我们对国内外油扩散泵的现状进行比较,探讨今后发展的方向。

1、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。

2、极限压力
    极限压力指标除了与泵的喷嘴、喷帽的喉部间隙有直接关系外,还与泵液的品质、一级冷帽板、阱)的温度、泵的漏率、系统的放气、泵液冷却的合理性等因素有关。
    国内重点企业提供的产品性能在该指标上基本一致,通达到国家标准规定的合格品指标,而普通企业的泵很多达不到10-5Pa,以至新的推荐标准将合格品指标降为1.5×10-4Pa。采用普通KS-3扩散泵油的国内知名品牌泵实测指标大多在5×10-5Pa,甚至可以达到2.5×10-5Pa,与采用275硅油泵的实测指标不相上下。该指标国产知名品牌泵与国外产品基本一致。如果采用增加冷却挡板(阱)、使用单馏分高分子量的油作为工作液、泵体采用低放气量的不锈钢材质和进行长时间烘烤等手段,泵的极限压为至少可以达到5×10-6Pa。
    国外公司泵的极限压力与采用的工作液相对应,有的公司未给出具体的指标,只给出泵的抽气范围作为参考,如Pfeiffer公司。工作液的品质对泵的极限压力影响非常大,从Leybold公司的资料显示同一型号的泵采用不同的泵油其指标相差可达2个数量级,见表1。各公司均给出不同的工作液供用户选择,满足不同用户的需要。ULVAC公司有ULVAC-D11、ULVAC-D31等,Leybold公司有DIFFELEN、Silicone等,BOC Edwards公司有Santovac 5、Silicone、Apiezon系列等。

表1 不同泵油的泵所能获得的极限压力Pa

型式
油牌号

DIFFELEN

light

DIFFELEN

normal

DIFFELEN

Ultra or DC704

DC705
无挡板
1.3×10-3
1.3×10-4
6.0×10-5
4.0×10-5
带式冷帽
6.0×10-4
6.0×10-5
2.6×10-5
1.3×10-5
带水冷阱
1.3×10-4
1.3×10-5
2.6×10-6
1.3×10-6

如果国内生产的扩散泵油能达到国外油的品质,从泵的设计、制造来看完全可以达到甚至超过国外泵的指标。如何提高和丰富泵油的质量、品种已摆在石化行业面前,从这点可以看出真空技术对其它行业发展的强烈信赖性。上世纪九十年代国内一些研究所、企业(如上海惠丰化工研究所、北京石大中油石油化工技术有限公司、北京市燕山特种润滑油厂、北京四方针政策特种油品厂等)已经能向市场批量提供各类真空泵油,丰富了原有的大边、兰州、甘肃玉门各类真空泵油的品种,但扩散泵油仍然是水平相当的相互重和,与国外油品的差距并未明显缩小。泵油性能不稳定,即使同一企业的不同批号油的性能也有差异直观上颜色、粘度都不一样。因此制油企业的课题和商机是改进加工工艺,提供稳定、高品质的油。
    扩散泵油的性能需要满足以下几点要求:
    常温下低的饱和蒸汽压,工作温芳下饱各蒸汽压要尽量高;
    摩尔质量或平均摩匀质量要大,最好要高于500g/mol;
    具有较低的(蒸发)汽化潜热;
    油品洁净、馏分单一,不含凝结物质和其它杂质;
    具有良好的抗氧化性、抗酸碱性和抗辐射性;
    油品性能、质量要稳定增长、统一,各批号之间的差异要小。
    表2提供了一些国外油的主要性能参数,该参数对泵的性能指标有直接的影响。

表2 不同泵液的技术参数

/
DIFFELEN

Apiezon

301

Stantovac

5

Silicone
light
normal
ultra
DC702
DC704EU
DC705

饱和蒸汽压Pa

(20°C)

1×10-6
1.5×10-7
2.7×10-9
4.8×10-6
2.6×10-8
6.5×10-5
1.3×10-6
2.6×10-8

饱和蒸汽压Pa

(100°C)

