分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介.docx

分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介分子增压泵是基于拖动原理的高真空泵，同时具有优良的中真空抽气能力，是 我国拥有独立知识产权的新一代真空泵虽然姗姗来迟，但面对蓬勃发展的真空技术 领域，正赶上了大好时机分子增压泵的问世，使得广大的真空技术用户能在丰富多 彩的泵种中增加了选择的机会为了更好地为真空产业服务，特将该泵与有悠久传统 的涡轮分子泵从工作机理的差异上做一简单介绍一、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（1/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10A4Y###1010图 1 2 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0 低8 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8 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 切血图42图3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0 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2动轮的形状4为了便于6分析，可以8把 10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妙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，所以平均地讲可以用图5 右边所图5 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2n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， dn为该可能反射方向附近的一小立体角元，即包括了一个小小的方向间隔有了方向间隔才能对所有 2 n立体角空间范围进行划分如0为dn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dP -^1 cos 0即除了与方向间隔dn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n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108 6 4 2eltITSIXAY10E'D'C'图 12 4 图 13如图12,当叶列以很关的速度运动时，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ZCAD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ZBAE范围内的分子显然不能通过而返回至2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2结果有可能通4过，也有可能6不0 能通过而返回8 右侧 2同样1， 0如图13 ，叶4 列左侧的气体分子以与叶列相度沿着b‘ a，方向碰撞到叶片的a x A, 点，按克努曾余弦定律反射，反射方向落在ZB' A E'范围内的分子皆不X AXIS Tite能通过而返回叶列左侧而反射方向落在ZC' 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ZB' 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ZCAD>ZC' 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ZB' A' E'>Z 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1图 124 1.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X AXIS TItle 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 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。