分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介

分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介龚建华储继国一、涡轮分子泵和分子增压泵的相同点与不同点1.共同点：涡轮分子泵和分子增压泵都是高真空泵，极限真空10-5Pa（10-7Pa）；都工作在很高的转速（数万转/分钟）；都有很高的压缩比（N2：108），所以都可以获得清洁真空。2.不同点目前国内生产的以及绝大部分国外生产的涡轮分子泵都是立式泵，而分子增压泵是卧式泵，卧式泵对共振的控制比立式泵难度大；分子增压泵的工作压力和排气流量均比涡轮分子泵高出很多，可以达到数百帕；涡轮分子泵的转子是由涡轮叶片构成，而分子增压泵的转子是由平圆盘构成；涡轮分子泵工作在分子流状态，而分子增压泵可以工作在分子流和过渡流状态。二、涡轮分子泵和分子增压泵的工作原理如要用通俗些的话语来说明两种泵的工作原理，可用家乐福超市的传送带式的电梯比作分子增压泵的拖动原理；而用“陷阱”（比较牵强）来形容涡轮分子泵的传输几率原理。1.涡轮分子泵的工作原理此处的所谓“陷阱”比喻的是一种结构，使得气体分子沿某方向容易通过，而反方向难以通过。先看生活中的一个例子，图1是捕捉黄鳝的竹篓，这种结构使得黄鳝很容易从入口进入底部觅食，而极难从反方向逃逸，这便是一种陷阱。再看图2，这是一个假想的隘口，由于设计成这样的构造，显然，人从两个方向通过的难易程度是不一样的，如果人平均出现在入口的任一位置，那么从左向右，比从右向左容易通过，比例大约是5：1，这也是一种陷阱。对于图2的模型，可以引入一个物理量——传输几率，它可以这样来理解，以均等机会（概率相等）出现在入口任一位置的人通过隘口的可能性（概率）。显然对于图2，从左向右的传输几率为1，即都能通过，而从右向左的传输几率约1/5，即平均5人有1人可以通过。因此，如果起始时，隘口两边的人数相等，随后，便慢慢地在右边逐渐增多。传输几率在气体分子的运动中是一个非常重要的概念，比如气体分子通过一个长圆形管道，其难易程度可用该管道的传输几率来表征。当管道的长径比（l/r）一定时，传输几率是确定的，并且通常两个方向的传输几率也相同。图1图2涡轮分子泵的基本结构也是这样一种“陷阱”，造成气体分子从两边通过它的传输几率不同，这样气体分子便会堆积在传输几率小的一方，形成压力差。任何一种能使气体从低压向高压流动的手段都可以形成一种抽气作用，涡轮分子泵就是依靠结构两边传输几率的差异来产生抽气能力的。下面来分析一下涡轮分子泵结构两边的传输几率差异是如何形成的。vsab图3图4涡轮分子泵的核心是由许多动轮和静轮依次相间串接而成的抽气组合。所谓动轮为一圆盘的外缘上有一圈倾斜的叶片，叶片倾斜的角度以及叶片长度与叶片间距的比值即空弦比决定了该动轮的形状。为了便于分析，可以把圆周上分布的叶片展开成一条长形的叶列，当叶列沿着自身方向以v高速运动时，其和动轮以v的线速度高速旋转的物理状态是相同的。先看一种特殊的情况，如叶片垂直水平面，而两边的气体处于平衡态，即如图5的左边所示，由于平衡态气体分子的运动高度对称，所以图5平均地讲可以用图5右边所示的箭头表示叶片两边的气体的平均速度。在图5的情况中，两边气体通过叶列的传输几率是相同的。如果叶列沿自身的方向运动，按相对运动的原理，从叶列上来观察气体则气体沿着相反的方向运动，加上自身的热运动，其最终相对于叶列的运动方向如图6右边所示。然而在这种情况下，两边图6气体通过叶列的传输几率也是相同的。当叶列以不同的速率大小和方向（正向或反向）运动时，根据相对运动的观点，叶列两边的气体相对叶列的运动状态可以由图7中标号1到5来描述，其中任何一种状态下，两边气体通过叶列的传输几率都是相同的。图7图8但是如果让叶列向运动的方向倾斜时，情况就不一样了。