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摘要：對國內外油擴散泵的主要性能及現狀作了比較，初步分析出存在的差距，提出了今后的發展趨勢。
關鍵詞：油擴散泵，抽氣速率，臨界前級壓力，泵液返流率

從上世紀我國研制出第一臺油擴散泵開始，經過數代人的嘔心瀝血和長期探索研究發展，已達到相當的技術水平和一定的生產規模，被廣泛應用于機械、電子、冶金、原子能、空間模擬等工業領域和科學技術研究中，為我國的科技發展做出了顯著的貢獻。

油擴散泵具有對被氣體無選擇性、抽氣速率大、結構簡單、無機械傳動、無摩擦和操作維護方便的特點，抽氣原理是利用高速運動的油蒸汽流與被抽氣體混合進行能理交換而達到抽氣作用的。代表油擴散泵技術水平的主要性能（參數）指標為：極限壓力、抽氣速率、臨界前級壓力、泵液返流率、平均無故障時間等。

國內直接從事泵的開發研制、生產的單位主要集中在2所大學、1個專業研究所和4家國企，目前有許多公司、企業通過交流、仿制等辦法參與泵的制造。國際上油擴散泵技術水平較高的主要代表廠商為Leybold、BOC Edwards、ULVAC、Pfeiffer(Varian)等公司，其產品在國內都有用戶，口碑均不錯。下面我們對國內外油擴散泵的現狀進行比較，探討今后發展的方向。

1、分類與特點
    新國家推薦標準將油擴散泵分為K系列（直腔泵）、KT系列（凸腔泵）2個系列，主要依據泵的外形差異進行區別。實際上市場現存的產品除包括上述2類外，還包括KA系列（直腔矮泵）、KTD系列（凸腔低返油泵）、KC系列（寬區域泵）等；按噴帽、噴嘴數量分有5級、4級、3級等形式。
    泵系列的演變是隨著我國科技人員對油擴散泵研究的深入和解決實際就用問題的過程中逐步完善的。例如，在允許稍許降低泵的抽氣速率指標下，通過合理的調節泵芯各級間距，可以降低泵的高度，從而減小空間高度，于是出現了直腔矮泵。實踐發現在泵口尺寸不變的情況下增加泵腔尺寸可以將泵的抽氣速率平均提高30%，甚至50%，對大泵來說也有一定的效果，我公司新研制的地么1200mm的凸腔泵比直腔泵的抽氣速率提高20%，由于提速效果明顯，凸腔泵很快系列化，并成為油擴散泵的主流產品，廣泛應用于各類真空應用設備中。隨著半導體管行業的發展，提出了潔凈真空的要求，必須嚴格限制泵液返流率，甚至要求無油真空的環境，因此只有降低泵本身的返流率并配置合理有效的防返油裝置才能解決問題，于是凸腔低返油泵系列應運而生，該類泵的泵腔、泵腔的設計與凸腔泵有明顯的不同，設計參數突破了原有的選擇范圍，并不只是簡單地將水冷擋油帽置于泵腔內的結構，實際表明，凸腔低返油泵和預期的效果尚有差距，需進一步改進探索。油擴散泵在10-4——10-2Pa范圍具有穩定的抽氣速率，壓力高于10-1Pa時抽氣速率降幅非常大，形成明顯的拐點，使油擴散泵與前級泵不能很好地銜接，延長抽氣時間，新生的寬區域泵在不改變泵原有的性能指標的情況下，提高泵在高壓力區域的抽氣速率，同時提高泵的臨界前級壓力，使抽氣效率明顯增大。
    外國公司的油擴散泵一般根據用途、配套的輔助部件（如擋板）的不同來劃分系列：ULVAC公司分為ULK系列、UF系PEL系列；BOC Edwards公司按用途分科研、工來和彩管行業用泵，有Standard DIFFSTAIC、Cryo-cooled DIFFSTAIC、HT和EO系列；Pfeiffer公司分為DIF系列和DIFC系列；Leybold公司是DIP系列。各公司一般將科研用泵和工業用泵、通用型和專用型泵、小口徑泵和大口徑泵區別開來，有的公司將泵、阱、閥、冷卻和電控集合為一體，方便了用戶的使用。外國公司產品聯體界面，豐富產品類型的同時簡化了用戶使用手續，降低對用戶專業化知識的要求。

