（流体机械及工程专业论文）分子增压泵结构、性能及其应用的研究.pdf

分子增压泵结构、性能及其应用的研究 摘要 分子增压泵是最近实现产业化的新型分子泵，它采用国际首创的专利结 构，结构简单，运行稳定，兼容中高真空，具有广阔的应用前景。 本文在充分讨论分子增压泵抽气原理的基础上，介绍了它的结构和性能， 并对其主要性能指标进行了测试。测试结果表明，分子i 增压泵在中高真空具有 强劲抽速，并可以获得清洁真空。鉴于分子，增压泵己成功应用于真空镀膜领域 并取得显著效果，本文深入探讨和研究了分子增压泵在磁控溅射离子镀膜机和 大型连续镀膜生产线中的应用，为其在更多真空领域的应用奠定了理论和实验 基础。 分子增压泵是新型泵种，它在每个真空技术领域的推广应用都是具有开拓 性的。本课题的完成，是其产品化的- - , j , 步，却是其发展壮大的一大步。 关键词：分子增压泵结构性能测试真空镀膜 s t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o n , p e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o n o fm o l e c u l a rb o o s t e rp u m p a b s t r a c t m o l e c u l a rb o o s t e rp u m p ( m b p ) i san e wg e n e r a t i o no f v a c u u mp u m p sw h i c hi s i n v e n t e db yd r c h u w i t hs p e c i a lc o n f i g u r a t i o n , m b pc a l lr u ns t e a d i l ya n do b t a i n c l e a nm e d i u m - t o - h i g hv a c u u n l ，s oi tw i l lh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni nf u t u r e t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep u m p i n g p r i n c i p l eo fm b pd e e p l y a n dt h e nd i s c r i b e s i t sc o n s t r u c t i o na n dp e r f o r m a n c e t h em a i np e r f o r m a n c ef i g u r e so f m b pw e r et e s t e d ， a n dt h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o w e dt h a tm b ph a sh i 曲p u m p i n gs p e e di n m e d i u m - t o - h i g hv a c u u l t i ，w h i c hi sv e r yc l e a n m b pi ss u c c e s s f u l l yu s e di nv a c u u m c o a t i n gf i e l da n dw i d e l ya c c e p t e db yt h eu s e r s i tm a k e sg r e a ts e n s ct od i s c u s sa n d r e s e a r c ht h ea p p l i c a t i o no f m b pi nl a r g es p u t t e r i n gc o a t e r sa n dc o n s e c u t i v e l yc o a t i n g p r o d u c t i v el i n e s t h ee x p e r i m e n tw i l ll a yt h e o r e t i c a lf u n d a t i o nf o ri t s f u r t h e r a p p l i c a t i o ni no t h e rv a c u u r nf i e l d s i ti sp i o n e e r i n gt od i s s e m i n a t ea n da p p l ym b pi ne v e r yv a c u u ma p p l i c a t i o nf i e l d a n di t sag r e a tp l e a s u r ef o rm et oc o n t r i b u t et oi