梦见深真空（第1部分）。 扩散蒸汽油泵：复苏和一些理论

真空设备的主题不只一次出现在哈勃的广阔空间中。 例如，这些是关于车库中的电子显微镜 ，关于磁控溅射，甚至关于自制的铜蒸气激光系统的文章 。 其中一些文章提到了蒸汽油泵。 现在，我建议所有感兴趣的人都仔细研究一下这些泵的设备和功能。

一切如何开始

不久前，我成为NVDS-100扩散蒸汽-油泵“也许飞”类导弹的两台火箭发动机的所有者，这使我的价格比废金属的价格高一点。 很长一段时间以来，我一直想掌握这种东西，因为我一直想“观察”工作中的泵。 我还想尝试在真空中进行金属沉积的过程，这与我对天文学的热情以及望远镜用大镜子的价格不相上下。 尽管在我看来，真空技术与飞船发动机大致相同，并且仍然存在很大的疑问，但是出色的Reactos文章为朝这个方向发展提供了额外的动力。 是的，看到这种水泵后，我对在研究所工作（然后工作）的地方有些怀旧之情。 这是一家生产石英谐振器和发电机的工厂，商店的肠子里有很多奇怪的东西（通常已经很独特），例如X射线测角仪，离子等离子蚀刻设备，用于在真空或气体气氛中密封数十个谐振器的烙铁，但我认为最多外观，史诗般-安装真空喷涂UVN-71。



当您沿着车间排成一排的装置走动时，导线，软管伸出来，白色蒸汽的蒸汽会定期从氮气阱和杜瓦瓶中喷出，从上方连续数十年以来，橡胶熊和野兔在杆上安装着悲伤而肮脏的面孔，它们在旋转...总的来说，这是后世界末日蒸汽朋克精神下令人难忘的风景。

因此，回到泵。



他们的生活严酷，但并非残酷。 在内部，发现许多应该以某种方式清除的冷冻油，但否则看起来相当不错：密封装置就位，外壳完整，加热器很热，但我不能说更多。



令人愉快的是：其中一个泵上有一个V形人字形水冷反射器或水冷疏水阀（我遇到过两个名字），旨在减少进入真空室的油蒸气量。 这个东西非常有用，但是如果您相信这些话，它会使泵的性能降低20-30％。 后来购买了真空百叶窗。 需要从真空腔室中切断泵的入口，这允许空气在不关闭泵的情况下被引入腔室（更准确地说，是在不冷却的情况下）。 严格禁止让空气进入仍然热的泵中，我将进一步解释不遵守该规则会导致什么。

可以使用普通丙酮很容易地清洗泵，丙酮可以溶解冷冻的油，如糖，热水。 经过三升丙酮，两个小时的沐浴程序后，事实证明已将导油板从泵上卸下（也称为“冷盖”）。 在此之前，他紧紧抓住，以至于我为他举起了泵，并确保它是不可分离的结构。 没错，这是唯一主演的内容。



冷冻机油融化后，仅在对泵进行预热后才将泵内部取下。 在这里可以清楚地看到铝制零件失去了通常的颜色，并被一些下垂物覆盖。 我们将进一步回到这一点。



对于那些用银色涂不锈钢的人来说，地狱中将有一个单独的锅炉！

一点理论

在考虑开始乐趣之前，我建议先整理一下一般的泵类型以及注入的泵类。 晾干不起作用。

工作液

对于工作流体，有几个重要参数决定泵的结果：

• 20°C时的耐蒸气性 在理想情况下，此参数确定使用这种液体可以达到的最终残余压力。
  
• 蒸气压为1.33 Pa（1.10x10 ^ 2mmHg）的沸点
  
• 闪点和自燃。 是的，随着泵的严重过热和大气的突破，您可以获得喷气发动机而不是泵。
  
• 抗氧化稳定性和水解稳定性。 一个重要的参数尽管通常没有数值表达式，但是您必须依靠形容词和比较程度。 实际上，这里的情况很简单。 对于用户而言，有些油可以在工作温度下承受大气的随机突破，而有些油通常可以在无阀快速循环泵送过程中使用。 换句话说，它们能够以抽气循环->进气口->抽气的方式工作。
  
