渦輪分子泵特性及磁懸浮技術的應用

2013-10-27 楊實禹內蒙古工業(yè)大學

　　分子泵作為獲得真空環(huán)境的核心設備，在半導體與薄膜工業(yè)、核物理及表面科學等領域有著廣泛的應用前景。介紹了渦輪分子泵的工作原理與基本結構特征，重點闡述了牽引式、渦輪式與復合式三種分子泵的結構、材料與性能特征，最后給出了基于磁懸浮技術的高轉速渦輪分子泵承載力計算方法。

一、前言

　　分子泵是利用高速旋轉的轉子把動能傳輸給氣體分子，使之獲得定向速度從而被壓縮驅至排氣口抽走的機械式真空泵，如圖1所示。真空技術網(http://shengya888.com/)反觀由于近30年半導體產業(yè)的飛速發(fā)展，各種高性能分子泵的需求越來越大，世界上各大真空設備廠家也在積極地開發(fā)和研制不同種類、型號的分子泵，使之可以應用在更多的領域中。機械加工技術、動平衡技術、材料科學技術及磁懸浮技術的應用使分子泵的抽速與壓縮比都有了很大提高，與此同時世界各國科學家在分子泵抽氣機理的研究方面也不斷取得突破，使分子泵的性能和質量都有了明顯的提高。

機械式渦輪分子泵

圖1 機械式渦輪分子泵

　　分子泵大致可分為以下三類：

　　1)牽引式分子泵：氣體分子與高速旋轉的轉子相碰撞而獲得動能，被驅送到泵的出口的分子泵。

　　2)渦輪式分子泵：利用高速旋轉的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實現(xiàn)抽氣的分子泵。

　　3)復合式分子泵：能在高壓區(qū)域保持較高的抽氣性能，在原有的渦輪分子泵的高壓側配置了螺旋式的牽引分子泵，將兩種泵的抽氣單元串聯(lián)的分子泵。

二、分子泵的發(fā)展

　　1、早期分子泵

　　1912年，德國人W.Gaede發(fā)明了世界上第一臺分子泵，它的轉子直徑為50m m，轉子上切有8個尺寸不同的槽，轉速為12 000r/min，抽速約為1.5L/s。這種泵的工作原理與現(xiàn)代分子泵的工作原理一致，但由于故障多很快被淘汰，未能普及。

　　1926年，M.siegbahn在瑞典的大學實驗室中開發(fā)了一種盤型分子泵，其結構與現(xiàn)代牽引式分子泵相似，泵體上開有螺旋槽，轉子為一圓盤。1939年，LEYBOLD公司生產制造過兩臺，直徑540m m，槽的尺寸：內側為22m m×22m m，外側為22m m×1m m，轉速3 700r/m i n，抽速可達73L/s。

　　早期的分子泵均為牽引式分子泵，這種泵的體積大，抽速小，間隙小，故障多，應用時受到很多限制，所以只能在一些特殊領域使用，未能普及。

　　2、渦輪分子泵的出現(xiàn)

　　1957年，德國PFEIFFER公司的W.Becker發(fā)明了一種新型的分子泵，命名為渦輪分子泵。其結構為臥式，泵腔內裝有動、靜葉列，氣體由位于泵中央的吸氣口進入，經抽氣通道流至泵體兩側，被葉列壓縮最終由排氣口排出。此渦輪分子泵轉子由19級葉列組成，如圖2所示，直徑170mm，轉速為16 000r/min，抽速為140L/s。

W.Becker渦輪分子泵

圖2 W.Becker渦輪分子泵

　　1966年，法國S E N C M A公司開發(fā)了一種14級葉列的立式渦輪分子泵，其轉子直徑為286m m，轉速為12 000r/min，抽速為650L/s，開創(chuàng)了立式渦輪分子泵的先河。

