渦輪分子泵特性及磁懸浮技術(shù)的應用
分子泵作為獲得真空環(huán)境的核心設備，在半導體與薄膜工業(yè)、核物理及表面科學(xué)等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。介紹了渦輪分子泵的工作原理與基本結構特征，重點(diǎn)闡述了牽引式、渦輪式與復合式三種分子泵的結構、材料與性能特征，最后給出了基于磁懸浮技術(shù)的高轉速渦輪分子泵承載力計算方法。
一、前言
分子泵是利用高速旋轉的轉子把動(dòng)能傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度從而被壓縮驅至排氣口抽走的機械式真空泵，如圖1所示。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)反觀(guān)由于近30年半導體產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，各種高性能分子泵的需求越來(lái)越大，世界上各大真空設備廠(chǎng)家也在積極地開(kāi)發(fā)和研制不同種類(lèi)、型號的分子泵，使之可以應用在更多的領(lǐng)域中。機械加工技術(shù)、動(dòng)平衡技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)及磁懸浮技術(shù)的應用使分子泵的抽速與壓縮比都有了很大提高，與此同時(shí)世界各國科學(xué)家在分子泵抽氣機理的研究方面也不斷取得突破，使分子泵的性能和質(zhì)量都有了明顯的提高。
圖1 機械式渦輪分子泵
分子泵大致可分為以下三類(lèi)：
1)牽引式分子泵：氣體分子與高速旋轉的轉子相碰撞而獲得動(dòng)能，被驅送到泵的出口的分子泵。
2)渦輪式分子泵：利用高速旋轉的動(dòng)葉片和靜止的定葉片相互配合來(lái)實(shí)現抽氣的分子泵。
3)復合式分子泵：能在高壓區域保持較高的抽氣性能，在原有的渦輪分子泵的高壓側配置了螺旋式的牽引分子泵，將兩種泵的抽氣單元串聯(lián)的分子泵。
二、分子泵的發(fā)展
1、早期分子泵
1912年，德國人W.Gaede發(fā)明了世界上第一臺分子泵，它的轉子直徑為50m m，轉子上切有8個(gè)尺寸不同的槽，轉速為12 000r/min，抽速約為1.5L/s。這種泵的工作原理與現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在瑞典的大學(xué)實(shí)驗室中開(kāi)發(fā)了一種盤(pán)型分子泵，其結構與現代牽引式分子泵相似，泵體上開(kāi)有螺旋槽，轉子為一圓盤(pán)。1939年，LEYBOLD公司生產(chǎn)制造過(guò)兩臺，直徑540m m，槽的尺寸：內側為22m m×22m m，外側為22m m×1m m，轉速3 700r/m i n，抽速可達73L/s。
早期的分子泵均為牽引式分子泵，這種泵的體積大，抽速小，間隙小，故障多，應用時(shí)受到很多限制，所以只能在一些特殊領(lǐng)域使用，未能普及。
2、渦輪分子泵的出現
1957年，德國PFEIFFER公司的W.Becker發(fā)明了一種新型的分子泵，命名為渦輪分子泵。其結構為臥式，泵腔內裝有動(dòng)、靜葉列，氣體由位于泵中央的吸氣口進(jìn)入，經(jīng)抽氣通道流至泵體兩側，被葉列壓縮最終由排氣口排出。此渦輪分子泵轉子由19級葉列組成，如圖2所示，直徑170mm，轉速為16 000r/min，抽速為140L/s。
圖2 W.Becker渦輪分子泵
1966年，法國S E N C M A公司開(kāi)發(fā)了一種14級葉列的立式渦輪分子泵，其轉子直徑為286m m，轉速為12 000r/min，抽速為650L/s，開(kāi)創(chuàng )了立式渦輪分子泵的先河。
