涡轮分子泵是如何工作的？

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早在 1913 年，就有人提出了分子泵的原理，即要被抽的分子粒子会通过与快速运动的转子表面发生碰撞，而得到一个沿所需流动方向的冲量。转子的表面通常为圆盘形，它与定子的静止表面形成一个空隙以用于将气体朝向前级端口输送。在最初的盖德分子泵及其改良版本中，此空隙（输送通道）非常窄，致使加工非常困难，并且对机械污染高度敏感。

涡轮分子泵的工作原理

在五十年代末，通过引入类似涡轮机的设计以及对盖德的想法进行改进，一种具有技术可行性的分子泵成功诞生，这种泵被称为“涡轮分子泵”。它的定子和转子圆盘之间的空隙为数毫米，因此允许更大的加工公差，也因而可实现更高的运行安全性。但是，只有当转子叶片的圆周速度（外缘处）达到待抽取分子的平均热速度的量级时，才能产生有意义的抽气效果。气体动理论给出了 c - o 方程 (1.17)：

式中包含了对气体类型的依赖性（以摩尔质量 M 的函数表示）。该涉及 cgs 单位（其中 R = 83.14 · 106 mbar · cm³ / mol · K）的计算得出的结果见下表：

表 2.4 以摩尔质量 M 的函数表示的 c 值

然而，抽速对气体类型的依赖性很低

零气载时的压缩比 k₀ 以及压缩比 k 的依赖性，因为

更大，如图 2.55 中通过实验确定的关系所示。

示例：
从理论上讲，它符合

就像预期的数量级一样，它与图 2.55 中通过实验确定的 k₀ (N₂) = 2.0 · 10⁸ 的值一致。鉴于现在人们通常会对各个转子级进行优化，这种讨论结果已不再适用于整个泵。图 2.56 所示是现代设计的 TURBOVAC 340 M 涡轮分子泵的测量值。

图 2.55 TURBOVAC 450 - 以摩尔质量 M 的函数表示的最大压缩比 k0

图 2.56 涡轮分子泵 TURBOVAC 340 M 在不同前级压力下对 H2、He 和 N2 的最大压缩比 k0

查看下面的视频，观看运行中的涡轮分子泵抽气原理的动画演示

各种涡轮分子泵轴承类型的优点和缺点

为了满足这一条件，涡轮分子泵的转子的圆周速度要与转子的高转速 c 具有相同的数量级。此转速介于 36,000 rpm（转子直径较大的泵，比如 TURBOVAC 1000）~ 72,000 rpm（转子直径较小的泵，比如 TURBOVAC 35 / 55）之间。这种高转速自然对轴承的可靠性提出了要求。Leybold 莱宝提供了三种概念，下面详细介绍了每种概念的优点和缺点：

油润滑/钢滚珠轴承

+ 通过循环润滑油，与颗粒物具有良好的相容性
- 只能进行立式安装
+ 维护需求低

酯润滑/混合轴承

+ 安装方向不受限制
+ 适用于移动系统
± 采用风冷，适合多种应用
+ 终生润滑（轴承）

无润滑剂/磁悬浮

+ 无磨损
+ 免维护
+ 无烃真空
+ 噪音低，振动小
+ 安装方向不受限制

钢滚珠轴承/混合滚珠轴承（陶瓷滚珠轴承）：

如果使用相同类型的材料，哪怕滚珠和滚道之间的薄润滑膜出现短暂不连续，也会导致在接触点形成微观粘结。这会严重缩短轴承的使用寿命。通过在所称的混合轴承中使用不同材料（轴承圈：钢；滚珠：陶瓷），可避免微观粘结效应。

磁悬浮轴承是非常巧妙的轴承设计概念。早在 1976 年，Leybold 莱宝就推出了经典的 550M 和 560M 系列磁悬浮涡轮分子泵。在当时，这些泵完全采用了主动式磁悬浮设计（即带有电磁铁）。随着电子技术的发展，以及基于“KFA Jülich 系统”的永磁体（被动式磁悬浮）的使用，磁悬浮概念开始得到广泛应用。在该系统中，转子在运行过程中通过磁力保持在稳定位置，不会发生接触。这种设计绝对不需要润滑油，并采用了一体式的“保护轴承”用于停机。

涡轮分子泵的示意图

图 2.52 所示为典型涡轮分子泵的剖面图。该泵是一个采用立式设计，其主动或抽气部分由转子 (6) 和定子 (2) 组成。涡轮叶片位于定子和转子的外周。每一对转子-定子圆形叶片构成一级，因此该总成由串联安装的多个级组成。被抽气体直接通过进气法兰 (1) 上的孔到达转子-定子总成顶部叶片的抽气区域，也就是没有任何的流导损失。此处的叶片具有特别大的径向跨距，以形成较大的环形入口区域。各级叶片所捕获的气体会被传输到下一个压缩级，叶片的径向跨距变短，气体被压缩至前级压力或粗真空压力。涡轮转子 (6) 安装在驱动轴上，驱动轴由安装在电机壳体中的两个精密滚珠轴承（8 和 11）支撑。转子轴由安装在转子内前级真空空间中的中频电机直接驱动，因此不需要通往外部大气的旋转轴通孔。此电机由外部变频器（通常采用噪声很小的固态变频器）驱动和自动控制。对于特殊应用，例如在暴露于辐射的区域，可采用分体式的分子泵。

