渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)和工作原理

2019-10-05 真空技術(shù)網(wǎng) 真空技術(shù)網(wǎng)整理

　　分子泵利用高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)葉輪將動(dòng)量傳給氣體分子，使氣體產(chǎn)生定向流動(dòng)而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無(wú)氣體存儲(chǔ)和解吸效應(yīng)，無(wú)油蒸氣污染或污染很少，能獲得清潔的超高真空。渦輪分子泵廣泛用于高能加速器、可控?zé)岷朔磻?yīng)裝置、重粒子加速器和高級(jí)電子器件制造等方面。

　　1958年，聯(lián)邦德國(guó)的W.貝克首次提出有實(shí)用價(jià)值的渦輪分子泵，以后相繼出現(xiàn)了各種不同結(jié)構(gòu)的分子泵，主要有立式和臥式兩種，圖1為立式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)圖。渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉(zhuǎn)子(即動(dòng)葉輪)、靜葉輪和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成。動(dòng)葉輪外緣的線速度高達(dá)氣體分子熱運(yùn)動(dòng)的速度(一般為150～400米/秒)。單個(gè)葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵要由十多個(gè)動(dòng)葉輪和靜葉輪組成。動(dòng)葉輪和靜葉輪交替排列。動(dòng)、靜葉輪幾何尺寸基本相同，但葉片傾斜角相反。圖2為20個(gè)動(dòng)葉輪組成的整體式轉(zhuǎn)子。每?jī)蓚€(gè)動(dòng)葉輪之間裝一個(gè)靜葉輪。靜葉輪外緣用環(huán)固定并使動(dòng)、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙，動(dòng)葉輪可在靜葉輪間自由旋轉(zhuǎn)。

圖：渦輪分子泵的動(dòng)、靜葉片圖

圖1：立式渦輪分子泵的結(jié)構(gòu)圖

圖3：分子泵動(dòng)葉片的工作示意圖

　　圖3為分子泵的一個(gè)動(dòng)葉片工作示意圖。在運(yùn)動(dòng)葉片兩側(cè)的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(cè)(圖3a)，當(dāng)氣體分子到達(dá)A點(diǎn)附近時(shí)，在角度α1內(nèi)反射的氣體分子回到左側(cè)；在角度β1內(nèi)反射的氣體分子一部分回到左側(cè)，另一部分穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)；在角度γ1內(nèi)反射的氣體分子將直接穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)。同理，在葉輪右側(cè)(圖3b)，當(dāng)氣體分子入射到B點(diǎn)附近時(shí)，在α2角度內(nèi)反射的氣體分子將返回右側(cè)；在β2角度內(nèi)反射的氣體分子一部分到達(dá)左側(cè)，另一部分返回右側(cè)；在γ2角度內(nèi)反射的氣體分子穿過(guò)葉片到達(dá)左側(cè)。傾斜葉片的運(yùn)動(dòng)使氣體分子從左側(cè)穿過(guò)葉片到達(dá)右側(cè)，比從右側(cè)穿過(guò)葉片到達(dá)左側(cè)的幾率大得多。葉輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，氣體分子便不斷地由左側(cè)流向右側(cè)，從而產(chǎn)生抽氣作用。

渦輪分子泵的性能和特點(diǎn)

　　泵的排氣壓力與進(jìn)氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級(jí)數(shù)和轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與氣體種類有關(guān)。分子量大的氣體有高的壓縮比。對(duì)氮(或空氣)的壓縮比為10⁸～10⁹；對(duì)氫為10²～10⁴；對(duì)分子量大的氣體如油蒸氣則大于10¹⁰。泵的極限真空度為10^-9帕，工作壓力范圍為10^-1～10^-8帕，抽氣速率為幾十到幾千升每秒(1升=10^-3米)。渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)(氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于導(dǎo)管截面最大尺寸的流態(tài))下工作才能顯示出它的優(yōu)越性，因此要求配有工作壓力為1～10^-2帕的前級(jí)真空泵。分子泵本身由轉(zhuǎn)速為10000～60000轉(zhuǎn)/分的中頻電動(dòng)機(jī)直聯(lián)驅(qū)動(dòng)。