通用机械：涡轮分子泵

利用高速旋转的动叶轮将动量传给气体分子﹐使气体产生定向流动而抽气的真空泵。涡轮分子泵的优点是激活快﹐能抗各种射线的照射﹐耐大气冲击﹐无气体存储和解吸效应﹐无油蒸气污染或污染很少﹐能获得清洁的超高真空。涡轮分子泵广泛用于高能加速器﹑可控热核反应装置﹑重粒子加速器和高级电子器件制造等方面。 结构和工作原理 1958年﹐联邦德国的W.贝克首次提出有实用价值的涡轮分子泵﹐以后相继出现了各种不同结构的分子泵﹐主要有立式和卧式两种﹐图1 立式涡轮分子泵的结构图 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>为立式涡轮分子泵的结构图。涡轮分子泵主要由泵体﹑带叶片的转子(即动叶轮)﹑静叶轮和驱动系统等组成。动叶轮外缘的线速度高达气体分子热运动的速度(一般为150～400米/秒)。单个叶轮的压缩比很小﹐涡轮分子泵要由十多个动叶轮和静叶轮组成。动叶轮和静叶轮交替排列。动﹑静叶轮几何尺寸基本相同﹐但叶片倾斜角相反。javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>图2 涡轮分子泵的静叶轮和动叶轮 为20个动叶轮组成的整体式转子。每两个动叶轮之间装一个静叶轮。静叶轮外缘用环固定并使动﹑静叶轮间保持1毫米左右的间隙﹐动叶轮可在静叶轮间自由旋转。

图3 动叶片的工作示意图 javascript:window.open(this.src);" style="cursor: pointer;"/>为一个动叶片的工作示意图。在运动叶片两侧的气体分子呈漫散射。在叶轮左侧(图3a 动叶片的工作示意图 )﹐当气体分子到达A 点附近时﹐在角度 1内反射的气体分子回到左侧﹔在角度 1内反射的气体分子一部分回到左侧﹐另一部分穿过叶片到达右侧﹔在角度 1内反射的气体分子将直接穿过叶片到达右侧。同理﹐在叶轮右侧(图3b 动叶片的工作示意图 )﹐当气体分子入射到B 点附近时﹐在 2角度内反射的气体分子将返回右侧﹔在 2角度内反射的气体分子一部分到达左侧﹐另一部分返回右侧﹔在 2角度内反射的气体分子穿过叶片到达左侧。倾斜叶片的运动使气体分子从左侧穿过叶片到达右侧﹐比从右侧穿过叶片到达左侧的几率大得多。叶轮连续旋转﹐气体分子便不断地由左侧流向右侧﹐从而产生抽气作用。

性能和特点 泵的排气压力与进气压力之比称为压缩比。压缩比除与泵的级数和转速有关外﹐还与气体种类有关。分子量大的气体有高的压缩比。对氮(或空气)的压缩比为108～109﹔对氢为102～104﹔对分子量大的气体如油蒸气则大于1010。泵的极限压力为10-9帕﹐工作压力范围为10-1～10-8帕﹐抽气速率为几十到几千升每秒(1升＝10-3米3)。涡轮分子泵必须在分子流状态(气体分子的平均自由程远大于导管截面最大尺寸的流态)下工作才能显示出它的优越性﹐因此要求配有工作压力为1～10-2帕的前级真空泵。分子泵本身由转速为10000～60000转/分的中频电动机直联驱动。