/
/
/
3.3×10-2
6.5×10-4
1.3×10-1
2.6×10-2
1.3×10-3

饱和蒸汽压Pa

(150°C)

/
/
/
1.6
4.0×10-2
<10
1.3
<10-1

摩尔质量

g/mol

500
570
600
584
446
530
484
546

密度g/cm3

(20--25°C)

0.862
0.862
0.864
0.965
1.195
1.07
1.07
1.09
泵的极限压力Pa
见表1
1.3×10-6
1.3×10-7
6.5×10-4
6.5×10-6
1.3×10-7

3、抽气速率
    抽气速率反映了某一压力下泵排除气体的能力,该指标一般用于低于1×10-1Pa范围的度量标准,是真空设备配置的关键因素。压力高于1×10-1Pa范围时,抽气量通常作为泵性能特征的参数,公式如下
    Q=P×S    Pa.L/s
    式中P——泵入口压力,Pa;S——抽气速率,L/s
    由于没有公认的国际标准,各公司根据不同的标准测量、计算得出的抽气速率差异值很大。据资料显示,在分压强下测的值比全压强下测的值能高出30%,美国(AVS)的数值比ISO标准高15%。另外,各公司泵的进气口直径大小、规格和形式都不一样,所以指标参数不尽相同。因此只有对国外泵采用我国标准进行8测试才能真正反映出实际的差异为了真正徇每一个泵种的技术水平,建议采用比抽速作为衡量每一个泵种的技术水平,建议采用比抽速作为衡量参数,这样就排除了由于泵口直径的差异导致的指标偏离,对不同系列或同系列不同口径泵的比较提供了相对准确的依据。比抽速是抽速系数的变形。
    比抽速K:单位有效抽气面积的气体体积流率。
    K=Sp/F    (L/s.cm2)
    式中Sp——泵的有效平均抽气速率,L/s
    F——泵口最大有效通导面积,cm2
    因为泵口防返油装置的流导不同,对泵的抽气速率影响很大,一般在10%至30%之间,只有在泵的辅助配置一致或近似的前提下比抽速才能作为衡量、比较的参数,即要么泵口无防返油装置,要么没结构型式近似的冷板、冷阱等。
    下面采用比抽速和抽气量来比较Leybold公司和我公司KT系列泵的异同。

表3 Leybold公司DIP系列泵技术参数

/

DIP

3000

DIP

8000

DIP

12000

DIP

20000

DIP

30000

DIP

50000

名义抽速L/s
3000
8000
12000
20000
30000
50000
通径mm
250
400
500
630
800
1000
比抽速L/s.cm2
6.1
6.4
6.1
6.4
6.0
6.4

抽气量

Pa.L/S(1×10-1时)

270
560
1000
1400
2000
3500

表4是我公司泵的最低参数,实际测得值要高一些。从表3和表4可以看出,在10-4——10-2Pa范围内,我公司的泵与进口泵性能基本一样,体现了泵在高真空范围良好的抽气特性;但压力高于1×10-1Pa时,我公司的KT系列泵的抽速的抽速平均衷减36.6%,出现明显的拐点;Leybold公司泵的抽速平均衷减仅25%,体现该类泵在高压力段强大的抽气性能。

表4 KT系列泵技术参数

/
K-150T
K-200T
K-300T
K-400T
K-600T
名义抽速L/s
1100
2100
4500
7800
17000
通径mm
150
200
300
400
600
比抽速L/s.cm2
6.2
6.7
6.4
6.2
6.0

抽气量Pa.L/s

(1×10-1Pa时)

77
136
279
468
1020

表5是我公司对Leybold公司的新泵DIP30000采用我国标准进行测试的结果,泵油用国产275硅油;表6为我公司制造的K-800TD凸腔式油扩散泵的抽气速率表,泵油为KS-3扩散泵油。四四川成化的ZDF-Ⅲ复合真空计作为测量仪表。根据泵的标准值与实测值的差异初步推断德国与我国标准的异同,从而为国内企业使用进口泵时提供选择依据。

