渦輪分子泵損壞的原因及設計上的安全措施
渦輪分子泵損壞的原因可分為設計上的和使用上的兩方面的原因造成的。在設計上, 有材料方面的問題。如材質的選擇、毛坯的管理( 如轉子主軸加工后要垂直放置防彎變形) 材料缺陷的檢查等, 還有轉子整體的力學分析, 轉子葉片的固有頻率為轉軸轉數的整數倍時就會發生動片共振。突暴大氣瞬間1.05 s,動片也會彎曲振動可達0.49 mm 經7.5 s 彎曲量可達2.04 mm(試驗值)、疲勞, 以及轉子葉片與定子葉片間隙的合理選定, 加工精度和裝配精度等問題都要慎重考慮。當壓力突然升高( 大氣沖入)時, 轉子的葉片很薄很長, 在大氣壓力作用下, 會使動片與定片相接觸, 使轉子葉片被打得七零八落, 損壞嚴重。由于人們對此現象作了分析研究, 使這種情況可以避免發生。由于軸承的故障也能使定片和動片相接觸, 甚至材料缺陷也會造成事故的發生。
在使用上存在的問題也不少, 在泵口處異物的混入, 如玻璃碎片、墊片、螺釘等, 由于泵體是垂直的, 混入的異物會直接落到高速旋轉的葉片上造成事故。泵抽入腐蝕性氣體, 如三甲基鎵Ga(CH3)3 和三乙基鎵GA(C2H5)3 等。在抽吸這種氣體時, 它會與轉子的鋁合金材料起化學反應, 轉子的晶界受到腐蝕破壞, 隨著氣體的壓力和濃度的不同, 其破壞的速度也是不同的, 少則幾周, 多則幾個月。
一般將轉子葉片進行表面處理, 如制備氧化鋁膜或電鍍處理等。這樣作多少有些改善。但是,材料作到完全沒有氣孔、針孔, 實際上是不可能的, 就現實而言, 排除上述氣體不應該使用普通的渦輪分子泵, 而用專用的渦輪分子泵, 如陶瓷轉子耐腐蝕。
在抽吸反應性氣體時, 氣體在泵內遭到壓縮、壓力增高, 若殘余氣體成分中水分增加或氣體溫度遇冷處降低, 其固體生成物會在泵內的間隙處堆積。在轉子高速旋轉過程中, 這些堆積的固體生成物會與回轉體的部分或接觸或粘結其上。在這種情況下, 運動的葉片就會遭到損壞。此外, 使用油潤滑的軸承這種反應性氣體會使潤滑油變質, 惡化, 使軸承出現故障, 使回轉體損壞。為了減少固體的生成物, 要提高泵溫。在半導體制備過程中, 在低壓過渡流區域10 Pa 左右時抽除大量的氣體會在運轉過程中磨擦發熱, 使轉子葉片, 轉子筒的溫度增加。一般的鋁合金材料, 在150 以上由于它的蠕變特性, 材料的機械強度急劇下降。因此, 回轉體的溫度上升, 在高速回轉時, 可能由于離心力而使葉片遭到破壞的可能性也是有的。
圖：磁軸承式渦輪分子泵斷面圖
設計上的安全措施
在轉子設計時, 要進行回轉體整體的應力分析, 通過有限單元法計算和電測應力法加以驗證, 也有用電鏡進行組織結構觀察。要避免應力集中, 氣體負荷的安全率要合理設定。高速回轉體要做精密的動平衡, 動平衡取重時要避免裂紋產生, 以防腐蝕, 疲勞破壞。有時要作超轉數試驗以考核零件強度。
前蘇聯書籍中給出許可的不平衡量為:
D 許可= 6.4m/n ( g·cm)
式中m—— —轉子的質量, g
n—— —轉子的轉數, r/min
工業用的渦輪分子泵葉片頂端的圓周速度約為150~200 m/s, 而近代的渦輪分子泵的圓周速度則高達350~450 m/s。由于受材料強度所限很少再高的。因此在葉片的設計上引入等強度的概念, 使葉片的根部的厚度或寬度向外逐漸變薄或變窄。也有在葉片邊緣處加圓環或輪箍的以增加葉片的剛度和強度。
