第三讲：机械真空泵 (五)

张以忱

( 东北大学 )

六、分子真空泵

(一)牵引分子泵

1. 概述

分子真空泵是在 1911 年由德国人盖德 (w · Gaede) 首先发明的，并阐述了分子泵的抽气理论，使机械真空泵在抽气机理上有了新的突破。分子泵的抽气机理与容积式机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同，分子泵是在分子流区域内靠高速运动的刚体表面传递给气体分子以动量，使气体分子在刚体表面的运动方向上产生定向流动，从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子，并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象。因此，人们将盖德发明的分子泵称为牵引分子泵。

2. 牵引分子泵结构特点

图 20 是 Gaede 牵引分子泵的结构原理图。泵腔内有可旋转的转子，转子的四周带有沟槽并用挡板隔开。每一个沟槽就相当于一个单级分子泵，后一级的入口与前一级的出口相连。转子与泵壳之间有 0.01mm 的间隙。气体分子由入口进入泵腔，被转子携带到出口侧，经排气管道由前级泵抽走。牵引分子泵的优点是起动时间短，在分子流态下有很高的压缩比，能抽除各种气体和蒸汽，特别适于抽除较重的气体。但同于它自身的弱点：抽速小，密封间隙太小，工作可靠性较差，易出机械故障等，因此除特殊需要外，实际上很少应用。曾一度被结构和制造简单，抽速大的扩散泵所代替。

就是在油扩散泵开始得到广泛应用的时代，人们在牵引分子泵的结构改进方面仍然做了许多工作。如 Holweck 、 Siehbahn 、 Gondet 等先后对 Gaede 型分子泵做了许多改进，提出了很多不同结构的新型牵引分子泵。但由于其结构仍较复杂，抽速低，因此未能得到广泛应用。

(二) 涡轮分子泵

1. 概述

随着科学技术的迅速发展，对真空系统也提出了新的要求，特别是对超高真空和无油真空环境的需求，使得过去大量使用的扩散泵抽气系统已不能适应无油清洁超高真空的要求。于是人们一方在探索改进扩散泵系统，另一方面一部分人对分子泵继续进行研究和改进。 1958 年，德国人 W · Becker 提出了一种不同类型的分子泵．使分子泵在结构上有了重大的突破，这就是可在超高真空下工作的涡轮分子泵。

涡轮分子泵是由一系列的动、静相间的叶轮相互配合组成。每个叶轮上的叶片与叶轮水平面倾斜成一定角度。动片与定片倾角方向相反。主轴带动叶轮在静止的定叶片之问高速旋转，高速旋转的叶轮将动量传递给气体分子使其产生定向运动。从而实现抽气目的。

由于涡轮转子叶片大大增加了抽气面积，放宽了工作间隙，压缩比和抽速有显著的提高，克服了牵引分子泵抽速低的缺点，使分子泵进入了快速发展的时代。于是继 Becker 之后， 60 年代 Ch · H · Kruger 、 Shapiro 等人又研制成功了立式涡轮分子泵，并加以逐步完善。他们又以分子动力学的理论进一步分析了涡轮分子泵的机理，并对气体分子的传输几率进行了计算，得出了有价值的数据，为涡轮分子泵的理论分析和计算奠定了基础。

2. 涡轮分子泵的抽气原理与结构

(1). 涡轮分子泵的抽气原理

分子泵输送气体应满足二个必要条件： 1). 涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时，其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ，即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ，就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时，分子间平均自由程可达 4.4mm 。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时，气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内，气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时，气体分子就会较多地射向转子和定子叶片，为形成气体分子的定向运动打下基础。 2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。

分子泵的转速越高，对提高分子泵的抽速越有利。实践表明，对不同分子量的气体分子其速度越大，泵抽除越困难。例： H₂ 在空气中含量甚徽，但由于 H₂ 分子具有很大的运动速度 ( 最可几速度为 1557m /s) ，所以分子泵对 H₂ 的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析，可发现氢气比重可达 85 ％，而分子量较大，而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高，抽吸效果好的原因。