表5 DIP30000泵的抽气速率

压力Pa
6.6×10-4
1.4×10-3
4.0×10-3
6.6×10-3
1.4×10-2
4.0×10-2
6.6×10-2
1.4×10-1
3.0×10-1
抽速L/s
27436
28877
29269
28120
28587
29066
26706
16706
9244

表6 K-800TD泵的抽气速率

压力Pa
1.4×10-3
4.0×10-3
6.6×10-3
1.4×10-2
4.0×10-2
6.6×10-2
抽速L/s
26691
27220
27308
27809
27658
26579

按照国家标准抽气速率是10-3Pa至10-2Pa之间6个测量点的平均值,那么,DIP30000为28438L/s,K-800TD为27211L/s。DIP30000泵6点的平均抽气速率是标称抽气速率(3000L/s)的95%,其高点抽速接近30000L/s,因此标称抽速是高点抽速;在6.6×10-4Pa的低压力区有平均抽气速率的96.5%的抽速;在1.4×10-1Pa有平均抽气速率的56.5%的抽速;在3.0×10-1Pa仍然有平均抽气速率的32.5%的抽速,抽气量达到2773Pa.L/s,显示出该泵在高压力区强大的抽气能力;抽速曲线拐点向两侧延伸,有效抽气气压力范围大大加宽,在中、高真空应用设备非常实用。国产凸腔系列的泵与K-800TD抽气速率比较平均,但超过该区域特别在压力大于10-1Pa后,抽气还率下降很快,测量压力波动很大,无法测出准确数值,因此抽速曲线拐点距离稳定抽速区域很近,有效抽气压力范围窄,这亲对前级泵的性能要求较高,否则将影响泵的抽气性能。
    国内许多科研人员很早注意到了国产泵有效抽气压力范围窄的问题,提出了宽区域泵的概念,但前提是把泵的极限压力降低到1.4×10-4Pa,牺牲低压强段的抽速,将抽速曲线向高压力区偏移(而不是延伸),这种方法无形中把扩散泵在高真空段的优势削弱了。国外公司的产品告诉我们在保持油扩散泵优势的基础上拓展有效抽气压力范围是可行的,我公司研制的KC系列(宽区域泵)的指标已接近国外产品的事实印证了上述观点。表7为我公司制造的K-900C宽区域油扩散泵的抽气速率表,泵油为KS-3扩散泵油。测试方法符合国家推荐标准。

表7 K-900C泵的抽气速率

压力Pa
6.6×10-4
1.4×10-3
4.0×10-3
6.6×10-3
1.4×10-2
4.0×10-2
6.6×10-2
8.0×10-1
3.0×10-1
抽速L/s
26753
30733
32238
31755
34039
35080
35589
35892
22171

K-900C泵6点的平均抽气速率为33239L/s,在6.6×10-4Pa的低压力区有平均抽气速率80%的抽速;在1.4×10-1Pa有平均抽速率67%的抽速,抽气理达到3100Pa.L/s;在大于1.4×10-1Pa以上的区域测量压力波动很大,无法测出准确数值。可看出,国产泵仍需改进,进一步完美,争取达到并超过国外产品。
    很长一段时间在大家对提高泵抽速方面主要采取把直腔泵该为凸腔结构,从而增加级喷嘴、喷帽的油蒸汽射流长度,扩大抽气面积,主要对中、小口径的泵采用;对直径超过800mm的大口径泵仍采用直腔式,主要考虑到射流长度过长,射流到达泵壁的压力降低,影响到对被抽气体的封闭效果。其实只要解决好油蒸汽对各级喷嘴的分配和射流界面的气体的封闭的问题大泵采用凸腔形式是可行的,我公司研制的K-1200TD泵平均抽气速率60000L/s比K-1200直腔泵50000L/s的抽速提高20%的结果印证了上述观点,见表8。但凸腔型式的泵加工复杂,使用上也有一些不便。因此我们可以参照国外公司的做法,小泵增加凸腔幅度,大泵采用直腔形式。

