涡轮分子泵特性及磁悬浮技术的应用

分子泵作为获得真空环境的核心设备，在半导体与薄膜工业、核物理及表面科学等领域有着广泛的应用前景。介绍了涡轮分子泵的工作原理与基本结构特征，重点阐述了牵引式、涡轮式与复合式三种分子泵的结构、材料与性能特征，*后给出了基于磁悬浮技术的高转速涡轮分子泵承载力计算方法。

一、前言

分子泵是利用高速旋转的转子把动能传输给气体分子，使之获得定向速度从而被压缩驱至排气口抽走的机械式真空泵，如图1所示。反观由于近30年半导体产业的飞速发展，各种高性能分子泵的需求越来越大，世界上各大真空设备厂家也在积极地开发和研制不同种类、型号的分子泵，使之可以应用在更多的领域中。机械加工技术、动平衡技术、材料科学技术及磁悬浮技术的应用使分子泵的抽速与压缩比都有了很大提高，与此同时世界各国科学家在分子泵抽气机理的研究方面也不断取得突破，使分子泵的性能和质量都有了明显的提高。

图1 机械式涡轮分子泵

分子泵大致可分为以下三类：

1)牵引式分子泵：气体分子与高速旋转的转子相碰撞而获得动能，被驱送到泵的出口的分子泵。

2)涡轮式分子泵：利用高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的分子泵。

3)复合式分子泵：能在高压区域保持较高的抽气性能，在原有的涡轮分子泵的高压侧配置了螺旋式的牵引分子泵，将两种泵的抽气单元串联的分子泵。

二、分子泵的发展

1、早期分子泵

1912年，德国人W.Gaede发明了世界上**台分子泵，它的转子直径为50m m，转子上切有8个尺寸不同的槽，转速为12 000r/min，抽速约为1.5L/s。这种泵的工作原理与现代分子泵的工作原理一致，但由于故障多很快被淘汰，未能普及。

1926年，M.siegbahn在瑞典的大学实验室中开发了一种盘型分子泵，其结构与现代牵引式分子泵相似，泵体上开有螺旋槽，转子为一圆盘。1939年，LEYBOLD公司生产制造过两台，直径540m m，槽的尺寸：内侧为22m m×22m m，外侧为22m m×1m m，转速3 700r/m i n，抽速可达73L/s。

早期的分子泵均为牵引式分子泵，这种泵的体积大，抽速小，间隙小，故障多，应用时受到很多限制，所以只能在一些特殊领域使用，未能普及。

2、涡轮分子泵的出现

1957年，德国PFEIFFER公司的W.Becker发明了一种新型的分子泵，命名为涡轮分子泵。其结构为卧式，泵腔内装有动、静叶列，气体由位于泵中央的吸气口进入，经抽气通道流至泵体两侧，被叶列压缩*终由排气口排出。此涡轮分子泵转子由19级叶列组成，如图2所示，直径170mm，转速为16 000r/min，抽速为140L/s。

图2 W.Becker涡轮分子泵

1966年，法国S E N C M A公司开发了一种14级叶列的立式涡轮分子泵，其转子直径为286m m，转速为12 000r/min，抽速为650L/s，开创了立式涡轮分子泵的先河。

日本生产制造分子泵的厂家较多，设计、生产分子泵的能力也比较强。1971年日本理化研究所成功研制了一种13级动叶列，12级静叶列，转子直径300m m，转速12 000r/min，结构较为先进的立式分子泵。1990年，日本的大阪真空公司又首先成功研制了抽速可达25 000L/s的大型分子泵。

我国的涡轮分子泵行业起步比较早，1964年，上海真空泵厂成功地研制了F W-140型卧式涡轮分子泵，填补了我国在这一领域的空白。但由于在设计、加工及磁悬浮技术应用等方面的不足，涡轮分子泵在我国仍处于较为落后的境况。

当前，现代分子泵的基本结构基本定型为为卧式和立式两种。卧式分子泵具有抽气时转子受力均匀，轴承定位受力状态好，使用寿命长，轴承更换过程中转子位置不动，维修方便等特点。立式分子泵的装配工艺要比卧式分子泵简单，所以近些年立式分子泵的发展速度很快。

3、现代分子泵

从分子泵诞生至今，已有近百年的历史，随着各项科学技术的不断进步，分子泵技术也取得了许多**与突破，现代分子泵更是朝着智能、灵活、高效的方向发展。

近些年随着控制理论与计算机技术的飞速发展并应用于分子泵上，使分子泵实现了电脑控制，从而实现了远距离控制泵的起动、停车及调速，同时基于信息技术可建立完善的**及监控系统，使分子泵朝向智能化方向发展。

抽速是分子泵的核心参数，提高转速是加大抽速*为直接的方法之一，随着动平衡技术的发展，分子泵转子可顺利地在超高转速下稳定运转。随着材料科学的发展，分子泵转子材料也发生了变化，可用硬铝合金、碳纤维、钛合金等高硬度材料制成，这使转子的转速得到进一步提高。

近些年随着半导体产业的发展，很多情况要求分子泵在高压环境下连续大量排气且保证获得洁净真空。传统涡轮分子泵在此环境下工作性能下降很多，很难保证实现设计效果。为使分子泵适应高压工作环境，在原有涡轮分子泵基础上加装牵引式分子泵部分，将涡轮分子泵与牵引式分子泵串联在一起，组成具有涡轮分子泵与牵引式分子泵各自优点的复合式分子泵(如图3所示)。