t k e yw o r d s ：m b p ；c o n s t r u c t i o n ；p e r f o r m a n c e ；t e s t = v a c u u mc o a t i n g 插图清单 图1 1w g a e d e 分子泵2 图1 2f h o l w e c k 分子泵2 图1 3m s i e g b a h n 分子泵2 图1 - 4w b e c h e r 涡轮分子泵3 图1 5 法国a i c a 船l 公司的复合分子泵 图2 1 涡轮分子泵单叶列简化结构图6 图2 - 2 牵引分子泵抽气槽示意图 图2 3 柱托泵抽气槽的展开图 图2 4 两级牵引分子泵串联工作示意图 图2 5 图2 - 6 盘型牵引分子泵的基本结构示意图 分子增压泵结构示意图 7 8 1 ( ) 1 l 图2 7 分子增压泵动轮结构示意图1 2 图2 8 分子增压泵静轮结构示意图 图2 - 9 分子，增压泵堵片结构示意图 图2 1 0 分子增压泵吸气级结构示意图1 3 图2 1 1 分子增压泵与涡轮分子泵转子对比示意图1 4 图2 1 2 分子，增压泵、高压强涡轮分子泵和罗茨泵的典型抽气特性比较1 5 图2 1 3 分子增压泵与涡轮分子泵、罗茨泵和扩散泵压强工作范围比较1 6 图3 1定容法测量抽速的系统图 图3 2 定压法测抽速的系统图 1 8 1 9 图3 3压差法测试罩示意图2 1 图3 - 4 分子增压泵抽速测试装置示意图 图3 - 5 分子，增压泵抽速测试曲线 图3 - 6 分子增压泵极限真空测试 图3 7 分子增压泵烘烤前残余气体棒图 2 2 ：1 8 2 8 2 8 9 图3 8 分子增压泵烘烤后残余气体棒图2 9 图3 - 9 分子增压泵残余气体质谱图 图4 1 镀膜机真空室结构示意图 图4 2 镀膜机真空系统示意图 2 9 3 5 3 5 图4 3 镀膜机原有真空系统工作流程图3 6 图4 4 镀膜机实验一方案图3 7 图f f - 2 0 0 本底质谱图 图4 - 6m b 2 0 0 d 本底质谱图 3 8 3 8 图 m b 2 0 0 d 与f f 2 0 0 抽速比较3 9 图4 - 8 镀膜机实验二方案图 图禾9 镀膜机实验二真空系统工作流程图4 0 图4 - 1 0 目前箱体式溅射、离子镀膜机真空机组。4 l 图4 1 1 分子，增压泵箱体式镀膜机真空机组4 1 图4 1 2 分子增压泵用于磁控溅射、离子镀膜机4 2 图4 - 1 3 典型的磁控溅射镀膜生产线4 3 图4 - 1 4 生产线进片室机组改造方案图4 6 图4 1 5 分子增压泵用于重离子加速器差分系统4 8 图4 1 6 分子增压泵排气台用抽气机组。4 9 表格清单 表1 - 1 我国真空获得产品概况l 表2 1 分子，增压泵与涡轮分子泵、罗茨泵和扩散泵的综合性能比较1 6 表3 1 小型滴管质量测量表2 3 表3 - 2 大型滴管质量测量表2 3 表3 3 分子增压泵抽速测试记录表2 7 表3 - 4 分子增压泵不同频率的极限真空2 9 表3 5 分子，增压泵1 - p 表3 0 表4 1 加速器的类型及其真空度范围3 2 表4 2 主要物理气相沉积方法的比较3 3 表4 3 镀膜机镀膜工艺3 6 表4 4 生产线改造方案一试验结果4 6 表4 5 生产线改造方案二试验结果4 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 盒g 王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文b 强： 砷年f 埚若品 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金蟹王些太堂有关保留，使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权盒 胆工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者 签字日期：7 年? 月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 孝武 2 研年产月厶e t f 致谢 回首即将告别的大学生活，我心潮起伏。 叩拜我的父母，是他们养育了我，培养了我，他们为我整个求学过程特别 是大学所付出的艰辛和努力只有我最清楚。没有他们，就没有我。 感谢导师朱武老师在整个大学期间对我学习和生活上的帮助，他平易近人， 乐于帮助学生，是同学们的良师益友。在论文完成期间，朱老师给予我细心的 指导和不懈的支持。同时还要感谢真空教研室的其他老师对我的无私帮助。 特别感谢龚建华老师和深圳大学储继国老师对我学术上的点拨。龚老师学 富五车，见解独到；储老师精益求精，循循善诱，他们教授的知识和学习方法， 令我享用终身。 