渦輪分子泵

渦輪分子泵是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，耐大氣衝擊，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。渦輪分子泵廣泛用於高能加速器、可控熱核反應裝置、重粒子加速器以及真空鍍膜等需要獲得高真空度製造工藝中。

基本介紹

• 中文名：渦輪分子泵
• 外文名：turbomolecular pump
• 所屬類別：真空泵
• 原理：利用動葉輪讓氣體產生定向流動
• 工藝：高真空度製造工藝

歷史沿革

1955年，聯邦德國的Willi.Becker首次提出有實用價值的渦輪分子泵，以後相繼出現了各種不同結構的分子泵。

1958年，聯邦德國的W.貝克初次提出有適用價值的渦輪分子泵，以後相繼呈現了各種不同構造的分子泵，主要有立式和臥式兩種,圖1為立式渦輪分子泵的構造圖。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(普通為150～400米/秒)。單個葉輪的緊縮比很小，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、靜葉輪幾何尺寸根本相同,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並使動、靜葉輪間堅持1毫米左右的間隙,動葉輪可在靜葉輪間自在旋轉。

在運動葉片兩側的氣體分子呈漫散射。在葉輪左側，當氣體分子抵達A點左近時，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局部回到左側，另一局部穿過葉片抵達右側；在角度γ1內反射的氣體分子將直接穿過葉片抵達右側。同理，在葉輪右側(圖3b),當氣體分子入射到B點左近時，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局部抵達左側，另一局部返回右側；在γ2角度內反射的氣體分子穿過葉片抵達左側。傾斜葉片的運動使氣體分子從左側穿過葉片抵達右側，比從右側穿過葉片抵達左側的幾率大得多。葉輪連續旋轉，氣體分子便不時地由左側流向右側，從而產生抽氣作用

結構組成

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。

工作原理

主要有立式和臥式兩種。

圖2 立式渦輪分子泵的結構圖

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。右圖為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並使動、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3為一個動葉片的工作示意圖。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。

圖3 動頁片的工作原理

性能特點

性能

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於10¹⁰。

泵的極限壓力為10^-9Pa，工作壓力範圍為10^-1～10^-8Pa，抽氣速率為幾十到幾千升每秒（1L=10^-3m³）。

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於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^-2Pa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。

特點

抽速大、無油、啟動快、無油污染、維護簡單

工作範圍：清潔的低真空~中、高真空，大氣~超高真空

極限真空：10^-6/ 10^-10torr

缺點：結構複雜、對軸承耐磨程度要求高、製造成本高