2、極限壓力
    極限壓力指標除了與泵的噴嘴、噴帽的喉部間隙有直接關系外，還與泵液的品質、一級冷帽板、阱）的溫度、泵的漏率、系統的放氣、泵液冷卻的合理性等因素有關。
    國內重點企業提供的產品性能在該指標上基本一致，通達到國家標準規定的合格品指標，而普通企業的泵很多達不到10-5Pa,以至新的推薦標準將合格品指標降為1.5×10-4Pa。采用普通KS-3擴散泵油的國內知名品牌泵實測指標大多在5×10-5Pa，甚至可以達到2.5×10-5Pa，與采用275硅油泵的實測指標不相上下。該指標國產知名品牌泵與國外產品基本一致。如果采用增加冷卻擋板（阱）、使用單餾分高分子量的油作為工作液、泵體采用低放氣量的不銹鋼材質和進行長時間烘烤等手段，泵的極限壓為至少可以達到5×10-6Pa。
    國外公司泵的極限壓力與采用的工作液相對應，有的公司未給出具體的指標，只給出泵的抽氣范圍作為參考，如Pfeiffer公司。工作液的品質對泵的極限壓力影響非常大，從Leybold公司的資料顯示同一型號的泵采用不同的泵油其指標相差可達2個數量級，見表1。各公司均給出不同的工作液供用戶選擇，滿足不同用戶的需要。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 不同泵油的泵所能獲得的極限壓力Pa

如果國內生產的擴散泵油能達到國外油的品質，從泵的設計、制造來看完全可以達到甚至超過國外泵的指標。如何提高和豐富泵油的質量、品種已擺在石化行業面前，從這點可以看出真空技術對其它行業發展的強烈信賴性。上世紀九十年代國內一些研究所、企業（如上海惠豐化工研究所、北京石大中油石油化工技術有限公司、北京市燕山特種潤滑油廠、北京四方針政策特種油品廠等）已經能向市場批量提供各類真空泵油，豐富了原有的大邊、蘭州、甘肅玉門各類真空泵油的品種，但擴散泵油仍然是水平相當的相互重和，與國外油品的差距并未明顯縮小。泵油性能不穩定，即使同一企業的不同批號油的性能也有差異直觀上顏色、粘度都不一樣。因此制油企業的課題和商機是改進加工工藝，提供穩定、高品質的油。
    擴散泵油的性能需要滿足以下幾點要求：
    常溫下低的飽和蒸汽壓，工作溫芳下飽各蒸汽壓要盡量高；
    摩爾質量或平均摩勻質量要大，最好要高于500g/mol;
    具有較低的（蒸發）汽化潛熱；
    油品潔凈、餾分單一，不含凝結物質和其它雜質；
    具有良好的抗氧化性、抗酸堿性和抗輻射性；
    油品性能、質量要穩定增長、統一，各批號之間的差異要小。
    表2提供了一些國外油的主要性能參數，該參數對泵的性能指標有直接的影響。

表2 不同泵液的技術參數

3、抽氣速率
    抽氣速率反映了某一壓力下泵排除氣體的能力，該指標一般用于低于1×10-1Pa范圍的度量標準，是真空設備配置的關鍵因素。壓力高于1×10-1Pa范圍時，抽氣量通常作為泵性能特征的參數，公式如下
    Q=P×S    Pa.L/s
    式中P——泵入口壓力，Pa；S——抽氣速率，L/s
    由于沒有公認的國際標準，各公司根據不同的標準測量、計算得出的抽氣速率差異值很大。據資料顯示，在分壓強下測的值比全壓強下測的值能高出30%，美國（AVS）的數值比ISO標準高15%。另外，各公司泵的進氣口直徑大小、規格和形式都不一樣，所以指標參數不盡相同。因此只有對國外泵采用我國標準進行8測試才能真正反映出實際的差異為了真正徇每一個泵種的技術水平，建議采用比抽速作為衡量每一個泵種的技術水平，建議采用比抽速作為衡量參數，這樣就排除了由于泵口直徑的差異導致的指標偏離，對不同系列或同系列不同口徑泵的比較提供了相對準確的依據。比抽速是抽速系數的變形。
    比抽速K：單位有效抽氣面積的氣體體積流率。
    K=Sp/F    (L/s.cm2)
    式中Sp——泵的有效平均抽氣速率，L/s
    F——泵口最大有效通導面積，cm2
    因為泵口防返油裝置的流導不同，對泵的抽氣速率影響很大，一般在10%至30%之間，只有在泵的輔助配置一致或近似的前提下比抽速才能作為衡量、比較的參數，即要么泵口無防返油裝置，要么沒結構型式近似的冷板、冷阱等。
    下面采用比抽速和抽氣量來比較Leybold公司和我公司KT系列泵的異同。

