分子增壓泵和渦輪分子泵工作機(jī)理簡介

1、分子增壓泵和渦輪分子泵工作機(jī)理簡介龔建華 儲(chǔ)繼國分子增壓泵是基于拖動(dòng)原理的高真空泵，同時(shí)具有優(yōu)良的中真空抽氣能力，是我國擁有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代真空泵。雖然姍姍來遲，但面對(duì)蓬勃發(fā)展的真空技術(shù)領(lǐng)域，正趕上了大好時(shí)機(jī)。分子增壓泵的問世，使得廣大的真空技術(shù)用戶能在豐富多彩的泵種中增加了選擇的機(jī)會(huì)。為了更好地為真空產(chǎn)業(yè)服務(wù)，特將該泵與有悠久傳統(tǒng)的渦輪分子泵從工作機(jī)理的差異上做一簡單介紹。一、 渦輪分子泵和分子增壓泵的相同點(diǎn)與不同點(diǎn)1. 共同點(diǎn)：渦輪分子泵和分子增壓泵都是高真空泵，極限真空10-5Pa（10-7Pa）；都工作在很高的轉(zhuǎn)速（數(shù)萬轉(zhuǎn)/分鐘）；都有很高的壓縮比（N2：108），所以都可以獲得清

2、潔真空。2. 不同點(diǎn)目前國內(nèi)生產(chǎn)的以及絕大部分國外生產(chǎn)的渦輪分子泵都是立式泵，而分子增壓泵是臥式泵，臥式泵對(duì)共振的控制比立式泵難度大；分子增壓泵的工作壓力和排氣流量均比渦輪分子泵高出很多，可以達(dá)到數(shù)百帕；渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子是由渦輪葉片構(gòu)成，而分子增壓泵的轉(zhuǎn)子是由平圓盤構(gòu)成；渦輪分子泵工作在分子流狀態(tài)，而分子增壓泵可以工作在分子流和過渡流狀態(tài)。二、 渦輪分子泵和分子增壓泵的工作原理如要用通俗些的話語來說明兩種泵的工作原理，可用家樂福超市的傳送帶式的電梯比作分子增壓泵的拖動(dòng)原理；而用“陷阱”（比較牽強(qiáng)）來形容渦輪分子泵的傳輸幾率原理。1. 渦輪分子泵的工作原理此處的所謂“陷阱”比喻的是一種結(jié)構(gòu)，使得

3、氣體分子沿某方向容易通過，而反方向難以通過。先看生活中的一個(gè)例子，圖1是捕捉黃鱔的竹簍，這種結(jié)構(gòu)使得黃鱔很容易從入口進(jìn)入底部覓食，而極難從反方向逃逸，這便是一種陷阱。再看圖2，這是一個(gè)假想的隘口，由于設(shè)計(jì)成這樣的構(gòu)造，顯然，人從兩個(gè)方向通過的難易程度是不一樣的，如果人平均出現(xiàn)在入口的任一位置，那么從左向右，比從右向左容易通過，比例大約是5：1，這也是一種陷阱。對(duì)于圖2的模型，可以引入一個(gè)物理量傳輸幾率，它可以這樣來理解，以均等機(jī)會(huì)（概率相等）出現(xiàn)在入口任一位置的人通過隘口的可能性（概率）。顯然對(duì)于圖2，從左向右的傳輸幾率為1，即都能通過，而從右向左的傳輸幾率約1/5，即平均5人有1人可以通過。

4、因此，如果起始時(shí)，隘口兩邊的人數(shù)相等，隨后，便慢慢地在右邊逐漸增多。傳輸幾率在氣體分子的運(yùn)動(dòng)中是一個(gè)非常重要的概念，比如氣體分子通過一個(gè)長圓形管道，其難易程度可用該管道的傳輸幾率來表征。當(dāng)管道的長徑比（l/r）一定時(shí)，傳輸幾率是確定的，并且通常兩個(gè)方向的傳輸幾率也相同。 圖1 圖2渦輪分子泵的基本結(jié)構(gòu)也是這樣一種“陷阱”，造成氣體分子從兩邊通過它的傳輸幾率不同，這樣氣體分子便會(huì)堆積在傳輸幾率小的一方，形成壓力差。任何一種能使氣體從低壓向高壓流動(dòng)的手段都可以形成一種抽氣作用，渦輪分子泵就是依靠結(jié)構(gòu)兩邊傳輸幾率的差異來產(chǎn)生抽氣能力的。下面來分析一下渦輪分子泵結(jié)構(gòu)兩邊的傳輸幾率差異是如何形成的。 圖

