渦輪分子泵特性及磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用
分子泵作為獲得真空環(huán)境的核心設(shè)備，在半導(dǎo)體與薄膜工業(yè)、核物理及表面科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。介紹了渦輪分子泵的工作原理與基本結(jié)構(gòu)特征，重點(diǎn)闡述了牽引式、渦輪式與復(fù)合式三種分子泵的結(jié)構(gòu)、材料與性能特征，最后給出了基于磁懸浮技術(shù)的高轉(zhuǎn)速渦輪分子泵承載力計(jì)算方法。
一、前言
分子泵是利用高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)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(qū)至排氣口抽走的機(jī)械式真空泵，如圖1所示。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)反觀由于近30年半導(dǎo)體產(chǎn)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(shè)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(yīng)用在更多的領(lǐng)域中。機(jī)械加工技術(shù)、動平衡技術(shù)、材料科學(xué)技術(shù)及磁懸浮技術(shù)的應(yīng)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(xué)家在分子泵抽氣機(jī)理的研究方面也不斷取得突破，使分子泵的性能和質(zhì)量都有了明顯的提高。
圖1 機(jī)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(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子相碰撞而獲得動能，被驅(qū)送到泵的出口的分子泵。
2)渦輪式分子泵：利用高速旋轉(zhuǎn)的動葉片和靜止的定葉片相互配合來實(shí)現(xiàn)抽氣的分子泵。
3)復(fù)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(cè)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(zhuǎn)子直徑為50m m，轉(zhuǎn)子上切有8個尺寸不同的槽，轉(zhuǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)室中開發(fā)了一種盤型分子泵，其結(jié)構(gòu)與現(xiàn)代牽引式分子泵相似，泵體上開有螺旋槽，轉(zhuǎn)子為一圓盤。1939年，LEYBOLD公司生產(chǎn)制造過兩臺，直徑540m m，槽的尺寸：內(nèi)側(cè)為22m m×22m m，外側(cè)為22m m×1m m，轉(zhuǎn)速3 700r/m i n，抽速可達(dá)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(yīng)用時受到很多限制，所以只能在一些特殊領(lǐng)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(jié)構(gòu)為臥式，泵腔內(nèi)裝有動、靜葉列，氣體由位于泵中央的吸氣口進(jìn)入，經(jīng)抽氣通道流至泵體兩側(cè)，被葉列壓縮最終由排氣口排出。此渦輪分子泵轉(zhuǎn)子由19級葉列組成，如圖2所示，直徑170mm，轉(zhuǎn)速為16 000r/min，抽速為140L/s。
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(zhuǎn)子直徑為286m m，轉(zhuǎn)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(chǎn)制造分子泵的廠家較多，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)分子泵的能力也比較強(qiáng)。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(zhuǎn)子直徑300m m，轉(zhuǎn)速12 000r/min，結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)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(dá)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(bǔ)了我國在這一領(lǐng)域的空白。但由于在設(shè)計(jì)、加工及磁懸浮技術(shù)應(yīng)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(dāng)前，現(xiàn)代分子泵的基本結(jié)構(gòu)基本定型為為臥式和立式兩種。臥式分子泵具有抽氣時轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置不動，維修方便等特點(diǎn)。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(xiàng)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，分子泵技術(shù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展并應(yīng)用于分子泵上，使分子泵實(shí)現(xiàn)了電腦控制，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離控制泵的起動、停車及調(diào)速，同時基于信息技術(shù)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(zhuǎn)速是加大抽速最為直接的方法之一，隨著動平衡技術(shù)的發(fā)展，分子泵轉(zhuǎn)子可順利地在超高轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，分子泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速得到進(jìn)一步提高。
