現代渦輪分子泵的進展
本文敘述了渦輪分子泵近期迅速發展的原因，渦輪分子泵采用的軸承型式的演變過程，寬域型復合分子泵的開發與磁懸浮軸承在渦輪分子泵上的應用。
自從1957 年德國W.Becker 發明渦輪分子泵以來，科學技術經過幾十年不斷進步，渦輪分子泵相應的也得到了不斷的改進和創新。無論在結構或性能上都出現了許多新的特點：智能、靈活和高效。在產品的質量和技術水平上都有長足的進步。
動平衡技術與減震技術的發展，使渦輪分子泵可順利地在超高轉速下穩定運轉。由于材料科學的進展，渦輪分子泵的轉子部分可用鋁合金、鈦合金以及碳纖維等高強度材料制成，使得轉子的轉速得到進一步的提高。葉列的切線速度幾乎可達一般氣體的最可幾速度的水平，因而，泵的主要性能：抽速和壓縮比得到很大提高。由于泵對碳氫化合物等重氣體的壓縮比很大，難以返回到泵的入口，故可獲得無油清潔的真空環境。變頻技術的發展，使渦輪分子泵動力源的頻率可方便調控。控制單元可集成化。
磁懸浮技術的發展，磁懸浮軸承在渦輪分子泵上很快得到應用，實現了無接觸式的支撐，使泵的損耗低、效率高、震動噪音極低，實現了高的可靠性，有些泵的工作壽命高達20 萬小時。由于這種軸承無需潤滑，泵可作任意方向安裝。采用氣體凈化技術，渦輪分子泵可抽除有腐蝕性的氣體，滿足了某些特殊工藝的要求。
控制理論與信息技術的進步，實現電腦控制，使渦輪分子泵實現智能化、靈活控制，可遠距離實現泵的啟動、停車和調速，具有完善的監控系統，使泵達到了一個新的水平。數控加工技術的進步，使渦輪分子泵走上了精細加工的道路，轉子可整體加工保證了產品的質量和精度，使結構緊湊，產品小型化。需要渦輪分子泵的抽氣量擴大，工作壓力范圍從分子流過渡到中間流或粘滯流區域，為此研發了寬域型復合分子泵。
因特殊工藝的需要，市場出售一種在入口側可獲得高真空而前級側可直接對大氣進行排氣的真空泵。這種泵在結構上采用渦輪級葉片，牽引級螺旋抽氣通道以及渦旋級小葉片多級串聯的組合形式，是分子泵的一種延伸(如圖1 所示)。
圖1 直排大氣高真空干泵 圖2 軸控制型渦輪分子泵
1.泵口法蘭； 2.保護軸承；3.永久磁鐵； 6.馬達； 8.振動傳感器；10.機械減振器； 11.軸向磁軸承；13.泵出口法蘭
1、渦輪分子泵迅速普及的原因
渦輪分子泵具有如下優點：
(1)它可連續排氣；
(2)易獲得清潔的超高真空；
(3)對一般氣體，抽速幾乎相同；
(4)操作與維護簡單，維修周期長；
(5)啟動和停車時間短；
(6)振動與噪音低。
提高渦輪分子泵轉子葉片的線速度，可使泵的抽速和壓縮比增加。在回轉體應力許可的范圍內，盡量采用高速回轉。對于小型渦輪分子泵，徑向尺寸小，要滿足高的葉片線速度就必須增大轉數，如每分鐘可達7~9 萬轉。這樣高速回轉機械的可靠運轉要特別重視。對渦輪分子泵來說，它的軸承系統和驅動系統是關鍵部位，必須要很好重視。
在半導體制造領域，以前常用的超高真空泵，主要是低溫泵和擴散泵。現在多被渦輪分子泵所取代。其原因是：渦輪分子泵可靠性提高了。半導體制造業用的真空泵必須滿足如下三個條件：
(1)容易獲得清潔的超高真空；
(2)泵要能連續地排氣，提高設備的利用率；
(3)泵要操作簡單，工作可靠。
渦輪分子泵的優點1、2 和4 項能滿足上述的三個要求，在半導體制造行業得到迅速普及應用。
擴散泵和渦輪分子泵都能連續排氣。但不同的是油擴散泵抽氣，會使抽氣管道中有大量的油蒸汽存在，污染真空系統，所以半導體制造工藝中很少采用擴散泵了。