渦輪分子泵工作轉數的選擇, 一般都高于一階臨界轉數, 所以起動和停機都要經過一階臨界轉數, 因此會引起泵瞬間的振動。為了消除這個影響, 在設計傳動系統時, 主軸的軸承常用螺旋彈簧或蝶簧支撐下軸承外圈消除軸承間隙以防滑動。彈力一般為2~4 kg。為了消振, 在軸承外加橡膠阻尼環。阻尼環內徑上的膠圈的壓縮量為14%~16%( 如Φ3.5 橡膠環壓縮量為0.5 mm) ,阻尼環的外徑上的膠圈的壓縮量為8%~10%( 如Φ3.0 則壓縮量為0.25 mm) 。阻尼環內外有膠圈的作用是將內部振動轉為熱能而消失, 能對振動起隔離作用。
渦輪分子泵利用惰性氣體( N2、Ar) 來保護軸承潤滑。普通渦輪分子泵被抽氣體可以與軸承潤滑油自由接觸, 若是被抽氣體與泵油起化學反應則會破壞軸承的潤滑性能, 使軸承工作受到損害, 影響泵的安全工作。例如, 泵抽吸CF4、SiH4、SiCl、SF6 等氣體。解決這個問題最初的辦法是用一種難以發生化學反應的泵油。由于價格昂貴,運轉費用高, 而被第二種辦法所代替。即在設計時設有一條可以供應惰性氣體充入的氣路至上軸承的上方, 以防止被抽氣與軸承接觸。充入氣體的分子量要大些, 可以獲得較高的壓縮比, 使其返流困難, 以防充入氣體對泵入口壓力的影響。因此充入氣體要選擇合適的壓力和供氣量。因為惰性氣體比耐腐蝕的泵油的消耗便宜, 故常用此法來保護油對軸承的潤滑。
為了不使轉子溫度過高, 在設計時要確定轉子與泵體間的溫升。渦輪分子泵轉子葉片與被抽氣體分子摩擦生熱, 使高速回轉的轉子和泵體之間產生溫升ΔT, 通常有如下計算式
ΔT = n/k*lnPf
式中ΔT —— —轉子與泵體間的溫升, ℃
n—— —轉子的轉數, r/min
Pf —— —泵的前級壓力, mTorr
K—— —與氣體種類有關的常數, 其值如下:
抽空氣時: K=3713;抽H2 時: K=5203;抽He 時: K=4142;抽Ar 時: K=3097;
例: 若泵抽空氣K=3731 , 設n=24000r/min ,Pf =2×10- 2 Torr=20 mTorr , 將值代入上式則得:
ΔTair = n/k*lnPf = 24000/3717*ln20 = 19.4℃
該公式是實驗得到的經驗公式, 從中可以看出被抽氣體的分子量大時則k 值小, 這說明所得的溫升ΔT 高, 所以在相同的n 和Pf 的條件下分子量大則ΔT 高。因此在抽除一些高分子量氣體時摩擦生熱厲害。要很好考慮這個問題, 以防轉子溫升過高, 消失間隙, 造成轉子與定子的碰撞接觸, 讓成事故。
渦輪分子泵設計時要考慮的另一個技術問題是渦輪分子泵在外界強磁場作用下, 泵運轉的可靠性問題。渦輪分子泵在有磁場作用的條件下工作時, 轉子內有感應渦流存在。會導致轉軸和葉片產生熱變形。由于轉子和定子的間隙很小,一旦發熱變形會使轉子卡死, 葉片損壞等現象發生。此外還會產生制動力矩, 增加驅動負荷, 降低轉速。因此國外有些廠家對各種渦輪分子泵通過實驗確定其磁感應的許可值Bmax。渦輪分子泵在強磁場( 均勻的或脈沖磁場) 下工作時, 由于轉子葉片的高速轉動( 100~1000 Hz) ,動片與定片間隙在0.5~1.0 mm 之間, 一個導體在磁場內移動會產生電磁感應的渦流, 變成熱能損失。
Δp~ B2f/δ
式中Δp—— —渦流損失
B—— —磁感應強度
f—— —葉片的旋轉頻率;
δ—— —葉片材料的電阻率
Δp 與旋轉葉片的形狀有關, 葉片的長度大大超過葉片的寬度, 磁場會引起葉片發熱, 其主軸也會發熱使動片與定片的間隙變化。最大許可的Bmax 值的決定原則是, 即磁場影響使此間隙縮小一半時的B 值, 定為Bmax。在脈沖磁場條件下, 最大許可值為B'max
B'max = (1+t2/t1 ) "0. 5*Bmax
式中t1 —— —接通時間, s
t2 —— —斷開時間, s
如果改變泵殼材料, 對轉子進行鐵鎳合金的磁屏蔽, Bmax 值可增至四倍仍是許可的。