5、3 圖4渦輪分子泵的核心是由許多動(dòng)輪和靜輪依次相間串接而成的抽氣組合。所謂動(dòng)輪為一圓盤的外緣上有一圈傾斜的葉片，葉片傾斜的角度以及葉片長度與葉片間距的比值即空弦比決定了該動(dòng)輪的形狀。為了便于分析，可以把圓周上分布的葉片展開成一條長形的葉列，當(dāng)葉列沿著自身方向以v高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其和動(dòng)輪以v的線速度高速旋轉(zhuǎn)的物理狀態(tài)是相同的。先看一種特殊的情況，如葉片垂直水平面，而兩邊的氣體處于平衡態(tài)，即如圖5的左邊所示，由于平衡態(tài)氣體分子的運(yùn)動(dòng)高度對(duì)稱，所以平均地講可以用圖5右邊所 圖5示的箭頭表示葉片兩邊的氣體的平均速度。在圖5的情況中，兩邊氣體通過葉列的傳輸幾率是相同的。如果葉列沿自身的方向運(yùn)動(dòng)，按相對(duì)運(yùn)動(dòng)的

6、原理，從葉列上來觀察氣體則氣體沿著相反的方向運(yùn)動(dòng)，加上自身的熱運(yùn)動(dòng)，其最終相對(duì)于葉列的運(yùn)動(dòng)方向如圖6右邊所示。然而在這種情況下，兩邊 圖6氣體通過葉列的傳輸幾率也是相同的。當(dāng)葉列以不同的速率大小和方向（正向或反向）運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)，葉列兩邊的氣體相對(duì)葉列的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以由圖7中標(biāo)號(hào)1到5來描述，其中任何一種狀態(tài)下，兩邊氣體通過葉列的傳輸幾率都是相同的。 圖7 圖8但是如果讓葉列向運(yùn)動(dòng)的方向傾斜時(shí)，情況就不一樣了。首先，如圖8，讓葉列向右傾斜，但葉列靜止不動(dòng)，那么兩側(cè)氣體通過葉列的傳輸幾率仍然是相同的，然葉列一運(yùn)動(dòng)（向右），如圖9，兩邊氣體通過葉列的傳輸幾率就不相同了，顯然此時(shí)從上向下的

7、傳輸幾率要大于從下向上的傳輸幾率，而且隨著葉列運(yùn)動(dòng)速度的增大，上、下傳輸幾率的差異也增大。當(dāng)然與空弦比、傾斜角也有關(guān)。當(dāng)葉列的運(yùn)動(dòng)速度趨向無窮大時(shí)（這是一種理想的情況），即如圖10所示，上、下傳輸幾率的差異可以達(dá)到最大值。所以渦輪分子泵的抽速，除了受到制造技術(shù)上的限制，其本身就存在一個(gè)物理上的極限。 圖9 圖10通過以上的討論可以知道，渦輪分子泵的葉列必須向運(yùn)動(dòng)方向傾斜，方可形成兩側(cè)氣體分子通過葉列的傳輸幾率的差異，從而產(chǎn)生抽氣作用。至于葉列運(yùn)動(dòng)的速度大小關(guān)乎兩邊傳輸幾率差異大小，由于這一速度是與分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度共同決定了傳輸幾率的大小，所以它必須達(dá)到分子熱運(yùn)動(dòng)的平均速度的量級(jí)。上述的結(jié)果

8、基本是根據(jù)圖示以及生活經(jīng)驗(yàn)直觀地理解而得到的。實(shí)際上這一結(jié)論可以嚴(yán)格地按照分子運(yùn)動(dòng)論的基本理論給出，為了能更深入地了解渦輪分子泵的抽氣原理，下面作進(jìn)一步討論。首先必須了解氣體分子碰撞到壁面上反射時(shí)所遵循的規(guī)律。氣體分子碰撞到一般的表面上反射時(shí)，與剛性球在剛性表面上遵從鏡面反射規(guī)律完全不同。它的反射方向是一帶有概率特征的隨機(jī)事件，即它向空間2立體角范圍內(nèi)任何一個(gè)方向都有反射的可能，而其可能性（即概率大?。┳駨乃^的克努曾余弦定律。如圖11所示，AB為入射方向，BC為某一可能的反射方向，為該可能反射方向附近的圖11一小立體角元，即包括了一個(gè)小小的方向間隔。有了方向間隔才能對(duì)所有2立體角空間范圍進(jìn)行