低溫泵的抽速很大，且容易獲得清潔的超高真空。這是低溫泵的最大優點。但它是捕集式真空泵，不能連續排氣。在排除大量工藝氣體時，工作周期短，必須進行再生處理，使設備的生產效率降低了。特別是在抽除危險性氣體的工藝過程中，再生作業，還伴隨有危險性存在。因而也就被渦輪分子泵取而代之了。
2、渦輪分子泵軸承型式的改進
如上所述，渦輪分子泵可靠性高，實現穩定的高速運轉，是與軸承的不斷改進密切相關的。渦輪分子泵使用的軸承，有如下幾種型式。
(1)磁力軸承(磁懸浮軸承)
磁懸浮軸承是現代渦輪分子泵軸承型式的主流。其原因是磁力軸承與其他類型的軸承相比，它具有很多優點。國內外對磁力軸承的開發十分重視，如將磁力軸承型渦輪分子泵的可靠性進一步提高，成本進一步下降，它才能得到大面積的推廣應用。
磁力軸承有以下優點：
① 不用任何潤滑油，可實現完全無油的真空泵；
② 不存在潤滑部分，軸承壽命非常長，甚至不需要維修；
③ 振動及噪音極低；
④ 泵的安裝姿勢不受限制， 可任意角度安裝；
⑤ 軸承部分用干燥氣體凈化，可在腐蝕性氣霧中使用。
軸承的這些特點和渦輪分子泵的優點，綜合起來，構成的磁懸浮渦輪分子泵，在現代半導體行業，各種鍍膜工藝設備和現代理化儀器上得到廣泛應用。
渦輪分子泵的轉子重心有6 個自由度，除泵沿軸線轉動之外，用5 組電磁鐵控制5 個自由度的稱為5 軸控制型渦輪分子泵。若在軸向用永久
磁鐵來使其運轉穩定的泵稱為4 軸控制型渦輪分子泵。用一組軸向控制的電磁鐵和兩組徑向控制的電磁鐵組成的泵，稱為3 軸控制型的渦輪分子泵。靠永久磁鐵吸引力或用反作用力，使徑向穩定，在軸承上僅用一組電磁鐵的稱為1 軸控制型渦輪分子泵。
為了降低泵的價格，傳感器小型化，控制軸數減少也是發展的動向，這些年來國外一些公司出售的300~500 L/s 的1 軸控制型的渦輪分子泵所示。
(2)滾珠軸承
磁軸承型渦輪分子泵是急待普及的一種型式，而價格便宜的油或脂潤滑式的滾珠軸承仍在采用，如大型的渦輪分子泵用油潤滑的陶瓷軸承。渦輪分子泵用油潤滑軸承，會出現油分子返流。雖然從渦輪分子泵的抽氣原理得知：渦輪分子泵對油的返流很少，幾乎達到可忽略的程度。
但用油勢必有油污染的可能性。渦輪分子泵的最大市場是半導體制造業，要求系統干式化。而有油潤滑的渦輪分子泵，由于有油分子在泵內流動，有油池存在，難以實現泵的小型化，對泵的安裝姿態受到限制，只能垂直安裝。為了解決這些問題曾一度開發了脂潤滑式的滾珠軸承型的渦輪分子泵，可實現小型化，安裝方向不受限制。最近使用陶瓷球滾珠軸承的較多，維修周期可在兩年以上。
(3)靜壓氣體軸承
這種軸承的渦輪分子泵是為核聚變裝置上使用而開發的。它采用靜壓氣體軸承是因為在核聚變裝置上使用油潤滑軸承，氚會使潤滑油惡化。用磁力軸承，由于強力磁場的存在，難以使轉子穩定運轉。強磁場中運轉的轉子會產生渦流而發熱，可引起葉片膨脹和轉數下降。為了避免這些問題的出現，把泵的轉子做成陶瓷的使其不受強磁場的影響，驅動系統采用氣體透平機，實現了不用潤滑油和磁場的真空泵。
(4)組合型軸承
用不同形式軸承組合的渦輪分子泵，市場上出售的有如下三種：
① 泵的上部配置永久磁鐵的徑向軸承，在泵的下側配置樞軸承，以負擔軸向和徑向負荷的渦輪分子泵，如圖3 所示。由于樞軸承用油潤滑，必須直立安裝。由于滑動部分做得極小，和磁懸浮軸承渦輪分子泵有同等程度的振動和長壽命，成本也下降了。
② 把上部磁力軸承做成2 軸控制型，下部配置樞軸承的渦輪分子泵。
③ 上部軸承使用永久磁鐵軸承，下部軸承采用燈芯給油式的滾珠軸承，安裝位置可由垂直向水平方向傾斜。這種軸承，上側軸承為永磁型不用維修，維修只有下部的滾珠軸承。這種軸承給油也簡單。
3、寬域型復合分子泵的開發