日本生產(chǎn)制造分子泵的廠(chǎng)家較多，設計、生產(chǎn)分子泵的能力也比較強。1971年日本理化研究所成功研制了一種13級動(dòng)葉列，12級靜葉列，轉子直徑300m m，轉速12 000r/min，結構較為先進(jìn)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達25 000L/s的大型分子泵。
我國的渦輪分子泵行業(yè)起步比較早，1964年，上海真空泵廠(chǎng)成功地研制了F W-140型臥式渦輪分子泵，填補了我國在這一領(lǐng)域的空白。但由于在設計、加工及磁懸浮技術(shù)應用等方面的不足，渦輪分子泵在我國仍處于較為落后的境況。
當前，現代分子泵的基本結構基本定型為為臥式和立式兩種。臥式分子泵具有抽氣時(shí)轉子受力均勻，軸承定位受力狀態(tài)好，使用壽命長(cháng)，軸承更換過(guò)程中轉子位置不動(dòng)，維修方便等特點(diǎn)。立式分子泵的裝配工藝要比臥式分子泵簡(jiǎn)單，所以近些年立式分子泵的發(fā)展速度很快。
3、現代分子泵
從分子泵誕生至今，已有近百年的歷史，隨著(zhù)各項科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，分子泵技術(shù)也取得了許多創(chuàng )新與突破，現代分子泵更是朝著(zhù)智能、靈活、高效的方向發(fā)展。
近些年隨著(zhù)控制理論與計算機技術(shù)的飛速發(fā)展并應用于分子泵上，使分子泵實(shí)現了電腦控制，從而實(shí)現了遠距離控制泵的起動(dòng)、停車(chē)及調速，同時(shí)基于信息技術(shù)可建立完善的安全及監控系統，使分子泵朝向智能化方向發(fā)展。
抽速是分子泵的核心參數，提高轉速是加大抽速最為直接的方法之一，隨著(zhù)動(dòng)平衡技術(shù)的發(fā)展，分子泵轉子可順利地在超高轉速下穩定運轉。隨著(zhù)材料科學(xué)的發(fā)展，分子泵轉子材料也發(fā)生了變化，可用硬鋁合金、碳纖維、鈦合金等高硬度材料制成，這使轉子的轉速得到進(jìn)一步提高。
近些年隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，很多情況要求分子泵在高壓環(huán)境下連續大量排氣且保證獲得潔凈真空。傳統渦輪分子泵在此環(huán)境下工作性能下降很多，很難保證實(shí)現設計效果。為使分子泵適應高壓工作環(huán)境，在原有渦輪分子泵基礎上加裝牽引式分子泵部分，將渦輪分子泵與牽引式分子泵串聯(lián)在一起，組成具有渦輪分子泵與牽引式分子泵各自?xún)?yōu)點(diǎn)的復合式分子泵(如圖3所示)。
除此之外，近些年還出現了多種新型分子泵，如可有效抽取水分子的低溫型分子泵，可在強磁場(chǎng)、強腐蝕條件下工作的陶瓷分子泵，以及可實(shí)現無(wú)接觸支撐、高效率、高壽命的磁懸浮分子泵等。
圖3 寬頻域復合式分子泵
1.轉子 2.動(dòng)葉列 3.靜葉列 4、8.保護裝置 5、7、9.磁力軸承 6.馬達
三、磁懸浮技術(shù)的應用
1、分子泵中的磁懸浮軸承
軸承是分子泵的關(guān)鍵部件。軸承的質(zhì)量、性能和壽命直接影響分子泵的性能和使用壽命�，F階段常見(jiàn)的分子泵軸承有滾珠軸承和正在發(fā)展中的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空中，使轉子與定子之間沒(méi)有機械接觸。其原理是磁感應線(xiàn)與磁浮線(xiàn)垂直，軸心與磁浮線(xiàn)平行，因此轉子的重量就固定在運轉的軌道上(如圖4所示)，利用幾乎無(wú)負載的軸心往反磁浮線(xiàn)方向頂撐，形成整個(gè)轉子懸空，在固定運轉軌道上。
圖4 磁懸浮軸承原理圖
