本文敘述了關(guān)于渦輪分子泵安全使用的一些技術(shù)問(wèn)題。首先對(duì)渦輪分子泵的構(gòu)造特點(diǎn)作了介紹，其次對(duì)渦輪分子泵的故障類型、損壞原因進(jìn)行了分析。最后從設(shè)計(jì)和使用上的安全對(duì)策進(jìn)行了討論，以便更好的使用渦輪分子泵。

　　渦輪分子泵是1956年德國(guó)人W.Becker發(fā)明的一種高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械真空泵。它也是一種大抽速可獲得超高真空的新型分子泵。在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用和普及。1985年以來(lái)出現(xiàn)了一種工作壓力范圍更寬的大流量的復(fù)合式渦輪分子泵，它可代替擴(kuò)散泵+羅茨泵或渦輪分子泵+羅茨泵。擴(kuò)大了渦輪分子泵的使用范圍。在半導(dǎo)體制造設(shè)備上用以獲得清潔的高真空。人們對(duì)渦輪分子泵的改進(jìn)倍受重視。不斷出現(xiàn)新型的組合式分子泵。如可直排大氣到高真空的組合泵應(yīng)用更方便了、占地面積也少了。

　　渦輪分子泵的軸承由有油潤(rùn)滑的滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承向完全非接觸式的空氣軸承和磁軸承方向發(fā)展。轉(zhuǎn)子的抽氣單元有渦輪葉片、盤式葉片和牽引式螺旋槽結(jié)構(gòu)。而且動(dòng)、靜葉片間的間隙很小，葉片很長(zhǎng)剛性差。由于操作錯(cuò)誤，突暴大氣到泵中，使葉片損壞，因?yàn)槭艽髿庳?fù)載和離心力的作用開始彎曲振動(dòng)，超過(guò)動(dòng)、靜葉片的間隙將會(huì)發(fā)生葉片相碰損壞事故。因而，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)遭到破壞時(shí)有發(fā)生，所以關(guān)于渦輪分子泵的安全使用問(wèn)題，曾引起過(guò)渦輪分子泵的設(shè)計(jì)者和操作者的重視和研究，以使渦輪分子泵順利推廣應(yīng)用與安全運(yùn)行。

1、渦輪分子泵的構(gòu)造

　　圖1所示為磁軸承式渦輪分子泵的構(gòu)造。這種泵是由轉(zhuǎn)子動(dòng)片、定子靜片、馬達(dá)、軸承和外殼等部件組成。圖1給出的是一種可獲得高真空的渦輪分子泵。整個(gè)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)為渦輪式動(dòng)片、靜片。兩者相互穿插排列而成，一般有20~40級(jí)。

　　圖2所示為半導(dǎo)體制造設(shè)備上應(yīng)用的日本大阪真空產(chǎn)的大流量復(fù)合式渦輪分子泵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

　　該泵的高真空級(jí)為渦輪式葉片，低真空級(jí)為牽引式螺旋槽抽氣機(jī)構(gòu)。葉輪葉片為平面的二維形狀。渦輪葉片的外徑比較小，約為100~300mm，當(dāng)然還有更大的。與支撐葉片的轉(zhuǎn)筒做成一個(gè)整體其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大(約0.02kgm2)。由于加工技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)子的上下兩級(jí)抽氣單元制成一體的轉(zhuǎn)子圓筒。泵的轉(zhuǎn)速為20000~90000r/min。轉(zhuǎn)子葉片頂端的圓周速度約為250~300m/s。因?yàn)檗D(zhuǎn)子葉片的速度越高則泵的性能越好。但是，受到轉(zhuǎn)子圓筒的材料強(qiáng)度限制，一般常采用比強(qiáng)度高的鋁合金或鈦合金作轉(zhuǎn)子圓筒，而泵殼則用不銹鋼或鋁合金制作。這種泵的特點(diǎn)是級(jí)數(shù)多，轉(zhuǎn)速高、間隙小、精度高。

圖1 磁軸承式渦輪分子泵斷面圖

圖2 大流量復(fù)合式渦輪分子泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖(去掉泵殼)

2、渦輪分子泵的故障分析

　　渦輪分子泵的故障是由于機(jī)械真空泵的軸承系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及外因等出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)而引起的。下面僅介紹引起轉(zhuǎn)子葉片和轉(zhuǎn)子圓筒的破壞的一些情況。

　　2.1、損壞的類別

　　渦輪分子泵損壞最嚴(yán)重的故障是高速旋轉(zhuǎn)的葉片或轉(zhuǎn)子筒的斷裂。無(wú)論是哪一種損壞，一旦發(fā)生了泵就要報(bào)廢。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)子葉片破壞時(shí)，由于轉(zhuǎn)子上的每一個(gè)葉片的重量約為1~5g，葉片很薄，損壞時(shí)產(chǎn)生的能量較小，但是在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，若有一枚葉片瞬間(幾十μs以內(nèi))破壞就會(huì)引起轉(zhuǎn)子上的全部葉片遭到破壞。最后轉(zhuǎn)子被剃成光頭。在實(shí)際應(yīng)用上這種情況是少見的。但也不是沒有發(fā)生過(guò)。

