渦輪分子泵特性及磁懸浮技術的應用

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)、核物理及表面科學等領域有著廣泛的應用前景。介紹了渦輪分子泵的工作原理與基本結(jié)構(gòu)特征，重點闡述了牽引式、渦輪式與復合式三種分子泵的結(jié)構(gòu)、材料與性能特征，*后給出了基于磁懸浮技術的高轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子把動能傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度從而被壓縮驅(qū)至排氣口抽走的機械式真空泵，如圖1所示。反觀由于近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越大，世界上各大真空設備廠家也在積極地開發(fā)和研制不同種類、型號的分子泵，使之可以應用在更多的領域中。機械加工技術、動平衡技術、材料科學技術及磁懸浮技術的應用使分子泵的抽速與壓縮比都有了很大提高，與此同時世界各國科學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：

1)牽引式分子泵：氣體分子與高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動能，被驅(qū)送到泵的出口的分子泵。

2)渦輪式分子泵：利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的分子泵。

3)復合式分子泵：能在高壓區(qū)域保持較高的抽氣性能，在原有的渦輪分子泵的高壓側(cè)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**臺分子泵，它的轉(zhuǎn)子直徑為50m m，轉(zhuǎn)子上切有8個尺寸不同的槽，轉(zhuǎn)速為12 000r/min，抽速約為1.5L/s。這種泵的工作原理與現(xiàn)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在瑞典的大學實驗室中開發(fā)了一種盤型分子泵，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代牽引式分子泵相似，泵體上開有螺旋槽，轉(zhuǎn)子為一圓盤。1939年，LEYBOLD公司生產(chǎn)制造過兩臺，直徑540m m，槽的尺寸：內(nèi)側(cè)為22m m×22m m，外側(cè)為22m m×1m m，轉(zhuǎn)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，應用時受到很多限制，所以只能在一些特殊領域使用，未能普及。

2、渦輪分子泵的出現(xiàn)

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(jié)構(gòu)為臥式，泵腔內(nèi)裝有動、靜葉列，氣體由位于泵中央的吸氣口進入，經(jīng)抽氣通道流至泵體兩側(cè)，被葉列壓縮*終由排氣口排出。此渦輪分子泵轉(zhuǎn)子由19級葉列組成，如圖2所示，直徑170mm，轉(zhuǎn)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公司開發(fā)了一種14級葉列的立式渦輪分子泵，其轉(zhuǎn)子直徑為286m m，轉(zhuǎn)速為12 000r/min，抽速為650L/s，開創(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級動葉列，12級靜葉列，轉(zhuǎn)子直徑300m m，轉(zhuǎn)速12 000r/min，結(jié)構(gòu)較為先進的立式分子泵。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域的空白。但由于在設計、加工及磁懸浮技術應用等方面的不足，渦輪分子泵在我國仍處于較為落后的境況。

當前，現(xiàn)代分子泵的基本結(jié)構(gòu)基本定型為為臥式和立式兩種。臥式分子泵具有抽氣時轉(zhuǎn)子受力均勻，軸承定位受力狀態(tài)好，使用壽命長，軸承更換過程中轉(zhuǎn)子位置不動，維修方便等特點。立式分子泵的裝配工藝要比臥式分子泵簡單，所以近些年立式分子泵的發(fā)展速度很快。

3、現(xiàn)代分子泵

從分子泵誕生至今，已有近百年的歷史，隨著各項科學技術的不斷進步，分子泵技術也取得了許多**與突破，現(xiàn)代分子泵更是朝著智能、靈活、高效的方向發(fā)展。

近些年隨著控制理論與計算機技術的飛速發(fā)展并應用于分子泵上，使分子泵實現(xiàn)了電腦控制，從而實現(xiàn)了遠距離控制泵的起動、停車及調(diào)速，同時基于信息技術可建立完善的**及監(jiān)控系統(tǒng)，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(shù)，提高轉(zhuǎn)速是加大抽速*為直接的方法之一，隨著動平衡技術的發(fā)展，分子泵轉(zhuǎn)子可順利地在超高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。隨著材料科學的發(fā)展，分子泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得到進一步提高。

近些年隨著半導體產(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(xù)大量排氣且保證獲得潔凈真空。傳統(tǒng)渦輪分子泵在此環(huán)境下工作性能下降很多，很難保證實現(xiàn)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優(yōu)點的復合式分子泵(如圖3所示)。