普通的渦輪分子泵在分子流范圍內工作，效率高，排氣良好。當遇到大流量的氣體負荷時，流動狀態也變化了，泵要適應工作壓力領域的拓寬，否則抽速要下降，吸氣口壓力要上升。為了補救這個缺點，開發了寬域型復合分子泵，將渦輪分子泵葉片和牽引分子泵的葉輪綜合起來實現寬域抽氣，如圖4 所示。這種轉子在分子流范圍內能有效地排氣，再串以螺旋槽式通道使之從過渡流到粘滯流范圍也能有效地排氣，使工作壓力范圍向高壓側擴張成為可能。
圖3 永久磁鐵+ 樞軸承式的渦輪分子泵
1.金屬保護網；2.磁軸承；3.保護裝置；4.馬達；5.樞軸承；6.空冷用風扇；7.排氣口；8.吸氣口；9.整體式轉子；10.靜葉列；11.動葉列
圖4 寬域型復合分子泵
寬域型復合分子泵有兩個特點：
(1)數百Pa 的背壓，保持完全的壓縮能力，
(2)大量氣體流過泵時復合分子泵的入口壓力仍保持很低。
這種泵的背壓高，前級泵的容量可以縮小，寬域復合式分子泵使用成本低，占地面積小，排氣系統緊湊，適于大流量時的排氣。
在半導體工藝裝備中，如刻蝕裝置和CVD裝置等的排氣系統中，要求工藝壓力保持很低，還要有大量反應氣體流過，如圖5 所示。由于該泵軸流葉列級數少，與一般渦輪分子泵相比, 對輕氣體的壓縮比較低，極限壓力也少許高一點。
4、磁懸浮軸承在渦輪分子泵上的應用
從字面上理解該軸承就是利用磁力把物體懸浮在空間，回轉體與軸承無接觸，無需潤滑的軸承，因此可獲得低振動，低噪音和清潔的工作環境。
剛體在空間支承時，它有三個平動的自由度和三個回轉的自由度，要支持這個剛體，必須對這6 個自由度加以控制。
對于渦輪分子泵的轉子沿軸線回轉的自由度不能限制，否則轉子就不能工作了。因此對回轉體有5 個自由度要加以控制。對于磁軸承來說其支持力可用永久磁鐵或電磁鐵的磁力來實現。若回轉不穩定就要用電磁鐵實行控制使其穩定，這種類型的磁軸承稱作控制型或能動型的。對全軸進行控制的則稱為五軸控制型的。如圖6 所示為磁軸承的基本結構。
圖5 使用反應氣體的半導體制造的真空裝置的工作條件
1.離子注入； 2 . 反應蒸發離子噴鍍； 3 . 反應濺射； 4 . RIE ；5.P 刻蝕； 6.PCVD；7.LPCVD
圖6 5 軸控制型磁軸承的基本構造示意
回轉體的半徑方向上備有8 個電磁鐵(①~⑧為徑向磁軸承)，軸向上各有2 個電磁鐵(⑨和⑩為軸向磁軸承)。除了軸的旋轉自由度外，能夠主動的控制5 個自由度(3 個重心移動的自由度，2 個重心轉動的自由度)，構成了將回轉體支承在空間的結構。
位移傳感器位于幾乎和電磁鐵相同的位置上，可以隨時檢測回轉體的狀態，利用電磁鐵的反饋控制系統調節各電磁鐵線圈的電流。即調節電磁鐵的吸引力使回轉體支承在中心位置上。使用渦流型或電感型位移傳感器的磁軸承渦輪分子泵的剖面如圖7 所示。
1).吸氣口法蘭；(2).靜葉片； (3).隔板；(4). 驅動軸；(5). 高頻電機定子；(6). 排氣口；(7). 滾珠軸承；(8). 傳感器；(9). 止推磁力軸承；(10). 傳感器；(11). 下部徑向磁力軸承；(12). 電源導入接頭；(13).上部徑向磁力軸承；(14).傳感器；(15).滾珠軸承(無潤滑)；(16).轉動葉片；(17).保護網
圖7 磁軸承渦輪分子泵剖面圖
磁軸承的負載能力與電磁鐵的最大吸引力有關。電磁鐵各部件及所需的吸引力取決于回轉體的重量。
作為驅動力的電磁鐵的吸引力由下式表示
式中F———吸引力；μ0———真空導磁率；A———磁極面積；NI———激磁力(線圈匝數×激磁電流)；l———磁路長度；μr———磁極的比導磁率；δ———空隙的長度；v———漏磁系數
圖8 中回轉軸的上下有兩個電磁鐵的激磁線圈并通以電流，回轉軸被非接觸式支承著。
