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擴散幫浦如何運作？

透過以下方式分享：

擴散幫浦基本上 (見圖 2.44) 由具有冷卻壁 (4) 及三、四或五級段噴嘴系統 (A - D) 的幫浦本體 (3) 構成。作為幫浦流體使用的油位於鍋爐 (2) 中，油會在此透過電力加熱 (1) 的方式汽化。幫浦流體蒸氣會流經上升管並以超音速從環形噴嘴 (A - D) 出現。在此之後，此形狀的噴嘴會像雨傘一樣外擴，達到發生幫浦液流凝結的壁。液體凝結會以薄膜形式沿壁下流，最終回到鍋爐中。由於噴嘴的這種外展特性，蒸氣密度會相對較低。空氣或任何抽排至噴嘴中的氣體 (或蒸氣) 的擴散速度會非常快，但儘管它的速度很快，噴嘴實際上會完全充滿抽排的介質。因此，在寬廣的壓力範圍中，擴散幫浦會有很高的抽氣速度。這實際上在擴散幫浦的完整工作區域 (≤ 10^-3 mbar) 中是恆定的，因為處於這些低壓狀況的空氣無法影響噴嘴，因此其路線會保持不受干擾。在較高的進氣壓力下，噴嘴的路線會改變。因此，抽氣速度會降低到約 10^-1 mbar 為止，這將是一個測不出來的小數值。

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圖 2.44 擴散幫浦的操作模式。

加熱器
鍋爐
幫浦本體
冷卻線圈
高真空法蘭
氣體分子
蒸氣噴射
前級真空連接口
A、B、C、D 噴嘴

前級真空壓力也會影響蒸氣噴射，如果其值超過特定臨界極限也會變得有害。此限制稱為最大前級壓力或臨界前級壓力。所選前級幫浦的容量必須能夠抽出從擴散幫浦排出的氣體量，而不累積接近最大前級壓力甚或超過該壓力的前級壓力。

可達到的極限真空壓力取決於幫浦的構造、所使用幫浦流體的蒸氣壓力、幫浦流體的最大可能凝結，以及容器的乾淨程度。再者，應透過適當的擋板或冷阱儘量減少回流至容器中的幫浦流體。

幫浦油的除氣 - 防止污染

在油擴散幫浦中，必須在幫浦流體返回鍋爐之前為其除氣。加熱幫浦油時，幫浦中的分解產物可能會增加。來自容器的污染可能會進入到幫浦中，或一開始就包含在幫浦中。如果無法將幫浦油的這些組成成分排除在容器之外，可能會明顯惡化擴散幫浦所能達到的極限真空壓力。因此，幫浦流體中必須不含這些雜質，並且沒有吸收的氣體。

這就是除氣階段的功能，循環油會在重新進入鍋爐之前短暫通過此過程。在除氣階段中，大部分具揮發性的雜質都會逸出。除氣可透過小心控制幫浦中的溫度分佈來達成。凝結的幫浦流體會以薄膜形式沿冷卻壁下流，在最低擴散級段之下將溫度提升到約 266°F (130°C)，藉以使具揮發性的成分汽化，並由前級幫浦去除。因此，重新汽化的幫浦流體僅包含幫浦油中較少的具揮發性成分。

擴散幫浦的抽氣速度

擴散幫浦特定抽氣速度 S 的數量級，也就是實際進氣表面每面積單位的抽氣速度，取決於數個參數，包括高真空級段的位置與尺寸、幫浦流體蒸氣的速度，以及所抽排氣體的平均分子速度 c- (見方程式 1.17)。在氣體運動理論的輔助下，抽氣時在室溫下可達到的最大特定抽氣速度計算方式為 S_max = 11.6 l · s^-1 · cm^-2。這是幫浦進氣區域的特定 (分子) 流量氣導，類似於相同表面區域的孔洞 (見方程式 1.30)。一般而言，擴散幫浦對於較輕氣體的抽氣速度高於較重氣體的抽氣速度。

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(1.17)

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(1.30)

為了描繪擴散幫浦的效率特性，此處定義了所謂的 HO 係數。這是實際取得的特定抽氣速度對理論最大可能特定抽氣速度的比率。Leybold 的擴散幫浦可以達到最佳值 (較大幫浦的最小為 0.3，最大為 0.55)。