　　日本生產制造分子泵的廠家較多，設計、生產分子泵的能力也比較強。1971年日本理化研究所成功研制了一種13級動葉列，12級靜葉列，轉子直徑300m m，轉速12 000r/min，結構較為先進的立式分子泵。1990年，日本的大阪真空公司又首先成功研制了抽速可達25 000L/s的大型分子泵。

　　我國的渦輪分子泵行業(yè)起步比較早，1964年，上海真空泵廠成功地研制了F W-140型臥式渦輪分子泵，填補了我國在這一領域的空白。但由于在設計、加工及磁懸浮技術應用等方面的不足，渦輪分子泵在我國仍處于較為落后的境況。

　　當前，現(xiàn)代分子泵的基本結構基本定型為為臥式和立式兩種。臥式分子泵具有抽氣時轉子受力均勻，軸承定位受力狀態(tài)好，使用壽命長，軸承更換過程中轉子位置不動，維修方便等特點。立式分子泵的裝配工藝要比臥式分子泵簡單，所以近些年立式分子泵的發(fā)展速度很快。

　　3、現(xiàn)代分子泵

　　從分子泵誕生至今，已有近百年的歷史，隨著各項科學技術的不斷進步，分子泵技術也取得了許多創(chuàng)新與突破，現(xiàn)代分子泵更是朝著智能、靈活、高效的方向發(fā)展。

　　近些年隨著控制理論與計算機技術的飛速發(fā)展并應用于分子泵上，使分子泵實現(xiàn)了電腦控制，從而實現(xiàn)了遠距離控制泵的起動、停車及調速，同時基于信息技術可建立完善的安全及監(jiān)控系統(tǒng)，使分子泵朝向智能化方向發(fā)展。

　　抽速是分子泵的核心參數(shù)，提高轉速是加大抽速最為直接的方法之一，隨著動平衡技術的發(fā)展，分子泵轉子可順利地在超高轉速下穩(wěn)定運轉。隨著材料科學的發(fā)展，分子泵轉子材料也發(fā)生了變化，可用硬鋁合金、碳纖維、鈦合金等高硬度材料制成，這使轉子的轉速得到進一步提高。

　　近些年隨著半導體產業(yè)的發(fā)展，很多情況要求分子泵在高壓環(huán)境下連續(xù)大量排氣且保證獲得潔凈真空。傳統(tǒng)渦輪分子泵在此環(huán)境下工作性能下降很多，很難保證實現(xiàn)設計效果。為使分子泵適應高壓工作環(huán)境，在原有渦輪分子泵基礎上加裝牽引式分子泵部分，將渦輪分子泵與牽引式分子泵串聯(lián)在一起，組成具有渦輪分子泵與牽引式分子泵各自優(yōu)點的復合式分子泵(如圖3所示)。

　　除此之外，近些年還出現(xiàn)了多種新型分子泵，如可有效抽取水分子的低溫型分子泵，可在強磁場、強腐蝕條件下工作的陶瓷分子泵，以及可實現(xiàn)無接觸支撐、高效率、高壽命的磁懸浮分子泵等。

寬頻域復合式分子泵

圖3 寬頻域復合式分子泵

1.轉子 2.動葉列 3.靜葉列 4、8.保護裝置 5、7、9.磁力軸承 6.馬達

三、磁懸浮技術的應用

　　1、分子泵中的磁懸浮軸承

　　軸承是分子泵的關鍵部件。軸承的質量、性能和壽命直接影響分子泵的性能和使用壽命。現(xiàn)階段常見的分子泵軸承有滾珠軸承和正在發(fā)展中的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承是利用磁力作用將轉子懸浮于空中，使轉子與定子之間沒有機械接觸。其原理是磁感應線與磁浮線垂直，軸心與磁浮線平行，因此轉子的重量就固定在運轉的軌道上(如圖4所示)，利用幾乎無負載的軸心往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉子懸空，在固定運轉軌道上。