图 2.52 使用润滑脂润滑的 TURBOVAC 151 涡轮分子泵的示意图。

高真空进气法兰
定子组
破空法兰
前级真空法兰
碎片防护装置
转子
泵壳
滚珠轴承
冷却水连接
三相电动机
滚珠轴承

立式转子-定子配置可在进气口为气体提供最佳流动条件。为了确保在高转速下无振动运行，涡轮在装配过程中会在两个水平上实现动态平衡。

涡轮分子泵的抽速

涡轮分子泵的抽速（体积流量）特征如图 2.53 所示。在整个工作压力范围内，抽速保持恒定。速度会在进气压力高于 10-3 mbar 时降低，因为该阈值标志着气体从分子流区域向粘性层流区域的转变。图 2.54 还显示了抽速对气体类型的依赖性。

图 2.53 不同涡轮分子泵的空气抽速

图 2.54 TURBOVAC 600 的 H2、He、N2 和 Ar 抽速曲线图

涡轮分子泵的压缩比

涡轮分子泵的压缩比（通常也称为压缩率）是指一种气体成分在泵前级真空法兰处的分压与其在高真空法兰处的分压之比：最大压缩比 k₀ 出现于零气载时。由于物理原因，涡轮分子泵对重分子的压缩比非常高，而对轻分子要小得多。压缩比与分子量之间的关系如图 2.55 所示。图 2.56 显示了 TURBOVAC 340 M 在不同前级压力下的 N₂、He 和 H₂ 的压缩比曲线。由于对大分子量的烃分子的压缩比很高，涡轮分子泵可以直接连接到真空室，无需借助任何低温挡板或冷阱，也能保证真空室内不会出现分压达到可测水平的烃（无烃真空！- 另见图 2.57：TURBOVAC 361 上方的残气谱）。因为前级泵达到的氢分压很低，所以，尽管涡轮分子泵对 H₂ 的压缩比较为一般，但仍然能够使极限压力达到 10^-11 mbar 的范围。要产生如此极端的低压，当然需要严格遵守超高真空技术的一般规则：必须烘烤真空室和涡轮分子泵的上部，而且必须使用金属密封件。在极低压力下，残留气体主要由源自真空室金属壁的 H₂ 组成。图 2.57 中的谱图显示了在 7 · 10^-10 mbar 氮当量的极限压力下，涡轮分子泵进气口前方的残气成分。可以看出 H₂ 在气体总量中的比例达到大约 90% 至 95%，而“重”分子的比例则低得多，并且未检测到分子量大于 44 的分子。评估残气谱质量时，有一项重要标准就是真空泵系统使用的润滑剂产生的烃类化合物是否达到可测量的水平。当然，只有不含润滑剂的泵系统才能产生“绝对无烃的真空”，比如使用了磁悬浮涡轮分子泵和干式压缩前级泵的系统。如果正确使用（在任何静止状态下排气），在普通涡轮分子泵的谱图中，烃含量也能达到低于检出水平的程度。

图 2.57 TURBOVAC 361 上方的谱图。

M = 质量数 = 电离时的相对摩尔质量 1
I = 离子电流

其他类型的涡轮分子泵

涡轮分子泵的进一步发展就是混合或复合涡轮分子泵。这种泵实际上是安装在一个泵壳内的共用轴上的两个泵。分子流区域的高真空级是经典的涡轮分子泵，用于粘性流范围的第二个泵则为分子拖曳泵。

Leybold 莱宝生产带有一体式 Holweck 级（立式螺旋压缩）的泵，比如 TURBOVAC 55；以及带有一体式 Siegbahn 级（平面螺旋压缩）的泵，比如 HY. CONE 60 或 HY. CONE 200。因此，所需的前级压力等于几个毫巴，前级泵仅需从大约 5 ~ 10 mbar 压缩至大气压即可。HY. CONE 的剖面图如图 2.52a 所示。

图 2.52a HY.CONE 涡轮分子泵的剖面图。

真空端口
高真空法兰
转子
定子
轴承
电机
风扇
轴承

如何操作涡轮分子泵与前级泵组合

通常，涡轮分子泵应与前级泵一起启动，以减少从前级泵到真空室的任何油气回流。当前级泵组较小而真空室较大时，延迟起动涡轮分子泵会有一定的益处。在前级泵的抽速 S_V (m³/h) 和真空室的容积 (m³) 已知时，可以估算涡轮分子泵的启动压力：

满足以下条件时同步启动
2.24 a
满足以下条件时延迟启动
2.24 b
在以下的启动压力时：
2.24 c

满足以下条件时同步启动

满足以下条件时延迟启动

在以下的启动压力时：

(2.24)

当抽空较大的体积时，还可以借助图 2.58 中的图表来确定涡轮分子泵的起动启动。

图 2.58 抽空较大容器时，确定涡轮分子泵的启动压力

通过破空防止涡轮分子泵内发生反向扩散

关机或断电后，应始终对涡轮分子泵启动，以防止任何烃类化合物从初级真空侧反向扩散到真空室中。关闭泵后，还应关闭冷却水供应，以防止水蒸汽可能发生冷凝。为了保护转子，建议遵守操作说明中规定的（最小）破空时间。泵应通过自带烧结金属节流阀的破空法兰（使用保护气的情况除外），以便能使用普通阀或断电启动阀进行启动操作。