圖8 徑向軸承控制系統的示意圖
回轉軸的質量為m，上下電磁鐵與回轉軸之間的間隙為Xa 和Xb，上下電磁鐵通過的電流為ia 和ib。僅在垂直方向上1 個自由度系統的運動方程式可寫成：
其中兩電磁鐵合成的吸引力Fm 為
式中μ0、S、N 分別為真空導磁率，磁鐵斷面積及激磁線圈的匝數，當轉子處于平衡時，間隙和激磁電流為Xa0、ia0、Xb0 和ib0。
徑向軸承在平衡狀態時處于間隙中央位置Xa0=Xb0。Δx 的變化使Δi 相應變化。回轉軸向下移動的話，用位移傳感器探測出這個移動量，由相位校正回路，直線檢波回路，功率放大器構成控制回路，使上側的電磁鐵的激磁電流增加，吸引力相應增大，回轉體軸被上拉復位。控制回路中采用的位移傳感器是非接觸變位計或用電感型位移傳感器。
磁軸承渦輪分子泵內裝高頻電機用的變頻電源，控制回路，保護用的蓄電池。為了避免徑向傳感器輸出功率的溫度浮移或為了獲得更寬的直線工作范圍，常常對置一對傳感器。軸向傳感器由于結構原因而單獨使用。
圖9 給出了徑向磁力軸承和軸向磁力軸承的原理圖。
①激磁線圈；②定子磁軛；③位移傳感器；④軸⑤轉子磁軛；⑥定子磁軛；⑦激磁線圈；⑧激磁線圈
圖9 徑向和軸向磁力軸承的原理圖
軸承的負荷容量依賴于電磁鐵的最大吸引力。電磁鐵結構如圖10 所示。對于徑向軸承的磁極面積A 及激磁力NI 為：
式中α———磁極角(弧度，57.29578°)；hR———(軸承寬)積層厚度；D0———定子內徑；D1———定子線圈外徑；σ———線圈電流密度；η———線圈的充填系數(占空因數)
圖10 軸承電磁鐵的構造
對于軸向軸承的磁極面積和激磁力為
式中d0,d3———定子軛鐵的內徑及外徑；d1,d2———線圈的內徑及外徑；hT———軛鐵的深度
這里的磁通量NI 用(4)式表示磁路中的磁通密度B，考慮最大吸引力時不飽和，它由NI 決定
根據上述公式可以決定電磁鐵的必要尺寸和參數。圖11 為徑向電磁鐵負荷容量的計算例題。
圖11 徑向電磁鐵負荷容量實例
一般電磁鐵的最大負荷容量對徑向軸承單位面積平均為50 N，對軸向軸承單位面積平均為80 N 左右。
軸承除負荷之外還有損失的問題。回轉體越大，磁軸承損失引起的回轉體發熱越大。
一般控制型磁軸承的損失，通常比機械式軸承的損失要小很多。但泵轉子在真空中非接觸回轉，周圍沒有流體的熱傳導，故回轉體的熱量無法傳走，越積越多，使溫度上升，只能靠輻射冷卻來平衡軸承的損失，這種冷卻效果很小，所以必須降低軸承的損失。
電磁鐵的損失如下式表示
式中ρ———比電阻；Ke，Kh 為常數；Bm———最大磁通密度；d———硅鋼片厚度；f———頻率
上式右側第一項為渦流損失，第二項為磁滯損失。渦流損失如圖12 所示。
圖12 渦流損失發生原理
渦輪分子泵臥式配置時回轉體的自重要徑向軸承來承擔，增加磁通量，損失增大了，圖13給出電磁鐵的不同配置方式。回轉體的重量和軸承的損失關系如圖14 所示。
圖13 橫臥放置的徑向軸承的電磁鐵的配置和支持力
為了降低軸承的損失，磁鐵設計時要精心考慮。
渦輪分子泵高速旋轉的轉子葉列，無論發生哪種意想不到的事故(如停電，斷水等)都會引起致命的破壞；特別是磁力軸承，安全措施必須完備。
圖14 安裝姿勢和軸承損失的關系
圖15 為渦輪分子泵導入大氣試驗。從圖中可見，吸氣口導入大氣后壓力上升，回轉體的轉數從額定轉數445 rps 減到45 rps。軸承溫度和軸向變位卻影響不大。
圖15 渦輪分子泵大氣導入的試驗結果
以上以磁懸浮渦輪分子泵為重點，概述了現代渦輪分子泵的進展。由于掌握近期的資料較少，一定有很多錯誤，望指正為盼。