• 毒性 现代的工作液，如果不醉（有时是醉），则是无毒或低毒的。 但是检查自己是不值得的。
  
• 在某些应用中，您需要查看工作流体及其蒸气的分解产物的行为。 例如，如果您想使用铯蒸气，那就不太好了，而他突然与真空油蒸气反应出名。
  

由于可以使用工作液：

• 汞
• 矿物油
• 有机硅液体；
• 酯。

汞有一些非常重要的好处：

• 成分均匀；
• 抗氧化性和稳定性；
• 在工作温度下蒸气压力高（实际上，泵出口处的最大出口压力取决于该指示器）；
• 气体溶解度低。

在缺点中，除了其蒸气的毒性外，值得注意的是室温下的蒸气压高，这将最大残留压力限制在10 ^ -3 mm Hg的水平。 艺术 （通过安装氮气陷阱解决）以及高化学活性。 我认为每个人都从学校化学过程中记得汞与金属形成汞齐。 这里出现了问题，但是为什么有这样的缺点，却在泵中使用它呢？ 他们将其用于以汞蒸气为工作介质的地方，或需要高纯度（不含碳氢化合物）工作介质的地方（例如，在质谱仪中）。

从爱好项目的角度来看，这种工作流体更可能具有历史意义。 N-5SR-1，N-10R或N-50R等蒸汽汞泵在该国境内很常见，但由于很难找到P1或P2汞等级，因此无法使用。 除非适合收藏。

某些来源认为，像VM-1，VM-5这样的矿物油是液态石蜡蒸馏的产物，很容易找到。 它们便宜且操作更安全。 5升VM-5C花了我大约1300r，抽出它需要70毫升。 的确，这些油没有最大的热和热氧化稳定性。 换句话说，它们与空气反应并在泵零件上形成树脂涂层（这在我的泵上清晰可见）。 我不能说这个过程的速度，但是其结果顽固地抵制了删除它的尝试。

对于对油的热和热氧化稳定性有要求的增压泵，生产的BM-3油可以承受高达5000 l / s的抽速。 其回报是在20°C的低蒸气压。 仅1.33 * 10 ^ -2 Pa。

诸如VKZH-94AB，PFMS-2 / 5，FM-1，DC-705，DC-704之类的有机硅液体以R [2SiO] nSiO [SiO] mSiR的通式表示，其中R =（3）3或3（65） 2，M ＝ CH 3，F ＝ C 6 H 5。 具有高的热氧化稳定性。 即使在长期使用空气的泵中长时间使用后，有机硅液体也不会在泵的内部零件上形成焦油沉积物。 允许获得大约10 ^ -9 mm RT的压力。 艺术 无需使用深冷装置，因此在某些装置上看不到氮阱。 它们很昂贵（每1升不超过50000r）。

酯 。 在这里，可以找到异辛基醚或聚苯醚（5F4E，Santovac 5，OS-124）-由苯环经氧连接而成的聚合物。 这样的链中的键非常牢固，因此液体非常抗氧化，并且也很难迁移到泵送体积中。 这些油还具有良好的润滑性能。 有趣的是，值得注意的是Santovac 5衰减产物是导电的（对于DC705，它们是电绝缘的）。 而且它们也不便宜。

水泵类型

因此，我们有一个蒸汽喷射泵。 总体上，根据工作压力范围和工作原理，可以使用三种类型的蒸汽喷射泵[1]：

• 顶出器-760-10 ^ -2毫米汞柱;
• 增压器-10 ^ -1-10 ^ -4毫米汞柱;
• 扩散-低于10 ^ -4 mm Hg

我们只对后者感兴趣，因为前两者的设计目的是快速泵送大量气体，在这里，我们将获得工业规模的空间真空，而我没有。 但是，让我们看看它们是如何工作的。

喷射泵可以是水，蒸汽，蒸汽，蒸汽和油。 许多人都熟悉学校化学课程中的喷水泵。 他在那里以喷水泵的名义通过。 我敢肯定，对于某些人来说，他躺在桌子的抽屉里某个地方，正等待着翅膀，那是在后世界末日之后，有必要恢复生命（嗯，没有泵吗？）

此类泵（喷射器，而非喷水器）用于在760-10 ^ -2 mm Hg的压力下泵送大量气体（不仅是气体）...

这种泵的工作原理（图片是从一个繁忙的资源中拍摄的）非常简单。 在蒸汽-蒸汽/蒸汽-油泵的情况下，增加的蒸汽（与泵送气体的压力相比）以湍流或层流的形式从喷嘴流出，并膨胀进入混合室2中。 此外，这全都取决于射流的速度，射流的密度和泵送气体的压力。 在高射流密度和高气压下，射流本质上是湍流的。 一些气体被射流的湍流“关闭”并带走。 由于射流和相邻气体层的边界层之间的摩擦，还会产生粘性滞留。 随着射流的速度和密度以及气压的降低，粘性捕获的作用增加。 并且在大约10 ^ -7 mm RT的压力下。 艺术 捕获机制变得完全扩散。