磁懸浮軸承原理圖

圖4 磁懸浮軸承原理圖

　　滾珠軸承結構簡單，價格便宜，現(xiàn)在仍然被大量使用，而且新開發(fā)的脂潤滑式的分子泵也可實現(xiàn)小型化，隨著材料科學的進步，越來越多的滾珠軸承使用了陶瓷材料，維修周期也可在兩年以上。但磁懸浮式分子泵依然是現(xiàn)代分子泵發(fā)展的主流趨勢，因為磁懸浮軸承有著其他種類軸承不可替代的優(yōu)勢：

　　1)不用任何潤滑油，可實現(xiàn)完全無油化。

　　2)由于轉子與定子之間沒有機械接觸，軸承的壽命非常長。

　　3)與傳統(tǒng)軸承相比，轉子可運行到很高的轉速。

　　4)振動與噪聲很低。

　　5)泵的安裝姿態(tài)不受限制，可任意角度安裝。

　　2、磁懸浮軸承的應用

　　由于磁懸浮軸承所體現(xiàn)出的眾多優(yōu)點，從20世紀70年代開始，許多真空設備公司就開始研究此項技術，使其應用于分子泵技術領域。1976年，德國L E Y B O L D公司開發(fā)了世界上第一臺完全無接觸的磁懸浮軸承分子泵。其結構與現(xiàn)在廣泛使用的磁懸浮軸承結構有所不同，分子泵中心軸是固定的，轉子繞中心軸旋轉。但由于技術并不成熟，事故多，成本高，未能普及。

　　直至20世紀80年代中期，日本一些真空設備制造公司，在德國的磁懸浮技術基礎上進行改進，開發(fā)出結構更為合理，性能更為先進的內環(huán)式旋轉磁懸浮渦輪分子泵。

　　剛體在空間固定時，需要控制其三個平移自由度和三個回轉自由度。對于渦輪分子泵的轉子來說，為保證其正常工作，沿軸線回轉的自由度不能限制，其余五個自由度需加以控制。磁懸浮軸承對其轉子的支撐力及自由度的控制可通過永久磁鐵及電磁鐵來實現(xiàn)。對五個自由度進行控制的磁懸浮軸承稱為五軸控制型，對四個自由度進行控制的稱為四軸控制型，同理，磁懸浮軸承還有三軸控制型、兩軸控制型及一軸控制型。磁懸浮軸承的控制軸數(shù)越多，制造成本越高，但五軸控制型磁懸浮軸承仍為發(fā)展的主流。

　　在磁懸浮技術中，電磁力是由電磁鐵或永久磁鐵在磁路中產生磁通而發(fā)揮承載作用的。承載能力與電磁鐵最大吸引力有關。

　　作為驅動力的電磁鐵吸引力由下式表示：

　　式中 F ——吸引力；B0——空隙中磁感應強度；A0——定子與轉子鐵心間空隙橫截面面積；μ0——真空磁導率。

　　通常，磁懸浮軸承定子和轉子均采用磁性材料，定子鐵心磁導率與轉子鐵心磁導率均遠大于真空磁導率。通過磁感應強度公式及安培環(huán)路定律，可得出磁懸浮軸承承載力為

　　式中 n ——線圈匝數(shù)；I——后力磁電流；x——定子與轉子鐵心間氣隙長度。

　　根據(jù)以上公式確定磁懸浮軸承電磁鐵主要結構尺寸及參數(shù)。當磁懸浮軸承設計完成，結構參數(shù)確定時，k 為常數(shù)。承載力主要在兩個方面對磁懸浮軸承有很大影響：一方面對于設計磁懸浮軸承參數(shù)的影響，當承載力增大時，磁懸浮軸承的線圈匝數(shù)、結構尺寸、電流及能耗都會隨之增大。反之則會減小。另一方面是對于已定的磁懸浮軸承能量損失的影響，由于承載力的主要影響因素是轉子的慣性離心力，這相當于個外加的擾動力，使定子和轉子之間的氣隙x 在一定范圍內變化，造成損失。