感谢师兄张永胜、杨有财对我学习和生活上的关怀，感谢贺成玉、王策同 学对我的莫大帮助，感谢伍建华、王绍良、于玲等同学对我的鼓励，有了他们， 我的生活不再寂寞。 感谢周汉等深圳同学给予我的帮助。 感谢深圳市摩尔真空技术有限公司领导和员工对我实习的支持。 感谢默默帮助过我的人。 雄关漫道真如铁，而今迈步从头越。谨以此文为我的求学生涯画个句号。 作者：段献学 2 0 0 7 年1 1 月 1 i 引言 第一章绪论 真空技术的飞跃发展给近代科学和工业生产带来了不可估量的贡献：粒子 加速器、半导体和集成电路、电视、真空冶金、可控核聚变、真空镀膜、表面 科学等等重大科技领域都离不开真空【1 1 。近年来，随着我国真空技术应用领域 的不断扩大，各种真空获得设备的发展非常迅速。表l l 为我国真空获得产品 概况【2 1 。 表1 一l 我国真空获得产品概况 泵水环 旋片泵 滑阀罗茨扩散分子离子 低温 种泵泵泵 泵 千泵总计 泵泵 泵 台 数 3 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 05 ，0 0 08 ，0 0 0 3 ，0 0 0 1 0 0 1 ，2 0 0 4 0 06 0 2 4 7 ，7 6 0 比 1 2 8 l 2 3 l 0 0 4 0 5 o i o 0 2 例 排 2l4 3 58679 位 从表中不难看出我国生产的真空获得产品，极大多数是属于传统的真空获 得设备，高真空泵是以油扩散泵为主。随着真空技术应用的不断深入，传统的 工业领域，如真空冶金、真空热处理、真空镀膜、真空浸渍干燥、真空蒸馏、 真空排气等行业对真空获得设备提出了更高的要求。近年来，随着半导体、平 板显示( l c d ，p d p ，o u d ) 、太阳能光伏电池、化学工业、生物制药等高新 技术产业的发展，真空系统出现了更新换代的局面，有油的真空系统正逐步被 清洁无油的真空系统所代替。 扩散泵、分子泵、离子泵和低温泵为高真空和超高真空获得设备，其中， 前两者在工业生产中应用尤为广泛。扩散泵为传统的高真空获得设备，结构简 单，成本低，工作介质为油，返油严重；分子泵抽气稳定，对大分子量气体压 缩比很高，可以获得清洁真空。目前，在很多应用领域，扩散泵正逐步被分子 泵所替代。 1 2 分子泵的分类、发展历史及前景 分子泵有三类，即牵引分子泵、涡轮分子泵和复合分子泵。 最早的分子泵是于1 9 1 3 年由w c r a e a e 教授发明的。他利用分子拖动原理成 功研制了第一台能获得高真空的分子泵，这种泵完全不同于容积式机械泵依靠 容积变化来抽气的原理，而是靠高速运动的刚体表面传递给气体以动量，使气 体分子沿表面运动的方向定向运动，从而产生宏观气体的输运压缩作用这种 泵的结构如图1 1 所示。它的转子直径为0 5 0 m m ，厚度约为2 0 m m ，在转子上 切有8 个尺寸不同的槽。转子的转速为1 2 0 0 r m i n 。前级压力为1 3 0 0 p a 时极限 压力为4 1 0 。p a ，其抽速约为1 5 l s 1 口日 笪；上上 燮蛰 图1 - 1w g a e x l c 分子泵 1 9 2 3 年e h o l w e c k 开发了一种筒型的分子泵，其结构如图1 - 2 所示。该泵 转子直径为0 1 5 0 m m ，长为2 3 0 r a m ，转子的转速为3 0 0 0 4 5 0 0 r r a i n 。转子与泵 体之间的间隙为0 0 2 5 0 0 5 0 m m 。出口压力为2 7 0 0 p a 时极限压力为1 3 x l o - 3 p a ，抽速为4 5 8 l s 。 一 图1 - 2e h o l w k 分子泵 图1 - 3m s i e g b a h n 分子泵 1 9 2 6 年m s i e g b a h n 在瑞典的大学物理实验室开发了一种高抽速的盘型分子 泵，如图1 - 3 所示。该泵在泵体上开有螺旋槽，转子为一圆盘。直径为0 5 4 0 m m ， 槽的尺寸：外侧为2 2 x 2 2 m m ，内侧为2 2 xl m m ，转速为3 7 0 0 r m i n ，极限压力 为8 1 0 d p a ，抽速为7 3 l s 。 上述筒型和盘型结构分子泵均为牵引分子泵系列。牵引分子泵结构简单、 压缩比高、高压强性能优良。但由于该泵加工精度要求高，抽速低，尽管在其 后的几十年中有一些改进，但都未能在原理和结构上做革命性的变革，因此没 有得到推广应用。现在牵引分子结构一般作为复合分子泵的压缩级，提高了其 抽气性能。 2 1 9 6 6 年，美国的h h a b l a n i a n 教授和德国的w b e c h e r 博士依据分子动力学 的原理，发明了一种大抽速的可获得超高真空的新型分子泵，即涡轮分子泵。 这种泵的结构为卧式的，被抽气体由泵体中央的吸气口进入，经过泵内的动、 静叶列交替排列的抽气通道流至轴向两侧，气体被叶列压缩后由排气口排出， 其具体结构如图1 4 所示。