渦輪分子泵的結構和工作原理

2019-10-05 真空技術網真空技術網整理

　　分子泵利用高速旋轉的動葉輪將動量傳給氣體分子，使氣體產生定向流動而抽氣的真空泵。渦輪分子泵的優點是啟動快，能抗各種射線的照射，耐大氣沖擊，無氣體存儲和解吸效應，無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、可控熱核反應裝置、重粒子加速器和高級電子器件制造等方面。

渦輪分子泵的結構和工作原理

　　1958年，聯邦德國的W.貝克首次提出有實用價值的渦輪分子泵，以后相繼出現了各種不同結構的分子泵，主要有立式和臥式兩種，圖1為立式渦輪分子泵的結構圖。渦輪分子泵主要由泵體、帶葉片的轉子(即動葉輪)、靜葉輪和驅動系統等組成。動葉輪外緣的線速度高達氣體分子熱運動的速度(一般為150～400米/秒)。單個葉輪的壓縮比很小，渦輪分子泵要由十多個動葉輪和靜葉輪組成。動葉輪和靜葉輪交替排列。動、靜葉輪幾何尺寸基本相同，但葉片傾斜角相反。圖2為20個動葉輪組成的整體式轉子。每兩個動葉輪之間裝一個靜葉輪。靜葉輪外緣用環固定并使動、靜葉輪間保持1毫米左右的間隙，動葉輪可在靜葉輪間自由旋轉。

圖：渦輪分子泵的動、靜葉片圖

圖1：立式渦輪分子泵的結構圖

圖3：分子泵動葉片的工作示意圖

　　圖3為分子泵的一個動葉片工作示意圖。在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側(圖3a)，當氣體分子到達A點附近時，在角度α1內反射的氣體分子回到左側；在角度β1內反射的氣體分子一部分回到左側，另一部分穿過葉片到達右側；在角度γ1內反射的氣體分子將直接穿過葉片到達右側。同理，在葉輪右側(圖3b)，當氣體分子入射到B點附近時，在α2角度內反射的氣體分子將返回右側；在β2角度內反射的氣體分子一部分到達左側，另一部分返回右側；在γ2角度內反射的氣體分子穿過葉片到達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉片到達右側，比從右側穿過葉片到達左側的幾率大得多。葉輪連續旋轉，氣體分子便不斷地由左側流向右側，從而產生抽氣作用。

渦輪分子泵的性能和特點

　　泵的排氣壓力與進氣壓力之比稱為壓縮比。壓縮比除與泵的級數和轉速有關外，還與氣體種類有關。分子量大的氣體有高的壓縮比。對氮(或空氣)的壓縮比為10⁸～10⁹；對氫為10²～10⁴；對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(氣體分子的平均自由程遠大于導管截面最大尺寸的流態)下工作才能顯示出它的優越性，因此要求配有工作壓力為1～10^-2帕的前級真空泵。分子泵本身由轉速為10000～60000轉/分的中頻電動機直聯驅動。