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    分子泵结构和原理

    责任编辑:品雅真空设备 发表时间:2020-04-25 浏览:47 次

    分子泵是利用高速旋转的转子把动量传输给气体分子,使之获得定向速度,从而被压缩、被驱向排气口后为前级抽走的一种真空泵。

    一、分子泵分类:

    1)牵引分子泵 气体分子与高速运动的转子相碰撞而获得动量,被驱送到泵的出口。

    2)涡轮分子泵 靠高速旋转的动叶片和静止的定叶片相互配合来实现抽气的。这种泵通常在分子流状态下工作。

    3)复合分子泵 它是由涡轮式和牵引式两种分子泵串联组合起来的一种复合型的分子真空泵。

     

    二、分子泵的结构和原理图

    分子泵的核心部件是旋转叶片和固定叶片(图1)。旋转叶片的转速达1800~90000rpm,叶片端的速度达数百m/s,接近分子的平均速度,通过和气体分子的碰撞将气体分子搬运到排气口。当对向设置的旋转叶片进行高速转动时,气体分子从吸气侧运动到排气侧的几率是A,气体分子从排气侧反向运动到吸气侧的几率是B。旋转叶片撞击气体分子,气体分子碰到固定叶片之后再次飞向下一个旋转叶片,最终被弹向排气口,使得A>B,实现排气功能。

    分子泵的排气速度 = 吸气侧开口面积×11.6×A/B.p

    式中 p——压强的上升值。

    叶片的角度大,则排气速度大,压缩比小。叶片的角度小,则排气速度小,压缩比大。分子泵的排气速度基本上不受气体种类的影响,泵的极限压强可达10-8 Pa,但是对轻分子/原子,排气速度会有所降低。

    分子泵是一种高速旋转的机械泵,因此对平衡的要求很高,对固体异物非常脆弱,通常要在分子泵的入口处安装金属过滤网。分子泵在工作过程中,如果压强突然恶化,则有可能损坏叶片。

    图片1

    分子泵的结构和原理图

     

    常规的分子泵使用轴承来确保叶片的高速旋转。新型的分子泵采用磁悬浮构造,使得叶片转速不断提高的同时,更使分子泵适合超高真空系统,也延长了分子泵的使用寿命。

    分子泵与油封式旋片泵和涡轮式干泵相比,工作环境更加清洁,而且可以达到极高的真空度。但是,分子泵不能在大气压下工作,必须和其他能够在大气压下工作的粗抽真空泵(油封式旋片泵或涡轮式干泵)联合使用。分子泵构造复杂、价格昂贵,高速旋转工作时会有振动。

    图片2

    三、分子泵的工作原理

    分子泵的抽气机理与机械泵靠泵腔容积变化进行抽气的机理不同,利用了动量传递原理,使分子定向流动而被排出泵外,从而达到抽气的目的。

    分子泵在电机的带动下高速旋转,采用变频电源驱动电机,目的是得到较高的转速。在分子流区域内,气体分子与高速转到的叶片表面碰撞,动量传递给气体分子,使部分气体分子在刚体表面的运动方向上,产生定向流动而被排出泵外,从而达到抽气的目的。通常把用高速运动的刚体表面携带气体分子,并使其按一定方向运动的现象称为分子牵引现象,利用这一现象制成的真空泵称为牵引分子泵(盖德泵)。牵引分子泵的优点是启动时间短,在分子流态下有很高的压缩比,能抽除各种气体和蒸气,特别适于抽除较重的气体。但由于牵引分子泵抽速小,密封间隙太小,工作可靠性较差,易出机械故降,而且制造困难,实际上很少应用。后来对牵引分子泵进行了改进,出现了涡轮分子泵,如下图所示。

    图片3

    涡轮分子泵内有多组相间动轮叶和定轮叶,每一个轮叶上有许多按一定角度斜置的叶片,实际的涡轮分子泵都是由多级叶列串联组成,即按动片、定片、动片等依次交替排列,动叶片转动时又类似于电风扇叶片的作用,能将气体从一侧抽到另一侧。提高分子泵的转速,有利于提高分子泵的抽速。由于叶片转速限制,如果气体分子运动速度较大,泵抽真空就比较困难。

    可以看出,涡轮分子泵也是一种机械式真空泵,通过高速旋转的多级涡轮转子叶片和静止叶片的组合进行抽气的,在分子流区域内对被抽气体产生很高的压缩比,从而获得所需要的真空性能。涡轮分子泵极限真空比扩散泵高,可达10-8 pa。正常工作时需要一定的前级真空度,其真空度高低视泵不同略有差异,一般在1-200pa之间,可采用机械泵作为前级泵,下面图中就是由爱德华分子泵和机械泵组成的高真空机组。由于涡轮分子泵的转速高,通常用中频电机带动,中频电源的频率在300-400HZ之间。涡轮分子泵一般采用水冷方式。

    复合式分子泵是涡轮分子泵与牵引分子泵的串联组合,集两种泵的优点于一体,能在很宽的压力范围10-6~1pa内,具有较大的抽速和较高的压缩比,大大提高了泵的出口压力。

    爱德华分子泵机组

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