近些年隨著半導(dǎo)體產(chǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)效果。為使分子泵適應(yīng)高壓工作環(huán)境，在原有渦輪分子泵基礎(chǔ)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(diǎn)的復(fù)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(qiáng)磁場、強(qiáng)腐蝕條件下工作的陶瓷分子泵，以及可實(shí)現(xiàn)無接觸支撐、高效率、高壽命的磁懸浮分子泵等。
圖3 寬頻域復(fù)合式分子泵
1.轉(zhuǎn)子 2.動葉列 3.靜葉列 4、8.保護(hù)裝置 5、7、9.磁力軸承 6.馬達(dá)
三、磁懸浮技術(shù)的應(yīng)用
1、分子泵中的磁懸浮軸承
軸承是分子泵的關(guān)鍵部件。軸承的質(zhì)量、性能和壽命直接影響分子泵的性能和使用壽命�，F(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(zhuǎn)子懸浮于空中，使轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸。其原理是磁感應(yīng)線與磁浮線垂直，軸心與磁浮線平行，因此轉(zhuǎn)子的重量就固定在運(yùn)轉(zhuǎn)的軌道上(如圖4所示)，利用幾乎無負(fù)載的軸心往反磁浮線方向頂撐，形成整個轉(zhuǎn)子懸空，在固定運(yùn)轉(zhuǎn)軌道上。
圖4 磁懸浮軸承原理圖
滾珠軸承結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)小型化，隨著材料科學(xué)的進(jìn)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?yàn)榇艖腋≥S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(shí)現(xiàn)完全無油化。
2)由于轉(zhuǎn)子與定子之間沒有機(jī)械接觸，軸承的壽命非常長。
3)與傳統(tǒng)軸承相比，轉(zhuǎn)子可運(yùn)行到很高的轉(zhuǎn)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(yīng)用
由于磁懸浮軸承所體現(xiàn)出的眾多優(yōu)點(diǎn)，從20世紀(jì)70年代開始，許多真空設(shè)備公司就開始研究此項(xiàng)技術(shù)，使其應(yīng)用于分子泵技術(shù)領(lǐng)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(jié)構(gòu)與現(xiàn)在廣泛使用的磁懸浮軸承結(jié)構(gòu)有所不同，分子泵中心軸是固定的，轉(zhuǎn)子繞中心軸旋轉(zhuǎn)。但由于技術(shù)并不成熟，事故多，成本高，未能普及。
直至20世紀(jì)80年代中期，日本一些真空設(shè)備制造公司，在德國的磁懸浮技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出結(jié)構(gòu)更為合理，性能更為先進(jìn)的內(nèi)環(huán)式旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)自由度。對于渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子來說，為保證其正常工作，沿軸線回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)。對五個自由度進(jìn)行控制的磁懸浮軸承稱為五軸控制型，對四個自由度進(jìn)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(shù)中，電磁力是由電磁鐵或永久磁鐵在磁路中產(chǎn)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(guān)。
作為驅(qū)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(yīng)強(qiáng)度；A0——定子與轉(zhuǎn)子鐵心間空隙橫截面面積；μ0——真空磁導(dǎo)率。
通常，磁懸浮軸承定子和轉(zhuǎn)子均采用磁性材料，定子鐵心磁導(dǎo)率與轉(zhuǎn)子鐵心磁導(dǎo)率均遠(yuǎn)大于真空磁導(dǎo)率。通過磁感應(yīng)強(qiáng)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)尺寸及參數(shù)。當(dāng)磁懸浮軸承設(shè)計(jì)完成，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)磁懸浮軸承參數(shù)的影響，當(dāng)承載力增大時，磁懸浮軸承的線圈匝數(shù)、結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子的慣性離心力，這相當(dāng)于個外加的擾動力，使定子和轉(zhuǎn)子之間的氣隙x 在一定范圍內(nèi)變化，造成損失。
四、結(jié)語
以上綜述了國內(nèi)外分子泵的發(fā)展歷程，介紹了三種主要分子泵的工作原理與結(jié)構(gòu)參數(shù)，并給出了新型磁懸浮分子泵的承載力計(jì)算方法。高檔數(shù)控機(jī)床、材料科學(xué)、信息與磁懸浮等技術(shù)的發(fā)展為改善分子泵性能，進(jìn)一步提升環(huán)境真空度提供了條件。