现以涡轮分子泵的一个叶片为例说明它的抽气原理。假设一个轴流式单叶列在分子流范围内以速度 V 运动，如图 21 所示。

设 I 侧为吸入侧，Ⅱ侧为排气侧。从 I 侧向Ⅱ侧运动的气体分子，可分为以下几种情况：有一部分气体分子与叶片的端部相碰返回 I 侧，一部分气体分子直接通过叶片槽到达Ⅱ侧，还有一部分气体分子在叶片槽内与叶片壁相碰，其碰撞结果将使一部分到达Ⅱ侧，而另一部分气体分子返回 I 侧。同样，对于Ⅱ侧来讲，也有一部分气体分子自Ⅱ侧直接抵达 I 侧，一部分气体分子与叶片碰撞后或返回Ⅱ侧或抵达 I 侧。如图 21(b) 所示，当 I 侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在α₁ 角内的将又回到 I 侧，而反射方向在β₁ 角内的气体分子最后将进入到Ⅱ侧或散射回 I 侧，撞击在γ₁ 角内再反射的气体分子将进入Ⅱ侧；同样，凡是从Ⅱ侧入射到叶片上的气体分子在角α₂ 内再反射的气体分子仍回到 I 侧，在角γ₂ 内再反射的气体分子将散射到 I 侧，而在角度β₂ 内再反射的气体分子或散射到 I 侧或返回Ⅱ侧。从α₁ 、α₂ 、β₁ 、β₂ 、γ₁ 、γ₂ 角度的大小关系可以看出：气体分子从 I 侧最终通过叶片进入到Ⅱ侧的几率 M₂₁ 大于气体分子从Ⅱ侧最终到达 I 侧的几率 M 21 且叶片的运动速度 V 值越大，效果越明显，这样就实现了泵的抽气目的。叶片的倾角α、叶片弦长 b 、节弦比 S₀ 、线速度 V 对叶列的抽气效果都有影响。

设 N₁ 、 N₂ 分别表示自 I 侧和 I 侧入射到叶片的气体分子流量。而用 W 表示由 I 侧到达

Ⅱ侧的净气体分子流量与入射气体分子流量之比， W 称何氏系数，则有

(6 · 1)

或 (6 · 2)

假定叶片两侧温度相等，而且气体分子速度分布函数相同，则N₂ / N₁等是密度比n₂ / n₁等或是压缩比P₂ / P₁。即：

(6 · 3)

通过叶列的净气体流量为零时，可得最大压缩比

(6 · 4)

在压缩比为 1 时 (P₂ = P₁ ) ，何氏系数最大，即

(6 · 5)

实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成，即按动片、定片、动片、……次序交替排列的。泵的总压缩比是由叶列的级数决定的。在涡轮分子泵的设计中，应对多级叶列的组合进行优化选配。一般在泵入口侧附近应选择抽速较大的叶片形状及尺寸，其压缩比可以相对的小一些。在经过几级压缩之后气体压力升高，抽速下降了，这时就应该选择那种压缩比高、抽速低的叶片形状。这样设计可以使整台泵的抽气性能得到抽速大、压缩比高、级数少的理想结果。

计算分子泵叶列传输几率M₁₂和M₂₁的方法很多。例如：积分方程法、角系数法、蒙特卡罗法、矩阵法、工程近似计算法等等。

(2) 涡轮分子泵结构特点

1) 卧式涡轮分子泵 卧式涡轮分子泵特点是其转子主轴水平布置。这种结构的分子泵是双轴流的，吸气口在两组抽气单元的中央，气体吸入后，分别被左右两侧的叶列组合抽走。轴承分别装在各抽气单元的排气侧，见图 22 。

这种型式泵的特点是抽气时转子受力均匀，轴承定位、受力状态好，使用寿命长，且轴承更换过程中，转子位置不动，维修方便。

2) 立式涡轮分子泵

立式涡轮分子泵结构如图 23 所示。其转子轴垂直安装，只有一组抽气组合叶列。转子叶轮高速旋转时，被抽气体沿着转子组和定子组自高真空端向低真空端压缩，被驱向前级，由前级泵抽走。泵由泵壳、涡轮叶列组件和电动机等组成。现代涡轮分子泵转子和定子之间的间隙较大，通常在 lmm 左右，因此泵工作时很安全。立式泵的装配工艺要比卧式泵简单，所以立式泵发展很快。

轴承润滑方式有油脂润滑、油绳润滑和离心供油润滑等方式。分子泵轴承润滑油的性能必须具备以下三个条件，才能满足泵的工作要求： a. 高速下具备良好的润滑性能； b. 饱和蒸气压低于前级泵工作液的饱和蒸气压． c. 粘度适当，使之兼有轴承冷却液的作用。

3. 泵工作时振动的产生及其减振措施保证分子泵工作精度的最主要问题是尽量减少泵工作时的振动。组成分子泵的零部件以及安放它的基础，都可以认为是一个弹性系统。当分子泵高速运转工作时，泵在其平衡位置作往复性机械运动，即是分子泵的振动。

分子泵的振动，主要是其振动零部件的不平衡引起的，主要因素有：

(1) 涡轮转子以及电动机主轴的不平衡是产生振动的主要来源。从涡轮转子的结构看，影响其平衡的原因有： 1) 转子的材质不均 ( 包括密度不均和膨胀系数的不均 ) ； 2) 涡轮转子的各组成零件在制造中的加工误差，如同轴度、转子端面的平行度、转子体的不对称性等等； 3) 转子的装配质量。如涡轮转子上下叶轮因装配不当产生偏差；涡轮转子在电动机轴上装得不正；或装配时压紧力不足，高速运转后产生松动等。以上诸因素会造成涡轮转子的质量分布不均，形成一定的质量偏心，当转子转动时产生不平衡的离心力，从而使分子泵产生有害的振动和噪音。

