涡轮分子泵的结构和工作原理

2019-10-05 真空技术网真空技术网整理

　　分子泵利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子，使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是启动快，能抗各种射线的照射，耐大气冲击，无气体存储和解吸效应，无油蒸气污染或污染很少，能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器、可控热核反应装置、重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。

涡轮分子泵的结构和工作原理

　　1958年，联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵，以后相继出现了各种不同结构的分子泵，主要有立式和卧式两种，图1为立式涡轮分子泵的结构图。涡轮分子泵主要由泵体、带叶片的转子(即动叶轮)、静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150～400米/秒)。单个叶轮的压缩比很小，涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动、静叶轮几何尺寸基本相同，但叶片倾斜角相反。图2为20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动、静叶轮间保持1毫米左右的间隙，动叶轮可在静叶轮间自由旋转。

图：涡轮分子泵的动、静叶片图

图1：立式涡轮分子泵的结构图

图3：分子泵动叶片的工作示意图

　　图3为分子泵的一个动叶片工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a)，当气体分子到达A点附近时，在角度α1内反射的气体分子回到左侧；在角度β1内反射的气体分子一部分回到左侧，另一部分穿过叶片到达右侧；在角度γ1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理，在叶轮右侧(图3b)，当气体分子入射到B点附近时，在α2角度内反射的气体分子将返回右侧；在β2角度内反射的气体分子一部分到达左侧，另一部分返回右侧；在γ2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧，比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转，气体分子便不断地由左侧流向右侧，从而产生抽气作用。

涡轮分子泵的性能和特点

　　泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外，还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮(或空气)的压缩比为10⁸～10⁹；对氢为10²～10⁴；对分子量大的气体如油蒸气则大于10¹⁰。泵的极限真空度为10^-9帕，工作压力范围为10^-1～10^-8帕，抽气速率为几十到几千升每秒(1升=10^-3米)。涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性，因此要求配有工作压力为1～10^-2帕的前级真空泵。分子泵本身由转速为10000～60000转/分的中频电动机直联驱动。