滾珠軸承結構簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，現在仍然被大量使用，而且新開(kāi)發(fā)的脂潤滑式的分子泵也可實(shí)現小型化，隨著(zhù)材料科學(xué)的進(jìn)步，越來(lái)越多的滾珠軸承使用了陶瓷材料，維修周期也可在兩年以上。但磁懸浮式分子泵依然是現代分子泵發(fā)展的主流趨勢，因為磁懸浮軸承有著(zhù)其他種類(lèi)軸承不可替代的優(yōu)勢：
1)不用任何潤滑油，可實(shí)現完全無(wú)油化。
2)由于轉子與定子之間沒(méi)有機械接觸，軸承的壽命非常長(cháng)。
3)與傳統軸承相比，轉子可運行到很高的轉速。
4)振動(dòng)與噪聲很低。
5)泵的安裝姿態(tài)不受限制，可任意角度安裝。
2、磁懸浮軸承的應用
由于磁懸浮軸承所體現出的眾多優(yōu)點(diǎn)，從20世紀70年代開(kāi)始，許多真空設備公司就開(kāi)始研究此項技術(shù)，使其應用于分子泵技術(shù)領(lǐng)域。1976年，德國L E Y B O L D公司開(kāi)發(fā)了世界上第一臺完全無(wú)接觸的磁懸浮軸承分子泵。其結構與現在廣泛使用的磁懸浮軸承結構有所不同，分子泵中心軸是固定的，轉子繞中心軸旋轉。但由于技術(shù)并不成熟，事故多，成本高，未能普及。
直至20世紀80年代中期，日本一些真空設備制造公司，在德國的磁懸浮技術(shù)基礎上進(jìn)行改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出結構更為合理，性能更為先進(jìn)的內環(huán)式旋轉磁懸浮渦輪分子泵。
剛體在空間固定時(shí)，需要控制其三個(gè)平移自由度和三個(gè)回轉自由度。對于渦輪分子泵的轉子來(lái)說(shuō)，為保證其正常工作，沿軸線(xiàn)回轉的自由度不能限制，其余五個(gè)自由度需加以控制。磁懸浮軸承對其轉子的支撐力及自由度的控制可通過(guò)永久磁鐵及電磁鐵來(lái)實(shí)現。對五個(gè)自由度進(jìn)行控制的磁懸浮軸承稱(chēng)為五軸控制型，對四個(gè)自由度進(jìn)行控制的稱(chēng)為四軸控制型，同理，磁懸浮軸承還有三軸控制型、兩軸控制型及一軸控制型。磁懸浮軸承的控制軸數越多，制造成本越高，但五軸控制型磁懸浮軸承仍為發(fā)展的主流。
在磁懸浮技術(shù)中，電磁力是由電磁鐵或永久磁鐵在磁路中產(chǎn)生磁通而發(fā)揮承載作用的。承載能力與電磁鐵最大吸引力有關(guān)。
作為驅動(dòng)力的電磁鐵吸引力由下式表示：
式中 F ——吸引力；B0——空隙中磁感應強度；A0——定子與轉子鐵心間空隙橫截面面積；μ0——真空磁導率。
通常，磁懸浮軸承定子和轉子均采用磁性材料，定子鐵心磁導率與轉子鐵心磁導率均遠大于真空磁導率。通過(guò)磁感應強度公式及安培環(huán)路定律，可得出磁懸浮軸承承載力為
式中 n ——線(xiàn)圈匝數；I——后力磁電流；x——定子與轉子鐵心間氣隙長(cháng)度。
根據以上公式確定磁懸浮軸承電磁鐵主要結構尺寸及參數。當磁懸浮軸承設計完成，結構參數確定時(shí)，k 為常數。承載力主要在兩個(gè)方面對磁懸浮軸承有很大影響：一方面對于設計磁懸浮軸承參數的影響，當承載力增大時(shí)，磁懸浮軸承的線(xiàn)圈匝數、結構尺寸、電流及能耗都會(huì )隨之增大。反之則會(huì )減小。另一方面是對于已定的磁懸浮軸承能量損失的影響，由于承載力的主要影響因素是轉子的慣性離心力，這相當于個(gè)外加的擾動(dòng)力，使定子和轉子之間的氣隙x 在一定范圍內變化，造成損失。
四、結語(yǔ)
以上綜述了國內外分子泵的發(fā)展歷程，介紹了三種主要分子泵的工作原理與結構參數，并給出了新型磁懸浮分子泵的承載力計算方法。高檔數控機床、材料科學(xué)、信息與磁懸浮等技術(shù)的發(fā)展為改善分子泵性能，進(jìn)一步提升環(huán)境真空度提供了條件。
