涡轮分子泵的抽气原理

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       分子泵输送气体应满足二个必要条件:

      1). 涡轮分子泵必须在分子流状态下工作。因为当将一定容积的容器中所含气体的压力降低时,其中气体分子的平均自由程则随之增加。在常压下空气分子的平均自由程只有 0.06 μm ,即平均看一个气体分子只要在空间运动 0.06 μm ,就可能与第二个气体分子相碰。而在 1.3Pa 时,分子间平均自由程可达 4.4mm 。若平均自由程增加到大于容器壁间的距离时,气体分子与器壁的碰撞机会将大于气体分子之间的碰撞机会。在分子流范围内,气体分子的平均自由程长度远大于分子泵叶片之间的间距。当器壁由不动的定子叶片与运动着的转子叶片组成时,气体分子就会较多地射向转子和定子叶片,为形成气体分子的定向运动打下基础。

       2). 分子泵的转子叶片必须具有与气体分子速度相近的线速度。具有这样的高速度才能使气体分子与动叶片相碰撞后改变随机散射的特性而作定向运动。

      分子泵的转速越高,对提高分子泵的抽速越有利。实践表明,对不同分子量的气体分子其速度越大,泵抽除越困难。例: H2 在空气中含量甚徽,但由于 H2 分子具有很大的运动速度 ( 最可几速度为 1557m /s) ,所以分子泵对 H2 的抽吸困难。通过对极限真空中残余气体的分析,可发现氢气比重可达 85 %,而分子量较大,而运动速度慢的油分子所占的比重几乎为零。这就是分子泵对油蒸气等高分子量的气体的压缩比很高,抽吸效果好的原因。

      现以涡轮分子泵的一个叶片为例说明它的抽气原理。假设一个轴流式单叶列在分子流范围内以速度 V 运动,如图 21 所示。

 

涡轮分子泵抽气机理图

图21:涡轮分子泵抽气机理图

      设 I 侧为吸入侧,Ⅱ侧为排气侧。从 I 侧向Ⅱ侧运动的气体分子,可分为以下几种情况:有一部分气体分子与叶片的端部相碰返回 I 侧,一部分气体分子直接通过叶片槽到达Ⅱ侧,还有一部分气体分子在叶片槽内与叶片壁相碰,其碰撞结果将使一部分到达Ⅱ侧,而另一部分气体分子返回 I 侧。同样,对于Ⅱ侧来讲,也有一部分气体分子自Ⅱ侧直接抵达 I 侧,一部分气体分子与叶片碰撞后或返回Ⅱ侧或抵达 I 侧。如图 21(b) 所示,当 I 侧的气体分子与叶片相碰后反射方向在α1 角内的将又回到 I 侧,而反射方向在β1 角内的气体分子最后将进入到Ⅱ侧或散射回 I 侧,撞击在γ1 角内再反射的气体分子将进入Ⅱ侧;同样,凡是从Ⅱ侧入射到叶片上的气体分子在角α2 内再反射的气体分子仍回到 I 侧,在角γ2 内再反射的气体分子将散射到 I 侧,而在角度β2 内再反射的气体分子或散射到 I 侧或返回Ⅱ侧。从α1 、α2 、β1 、β2 、γ1 、γ2 角度的大小关系可以看出:气体分子从 I 侧最终通过叶片进入到Ⅱ侧的几率 M21 大于气体分子从Ⅱ侧最终到达 I 侧的几率 M 21 且叶片的运动速度 V 值越大,效果越明显,这样就实现了泵的抽气目的。叶片的倾角α、叶片弦长 b 、节弦比 S0 、线速度 V 对叶列的抽气效果都有影响。

        设 N1 、 N2 分别表示自 I 侧和 I 侧入射到叶片的气体分子流量。而用 W 表示由 I 侧到达

图:涡轮分子泵抽气机理计算公式

       Ⅱ侧的净气体分子流量与入射气体分子流量之比, W 称何氏系数,则有公式(6 · 1)或公式(6 · 2)

       假定叶片两侧温度相等,而且气体分子速度分布函数相同,则N2 / N1等是密度比n2 / n1等或是压缩比P2 / P1。即:(6 · 3)

       通过叶列的净气体流量为零时,可得最大压缩比 (6 · 4)

       在压缩比为 1 时 (P2 = P1 ) ,何氏系数最大,即 (6 · 5)

       实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成,即按动片、定片、动片、……次序交替排列的。泵的总压缩比是由叶列的级数决定的。在涡轮分子泵的设计中,应对多级叶列的组合进行优化选配。一般在泵入口侧附近应选择抽速较大的叶片形状及尺寸,其压缩比可以相对的小一些。在经过几级压缩之后气体压力升高,抽速下降了,这时就应该选择那种压缩比高、抽速低的叶片形状。这样设计可以使整台泵的抽气性能得到抽速大、压缩比高、级数少的理想结果。

       计算分子泵叶列传输几率M12和M21的方法很多。例如:积分方程法、角系数法、蒙特卡罗法、矩阵法、工程近似计算法等等。

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