9、劃分。如為方向與入射點(diǎn)法線方向的夾角，則入射分子沿該可能反射方向反射的概率 即除了與方向間隔大小成正比外，還與反射方向與法線方向的夾角余弦成正比。故稱為余弦定理。為規(guī)一化因子，即保證各可能方向上的概率總和為1。該反射規(guī)律是克努曾通過大量的實(shí)驗(yàn)總結(jié)出來的，而并非由解析理論導(dǎo)出，故為實(shí)驗(yàn)定律。 下面以圖10為例，用余弦定律來闡述渦輪分子泵動(dòng)輪葉列兩側(cè)傳輸幾率的差異是如何產(chǎn)生的。 圖12 圖13 如圖12，當(dāng)葉列以很大的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，從葉列上觀察則氣體分子以近似相反的速度相對(duì)葉列運(yùn)動(dòng)。先觀察葉列的右側(cè)，氣體分子可近似認(rèn)為以與葉列相等的速度沿BA方向碰撞到葉片的A點(diǎn)，根據(jù)克努曾余弦定

10、律，分子在A點(diǎn)的反射是全方位的，可以沿各種可能的方向反射，并具有確定的幾率。凡是反射方向落在CAD范圍內(nèi)的分子皆能由右側(cè)到左側(cè)一次通過葉列，而反射方向落在BAE范圍內(nèi)的分子顯然不能通過而返回到右側(cè)。至于反射方向落在BAC范圍內(nèi)的分子必須再次與相鄰葉片碰撞，其結(jié)果有可能通過，也有可能不能通過而返回右側(cè)。同樣，如圖13，葉列左側(cè)的氣體分子以與葉列相等的速度沿著BA方向碰撞到葉片的A點(diǎn)，按克努曾余弦定律反射，反射方向落在BAE范圍內(nèi)的分子皆不能通過而返回葉列左側(cè)。而反射方向落在CAD范圍內(nèi)的分子才能從左側(cè)到右側(cè)一次通過葉列。同樣，反射方向落在BAC范圍內(nèi)的分子必然再次與相鄰葉片碰撞，其結(jié)果有可能通過

11、亦有可能返回。然而根據(jù)葉列的具體結(jié)構(gòu)，顯然有CADCAD，即一次碰撞就可通過葉列的分子從右側(cè)到左側(cè)數(shù)量大于從左側(cè)到右側(cè)的數(shù)量。同樣也有BAEBAE，即一次碰撞不能通過的分子返回在左側(cè)的數(shù)量大于返回右側(cè)的數(shù)量。以上事實(shí)可以保證如圖12所示的高速運(yùn)動(dòng)的葉列，氣體分子從右側(cè)到 動(dòng) 靜 動(dòng) 圖14 1.動(dòng)輪上分子入射方向 2.靜輪上分子入射方向虛線為分子泵抽氣方向左側(cè)的傳輸幾率大于從左側(cè)到右側(cè)的傳輸幾率。當(dāng)然需要說明的是氣體分子在葉片上反射方向是分布在立體空間里，此處僅從平面內(nèi)分析顯得不夠全面。但還是能反映事物的本質(zhì) 與動(dòng)輪相間排列的靜輪，除了傾斜方向相反其余完全一樣，如圖14。從右側(cè)通過動(dòng)輪進(jìn)入左側(cè)

12、的氣體分子中，直接無碰撞通過的極少，其余分子起碼經(jīng)過一次以上的碰撞方可通過。所以通過動(dòng)輪的分子基本都具有了動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)速度v，這部分具有v定向運(yùn)動(dòng)速度的分子相對(duì)于靜輪，與處于平衡態(tài)的無定向運(yùn)動(dòng)速度的氣體分子相對(duì)于以定向速度v運(yùn)動(dòng)的動(dòng)輪所處的狀態(tài)是完全一樣的，關(guān)鍵還在于氣體分子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向與葉片的傾斜方向相反，因此靜輪的抽氣作用與動(dòng)輪一樣。應(yīng)該注意渦輪分子泵運(yùn)動(dòng)部件對(duì)氣體分子拖動(dòng)作用所產(chǎn)生的效果與下面述及的分子增壓泵運(yùn)動(dòng)部件對(duì)氣體分子拖動(dòng)作用所產(chǎn)生的效果是完全不同的。一定數(shù)量的動(dòng)靜輪組合方能形成很高的壓縮比，當(dāng)然，最后一個(gè)必須是動(dòng)輪。以上的討論必須建立在分子流的基礎(chǔ)上，即氣體中分子間碰撞可以忽