转子的直径为0 1 7 0 m m 。转子是由1 9 级叶列组成。 转速为1 6 0 0 0 r m i n ，抽速为1 4 0 l s ，对h 2 的压缩比为2 5 0 ，对空气的压缩比为 1 0 7 。 图1 4w b e c h 日涡轮分子泵 1 9 6 6 年法国s e n c m a 公司l r u b c t 开发了一种立式涡轮分子泵。这种泵有 1 4 级叶列，转子直径为0 2 8 6 m m ，转速为1 2 0 0 0 r m i n ，抽速为6 5 0 l s 。 现在涡轮分子泵的基本结构有两种，一种是卧式的，另一种是立式的。但 其结构和型号各不相同，以满足各种需求。由于涡轮分予泵具有抽速大、容易 获得清洁真空、振动小等优点，自问世以来，各世界著名公司纷纷投入大量人 力、物力和财力研究开发，使得涡轮分子泵性能更加完善，制造加工工艺成熟， 应用广泛。 1 9 7 4 年法国开发了一种新型的分子泵，这种分子泵由涡轮级和牵引级组成， 称为复合分子泵，其结构如图1 5 所示。涡轮级共有七级叶片( 动片4 级，定 片3 级) ，牵引级是将螺旋槽加工在泵体上。这种泵的转子用空气轴承支撑，运 转时用压缩空气使转子从泵体上悬浮起来，有孔径为0 2 m m 的1 5 个宝石喷咀 给轴承和马达供气，泵备有专门供气系统，保证转子先浮起后旋转。这种泵对 使用条件要求非常严格，因而限制了它的使用。 图1 - 5 法国a l c a t e l 公司的复合分子泵 3 1 9 8 3 年大阪真空公司采用了新的设计理论，增大了径向间隙，成功地研制 了复合式分子泵。小型泵的径向间隙为o 2 o 5 m m ，大型泵可达l m m 以上。 因此人们不再担心转子与泵体因接触而发生事故，可实现高速运转1 3 , 4 1 。 复合分子泵基本上有两种类型，一种是由涡轮分子泵加上螺旋槽式牵引泵 组成，另一种是由涡轮分子泵加上盘式牵引泵组成。复合分子泵将涡轮分子泵 和牵引分子泵两者的优点有机地结合在一起。在入口处，利用了涡轮分子泵的 若干级叶轮以获得大的抽速；在压缩级，利用牵引分子泵获得高的压缩比，大 大提高分子泵的性能复合分子泵操作简单，在分子流区域内对各种气体的有 效抽速几乎不变，对分子量高的气体压缩比大，从而被广泛应用于表面工程、 核能工业、等离子体技术、薄膜工程、电子工业等领域。 1 3 新一代分子泵分子增压泵 1 3 1 涡轮分子泵和复合分子泵的局限性 涡轮分子泵是以高速旋转的转子和定子互相配合来工作的。其定子和转子 是叶齿倾角方向相反的涡轮叶轮，按照转子一定子一转子一定子- 转子 组合在一起，转予高速旋转，定子固定于泵体上。涡轮分子泵工作在分子流状 态，此时气体分子从入口侧流向出口侧的正向传输几率远大于出口侧流向入口 侧的反向传输几率。理论和实验指出，入口压力，大约从p = 1 0 4 1 o p a 再提 高时，在泵的工作轮中，就会出现过渡流或粘滞流状态，因而会显著地影响泵 的抽速和压缩比【”。涡轮分子泵的转子结构复杂，不但加工困难，而且，如果 压强出现突然波动，分子泵工作在粘滞流，其叶轮很可能相擦，出现所谓的“剃 光头”现象，整个转子报废，损失严重。因此，涡轮分子泵连续工作压强最好 低于1 p a ，不能承受大气冲击。 复合分子泵自问世以来，以其优越的性能迅速得到广泛应用。它将分子泵 的优良性能扩展到过渡流甚至是粘滞流，最大入口压强可以达到l o p a 但由于 它吸气级仍为涡轮叶片，难以稳定工作在粘滞流，即l o p a 以上高压强，不宜抵 抗高压强的气流冲击，这大大制约了它的应用。 分子泵具有高的压缩比，特别是对大分子量的油蒸汽分子压缩比更高，因 此可以获得清洁真空；分子泵极限压强低，可以获得高真空甚至超高真空；分 子泵抽速大，抽气稳定，性价比高但是，从实际应用看，以上两种分子泵， 最大入口压强低，只能稳定工作在分子流，而且由于其本身结构的制约，损害 率较高，年损害率有的达到1 0 以上，维修费用昂贵，大大制约了它们的应用。 1 3 2 分子增压泵 导致涡轮分子泵和复合分子泵启动压强低且易损坏的根本原因在于涡轮叶 片，而涡轮级对整体性能作出的贡献主要是提高泵的抽速。基于直接对牵引分 子泵的结构进行改进以获得较大抽速的思想，深圳大学储继国教授发明了新型 4 牵引分子泵分子增压泵。他将传统牵引分子泵转子圆周面的单拖动面改为 在转子上设置许多并联抽气槽，每个抽气槽的槽底、槽的侧壁面都对气体有牵 引作用，因而在相同转子尺寸下，每增加一个抽气槽就可以增加一对侧壁拖动 面。这样如果适当增加抽气槽数，并调整槽深的大小，就可以获得大的抽速p 。 分子增压泵克服了传统牵引分子泵抽速小的缺点，使其达到涡轮分子泵水 平；分子增压泵工作压强范围宽，最大可连续运行压强达l o o p a 3 0 0 p a ，极限 压强小于5 1 0 a ；分子，增压泵结构简单，转子上无任何叶片，能承受大气冲 击；分子增压泵压缩比高，能获得清洁真空例 1 4 本课题研究的内容及意义 分子增压泵是深圳市摩尔真空技术有限公司生产的新型分子泵，它具有优 良的中高真空性能，最大入口压强达l o o p a ，能获得清洁中高真空，结构简单， 是很有发展前途的新型泵种。 