表3 Leybold公司DIP系列泵技術參數

表4是我公司泵的最低參數，實際測得值要高一些。從表3和表4可以看出，在10-4——10-2Pa范圍內，我公司的泵與進口泵性能基本一樣，體現了泵在高真空范圍良好的抽氣特性；但壓力高于1×10-1Pa時，我公司的KT系列泵的抽速的抽速平均衷減36.6%，出現明顯的拐點；Leybold公司泵的抽速平均衷減僅25%，體現該類泵在高壓力段強大的抽氣性能。

表4 KT系列泵技術參數

表5是我公司對Leybold公司的新泵DIP30000采用我國標準進行測試的結果，泵油用國產275硅油；表6為我公司制造的K-800TD凸腔式油擴散泵的抽氣速率表，泵油為KS-3擴散泵油。四四川成化的ZDF-Ⅲ復合真空計作為測量儀表。根據泵的標準值與實測值的差異初步推斷德國與我國標準的異同，從而為國內企業使用進口泵時提供選擇依據。

表5 DIP30000泵的抽氣速率

表6 K-800TD泵的抽氣速率

按照國家標準抽氣速率是10-3Pa至10-2Pa之間6個測量點的平均值，那么，DIP30000為28438L/s,K-800TD為27211L/s。DIP30000泵6點的平均抽氣速率是標稱抽氣速率（3000L/s）的95%，其高點抽速接近30000L/s，因此標稱抽速是高點抽速；在6.6×10-4Pa的低壓力區有平均抽氣速率的96.5%的抽速；在1.4×10-1Pa有平均抽氣速率的56.5%的抽速；在3.0×10-1Pa仍然有平均抽氣速率的32.5%的抽速，抽氣量達到2773Pa.L/s，顯示出該泵在高壓力區強大的抽氣能力；抽速曲線拐點向兩側延伸，有效抽氣氣壓力范圍大大加寬，在中、高真空應用設備非常實用。國產凸腔系列的泵與K-800TD抽氣速率比較平均，但超過該區域特別在壓力大于10-1Pa后，抽氣還率下降很快，測量壓力波動很大，無法測出準確數值，因此抽速曲線拐點距離穩定抽速區域很近，有效抽氣壓力范圍窄，這親對前級泵的性能要求較高，否則將影響泵的抽氣性能。
    國內許多科研人員很早注意到了國產泵有效抽氣壓力范圍窄的問題，提出了寬區域泵的概念，但前提是把泵的極限壓力降低到1.4×10-4Pa，犧牲低壓強段的抽速，將抽速曲線向高壓力區偏移（而不是延伸），這種方法無形中把擴散泵在高真空段的優勢削弱了。國外公司的產品告訴我們在保持油擴散泵優勢的基礎上拓展有效抽氣壓力范圍是可行的，我公司研制的KC系列（寬區域泵）的指標已接近國外產品的事實印證了上述觀點。表7為我公司制造的K-900C寬區域油擴散泵的抽氣速率表，泵油為KS-3擴散泵油。測試方法符合國家推薦標準。

