蒸氣噴射真空幫浦如何運作？

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對流體噴射幫浦的介紹

在例如水噴嘴幫浦 (17 mbar < p < 10¹³ mbar)、蒸氣噴射真空幫浦 (10^-3 mbar < p < 10^-1mbar) 與擴散幫浦 (p < 10^-3 mbar) 等噴射幫浦之間做出區別。噴射真空幫浦主要用於產生中度真空。擴散幫浦可產生高真空與超高真空。這兩種類型都以氣態或液態形式 (水噴嘴及水蒸氣、油或水銀蒸氣) 且快速流動的幫浦流體進行操作。所有流體噴射幫浦的抽氣機構基本上都相同。抽排的氣體分子會從容器中去除，進入到幫浦液流中，並在通過噴嘴之後膨脹。透過衝擊脈衝，將幫浦液流的分子按照流動方向傳送至氣體分子。如此一來，欲抽除的氣體會移至壓力較高的空間。

在流體噴射幫浦中，根據幫浦流體的類型和溫度以及噴嘴的設計，對應的蒸氣壓力也會在操作期間上升。對於油擴散幫浦，這在鍋爐室中的量可能會達到 1 mbar。幫浦的前級壓力必須夠低才能允許蒸汽流出。為了確保這一點，此類幫浦需要對應前級幫浦，大部分為機械類型。蒸氣噴射無法進入容器，因為它會在通過噴嘴射出後凝結在幫浦冷卻的外壁上。

流體噴射幫浦的操作原理

處於相對較低壓力的空氣可在本質上較高壓力的幫浦液流輔助下抽排，使低總壓力區域中的氣體分子能夠移入高總壓力區域，Wolfgang Gaede 是發現此原理的第一人。這個明顯自相矛盾的事態在蒸氣流初始完全沒有氣體時發展，因此較高部分氣體壓力區域 (容器) 中的氣體能夠擴散入較低部分氣體壓力區域 (蒸氣流)。Langmuir (1915) 在建造第一具現代擴散幫浦時使用了這個基礎 Gaede 概念。第一具擴散幫浦是由玻璃製成的水銀擴散幫浦，後來改用金屬製造。在六零年代，作為傳導體使用的水銀幾乎已完全為油所取代。為了盡可能獲得更高的蒸氣流速度，他讓蒸氣流以超音速從噴嘴中射出。構成蒸汽噴射流的幫浦流體蒸汽在幫浦機殼的冷卻壁處冷凝，而被輸送的氣體通常在一個或多個後續級段中被進一步壓縮，然後由前級幫浦排出。可使用流體噴射幫浦取得的壓縮比非常高：若在流體噴射幫浦的進氣口有 10^-9 mbar 的壓力，且前級壓力為 10^-2 mbar，被抽除的氣體會以 10⁷ 的係數壓縮！

流體噴射幫浦的類型

流體噴射幫浦的極限真空壓力受到幫浦操作溫度時所使用流體的分壓值限制。實際上，可以透過引入擋板或冷阱來嘗試改善此情況。流體噴射幫浦與真空腔室之間存在「冷凝器」，這樣可在真空腔室中達到的極限真空壓力現在就僅受限於流體在擋板溫度時的分壓。
各種類型的流體噴射幫浦本質上是由面向幫浦高真空側的上方噴嘴出口的幫浦流體密度來區分：

低蒸氣密度：包括油擴散幫浦與水銀擴散幫浦的擴散幫浦
高蒸氣密度：包括水蒸氣幫浦、油蒸氣噴射幫浦與水銀蒸氣噴射幫浦的蒸氣噴射幫浦
結合油擴散/蒸氣噴射幫浦
水噴射幫浦

油蒸氣噴射幫浦的操作原理

蒸氣噴射級段的抽氣動作已在圖 2.46 的輔助之下說明。幫浦流體在構成拉瓦噴嘴的高壓 p₁ 噴嘴 (1) 之下進入。它會在該處膨脹至入口壓力 p₂。膨脹時，會透過速度的增加達成能量的突然變化。因此而加速的幫浦流體蒸氣噴射會流經攪拌機區域 (3)，其連接至正在抽真空的容器 (4)。在此處從容器中出現的氣體分子會與蒸氣噴射一起被抽走。幫浦流體蒸氣與氣體的混合現在會進入構成文托利噴嘴 (2) 的擴散器噴嘴。蒸氣與氣體的混合會在此處以速度的同時減值壓縮至前級壓力 p₃。然後幫浦流體蒸氣會在幫浦壁上凝結，而噴射的氣體會由前級幫浦去除。