目前，分子，增压泵已成功用于： ( 1 ) 中国科学院近代物理研究所的重离子加速器，攻克了国内外加速器领 域中一直未能解决的大流量差分系统的返油难题，大幅度提高了重离子加速器 气体靶的分析精度。 ( 2 ) 安徽宁国光学材料科技有限公司的大型磁控溅射连续镀膜设备进片 室，生产效率提高3 0 ，节电1 5 k w ，年节电7 5 万度，镀膜产品质量显著提高。 ( 3 ) 中国科学院等离子体研究所的“人造小太阳”实验装置( e a s t ) ，攻 克了获得清洁中真空难题 ( 4 ) 上海祥麟电光有限公司( 台资) 的彩色液晶显示屏背光源生产线，取 得生产效率提高4 倍，寿命显著提高，能耗降低9 0 的优异成绩。 ( 5 ) 稀土永磁材料真空熔炼炉，抽气时间缩短5 0 ，节电9 5 ，熔炼产 品质量提高。 ( 6 ) 深圳某真空镀膜有限公司磁控溅射离子镀膜设备，简化抽气系统，降 低能耗，显著提高辉光清洗和磁控溅射的稳定性，提高镀膜产品的一致性。 任何一个产品的问世都需要接受市场的检验，在分子增压泵成功推向市场 之际，对其在真空技术领域的应用做深入的探讨和分析无疑是大有裨益的。 本课题主要内容包括：比较分子增压泵与涡轮分子泵、复合分子泵原理和 结构的差别，理解其抽气模型；对分子增压泵主要性能指标进行测试；深入探 讨目前分子增压泵在不同领域的应用，展望其未来的应用发展前途。 分子泵是真空获得技术的主要研究和发展方向【1 0 】，在工业发达国家和地区， 分子泵的市场占有率已大于5 0 ，而牵引分子泵的研究和应用更是一个崭新的 领域。因此，本课题也是处于国际真空技术前沿的课题【1 1 3 1 。 5 第二章分子增压泵的原理、结构及性能 2 1 传统分子泵的结构及其抽气原理 2 1 1 涡轮分子泵的结构及其抽气原理 涡轮分子泵是以高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来抽气的。 涡轮分子泵的抽气组件是由多极转子叶列和多极定子叶列相间排列组成 的。假设涡轮分子泵的一个单叶列的简化模型如图2 1 所示。经过叶列的气体 分子的平均自由程远远大于叶列通道的几何尺寸，气体分子服从麦克斯韦速度 分布，以平均热运动速度运动，在叶列上吸附及解吸遵守余弦定律，叶片的厚 度t 远小于节距a ，故可略去不计。在半径方向上叶片的运动速度认为是常量订。 对于叶片的参数常以倾角幽节弦比印= 4 b 和无因次速度比c l = 疗，2 r r ，肘 来表征。 侧 图2 1 涡轮分子泵单叶列简化结构图 从侧到侧的通过几率为尬2 ，从侧到侧的通过几率为 如l 。在侧 的气体分子密度为n l ，压力为p 1 ，气体温度为n ，通道口面积为a 1 ，在侧相 应的为n 2 ，p 2 ，疋和彳2 气体分子从侧到侧的净气流量为 等4 日= 等4 m ：一等以 ( 2 _ 1 ) 式中h 表征抽气效率的的抽气系数( 也称何氏系数) 。 若a | - = a 2 ，t l = t 2 ，见p l = n 2ih i ，则式( 2 1 ) 可写成 日= m z 一鲁鸩t ( 2 - 2 ) 或 红p l 鲁m 2 一卺m l2 l 若p l = p 2 ( 即n l 铆2 ) 则由式( 2 - 2 ) 得最大抽气系数为 6 日一= m 1 2 一m 2 i ( 2 - 4 ) 若h = 0 ( 即抽速等于零时) 则由式( 2 3 ) 得最大压缩比墨。为 k 2 一2 急( 2 - 5 ， kp l 朋2 1 在分子流范围内，单叶列的抽气特性可用式( 2 4 ) 和( 2 5 ) 两式来表示。 气体分子通过叶列的通过几率胍2 和m 2 l 与叶列的速度比c 1 ，叶倾角瘌叶 列的节弦比口b 有关 涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成的，即转子、定子、转子、定子、转 子，转子，按次序转子和定子交替排列。叶列的级数是由泵要求的压缩 比来确定的，一般涡轮分子泵都有1 5 3 1 级叶列。通常选择不同几何参数的叶 列组成高、中、低三个抽气段，高段以提高抽速为目的选叶列的几何参数，低 段以提高压缩比为目的选叶列的几何参数，而中段是高、低段的过渡段，既考 虑适当的抽速又兼考虑压缩比的过渡达到合理的匹配，以适应流量q = s p = 常 数的要求 2 1 2 传统牵引分子泵的结构及其抽气原理 牵引分子泵又称拖动分子泵。典型牵引泵的抽气槽如图2 - 2 所示。抽气槽 的槽深、槽宽和槽长分别为d ，b 和厶牵引速度v 的方向如箭头所示【1 4 1 。 