Pfeiffer Vacuum

4.9.1.1 涡轮分子泵工作原理

包括转子和定子叶片排列的泵送作用是基于将脉冲从快速旋 转的叶片传输给被泵送的气体分子。与叶片碰撞的分子被吸 附在叶片上,然后在一段时间后再次离开叶片。在该过程 中,叶片速度被加到热分子速度上。为确保由叶片传输的速 度成分不因与其他分子碰撞而损失,分子流必须在泵中占主 导地位,即:平均自由程必须大于叶片间距。

在动能泵的情况下,在泵送气体时出现反压力;这导致回 流。抽速以 $S_0$表示。体积流量随压力增加而减少,并在最大 压缩比 $K_0$ 时达到 0 值。

涡轮分子泵的工作原理

图 4.22: 涡轮分子泵的工作原理

压缩比

以 $K_0$ 表示的压缩比可根据 Gaede 进行估计 [25]。以下适用 于外观密实的叶片结构(图 4.22):

\[K_0=\mbox{exp}\left( \frac{1}{g} \cdot \frac{1}{\mbox{sin} \alpha} \cdot \frac{v}{\bar{c}} \right)\]

公式 4-8: 涡轮分子泵的压缩比

$\bar{c}$ 平均分子速度 [m · s-1]
$v$ 圆周速度 [m · s-1]

几何比率取自 图 4.22。系数 $g$ 在1 和 3 之间 [26]。从方 程中明显可以看出,$K_0$ 随叶片速度 $v$ 以及 $\sqrt{M}$ 以指数方式增加,因为

$\bar{c}=\sqrt{\frac{8 \cdot R \cdot T}{\pi \cdot M}}$ (公式 1-10)

因此,例如,氮的压缩比明显高于氢的压缩比。

体积流量(抽速)

抽速 $S_0$ 与入口面积 $A$ 和叶片的平均圆周速度 $v$, (即转速) 成正比。考虑到叶片角度 $\alpha$,结果:

\[S_0=\frac{1}{2} \cdot A \cdot v \cdot \mbox{sin} \alpha \cdot \mbox{cos} \alpha = \frac{1}{4} \cdot A \cdot v \cdot \mbox{sin}2 \alpha\]

公式 4-9: 涡轮分子泵的抽速

考虑到法兰入口电导

$C_{Ef}=\frac{\bar{c}}{4} \cdot A$ (公式 1-24)

以及最佳叶片角度为 45°,根据以下 公式,得出重型气体( 分子重量 > 20)涡轮分子泵近似有效抽速 Seff:

\[S_{eff}=\frac{S_0 \cdot L_{Ef}}{S_0+L_{Ef}}=\frac{A \cdot v}{4 \cdot \left(\frac{v}{\bar{c}}+1\right)}\]

公式 4-10: 涡轮分子泵的有效抽速

用有效抽速除以最上层圆盘有叶片的入口表面积并考虑叶片 厚度堵塞的面积与系数 $d_f \approx$ 0.9,得出使用氮的涡轮分子泵的 具体抽速,例如(图 4.23中的曲线):

\[S_A=\frac{S_{eff}}{A}=\frac{d_f \cdot v}{4 \cdot \left(\frac{v}{\bar{c}}+1\right)}\]

公式 4-11: 具体抽速

在 图 4.23 中,Y 轴上绘制的是具体抽速,以 l · s-1 · cm-2 为单位,X 轴上绘制的是平均叶片速度 $v=\pi \cdot f \cdot (R_a+R_i)$ 。从该点垂直向上移动,与曲线交叉点显示的是泵的最大具体抽速 $S_A$。 用该值乘以入口盘有叶片的表面积: $A=(R_a^2 - R_i^2) \cdot \pi$,求出泵的抽速,并把它与目录信息进行比较。

具体涡轮分子泵的抽速

图 4.23: 具体涡轮分子泵的抽速

图 4.23 中所绘制的点是普发真空在所示泵测量值的基础上确 定的。远远高于绘制曲线的点实际上是不可能的。

因相对分子质量产生的抽速

图 4.24: 因相对分子质量产生的抽速

因入口压力产生的抽速

图 4.25: 因入口压力产生的抽速

因而所确定的抽速仍然没有说明有关轻型气体的值,如氢。 如果涡轮分子泵专为低极限压力而设计,则使用具有各种叶 片角度的泵级且针对氢的最大抽速对阶段性变化进行优化。 这将使泵产生针对氢(约 1,000)和氮产生足够的压缩比, 由于氮在空气中高分压,它应该为 109。在纯粹涡轮分子 泵的情况下,由于其分子流,需要的前级真空压力大约为 10-2 mbar。

Holweck 级的工作原理

图 4.26: Holweck 级的工作原理

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