而且，蒸汽射流是泵送气体的障碍，并防止其回流到泵送容积中。 由于分子动能的供应有限，蒸气可以承受一定的压降（有时它们会记录压缩比或射流破裂的压力）。 对于喷射泵，根据[1，p.12]，大约为5-10。 真空喷射泵中的球形喷射器的一级 ，当释放到大气中时，可以泵送高达100-150 mm的RT。 艺术

在家用真空技术中，仅以增压泵和扩散泵的输出级形式发现蒸气压和蒸汽油喷射泵。 但是水被充分利用，包括用于供水系统的组织和石油生产 。

增压泵也用于泵送大量气体，但压力已经达到10 ^ -1-10 ^ -4 mm Hg。 艺术 抽气速率与入口压力的典型关系图：



这些泵的工作压力范围很有趣，因为气体“捕获”的粘性机制在范围的上限运行，而扩散过程（将气体泵入蒸汽流）在范围的下限运行。 在这方面，为了更好地泵送，在高压下，射流应该足够稠密，并且在低-足够稀疏。 还需要在整个压力范围内获得高性能。

正因为如此，增压泵的设计才得以实现。 很不寻常。 如果您从60年代的小说中看到高压绝缘子（出于某种原因使用金属），pepelats和机器人之间的东西，那绝对是增压泵。 不信？ 查看BN-，NVBM-泵系列，尤其是2NVBM-。 例如，高度为2.7 m且动作速度为18,600 l / s的2NVBM-630 / 18000或尺寸稍适中的BN-2000，给人留下了难以磨灭的印象。



有关真空技术的书籍提到，有些泵的动作速度高达200,000 l / s。 可以肯定的是，这可以为一间单间公寓配备一个讲习班和三个月的食物供应。 虽然，在尺寸方面更适中。

让我们以NVBM-2.5 [1，p.16]为例更详细地考虑泵的设计。 四级泵。 在三速蒸汽管路4上安装了三个让人联想起沙滩伞的喷嘴。 在挡油板2下方有一个第一级喷嘴，该喷嘴可确保在低喷射失速压力下的最大泵送速度。 最主要的是捕获尽可能多的气体。 第二阶段应在第一阶段提供低于失速压力等的压力。 最后一个喷射器级已安装，它具有使喷流失速的最高压力，并且实际上设定了最大输出压力（约100 Pa）。

图片中的名称：1-输入法兰； 2-导油板; 3-情况； 4-蒸汽管线； 5-锅炉; 6-内部加热器； 7-喷射器喷嘴； 8-弹出器限制器； 9-输出法兰; 10-磁盘陷阱；

与扩散相比，升压泵的显着特征之一是蒸发器或锅炉5的尺寸更大（发生汽化的体积）5，因为所需的蒸汽压力比扩散泵的蒸汽压力大一个数量级。 而且，由于NVBM-2.5增压级的操作比其余级的操作需要更高的压力，由于在蒸汽管线中安装了隔膜，各级的电源被蒸汽分开。

残余压力（通常在增压泵的文档中未提及）主要由工作流体蒸汽的回流确定。 它比扩散泵大得多。 对于2NVBM系列的增压泵，该值为0.8 mg /（h * cm2），对于NVDM扩散系列，该值为4.8 * 10 ^ -2 mg /（h * cm2）。 如果您的真空室中碳氢化合物的存在至关重要，那么增压泵不是您的选择。 但是，如果您需要抽出大量气体逸出的设备，并且仍然需要经常抽气，那么这是您的选择。 真空感应炉和电弧炉，干燥炉以及超音速风洞（如果有的话）是这些泵的主要客户。

最终，我们找到了我们感兴趣的扩散泵 。 在这里，似乎可以说出扩散泵类似于增压泵，只是它的外壳可能具有圆柱形和顶出级，而且可能很小，很小。

而且，如果您查看泵浦电路[2，第39页]，那么除了某些差异之外，这样的说法是正确的。 下文将对此进行详细介绍，但首先，我们至少会大致了解泵内部发生的情况。

图片中的名称：1-加热器； 2-锅炉; 3，4，5-蒸汽管道; 6-喷射器喷嘴； 7-第三阶段的喷嘴； 8-第二阶段的喷嘴； 9-第一阶段的喷嘴；

扩散泵在10 ^ -4 mm Hg的压力下运行。 艺术 在下面以及下面，当气体流动状态变为分子状态时，可以说气体分子几乎不会彼此碰撞，也不会与泵壁碰撞（所谓的扩散膜片-泵壁与第一级喷嘴之间的间隙通过），我们可以说它们如右图所示飞行：