首先，如图8，让叶列向右倾斜，但叶列静止不动，那么两侧气体通过叶列的传输几率仍然是相同的，然叶列一运动（向右），如图9，两边气体通过叶列的传输几率就不相同了，显然此时从上向下的传输几率要大于从下向上的传输几率，而且随着叶列运动速度的增大，上、下传输几率的差异也增大。当然与空弦比、倾斜角也有关。当叶列的运动速度趋向无穷大时（这是一种理想的情况），即如图10所示，上、下传输几率的差异可以达到最大值。所以涡轮分子泵的抽速，除了受到制造技术上的限制，其本身就存在一个物理上的极限。图9图10通过以上的讨论可以知道，涡轮分子泵的叶列必须向运动方向倾斜，方可形成两侧气体分子通过叶列的传输几率的差异，从而产生抽气作用。至于叶列运动的速度大小关乎两边传输几率差异大小，由于这一速度是与分子热运动的平均速度共同决定了传输几率的大小，所以它必须达到分子热运动的平均速度的量级。上述的结果基本是根据图示以及生活经验直观地理解而得到的。实际上这一结论可以严格地按照分子运动论的基本理论给出，为了能更深入地了解涡轮分子泵的抽气原理，下面作进一步讨论。首先必须了解气体分子碰撞到壁面上反射时所遵循的规律。气体分子碰撞到一般的表面上反射时，与刚性球在刚性表面上遵从镜面反射规律完全不同。它的反射方向是一带有概率特征的随机事件，即它向空间2π立体角范围内任何一个方向都有反射的可能，而其可能性（即概率大小）遵从所谓的克努曾余弦定律。如图11所示，AB为入射方向，BC为某一可能的反射方向，Ωd为该可能反射方向附近的图11一小立体角元，即包括了一个小小的方向间隔。有了方向间隔才能对所有2π立体角空间范围进行划分。如θ为Ωd方向与入射点法线方向的夹角，则入射分子沿该可能反射方向反射的概率qpcosdΩ=dP即除了与方向间隔Ωd大小成正比外，还与反射方向与法线方向的夹角余弦成正比。故称为余弦定理。π为规一化因子，即保证各可能方向上的概率总和为1。该反射规律是克努曾通过大量的实验总结出来的，而并非由解析理论导出，故为实验定律。下面以图10为例，用余弦定律来阐述涡轮分子泵动轮叶列两侧传输几率的差异是如何产生的。DEABCD'E'A'B'C'图12图13如图12，当叶列以很大的速度运动时，根据相对运动的原理，从叶列上观察则气体分子以近似相反的速度相对叶列运动。先观察叶列的右侧，气体分子可近似认为以与叶列相等的速度沿BA方向碰撞到叶片的A点，根据克努曾余弦定律，分子在A点的反射是全方位的，可以沿各种可能的方向反射，并具有确定的几率。凡是反射方向落在∠CAD范围内的分子皆能由右侧到左侧一次通过叶列，而反射方向落在∠BAE范围内的分子显然不能通过而返回到右侧。至于反射方向落在∠BAC范围内的分子必须再次与相邻叶片碰撞，其结果有可能通过，也有可能不能通过而返回右侧。同样，如图13，叶列左侧的气体分子以与叶列相等的速度沿着B′A′方向碰撞到叶片的A′点，按克努曾余弦定律反射，反射方向落在∠B′A′E′范围内的分子皆不能通过而返回叶列左侧。而反射方向落在∠C′A′D′范围内的分子才能从左侧到右侧一次通过叶列。同样，反射方向落在∠B′A′C′范围内的分子必然再次与相邻叶片碰撞，其结果有可能通过亦有可能返回。然而根据叶列的具体结构，显然有∠CAD＞∠C′A′D′，即一次碰撞就可通过叶列的分子从右侧到左侧数量大于从左侧到右侧的数量。同样也有∠B′A′E′＞∠BAE，即一次碰撞不能通过的分子返回在左侧的数量大于返回右侧的数量。以上事实可以保证如图12所示的高速运动的叶列，气体分子从右侧到动静动121vv图141.动轮上分子入射方向2.静轮上分子入射方向虚线为分子泵抽气方向左侧的传输几率大于从左侧到右侧的传输几率。当然需要说明的是气体分子在叶片上反射方向是分布在立体空间里，此处仅从平面内分析显得不够全面。但还是能反映事物的本质与动轮相间排列的静轮，除了倾斜方向相反其余完全一样，如图14。从右侧通过动轮进入左侧的气体分子中，直接无碰撞通过的极少，其余分子起码经过一次以上的碰撞方可通过。