圖 2.46 蒸氣噴射幫浦的操作。

噴嘴 (拉瓦)
擴散器噴嘴 (文托利)
混合腔室
連接至真空腔室

油蒸氣噴射幫浦非常適合抽排介於 1 到 10^-3 mbar 之間壓力區域中的較大氣體或蒸氣數量。噴嘴中蒸氣流的較高密度可確保蒸氣流中抽排氣體的擴散發生速度比在擴散幫浦中要慢很多，這樣氣體就只能滲透到蒸氣流的外層。再者，由於噴嘴的特殊構造，發生擴散的表面會小很多。因此，蒸氣噴射幫浦的特定抽氣速度就比擴散幫浦小。由於在本質上較高的入口壓力之下，在噴嘴附近抽排的氣體對流量管線的路線產生了決定性的影響，只能在特定入口壓力之下取得最佳狀況。因此，抽氣速度對低入口壓力不會保持恆定。作為高蒸氣流速度與密度的結果，油蒸氣噴射幫浦可在相對較高的前級壓力之下傳輸氣體。它們的臨界前級壓力在幾 millibar 左右。在最新真空技術中使用的油蒸氣噴射幫浦一般都具有一或多個擴散級段及數個後續噴射級段。增壓器的噴嘴系統由兩個擴散級段與兩個噴射級段串聯構成 (見圖 2.47)。擴散級段提供了 10^-4 與 10^-3 mbar 之間的高抽氣速度 (見圖 2.48)、噴射級段、高壓之下的高氣體輸送量 (見圖 2.49) 及高臨界前級壓力。寬廣的鍋爐與大型幫浦流體貯氣槽有助於達成對於灰塵的不敏感性及使蒸氣溶解到幫浦流體中。鍋爐中可能包含大量雜質，而不會劣化抽氣特性。

圖 2.47 油噴射 (增壓) 幫浦圖。

圖 2.48 作為與額定抽氣速度 1000 l/s 相關的進氣壓力之函數的各種蒸氣幫浦抽氣速度。油蒸氣噴射幫浦 (A) 與擴散幫浦 (B) 工作範圍的結尾

圖 2.49 各種蒸氣幫浦的速度 (衍生自圖 2.48)

水噴嘴幫浦與蒸氣噴射幫浦

包含在流體噴射幫浦類別中的不僅是使用快速流動蒸氣作為幫浦流體的幫浦，還有液體噴射幫浦。最簡單且最便宜的真空幫浦是水噴嘴幫浦。與蒸氣幫浦一樣 (見圖 2.46 或 2.51)，液體流動會先從噴嘴釋放，然後由於紊流，會在混合腔室中與抽排的氣體混合。最後，水與氣體混合的移動會在文托利管中減慢。在容器中由水噴嘴幫浦抽排的總極限真空壓力水的蒸氣壓力決定，並於例如 59°F (15°C) 的水溫時定量至約 17 mbar。

圖 2.46 蒸氣噴射幫浦的操作。

噴嘴 (拉瓦)
擴散器噴嘴 (文托利)
混合腔室
連接至真空腔室

圖 2.51 蒸氣噴射幫浦操作的圖解。

蒸氣進口
噴嘴
擴散器
混合區
連接至真空腔室

本質上較高的抽氣速度與較低的極限真空壓力由蒸氣噴射幫浦產生。穿過一個級段的截面如圖 2.51 所示。標記對應於圖 2.46 中所示的標記。實際上，數個抽氣級段通常會串聯安裝。針對實驗室工作，雙級段幫浦組合很適合，並且包含蒸氣噴射級段與水噴嘴 (前級) 級段，這兩者都由玻璃製成。水噴嘴前級級段可在沒有其他前級幫浦的情況下操作。過壓時在蒸氣流動的協助之下，真空腔室可以抽真空至約 3 mbar 的極限真空壓力。從流動中產生的凝結會透過排泄連接件導出。此幫浦的水噴嘴級段會用水冷卻以增加其效率。蒸氣噴射幫浦特別適合用於實驗室中的工作，特別是當抽排非常具有侵蝕性的蒸氣時。當來自簡單的水噴嘴幫浦的壓力不足時，特別建議將在幾 millibar 的壓力下操作的蒸氣噴射幫浦用於抽氣實驗室蒸餾設備與類似工廠。在此情況下，使用旋轉式幫浦是不經濟的。