我希望得到这样原始的解释，他们不会踢我。 因此，气体分子飞过泵的入口并向着蒸汽喷射运动。 一些气体分子在遇到重蒸气分子时会反射回来，而其余的分子可以被“捕获”并被射流带走。 此外，“捕获”机制是由扩散过程引起的[1，p.20]，沿着射流的长度方向扩散速率是不均匀的：在喷嘴处，射流中和整个射流中气体浓度的差异最大，而在喷嘴处，则更大。 当您从喷嘴移开时，蒸汽射流被气体饱和，扩散速率降低。
蒸汽射流将气体携带到泵的壁上，在此进行冷凝，并且气体从射流沿泵送方向接收到脉冲后，在狭窄的壁层中流向出口管。 在这种情况下，弹出器阶段（如果有的话）可能会很好地帮助他。 顺便说一句，喷嘴7、8和9称为扩散。

好吧，如果有扩散过程，那么当然会有反扩散过程。 但是，此过程仅在低输出压力区域才变得重要，在该区域中，泵的泵送速度开始下降。 的确，一切都不仅限于防扩散，而且从泵的锅炉喷射的蒸汽所带出的气体（那些在蒸汽冷凝过程中已成功溶解在工作流体中的气体）和泵壁的气体逸出开始发挥重要作用。

抽气速度与入口压力的关系图来自NVDS泵的文档。在此，最大泵速的区域已经较长，然后急剧下降。自然地，该图是针对使用推荐工作流体并具有一定加热器功率的泵获得的。如果您要使用其他工作流体，则必须自己制定时间表，选择最佳操作模式。

如果您看一下NVDS-100泵的壳体内部，那么在底部您会发现环像一个带球的儿童迷宫。这种设计称为迷宫式蒸发器。



为什么需要它？在许多扩散泵中，根据说明，有必要倒掉所有的渣土必须填充特殊的真空油（VM-1，VM-5和其他），这些油是具有不同摩尔质量，沸点等的不同馏分的混合物。这不是超纯汞。然而，对于泵的不同阶段的操作，需要具有不同特性的流体。为了确定泵的速度和最大残留压力（如增压泵），第一阶段的操作需要在室温和锅炉的工作温度下具有低蒸气压的液体（以获得低密度射流）;对于确定最大出口压力的出口级，室温下的蒸气压并不重要，但是在工作温度下需要尽可能高的蒸气压以产生高密度射流。

迷宫式蒸发器和油本身的特性在这里进入了舞台，当油流过蒸发器时，这些油被分馏并将具有低蒸气压的重质馏分送入第一级，将具有高弹性的轻质馏分转移至最后一级。通常，蒸馏立方服务于技术进步。

优势优势

蒸汽油泵的优势非常明显（与其他类型的高真空泵相比）：

• 设计简单。没有运动部件的最小零件。像涡轮分子泵一样，轴承或轴承本身的润滑脂没有变化。而且没有噪音。
• 操作简单。跟踪油位（某些泵具有液位计），温度和冷却，您会很高兴的。您可以将晶闸管或PID控制器上最简单的功率控制器固定到加热器上。
• 价格和/或“可交付性”。与涡轮分子泵相比，购买扩散泵要简单得多且便宜得多。我对新泵不屑一顾，尽管扩散的价格便宜几倍，但两种泵的价格都是马力。

缺点

凭借蒸汽机油泵的诱人简易性（没有什么特别的地方可以解决），由于泵的优点和工作流体的特性而产生了一些缺点。最重要的：

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在清洁过程中，泵中出现了相当不错的游隙。第二级和后续级在第一级的蒸汽管上“骑乘” 1-2毫米。互联网上的搜索没有返回任何结果，但是VAKMA工厂（又名Vakuummash）的员工得以解救，为此，他们深表感谢！正是这家工厂于1985年制造了两台泵。

事实证明，在泵中没有可用于设置必要间隙的调节垫片。结果，第一级蒸汽管线仅停留在底部，显然，石油不能很好地到达那里。同时，泵连续运行了很多年。

接下来将设置正确的间隙，将泵与疏水阀和真空阀组装在一起，检查是否存在泄漏并进行首次启动。但这将在下一篇文章中。我希望到那时，为我的系统寻找零件的工作也将继续进行。

1. .. — .: , 1980.
2. / . ., . ., . .; . . . . — .: , 1978.
3. . ., . . - — .: , 1977.
4. . . : . « ». — 2- ., . . — .: , 1990.
5. . / . ., . ., . . ..; . . . ., . . — .: , 1985