所以通过动轮的分子基本都具有了动轮的运动速度v，这部分具有v定向运动速度的分子相对于静轮，与处于平衡态的无定向运动速度的气体分子相对于以定向速度v运动的动轮所处的状态是完全一样的，关键还在于气体分子的相对运动的方向与叶片的倾斜方向相反，因此静轮的抽气作用与动轮一样。应该注意涡轮分子泵运动部件对气体分子拖动作用所产生的效果与下面述及的分子增压泵运动部件对气体分子拖动作用所产生的效果是完全不同的。一定数量的动静轮组合方能形成很高的压缩比，当然，最后一个必须是动轮。以上的讨论必须建立在分子流的基础上，即气体中分子间碰撞可以忽略。2．分子增压泵的工作原理家乐福超市传送带式的电梯便是利用拖动作用来输送人群的。一个人如站在电梯上无疑可以从楼下被拖动至楼上。设想一个人站在电梯的斜面上不停地向上跳起、落下，最终也能被拖动到楼上。因为每一次落下时，都可以从传送带获得一个向上拖动的速度。虽然这种假设有悖于常理但却与分子的行为有相似之处。分子增压泵抽气的原理与上述的电梯拖动作用类似，但不可能沿着直线拖动分子，而是把直线运动转化为圆周运动来达到拖动的目的。为此，分子增压泵的抽气级的静轮（又称堵片）为空心金属圆环上由多条弧形金属条分割成六个螺旋通道，如图15所示，图15吸气级静轮图16压缩级静轮而两侧各有一片平圆盘状的动轮保持一定的工作间隙高速旋转。这样就形成了6个螺旋状的抽气通道，其四个壁面中，两个面积较大的是运动的平板，是动轮的一部分，而两个面积较小的是静止的弧形金属条，是静轮的一部分。当气体分子从某抽气通道的外圆侧进入时，它在通道内四个壁面间不停的碰撞，当碰在静止的壁面时，仅通过反射改变运动方向；当碰撞到运动的壁面时，除改变运动方向外，还可获得碰点的定向速度。由于每个抽气通道中有两个运动的壁面，且面积较大，故有较高的拖动效率。而电梯上只有一个运动的平面，另外不同于电梯运动方向和人的被拖动方向一致，气体分子在任一螺旋形的抽气通道中与动轮碰撞时所获得的定向速度或动量应该沿着该点切线方向，与螺旋通道的方向不一致，但该方向上的速度或动量在通道的螺旋方向上存在一分量（投影），该分量迫使气体分子最终能沿着螺旋方向从外圆被拖动到内圆一侧，从而实现了抽气作用。从本质上讲分子增压泵的拖动作用与电梯的拖动作用是完全一样的。并且可以肯定，这种拖动作用产生的抽速不存在物理上的极限，而最终受到制造技术的限制。以上所介绍的抽气模型是径向抽气，即从四周进气，压缩到轴心。用相同的动轮和静轮相间组合，能形成多个抽气模型的并联抽气，这便是分子增压泵的吸气级，不难理解这样的组合能产生的抽气速率完全可以达到涡轮分子泵的水平，远远超过传统的拖动泵的抽速和流量。分子增压泵压缩级的动轮与吸气级完全一样，也是平圆盘，而静轮却有区别，如图16。压缩级的静轮是在较厚的圆盘上两边开上螺旋槽，两边的螺旋槽方向根据需要可以相同也可以相反，这样每侧的螺旋槽与相邻的动轮也构成了螺旋抽气通道，只不过此时抽气通道四个壁面，三个是静止的，仅一个是运动的，经吸气级压缩过的气体在压缩级已不需太高的抽动系数。如压缩级静轮的螺旋方向与吸气级静轮螺旋方向相反，则可把吸气级压缩至轴心处的气体继续压缩至外圆一侧，如压缩级静轮两侧的螺旋方向相反，则经一侧压缩至轴心（或外圆），另一侧将继续把气体分子压缩至外圆（轴心）。即一个静轮与动轮配合能连续完成两次压缩，分子增压泵巨大的压缩比，便是这些压缩过程叠加作用的结果。由于分子之间的碰撞可以传递动量，所以分子增压泵的拖动作用可以延伸到过渡流。三、分子增压泵的特点由分子增压泵工作机理和结构决定了该泵具有一系列特点供人瞩目。1.工作压力高。只要预抽压力低于100Pa即可切入工作。预抽时间缩短；提高预抽压力可有效抑制前级泵的返油。2.分子增压泵开始抽气便进入所谓“恒流量”工作模式（相关文章曾做过介绍），中真空有很高的抽气效率。3.节省了罗茨增压泵。4.分子增压泵对前级泵的抽速要求较低。5.很强的抗高压强甚至大气的冲击能力。6.轴承尺寸小，机械轴承的寿命超过2万小时。