Leybold 製造的油擴散幫浦

Leybold 所製造的各種油擴散幫浦在下列設計功能上有所不同 (見圖 2.45)。

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圖 2.45 顯示擴散幫浦設計原理的圖。

前級真空連接法蘭
具有前級真空擋板的中心環
噴嘴組件
冷卻劑管線
高真空連接法蘭
冷帽擋板
幫浦外殼
電氣接線盒
加熱鈑金外覆層

DIP 系列

在這些幫浦中，本質上、沒有暴衝的幫浦流體蒸鍍製程可由優異的加熱器設計達成，其可在一段時間內產生高度恆定的抽氣速度。加熱器為內部類型，包含可將具有焊接熱導面板的管子引入的加熱匣。不鏽鋼製成的管子水平焊接到幫浦的主體中，位於油位之上。銅製熱導面板僅有部分浸入到幫浦流體中。熱導面板的這些部分被認定為幫浦流體可以集中蒸鍍，但沸騰不會發生任何遲滯。熱導面板高於油位的這些部分為蒸氣供應了額外能量。由於加熱系統的特殊設計，加熱器匣可在幫浦仍在高溫時更換。
DIP 幫浦在四級段噴嘴設計中配備了噴射塔，適合在 10^-2 至 10^-8 mbar 的壓力範圍中抽氣。

DIJ 系列

DIJ 系列針對各式應用提供了進一步改善的設計，需要在 5x10^-1 至 10^-7 mbar 的壓力範圍中具備高抽氣速度與高氣體輸送量的組合。DIJ 系列從 DIP 系列中取用了具有傳導面板的加熱器設計，但做出了更進一步的改良。DIJ 幫浦不再使用管式設計，而改採不鏽鋼管式加熱器匣的法蘭設計。加熱器匣牢固且密封安裝在加熱器容器中，直接浸入幫浦流體中。此設計提供了進一步改善的幫浦流體加熱性及簡化的可維護性。噴射塔中包含額外的噴射級段，可提供更高的前級真空壓力穩定性及更大的氣體輸送量。由於擴充幫浦原理是以加熱油為基礎，這些幫浦可以處理一個主要的問題。被送入幫浦中的大約 80% 的能量將會被散發到環境中。DIJ 系列在加熱器容器周圍配備了隔熱套，可將其與周遭環境隔絕，並提供改善的加熱時間與能量消耗效果。

Check out the video below to see a pumping animation of an oil diffusion pump in action

幫浦液

擴散幫浦中使用哪一種油？

油擴散幫浦的適用幫浦液為礦物油與矽油。這類油有多種要求，只有特殊的液體能符合這些要求。這些油的屬性，例如蒸汽壓力、耐熱與耐化學性，尤其是對於空氣，決定了要在指定類型的幫浦中選擇使用的油或要達到的指定極限真空。在蒸氣幫浦中使用的油蒸氣壓力低於水銀的蒸汽壓力。有機幫浦液在操作中的敏感度高於水銀，因為油可透過長時間進氣而分解。但是，矽油能夠承受空氣更長時間持續頻繁地進入操作幫浦。

Leybold 針對擴散幫浦提供的典型礦物油為 LVO500。此礦物油內含一些經過精心提煉的高品質基礎產品 (參見我們的目錄)。LVO 500 是我們的標準擴散幫浦油，適用於高真空應用，具有良好的熱穩定性。

為了獲得最佳效能，Leybold 提供了 LVO521 (參見我們的目錄)，這是一款高純度矽油溶劑，內含特殊矽，可協助您從高與超高真空應用的幫浦中獲得最佳效能。該產品具有高熱穩定性，以及高抗氧化性及抗分解能力。

針對油蒸氣噴射幫浦，Leybold 提供了 LVO540 (參見我們的目錄)，這是一種特殊的烴油。此產品具有更長的油使用壽命及改良的溫度穩定性、高耐熱及耐化學性，並提供高度抗氧化性。它在中度真空範圍中提供了蒸氣噴射幫浦必備的高抽氣速度。

冷卻擴散幫浦

針對在流體噴射幫浦中汽化幫浦液所連續提供的加熱器能量，必須透過有效冷卻來消散。抽排氣體與蒸氣所需的能量很小。擴散幫浦外殼外壁一般都使用水冷卻。但是，較小的油擴散幫浦也可以使用氣流冷卻，因為低壁溫對於效率而言並不像水銀擴散幫浦一樣那麼具有決定性的影響。油擴散幫浦可在 86°F (30°C) 的壁溫之下良好操作，而水銀擴散幫浦的壁必須冷卻至 59°F (15°C)。為了保護幫浦不發生冷卻水失敗的危險 (到此程度時，冷卻水線圈會不受熱操作保護開關的控制)，必須在冷卻水迴路中安裝水循環監控裝置；因此，這樣可以避免幫浦液從幫浦壁蒸鍍。

可以在擴散幫浦中使用水銀嗎？

水銀可以作為幫浦液使用。這是一種在汽化期間進氣時不會分解也不會強氧化的化學元素。但是，在室溫下，它具有相對較高的蒸汽壓力 10^-3 mbar。如果要達到較低的總極限真空壓力，需要有含有液態氮的冷阱。在其輔助之下，就可以在水銀擴散幫浦中達到 10^-10 mbar 的總極限真空壓力。由於如前所述，水銀具有毒性，並且因為它對環境有害，現今已幾乎不再使用水銀作為幫浦流體。

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參考

真空符號
單位詞彙表
參考與來源

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