第九讲：真空系统组成元件

王继常
(东北大学)

    2 捕集器
    捕集器也称为阱，用来捕集真空系统中的可凝性蒸气。在有油封机械泵和蒸气流泵组成的真空系统中，存在着工作液的蒸气，如油蒸气、汞蒸气、水蒸汽等。这些蒸气进入被抽容器之后，使真空度降低，氧化电热体和被处理工件，污染真空系统。为了减少乃至消除这些有害蒸气，在有油蒸气污染可能的真空系统中广泛使用捕集器。捕集器的种类很多，根据捕集器捕集蒸气的原理和方法不同，捕集器可分为挡油帽，机械捕集器(又称挡板、障板、机械阱)，冷凝捕集器(又称冷阱)，吸附捕集器(又称吸附阱)和其它类型的捕集器(如电捕集器，热捕集器，离子捕集器等。
    2．1 挡油帽
    扩散泵在工作过程中，泵液会向被抽容器中返流。返流的油蒸气会对被抽容器及被处理工件造成污染。返流油蒸气从凝结于扩散泵顶喷咀表面上的油膜的再蒸发为主要来源。在喷咀内表面上的泵油能浸润外表面达数毫米，因此这部分油膜会大量蒸发，返流向高真空侧。通常在泵芯的一级喷咀上面设置挡油帽，这样可以大大降低油蒸气的返流。挡油帽一般用水冷却，比较好的水冷挡油帽可把扩散泵的返油率降低到0.1％～1％。因此挡油帽是现代扩散泵所必备的部件。
    扩散泵加挡油帽后，降低了返油率，但同时也降低了泵的抽速。通常认为加挡油帽后，泵的抽速降低小于20％为宜。
    挡油帽的设计方法如图31所示：先划出导流管和喷咀外沿的连结线AB，再在距B为1cm左右处引垂线CD，延长AB与CD交于E点，此即挡油帽的外缘。这样确定挡油帽外缘的位置则不会挡住工作液蒸气射流。
    挡油帽伸出长度H(见图32)可由下式计算：
            H=(d₂-d₁-2δ)/2 tga mm     (10)
    式中d₁为泵的喷咀直径，mm；d₂为挡油帽帽缘外径，mm；δ为挡油帽帽缘厚度，mm；a为泵的喷咀角度。
    图33是挡油帽的一种经验设计，实践表明，这种挡油帽的挡油效果较好，且对泵的抽速没有太大的影响。
    各种型式挡油帽的挡油效果如图34所示，图中(n)是不加挡油帽，设此时返油量为1；(6)、(c)、(d)、(e)等表示加挡油帽及水冷套等措施后的返油量，数值愈小，挡油效果愈好。
    2．2 机械捕集器
    2．2．1 概述
    机械捕集器又称挡板、障板、机械阱。当对降低返油率有更高要求时，常被广泛应用，主要用来防止蒸气流泵工作液的蒸气分子返流进入被抽容器。在高真空条件下，分子自由程大于管路的线性尺寸，蒸气分子在真空空间作直线运动。返流的蒸气分子是这样通过管道进入真空室的：蒸气分子先碰撞管壁被吸留；由于热运动，管壁吸留的分子又蒸发，再在更靠近真空室的管壁上被吸留，然后再蒸发……，这样逐步进入真空室中。因此在蒸气进入被抽容器的通路上安装不同结构的具有光学密闭性的板状组件，阻挡住直线运动的蒸气分子穿越，使其在壁板上凝结或反射回去，用这种机械阻挡的方法消除或减少蒸气分子进入被抽容器。
    机械捕集器的型式如表4。对于某些结构型式，表中还给出了其传输几率和比流导值。
    2．2．2 机械捕集器的设计原则及其典型结构
    机械捕集器主要靠机械阻挡的方法来降低油蒸气的返油率，而高速热运动的蒸气分子经三次碰壁后，其能量大大损耗。因此，在设计光密性障板的时候，要求蒸气分子在通过它的过程中，至少应有一次以上使蒸气分子与板壁碰撞。此外，要求板壁材料有较好的导热性，尽可能保持较低的温度。通常通冷却水，以减少蒸气凝结后的再蒸发，常用的材料有铜、铝、不锈钢等导热系数较大的金属板。
    在设计障板时应注意以下原则
    ①光学密闭性，至少要挡住一次束流；
    ②有尽可能大的流导；
    ③障板材料应放气率低，饱和蒸气压低，热传导性能好，易于加工；
    ④超高真空系统使用的障板应能承受高温烘烤。
    典型的几种机械捕集器的结构如图35至图38所示。图35是具有冷却水管的机械捕集器，采用单百叶窗式捕集片，它能捕集大量的油蒸气分子，由于结构简单而得到广泛应用。这类结构的捕集器片也可以用其他类型，如人字型捕集片等。图36是双百叶窗式水冷障板，其特点是采用双百叶窗式捕集片和冷却水套形式，捕集效果更好。图37是锥状环形水冷障板，其中心锥状环形挡片没封顶，适用于扩散泵带有挡油帽的情况。图38是倒塔式水冷障板，效果较好，使用也较广泛。

(未完待续)