表8 K-1200TD泵的抽气速率

压力Pa
1.4×10-3
4.0×10-3
6.6×10-3
1.4×10-2
4.0×10-2
6.6×10-2
抽速L/s
59025
60640
60050
60199
60274
59850

4、临界前级压力
    临界前级压力可以理解为泵抵抗被抽气体向泵口反迁移的最大能力。临界前级压力的测量有“空载”和“满载”之分,尽管未标明是“空载”还是“满载”通常认为是满载压力。
    国内泵的指标大多在10——25Pa之间,少数泵超过35泵。国外泵的指标一般都在40——60Pa之间,甚至可达到120Pa。我们用国家标准对国外泵的测值来看,与标称值一致,比国内泵的测值高50%。油扩散泵的临界前级压力与泵喷射级的设计、加热功率和泵液等因素有关。大家知道,该指标值越大,抽气效率越高,可以减小前级配置的容量或数量,降低对前级泵性能的依赖。相同抽气速率的泵,国外推荐的前级泵的抽速一般比国内的小50%,从另一个方面说明国外泵临界前级压力较高。

5、泵液返流率
    在电子、半导体器件、新材料、航天航空等领域,油扩散泵的返油是限制泵使用和推广的一个主要因素,要不是分子泵、低温泵等无油泵的价格、维护费用、运行成本太高缘故,恐怕早无扩散泵的一席之地了,部分业内人士曾建议大力推广无油泵、限制使用有油泵,并通过国外市场数据统计结果来说明油扩散泵该寿终正寝了。事实上,近几年油扩散泵的销售并未随着无油泵的崛起而退出真空市场,相反,无论从数量上还是从产值上均有大幅度提高,显示了其顽强的生命力和适应性。这主要归功于企业对油扩散泵特点清醒认识和不断地改进。
    国家标准对此项指标做了严格的规定,但国内各生产厂家在制造过程中很少进行测试,究其原因,一方面现行测试标准缺乏可操作性,误差很大,不能准确体现泵的实际情况,另一方面通过泵口增设屏蔽结构可以使返流率降低到不影响实际使用的程度。单纯降低返流诣很简单的,但要求返油率降低到原值的10%以下而抽速损失不超过原有效抽速的10%,这样问题就不简单了。综合考虑屏蔽结构的屏蔽效果和流导的关系、对不同返流要求采用不同的屏蔽结构、研究返流机理、进行大量试验是今后重点工作之一。
    国个部分公司对返流率指标有具体的要求,如泵口无挡油装置的返流率小于1×10-2mg/cm2.min,泵口带水冷帽的返流率小于1×10-3mg/cm2.min,泵口增加星型障板的返流率小于1×10-5mg/cm2.min。我公司单泵返流率小于3×10-1mg/cm2.min,泵口带水冷帽的返流率小于3×10-2mg/cm2.min,泵口增加水塔阱的返流率小于3×10-4mg/cm2.min。虽然不清楚国外的测量标准,但在具体使用过程中,国外泵的返流率明显林国产泵小。
    降低返油率的方法很多,如采用挡油帽、水冷挡板、致冷阱、低温捕集阱等措施。采用不同的降温手段,屏蔽结构所能达到的温度相差很大,屏蔽效果也不近相同。水冷却经济实用,用途最广,蛤受季节温度变化的影响很大,在炎热的夏季,循环水温高,冷却效果变得不明显。压缩致冷机组方式通过冷媒的压缩、膨胀循环过程达到降温目的,温度过低对泵的长期使用反而有 害。低温捕集阱通常采用液氮作为冷却液,有灌装自然蒸发式、压缩封闭循环式和半封闭式等,温度能达到-180°C,这对阱的制造提高了要求。无论采用保种方式,都要符合最终用户的现场条件满足屏蔽的效果。

6、加热装置
    加热装置的合理性可以降低泵的功率消耗、延长泵的平均无故障时间、适应工业化连续生产的需要。不同口径的加热功率不同,比较加热功率的高低,可以用比加热功率即加热功率与抽速的比值来衡量。表9和表10采用比加热功率的方法来比较加热效率的高低。