图2 - 2 牵引分子泵抽气槽示意图 设抽气槽入口、出口和，处的压强分别为7 ( 0 ) ，p ) 和朋，抽气槽的最大 抽速和有效抽速分别为s m 和s ，最大压缩比和有效压缩比分别为j 和k 。对于 图2 2 中抽气微元出，在分子流状态，泄漏为零和稳定流动的条件下，有如下 关系 p ( o d v ( 0 f 。l d l = a p ( 0 )( 2 6 ) 式中为抽气微元的最大抽速( 通常称为抽速) - - 7 ，b d( 2 7 ) 玎为分子拖动系数 7 r l = ( 1 2 ) b ( b + d ) 】 晟为抽气通道的流导 只= ( 2 3 ) z v i ( 6 d ) 2 ，【( 6 + d ) 三】 丁为截面形状修正系数，s 为抽气槽入口的有效抽速，v i 为分子热运动平均速度。 式( 2 6 ) 积分并作简单代数运算，可得到抽速为s 时的有效压缩比和抽速 为零的最大压缩比分别为 k = p ( l ) p ( o ) = ( 1 一s s ) e x p 如；只 + s ， 瓦= e x p ，最 以及分子泵抽速和压缩比之间的重要关系式 k = k 0 一( k 。一1 ) s ( 2 8 ) j = j 。( “一k ) ( k m 一1 ) ( 2 9 ) 以上各式，除了拖动系数之外，对所有的等截面和等抽速的牵引泵均适用。 2 1 2 1 柱面牵引泵 ( 1 ) 模型 柱面牵引泵又称柱拖泵，h o l w e e k 分子泵或i - i m p ，它通常由若干条抽气槽 组成，图2 3 为柱拖泵抽气槽的展开图。设抽气槽的槽深、槽宽、槽长和槽壁 厚分别为巩b ，l 和6 ，动、静轮之间的工作间隙为西拖动速度v 的方向如 图中箭头所示。 为 图2 - 3 柱托泵抽气槽的展开图 从图2 3 中可以看出，拖动方向与抽气槽之间存在夹角幽因此，拖动系数 r = ( 1 2 ) c o s a b ( b + d 1 8 ( 2 1 0 ) 其余各关系式均不变。 众所周知，拖动泵的动、静部件之间总是存在工作间隙，即泄漏通道，因 此抽速将有所下降。下面我们讨论柱拖泵工作间隙对抽速的影响。 根据自泄漏模型 1 5 , 1 6 1 ，柱拖泵的泄漏可等效成逆向抽气长度为址的工作间 隙并联在抽气微元的两侧。工作间隙的分子拖动系数为0 5 ，因此，单位长度工 作间隙的逆向抽速为： s 。= ( i 2 ) v , z s a ( 2 1 1 ) 式中v i - - - - - t , s i n a 为拖动面速度在垂直于槽壁方向上的投影显然，拖动面速度在 抽气槽方向上的投影不影响工作间隙的逆向抽速，故可假设为零。 通常，工作间隙a d d ，因此，工作间隙入口处的气体分子可以近似为一 半来自拖动面，其平均速度为m 另一半来自抽气槽的其它静止面，其平均速 度为零，因此，这些分子在进入工作间隙之前就已经具有定向速度( 1 2 ) x v , ， 即气体分子是由拖动面拉进工作间隙的，因此。不存在入口流导的限制，也就 是说，式( 2 1 1 ) 即为有效逆向抽速。 单位工作间隙的流导为 瓦= ( 1 1 4 ) v , a d i + 6 ( 4 甜) 】 于是得到工作间隙逆向抽气的最大压缩比为 墨。= c x p s , , o ，吃 = e x p 2 f l s i n a 1 + a b ( 4 鲋) 】) 式中口= v v , 。若a b = o ，则上式可简化为 k = e x p 2 f l s i n o r ( 2 - 1 2 ) 实际柱拖泵中，通常a b 一4 a d ，= o 4 1 ，即鼠。= 2 7 。 柱拖泵工作时，d 两侧的压强不相等。由自泄漏模型可知，a d 两侧压强之 比为定，a k 为存在泄漏的长度工的抽气槽的最大压缩比。将工作间隙视为逆 向抽气的分子泵，则其实际工作压缩比为墨= 1 a k ，由式( 2 9 ) 得到单位面积 工作间隙的逆向抽速为 = ( k 。一1 髟) 亿一1 ) ( 2 1 3 ) 式中1 a k l ，因此存在工作压差时，工作间隙泄漏的逆向抽速将大于其最大 逆向抽速，j 越小，其差值也越大。若j ；，r 埘l ，或者a k = i ，式( 2 1 3 ) 可 以简化为 st # 2 s l 。 即工作间隙的逆向抽速将等于最大逆向抽速。 ( 2 ) 抽速计算 9 根据自泄漏模型，可以求得流过抽气槽不同部位抽气微元d l 的逆向抽速为 f 址 ( 三一，址) i ( 一，) ( 三一， ) 式中s r , o 为单位工作间隙长度的逆向抽速 s r , o = ( i 2 ) v s i n a d l 为泄漏的跨接长度 此= ( b + a b ) t g c r 由此可得抽气槽的最大抽速为 卜一址 一l z a l ) 2 一2 1 5 。一s r 一 址) , o - 0 - 1 i 。一似 恤017) k 则由式( 3 1 6 ) 可知，q 与t 为递减关系，与h 为递增关系 如果 t ，k 】，h 【k ，k 】 ( 3 _ i s ) 对于特定滴管，即特定的商、岛，其最佳流量测试范围为 卜型粤掣琦型鼍掣卜， 将各参数代入式( 3 1 2 ) 和( 3 1 3 ) ，有 为。