表7 K-900C泵的抽氣速率

K-900C泵6點的平均抽氣速率為33239L/s,在6.6×10-4Pa的低壓力區有平均抽氣速率80%的抽速；在1.4×10-1Pa有平均抽速率67%的抽速，抽氣理達到3100Pa.L/s；在大于1.4×10-1Pa以上的區域測量壓力波動很大，無法測出準確數值。可看出，國產泵仍需改進，進一步完美，爭取達到并超過國外產品。
    很長一段時間在大家對提高泵抽速方面主要采取把直腔泵該為凸腔結構，從而增加級噴嘴、噴帽的油蒸汽射流長度，擴大抽氣面積，主要對中、小口徑的泵采用；對直徑超過800mm的大口徑泵仍采用直腔式，主要考慮到射流長度過長，射流到達泵壁的壓力降低，影響到對被抽氣體的封閉效果。其實只要解決好油蒸汽對各級噴嘴的分配和射流界面的氣體的封閉的問題大泵采用凸腔形式是可行的，我公司研制的K-1200TD泵平均抽氣速率60000L/s比K-1200直腔泵50000L/s的抽速提高20%的結果印證了上述觀點，見表8。但凸腔型式的泵加工復雜，使用上也有一些不便。因此我們可以參照國外公司的做法，小泵增加凸腔幅度，大泵采用直腔形式。

表8 K-1200TD泵的抽氣速率

4、臨界前級壓力
    臨界前級壓力可以理解為泵抵抗被抽氣體向泵口反遷移的最大能力。臨界前級壓力的測量有“空載”和“滿載”之分，盡管未標明是“空載”還是“滿載”通常認為是滿載壓力。
    國內泵的指標大多在10——25Pa之間，少數泵超過35泵。國外泵的指標一般都在40——60Pa之間，甚至可達到120Pa。我們用國家標準對國外泵的測值來看，與標稱值一致，比國內泵的測值高50%。油擴散泵的臨界前級壓力與泵噴射級的設計、加熱功率和泵液等因素有關。大家知道，該指標值越大，抽氣效率越高，可以減小前級配置的容量或數量，降低對前級泵性能的依賴。相同抽氣速率的泵，國外推薦的前級泵的抽速一般比國內的小50%，從另一個方面說明國外泵臨界前級壓力較高。

5、泵液返流率
    在電子、半導體器件、新材料、航天航空等領域，油擴散泵的返油是限制泵使用和推廣的一個主要因素，要不是分子泵、低溫泵等無油泵的價格、維護費用、運行成本太高緣故，恐怕早無擴散泵的一席之地了，部分業內人士曾建議大力推廣無油泵、限制使用有油泵，并通過國外市場數據統計結果來說明油擴散泵該壽終正寢了。事實上，近幾年油擴散泵的銷售并未隨著無油泵的崛起而退出真空市場，相反，無論從數量上還是從產值上均有大幅度提高，顯示了其頑強的生命力和適應性。這主要歸功于企業對油擴散泵特點清醒認識和不斷地改進。
    國家標準對此項指標做了嚴格的規定，但國內各生產廠家在制造過程中很少進行測試，究其原因，一方面現行測試標準缺乏可操作性，誤差很大，不能準確體現泵的實際情況，另一方面通過泵口增設屏蔽結構可以使返流率降低到不影響實際使用的程度。單純降低返流詣很簡單的，但要求返油率降低到原值的10%以下而抽速損失不超過原有效抽速的10%，這樣問題就不簡單了。綜合考慮屏蔽結構的屏蔽效果和流導的關系、對不同返流要求采用不同的屏蔽結構、研究返流機理、進行大量試驗是今后重點工作之一。
    國個部分公司對返流率指標有具體的要求，如泵口無擋油裝置的返流率小于1×10-2mg/cm2.min,泵口帶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。我公司單泵返流率小于3×10-1mg/cm2.min，泵口帶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。雖然不清楚國外的測量標準，但在具體使用過程中，國外泵的返流率明顯林國產泵小。
    降低返油率的方法很多，如采用擋油帽、水冷擋板、致冷阱、低溫捕集阱等措施。采用不同的降溫手段，屏蔽結構所能達到的溫度相差很大，屏蔽效果也不近相同。水冷卻經濟實用，用途最廣，蛤受季節溫度變化的影響很大，在炎熱的夏季，循環水溫高，冷卻效果變得不明顯。壓縮致冷機組方式通過冷媒的壓縮、膨脹循環過程達到降溫目的，溫度過低對泵的長期使用反而有 害。低溫捕集阱通常采用液氮作為冷卻液，有灌裝自然蒸發式、壓縮封閉循環式和半封閉式等，溫度能達到-180°C，這對阱的制造提高了要求。無論采用保種方式，都要符合最終用戶的現場條件滿足屏蔽的效果。

