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正航儀器整理渦輪分子泵的抽氣原理與結(jié)構(gòu) 

(1). 渦輪分子泵的抽氣原理 

分子泵輸送氣體應(yīng)滿足二個(gè)必要條件： 1). 渦輪分子泵必須在分子流狀態(tài)下工作。因?yàn)楫?dāng)將一定容積的容器中所含氣體的壓力降低時(shí)，其中氣體分子的平均自由程則隨之增加。在常壓下空氣分子的平均自由程 只有 0.06 μm ，即平均看一個(gè)氣體分子只要在空間運(yùn)動(dòng) 0.06 μm ，就可能與第二個(gè)氣體分子相碰。而在 1.3Pa 時(shí)，分子間平均自由程可達(dá) 4.4mm 。若平均自由程增加到大于容器壁間的距離時(shí)，氣體分子與器壁的碰撞機(jī)會(huì)將大于氣體分子之間的碰撞機(jī)會(huì)。在分子流范圍內(nèi)，氣體分子的平均自由程長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于分 子泵葉片之間的間距。當(dāng)器壁由不動(dòng)的定子葉片與運(yùn)動(dòng)著的轉(zhuǎn)子葉片組成時(shí)，氣體分子就會(huì)較多地射向轉(zhuǎn)子和定子葉片，為形成氣體分子的定向運(yùn)動(dòng)打下基礎(chǔ)。 2). 分子泵的轉(zhuǎn)子葉片必須具有與氣體分子速度相近的線速度。具有這樣的高速度才能使氣體分子與動(dòng)葉片相碰撞后改變隨機(jī)散射的特性而作定向運(yùn)動(dòng)。 

分子泵的轉(zhuǎn)速越高，對(duì)提高分子泵的抽速越有利。實(shí)踐表明，對(duì)不同分子量的氣體分子其速度越大，泵抽除越困難。例： H2 在空氣中含量甚徽，但由于 H2 分子具有很大的運(yùn)動(dòng)速度 ( 最可幾速度為 1557m /s) ，所以分子泵對(duì) H2 的抽吸困難。通過對(duì)極限真空中殘余氣體的分析，可發(fā)現(xiàn)氫氣比重可達(dá) 85 ％，而分子量較大，而運(yùn)動(dòng)速度慢的油分子所占的比重幾乎為零。這就是分子泵對(duì)油蒸氣等高分子量的氣體的壓縮比很高，抽吸效果好的原因。 

現(xiàn)以渦輪分子泵的一個(gè)葉片為例說明它的抽氣原理。假設(shè)一個(gè)軸流式單葉列在分子流范圍內(nèi)以速度 V 運(yùn)動(dòng)。 

設(shè) I 側(cè)為吸入側(cè)，Ⅱ側(cè)為排氣側(cè)。從 I 側(cè)向Ⅱ側(cè)運(yùn)動(dòng)的氣體分子，可分為以下幾種情況：有一部分氣體分子與葉片的端部相碰返回 I 側(cè)，一部分氣體分子直接通過葉片槽到達(dá)Ⅱ側(cè)，還有一部分氣體分子在葉片槽內(nèi)與葉片壁相碰，其碰撞結(jié)果將使一部分到達(dá)Ⅱ側(cè)，而另一部分氣體分子返回 I 側(cè)。同樣，對(duì)于Ⅱ側(cè)來講，也有一部分氣體分子自Ⅱ側(cè)直接抵達(dá) I 側(cè)，一部分氣體分子與葉片碰撞后或返回Ⅱ側(cè)或抵達(dá) I 側(cè)。如圖 21(b) 所示，當(dāng) I 側(cè)的氣體分子與葉片相碰后反射方向在α1 角內(nèi)的將又回到 I 側(cè)，而反射方向在β1 角內(nèi)的氣體分子最后將進(jìn)入到Ⅱ側(cè)或散射回 I 側(cè)，撞擊在γ1 角內(nèi)再反射的氣體分子將進(jìn)入Ⅱ側(cè)；同樣，凡是從Ⅱ側(cè)入射到葉片上的氣體分子在角α2 內(nèi)再反射的氣體分子仍回到 I 側(cè)，在角γ2 內(nèi)再反射的氣體分子將散射到 I 側(cè)，而在角度β2 內(nèi)再反射的氣體分子或散射到 I 側(cè)或返回Ⅱ側(cè)。從α1 、α2 、β1 、β2 、γ1 、γ2 角度的大小關(guān)系可以看出：氣體分子從 I 側(cè)最終通過葉片進(jìn)入到Ⅱ側(cè)的幾率 M21 大于氣體分子從Ⅱ側(cè)最終到達(dá) I 側(cè)的幾率 M 21 且葉片的運(yùn)動(dòng)速度 V 值越大，效果越明顯，這樣就實(shí)現(xiàn)了泵的抽氣目的。葉片的傾角α、葉片弦長(zhǎng) b 、節(jié)弦比 S0 、線速度 V 對(duì)葉列的抽氣效果都有影響。 

設(shè) N1 、 N2 分別表示自 I 側(cè)和 I 側(cè)入射到葉片的氣體分子流量。而用 W 表示由 I 側(cè)到達(dá) 

Ⅱ側(cè)的凈氣體分子流量與入射氣體分子流量之比， W 稱何氏系數(shù)，則有 

(6 · 1) 

或 (6 · 2) 

假定葉片兩側(cè)溫度相等，而且氣體分子速度分布函數(shù)相同，則N2 / N1等是密度比n2 / n1等或是壓縮比P2 / P1。即：

(6 · 3) 

通過葉列的凈氣體流量為零時(shí)，可得最大壓縮比 

(6 · 4) 

在壓縮比為 1 時(shí) (P2 = P1 ) ，何氏系數(shù)最大，即 

(6 · 5) 

實(shí)際的渦輪分子泵都是由多級(jí)葉列串聯(lián)組成，即按動(dòng)片、定片、動(dòng)片、……次序交替排列的。泵的總壓縮比是由葉列的級(jí)數(shù) 決定的。在渦輪分子泵的設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)多級(jí)葉列的組合進(jìn)行優(yōu)化選配。一般在泵入口側(cè)附近應(yīng)選擇抽速較大的葉片形狀及尺寸，其壓縮比可以相對(duì)的小一些。在經(jīng)過 幾級(jí)壓縮之后氣體壓力升高，抽速下降了，這時(shí)就應(yīng)該選擇那種壓縮比高、抽速低的葉片形狀。這樣設(shè)計(jì)可以使整臺(tái)泵的抽氣性能得到抽速大、壓縮比高、級(jí)數(shù)少的 理想結(jié)果。 

計(jì)算分子泵葉列傳輸幾率M12和M21的方法很多。例如：積分方程法、角系數(shù)法、蒙特卡羅法、矩陣法、工程近似計(jì)算法等等。 

(2) 渦輪分子泵結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 

1) 臥式渦輪分子泵 臥式渦輪分子泵特點(diǎn)是其轉(zhuǎn)子主軸水平布置。這種結(jié)構(gòu)的分子泵是雙軸流的，吸氣口在兩組抽氣單元的中央，氣體吸入后，分別被左右兩側(cè)的葉列組合抽走。軸承分別裝在各抽氣單元的排氣側(cè)。 

這種型式泵的特點(diǎn)是抽氣時(shí)轉(zhuǎn)子受力均勻，軸承定位、受力狀態(tài)好，使用壽命長(zhǎng)，且軸承更換過程中，轉(zhuǎn)子位置不動(dòng)，維修方便。