(2) 由于涡轮分子泵的转速很高，因此防止产生共振也是一个重要问题。在分子泵的设计中应正确地选用工作转速和合理地设计电动机的主轴。

(3) 主轴的支承条件，如轴承的精度、安装方式、润滑条件等对分子泵的振动也将产生较大的影响。

为了减少分子泵整机工作时的振动，在泵的设计制造中应采取以下措施：

(1) 在工艺条件允许的情况下，尽可能提高零部件的加工精度。

(2) 对电动机主轴及涡轮转子等旋转零部件进行严格的动平衡试验。

(3) 为了防止产生共振，确保泵安全运转，泵设计时，应使主轴的工作转速 n 在其各阶临界转速之外。在轴的初步设计时，应对其临界转速进行验算，至少使其与工作转速相差 20 ％左右，否则应改变轴的尺寸或刚性来达到上述要求。

(4) 对主轴轴承的外侧设置橡胶减振环。橡胶减振环除了具有减振、隔音效果外，还有利于越过共振区，衰减高频振动和噪音的作用。

(5) 为减少分子泵的振动向外传递以及减少外界振动对分子泵的影响，在分子泵的四个支柱下装有四个橡胶垫以起到隔振作用。

4. 涡轮分子泵的应用特点

(1) 工作压力范围宽，在 10^-1 ～ 10^-8 pa 范围内具有稳定抽速；

(2) 起动时间短，能抽除各种气体和蒸气；

(3) 分子泵适用于在要求清洁的高真空和超高真空的仪器及设备上使用。也可用来作为离子泵、升华泵、低温泵等气体捕集超高真空泵的前级预抽真空泵使用，这将获得更低的极限压力或更清洁的无碳氢化合物的真空环境。

(三)复合式分子泵

1. 概述。

由于涡轮分子泵的级工作压力较低 (10^-1 ～ 1Pa) ，当仅用机械泵做前级泵时偏离机械泵的有效抽速范围，影响系统的抽气效果。此外，由于涡轮分子泵前级压力低，前级泵油和分子泵自身轴承润滑油的蒸气返流率影响了分子泵入口的清洁程度。在某些领域中 ( 如半导体、等离子体刻蚀等 ) ，涡轮分子泵满足不了即要求高的本底真空，又需要在工作真空度范围内具有较大的抽速和良好的清洁条件的需求。这些都要求提高涡轮分子泵的前级压力和较高入口压力下的抽速，以适应更多领域的需要。于是人们经过对涡轮分子泵和牵引分子泵的不断研究改进，利用两种分子泵的各自优点，将两者结合，提出了复合分子泵。 70 年代初，法国的 Alcatle 公司首先研制成功 MODEL 型复合式分子泵。对于复合分子泵，国内也进行了许多研究。于 80 年代末及 90 年代初，中科院北京真空物理实验室和东北大学相继研制出涡轮一盘式复合分子泵和涡轮—筒式复合分子泵。

2. 复合式分子泵的结构特点

复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合，集两种泵的优点于一体。泵在很宽的压力范围内 ((10^-6 ～ 1Pa) 具有较大的抽速和较高的压缩比，大大提高了泵的出口压力。法国 Alcatle 公司生产的一种采用气体静压轴承和动密封的复合分子泵，可以做到完全无油，且不用前级泵直接向大气中排气。

复合式分子泵的形式很多，按结构分，主要有两种：一种是涡轮叶片与盘式牵引泵的串联组合；另一种是涡轮叶片与筒式牵引泵的串联组合。涡轮级主要用来提高泵的抽速，一般采用有利于提高抽速的叶片形状，级数在 l0 级以内。牵引级主要用来增加泵的压缩比，提高泵的出口压力。

盘式牵引级是在平板圆盘平面上按一定规律开出数条型线沟槽，然后将数块圆盘串接起来构成，型线有阿基米德螺线、对数螺线、圆弧线等。抽气时靠高速转动的圆盘对气体分子进行“拖动”，使其沿沟槽作由内向外及由外向内的往复折回的定向流动，从而达到抽气目的。

筒式牵引级是在圆筒形的转子或定子的圆柱面上开一定断面形状的沟槽，如矩形、圆弧形、三角形及其它形状的多头螺旋槽。由于简式牵引泵型线沟槽开在转子圆柱外表面或泵体内表面上，因此可以充分利用圆柱外圆较高的线速度对气体分子进行动量传递，提高泵的抽气效果。在设计制造中，可以通过改变螺旋沟槽通道与抽气方向之间的夹角 ( 螺旋升角 ) 来达到较理想的抽气效果。

在复合分子泵的设计中，必须处理好涡轮级与牵引级之间的应配和衔接关系。由于涡轮级有较大的抽气面积，抽速很大，而牵引级沟槽抽气面积较小，在两种结构的联接处，由涡轮叶片压缩下来的气体分子的流动方式突然转变，使气体分子的运动在联接处由有序变成无序，至使返流增加，抽气能力下降。因此，在设计时应在涡轮级和牵引级转换处加上过渡级结构，以提高泵的抽气性能。

随着复合分子泵的不断改进，其应用领域越来越广，在某些抽气系统上可以替代扩散泵，缩短了系统的抽气时间，并可获得无油污染的清洁真空环境。 ( 未完待续 )