6、加熱裝置
    加熱裝置的合理性可以降低泵的功率消耗、延長泵的平均無故障時間、適應工業化連續生產的需要。不同口徑的加熱功率不同，比較加熱功率的高低，可以用比加熱功率即加熱功率與抽速的比值來衡量。表9和表10采用比加熱功率的方法來比較加熱效率的高低。

表9 Leybold公司DIP系列泵加熱功率參數

表10 KT系列泵加熱功率參數

國內加熱器主要由迷宮式耐炎陶土和螺旋狀電阻絲組裝而成，用石棉土保溫，該結構熱效率小于50%，使用壽命低，容易損壞。現在部分產品改用加熱管加熱，雖然加熱效率提高到70%，但仍不近人意，主要是加熱絲壽命問題，即使采用降低加熱管表面負荷的方式也不能保證長時間、不間斷地工作。這方面的問題有待加熱管廠改進。國外公司的加熱裝置具有以下特點：
    可快速加熱和冷卻，大大降低能耗指標；
    加熱裝置為密封式板狀或管狀加熱器，與泵底直接接觸，提高加熱效率，熱習慣性小，易于降溫；
    加熱器均為長壽命加熱裝置，加熱絲與加熱板、管之間采用干燥、無雜質的結晶氧化鎂填充，端口封閉前經加熱、抽真空排氣后絕緣封閉；
    對大泵來說，啟動加熱和工作加熱相對獨立：啟動時，2套加熱部件同時工作，縮短泵油加熱時間，使泵快速達到工作溫度；泵正常工作后，大軾率加熱對泵的性能產生壞的影響，特別是極限壓力、泵液返流率等指標，因此必須切斷啟動加熱元件。
    溫度控制裝置可以通過對泵油的測量來控制加熱器的工作。

7、綜合參數指標
    除上述所說的指標外，必須完善泵的可操作性和實用性，方便用戶的使用。國內產品除了設有注、放油口外，一般無其它輔助部件。國外產品一般有液位顯示油標、油溫測量顯示裝置、加熱器控制裝置、加熱器熱屏蔽裝置、冷卻系統控制報警裝置、快速冷卻裝置等輔助部件。雖說增加這些部件難度不大，但國內沒有幾個產品設置，說明老產品的改造不力，產品的人性化思路沒有深入到設計者的思想中。由于加工工藝的原因，特別是泵芯的加工精度不高，從而對泵的裝配、喉部間隙的控制帶來困難，使得泵的性能民裝配人員的素質有很大關系，對泵油的品質、用量非常敏感，對運輸要求較高。因此除了有色金屬采用旋壓方式外，還可以把泵芯改為鋼件，用精另工的方式提高尺寸、形位公差的精度。同時要非常注意外觀質量和加工工藝，制造出體積小、重量輕、造型美觀的產品。

8、結論
    真空行業是隨著科學進步不斷發展的行業，各類制造、銷售、代理公司不斷涌現，豐富了真空市場的產品種類，向用戶提供了大量的國內外設備，用戶有了更多的選擇，激烈的競爭降低了設備實際價格，降低了用戶配套成本；另一方面則是大量低不平、不合格的泵充斥了市場，擾亂了市場，損害了客戶的利益，最終損害了真空產業的健康發展，降低了與國外真空產品的競爭力，使一些用戶不得不花費數十倍的價格進口產品。加入WTO，對真空行業來說，既是機遇，又是挑戰，如何把握，已擺在大家面前，這是一個不可回避的問題。從油擴散泵來看，雖說在關鍵指標上與國外差距不大，通過努力在短期內是可以消除的，但綜合水平國內外產品的差距還是比較明顯的，有大量的工作需要我們去做。只有建立市場第一、用戶第一的思想，及時收集用戶反饋的意見并完善之，加強校企聯合，密切企業間的合作，我們相信有能力應對國外公司的挑戰。