- - - - 1 8 1 0 3 ，娲a = 1 0 6 7 ； k t b = 4 2x1 0 2 ，k 2 b = 2 6 6 。 对于小型管，如果t 2 0 s ，6 0 s ，h e 2 0 m m ，5 0 0 m m ，则其最佳测试范围为 【3 6 p a 。l s , 2 5 6 p a l s 】 对于大型管，如果t e 2 0 s ，6 0 s ，h e 2 0 m m ，8 0 0 r a m ，则其最佳测试范围为 【8 8 5 p a 。珧，9 9 6 7 p a l s 】 通过小、大型管，可以测试的压强段为【4 1 0 一p a ，1 0 0 p a l ，涵盖了分子 增压泵的大部分压强范围。 3 2 1 2 测试程序 取干燥空气为试验气体，具体步骤： ( 1 ) 打开热阻规，启动前级泵； ( 2 ) 当压力降至1 0 0 p a 后，启动分子，增压泵； ( 3 ) 分子增压泵启动完毕后，开高真空规，分子，增压泵连续运行； ( 4 ) 当系统压力p 2 1 0 t p a 后，准备抽速测试； ( 5 ) 打开阀门9 ，调节针阀5 使测试气体进入测试罩中，待测试罩内压力 稳定后，由真空计读出该压力值p ，然后关闭阀门9 ，同时由秒表读出倒置在油 槽内的滴管中油柱上升高度 所需要的时间f ，： ( 6 ) 重复步骤5 ) 三次，t 取，的平均值； ( 7 ) 重复步骤5 ) 和6 ) ，每个压力数量级测量3 点； ( 8 ) 计算抽速并绘制曲线。 3 2 1 3 测试结果 表3 3 为某一分子，增压泵的抽速测试数据，分子，增压泵型号为m b 2 0 0 e 。 需要说明的是： ( a ) 测试中，入口压强在0 0 2 p a 5 p a 时，分子，增压泵工作在4 0 0 h z ：入 口压强在8 p a 2 0 p a 时，分子，增压泵工作在3 0 0 h z ：入口压强在5 0 p a 1 0 0 p a 时，分子增压泵工作在2 5 0 h z 这样做的目的是，尽量保证分子，增压泵的工作 电流不超过8 a ，以减少振动和噪声，并且有利于分子增压泵的长期稳定工作； ( b ) 测试时前级泵的规格为8 1 y s ，这不利于测试分子，增压泵在高压强时 的抽速，换句话说，如果前级泵抽速能加大，分子增压泵在粘滞流的理论抽速 要大于本测试计算出来的实际抽速； ( c ) 我们知道，在间接压力测量过程中，真空测量基准和校准仪表的误差 为0 0 2 0 1 ，而工作仪器测量的误差为2 0 就已经很好了。由此看见，在实 际计算分子增压泵的抽速时，应乘以一个真空计的误差系数。 图3 5 为实测分子增压泵的抽速曲线。 表3 - 3 分子增压泵抽速测试记录表 油柱上升 压强即口a ) e g b t l r ( a )t ( s ) t ( s ) 抽g s ( i j s ) 高度h ( m m ) 2 1 1 9 o 0 24 0 1 3 02 0 9 72 0 8 37 6 6 8 2 0 3 4 1 3 8 4 0 0 54 0 85 01 3 8 41 3 8 57 6 8 8 1 3 8 8 1 6 8 8 o o s4 2 11 0 0l6 6 31 6 7 37 9 5 6 1 6 6 9 1 5 4 7 0 24 5 1 01 5 3 l1 5 38 2 7 7 1 5 1 3 1 9 3 4 o 54 9 23 01 8 9 31 9 1 38 3 4 1 1 9 1 3 3 6 4 1 15 91 0 03 5 8 73 6 2 47 3 4 3 6 4 4 1 9 7 2 26 8l o o1 9 6 91 9 76 7 5 2 1 9 6 8 1 6 7 5 57 51 0 01 6 9 41 6 7 83 1 7 1 1 6 6 4 1 6 3 3 87 31 0 01 6 0 81 6 2 22 0 5 1 6 2 5 1 4 1 5 2 07 91 0 01 3 9 91 4 0 79 4 5 1 4 0 5 2 0 3 l 5 07 61 0 02 0 1 52 0 2 82 6 2 2 0 3 7 1 5 1 5 1 0 081 0 01 4 9 7 1 5 1 1 1 7 6 1 5 2 2 、 l l | | | 、 p o 呻 图3 - 5 分子增压泵抽速测试曲线 3 2 2 分子，增压泵极限真空测试 3 2 2 1 测试装置 分子，增压泵极限真空测试装置如图3 6 所示，分子，增压泵型号为m b 2 0 0 b 。 图3 - 6 分子增压泵极限真空测试 测试罩经超高真空清洗后，放入高真空除气炉中9 5 0 c 除气一个小时，使材 料内部h 2 含量降低2 个数量级以上，从而有效地降低测试系统的本底负载。