13、略。 2分子增壓泵的工作原理 家樂福超市傳送帶式的電梯便是利用拖動(dòng)作用來輸送人群的。一個(gè)人如站在電梯上無疑可以從樓下被拖動(dòng)至樓上。設(shè)想一個(gè)人站在電梯的斜面上不停地向上跳起、落下，最終也能被拖動(dòng)到樓上。因?yàn)槊恳淮温湎聲r(shí)，都可以從傳送帶獲得一個(gè)向上拖動(dòng)的速度。雖然這種假設(shè)有悖于常理但卻與分子的行為有相似之處。分子增壓泵抽氣的原理與上述的電梯拖動(dòng)作用類似，但不可能沿著直線拖動(dòng)分子，而是把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為圓周運(yùn)動(dòng)來達(dá)到拖動(dòng)的目的。為此，分子增壓泵的抽氣級(jí)的靜輪（又稱堵片）為空心金屬圓環(huán)上由多條弧形金屬條分割成六個(gè)螺旋通道，如圖15所示， 圖15 吸氣級(jí)靜輪圖16 壓縮級(jí)靜輪而兩側(cè)各有一片平圓盤狀的動(dòng)輪保

14、持一定的工作間隙高速旋轉(zhuǎn)。這樣就形成了6個(gè)螺旋狀的抽氣通道，其四個(gè)壁面中，兩個(gè)面積較大的是運(yùn)動(dòng)的平板，是動(dòng)輪的一部分，而兩個(gè)面積較小的是靜止的弧形金屬條，是靜輪的一部分。當(dāng)氣體分子從某抽氣通道的外圓側(cè)進(jìn)入時(shí)，它在通道內(nèi)四個(gè)壁面間不停的碰撞，當(dāng)碰在靜止的壁面時(shí)，僅通過反射改變運(yùn)動(dòng)方向；當(dāng)碰撞到運(yùn)動(dòng)的壁面時(shí)，除改變運(yùn)動(dòng)方向外，還可獲得碰點(diǎn)的定向速度。由于每個(gè)抽氣通道中有兩個(gè)運(yùn)動(dòng)的壁面，且面積較大，故有較高的拖動(dòng)效率。而電梯上只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)的平面，另外不同于電梯運(yùn)動(dòng)方向和人的被拖動(dòng)方向一致，氣體分子在任一螺旋形的抽氣通道中與動(dòng)輪碰撞時(shí)所獲得的定向速度或動(dòng)量應(yīng)該沿著該點(diǎn)切線方向，與螺旋通道的方向不一致，

15、但該方向上的速度或動(dòng)量在通道的螺旋方向上存在一分量（投影），該分量迫使氣體分子最終能沿著螺旋方向從外圓被拖動(dòng)到內(nèi)圓一側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了抽氣作用。從本質(zhì)上講分子增壓泵的拖動(dòng)作用與電梯的拖動(dòng)作用是完全一樣的。并且可以肯定，這種拖動(dòng)作用產(chǎn)生的抽速不存在物理上的極限，而最終受到制造技術(shù)的限制。 以上所介紹的抽氣模型是徑向抽氣，即從四周進(jìn)氣，壓縮到軸心。用相同的動(dòng)輪和靜輪相間組合，能形成多個(gè)抽氣模型的并聯(lián)抽氣，這便是分子增壓泵的吸氣級(jí)，不難理解這樣的組合能產(chǎn)生的抽氣速率完全可以達(dá)到渦輪分子泵的水平，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)的拖動(dòng)泵的抽速和流量。 分子增壓泵壓縮級(jí)的動(dòng)輪與吸氣級(jí)完全一樣，也是平圓盤，而靜輪卻有區(qū)別，如圖16。壓縮級(jí)的靜輪是在較厚的圓盤上兩邊開上螺旋槽，兩邊的螺旋槽方向根據(jù)需要可以相同也可以相反，這樣每側(cè)的螺旋槽與相鄰的動(dòng)輪也構(gòu)成了螺旋抽氣通道，只不過此時(shí)抽氣通道四個(gè)壁面，三個(gè)是靜止的，僅一個(gè)是運(yùn)動(dòng)的，經(jīng)吸氣級(jí)壓縮過的氣體在壓縮級(jí)已不需太高的抽動(dòng)系數(shù)。如壓縮級(jí)靜輪的螺旋方向與吸氣級(jí)靜輪螺旋方向相反，則可把吸氣級(jí)壓縮至軸心處的氣體繼續(xù)壓縮至外圓一側(cè)，如壓縮級(jí)靜輪兩側(cè)的螺旋方向相反，則經(jīng)一側(cè)壓縮至軸心（或外圓），另一側(cè)將繼續(xù)把氣體分子壓縮至外圓（軸心）。即一個(gè)靜輪與動(dòng)輪配合能連續(xù)完成兩次壓縮，分子增壓泵巨大的壓縮比，便是這些壓縮過程疊加作用的結(jié)果。由