表9 Leybold公司DIP系列泵加热功率参数

/

DIP

3000

DIP

8000

DIP

12000

DIP

20000

DIP

30000

DIP

50000

名义抽速

L/s

3000
8000
12000
20000
30000
50000
加热功率W
2400
4800
7200
12000
18000
24000

比加热功率

w.S/L

0.8
0.6
0.6
0.6
0.6
0.48

表10 KT系列泵加热功率参数

/

K-150T

K-200T

K-300T

K-400T

K-600T

名义抽速

L/s

1100
2100
4500
7800
17000
加热功率W
1200
1800
3000
4500
8400

比加热功率

w.S/L

1.1
0.86
0.67
0.58
0.49

国内加热器主要由迷宫式耐炎陶土和螺旋状电阻丝组装而成,用石棉土保温,该结构热效率小于50%,使用寿命低,容易损坏。现在部分产品改用加热管加热,虽然加热效率提高到70%,但仍不近人意,主要是加热丝寿命问题,即使采用降低加热管表面负荷的方式也不能保证长时间、不间断地工作。这方面的问题有待加热管厂改进。国外公司的加热装置具有以下特点:
    可快速加热和冷却,大大降低能耗指标;
    加热装置为密封式板状或管状加热器,与泵底直接接触,提高加热效率,热习惯性小,易于降温;
    加热器均为长寿命加热装置,加热丝与加热板、管之间采用干燥、无杂质的结晶氧化镁填充,端口封闭前经加热、抽真空排气后绝缘封闭;
    对大泵来说,启动加热和工作加热相对独立:启动时,2套加热部件同时工作,缩短泵油加热时间,使泵快速达到工作温度;泵正常工作后,大轼率加热对泵的性能产生坏的影响,特别是极限压力、泵液返流率等指标,因此必须切断启动加热元件。
    温度控制装置可以通过对泵油的测量来控制加热器的工作。

7、综合参数指标
    除上述所说的指标外,必须完善泵的可操作性和实用性,方便用户的使用。国内产品除了设有注、放油口外,一般无其它辅助部件。国外产品一般有液位显示油标、油温测量显示装置、加热器控制装置、加热器热屏蔽装置、冷却系统控制报警装置、快速冷却装置等辅助部件。虽说增加这些部件难度不大,但国内没有几个产品设置,说明老产品的改造不力,产品的人性化思路没有深入到设计者的思想中。由于加工工艺的原因,特别是泵芯的加工精度不高,从而对泵的装配、喉部间隙的控制带来困难,使得泵的性能民装配人员的素质有很大关系,对泵油的品质、用量非常敏感,对运输要求较高。因此除了有色金属采用旋压方式外,还可以把泵芯改为钢件,用精另工的方式提高尺寸、形位公差的精度。同时要非常注意外观质量和加工工艺,制造出体积小、重量轻、造型美观的产品。

8、结论
    真空行业是随着科学进步不断发展的行业,各类制造、销售、代理公司不断涌现,丰富了真空市场的产品种类,向用户提供了大量的国内外设备,用户有了更多的选择,激烈的竞争降低了设备实际价格,降低了用户配套成本;另一方面则是大量低不平、不合格的泵充斥了市场,扰乱了市场,损害了客户的利益,最终损害了真空产业的健康发展,降低了与国外真空产品的竞争力,使一些用户不得不花费数十倍的价格进口产品。加入WTO,对真空行业来说,既是机遇,又是挑战,如何把握,已摆在大家面前,这是一个不可回避的问题。从油扩散泵来看,虽说在关键指标上与国外差距不大,通过努力在短期内是可以消除的,但综合水平国内外产品的差距还是比较明显的,有大量的工作需要我们去做。只有建立市场第一、用户第一的思想,及时收集用户反馈的意见并完善之,加强校企联合,密切企业间的合作,我们相信有能力应对国外公司的挑战。


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