测 试罩直接与分子增压泵连接，前级泵采用l e y b o l d 公司的t r i v a c3 0 c 直联 旋片泵，抽速8 l s 。全压力低真空测量采用l e y b o l dd m l 2 真空计，配用 t t r 3 0 1 热电阻规管，测量范围1 0 1 p a 1 0 s p a 高真空测量采用l e y b o l d c d r 班rt w o 真空计，并配以p t r 2 3 7 冷阴极电离真空规管，测量范围1 p a l o 刁p a 。分压力测量采用德国p f e i f f e r 公司生产的q m s 2 0 0 四极质谱仪( 最小 可检分压为1 0 1 2 p a ) 。 3 2 2 2 测试程序 分子，增压泵启动完毕1 小时后，对测试罩进行烘烤。烘烤系统由均匀包裹 测试罩的整体式烘烤套和烘烤控制装置组成。烘烤程序设定为以0 5 c r a i n 的 速率升温至1 5 0 ，保温2 4 h ，再以0 5 c m i n 的速率降至室温。 3 2 2 3 测试结果 ( 1 ) 极限真空 一般以系统结束烘烤后4 8 h 的真空度作为泵的最低工作压力。分子，增压泵 不同运转频率的极限真空如表3 4 所示。 表3 _ 4 分子，增压泵不同频率的极限真空 l 运转频率o | z ) 4 0 03 0 02 5 0 1 5 0 l 极限真空口a ) 2 7 0 x 1 0 - 5 6 5 0 x 1 0 51 8 0 1 矿5 0 0 x 1 0 - 3 ( 2 ) 残余气体质谱 图3 7 和3 - 8 为烘烤前后系统的残余气体棒图。 图3 - 7 分子增压泵烘烤前残余气体棒图 图3 - 8 分子，增压泵烘烤后残余气体棒图 烘烤前总压强为3x1 0 - s m b a r ( 3x1 0 3 p a ) ，其中h 2 0 分压和c o ( n 2 ) 分 压最高，然后依次是0 2 、c 0 2 、h 2 、a r 、h e ，碳氢化合物( c x h y ) 为8 x1 0 9 m b a r ( s x l 0 - t p a ) 。烘烤后总压强为5 1 0 t m b a r ( 5 1 0 5 p a ) ，其中，h 2 0 分压最高， 接近总压强，然后依次是c o ( n 2 ) 、h 2 、c c h 、c x h y 、0 2 、a r ，c x h y 的分压约 为7 x1 0 毋m b a r ( 7 1 0 7 1 , a ) 。从烘烤前后的棒图可以看出，c 。h v 的分压极低， 从而证明了分子增压泵可以获得清洁真空，这点从残余气体质谱图上显得更加 直观，如图3 9 所示。 3 2 3 分子增压泵高压强性能测试 分子增压泵兼具中高真空性能，其优异的高压强性能是对传统分子泵的重 大突破。涡轮分子泵和复合分子泵在入口压强高于几p a 后运行不稳定，粘滞阻 力将对涡轮叶片的力学性能产生显性和隐性的负面影响，更高压强甚至大气冲 击无论对于涡轮分子泵还是复合分子泵都是致命性的。 分子增压泵最大入口压强达1 0 0 p a ，正常冷却条件下可高压强连续运行。 表3 5 为一组具体实验数据，从表中可以看出，分子增压泵在待机状态下 ( 3 0 0 h z ) ，入口压强为1 0 0 p a 时电流仅为7 8 a 。 表3 - 5 分子增压泵印表 入e l 压强p 口a ) 2 x 1 0 22 x 1 0 l21 02 05 01 0 0 电流 4 0 0 h z4 75 378 托a )3 0 0 h z 4 9 5 3677 27 47 8 分子增压泵优良的中真空性能，大大提高了真空设备运行的安全系数，并 为大型真空设备快速获取高真空方法一“冲洗抽气法”提供了可能。 第四章分子增压泵的应用 4 1 真空技术的应用概况 真空技术的应用领域很广，目前已经渗透到车辆、土木建筑工程、机械、 包装、环境保护、医药及医疗器械、石油、化工、食品、光学、电气、电子、 原子能、半导体、航空航天、低温、专用机械、纺织、造纸、农业以及民用工 业等工业部门和科学研究工作中。 ( 1 ) 真空在输运、吸引、起吊及真空造型等设备中的应用 真空输运、吸引及起吊设备都是利用真空与大气间存在压力差所产生的力 来做功的。真空造型也是利用压差力的一个重要方面。真空力学应用的另一个 领域是真空过滤和真空浸渍。 ( 2 ) 真空在电真空器件中的应用 由于各种电真空器件的工作原理是基于电场、磁场来控制电子在空间的运 动借以达到放大、振荡、显示图像等目的，因此为避免电子与气体分子间的碰 撞，保证电子在空间的运动规律，防止发射热电子的阴极氧化中毒，把电子器 件内抽成不同电真空器件所要求的不同真空度是绝对必要的。 ( 3 ) 真空在冶金工业中的应用 在真空中对金属及其合金进行真空冶金范围很广，包括真空蒸馏，矿石及 其半产品的真空分离，金属化合物真空还原，钢液炉外真空脱气和精炼，真空 熔铸，真空烧结，真空热处理，真空钎焊及真空固态接合等多