　　圖3及圖4為轉(zhuǎn)子葉片破壞的實(shí)例。

圖3 渦輪分子泵葉片破損情況

圖4 渦輪分子泵轉(zhuǎn)子體葉片嚴(yán)重破損情況

　　轉(zhuǎn)子筒體破壞是比較大的事故。轉(zhuǎn)子筒在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，瞬間轉(zhuǎn)子筒斷裂成3~5塊，并會(huì)發(fā)出很大的沖擊聲響。轉(zhuǎn)子被迫停止旋轉(zhuǎn)。圖5為轉(zhuǎn)子筒破壞分塊的示意圖。此時(shí)回轉(zhuǎn)體的動(dòng)能瞬間作用到定子葉片和泵體上，形成很大的轉(zhuǎn)矩。

圖5 轉(zhuǎn)子筒破壞的實(shí)例圖

　　這個(gè)轉(zhuǎn)矩的大小取決于轉(zhuǎn)子筒的破壞程度(壞的原因，回轉(zhuǎn)體停轉(zhuǎn)的時(shí)間，回轉(zhuǎn)體的形狀等)。通常將發(fā)生100~25000N·m(即10~2500kg·m)的扭矩作用到定子上再傳到泵體上。若是渦輪分子泵與裝置連接的固定方式不當(dāng)，也可能使泵的入口法蘭的聯(lián)接受到如此大的扭矩將固定螺釘剪斷。使泵體從裝置上脫落。重則前級(jí)管道聯(lián)接部分也會(huì)脫落，前級(jí)管道漏氣或被甩出。法蘭焊接不牢而斷裂造成內(nèi)部零件飛出，外殼損壞等。因此轉(zhuǎn)子筒的損壞是使用上最大的安全隱患，必須引起重視。使用高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械一定要提高對(duì)安全的認(rèn)識(shí)，對(duì)安全措施要做更好的分析。渦輪分子泵的使用條件要特殊注意，如在半導(dǎo)體制造設(shè)備上應(yīng)用，在過(guò)渡流領(lǐng)域抽氣時(shí)，要排出大量的氣體，轉(zhuǎn)子筒溫升造成的破壞問(wèn)題要作仔細(xì)的考察。

　　2.2、損壞的原因

　　渦輪分子泵損壞的原因可分為設(shè)計(jì)上的和使用上的兩方面的原因造成的。

　　在設(shè)計(jì)上，有材料方面的問(wèn)題。如材質(zhì)的選擇、毛坯的管理(如轉(zhuǎn)子主軸加工后要垂直放置防彎變形)材料缺陷的檢查等，還有轉(zhuǎn)子整體的力學(xué)分析，轉(zhuǎn)子葉片的固有頻率為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)數(shù)的整數(shù)倍時(shí)就會(huì)發(fā)生動(dòng)片共振。突暴大氣瞬間1.05s，動(dòng)片也會(huì)彎曲振動(dòng)可達(dá)0.49mm經(jīng)7.5s彎曲量可達(dá)2.04mm(試驗(yàn)值)、疲勞，以及轉(zhuǎn)子葉片與定子葉片間隙的合理選定，加工精度和裝配精度等問(wèn)題都要慎重考慮。當(dāng)壓力突然升高(大氣沖入)時(shí)，轉(zhuǎn)子的葉片很薄很長(zhǎng)，在大氣壓力作用下，會(huì)使動(dòng)片與定片相接觸，使轉(zhuǎn)子葉片被打得七零八落，損壞嚴(yán)重。由于人們對(duì)此現(xiàn)象作了分析研究，使這種情況可以避免發(fā)生。由于軸承的故障也能使定片和動(dòng)片相接觸，甚至材料缺陷也會(huì)造成事故的發(fā)生。

　　在使用上存在的問(wèn)題也不少，在泵口處異物的混入，如玻璃碎片、墊片、螺釘?shù)龋�由于泵體是垂直的，混入的異物會(huì)直接落到高速旋轉(zhuǎn)的葉片上造成事故。泵抽入腐蝕性氣體，如三甲基鎵Ga(CH3)3和三乙基鎵GA(C2H5)3等。在抽吸這種氣體時(shí)，它會(huì)與轉(zhuǎn)子的鋁合金材料起化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)子的晶界受到腐蝕破壞，隨著氣體的壓力和濃度的不同，其破壞的速度也是不同的，少則幾周，多則幾個(gè)月。圖6為鋁合金轉(zhuǎn)子表面晶界破壞的電鏡圖片。

　　一般將轉(zhuǎn)子葉片進(jìn)行表面處理，如制備氧化鋁膜或電鍍處理等。這樣作多少有些改善。但是，材料作到完全沒有氣孔、針孔，實(shí)際上是不可能的，就現(xiàn)實(shí)而言，排除上述氣體不應(yīng)該使用普通的渦輪分子泵，而用專用的渦輪分子泵，如陶瓷轉(zhuǎn)子耐腐蝕。

圖6 轉(zhuǎn)子鋁合金材料晶界損壞的SEM照片

　　在抽吸反應(yīng)性氣體時(shí)，氣體在泵內(nèi)遭到壓縮、壓力增高，若殘余氣體成分中水分增加或氣體溫度遇冷處降低，其固體生成物會(huì)在泵內(nèi)的間隙處堆積。在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，這些堆積的固體生成物會(huì)與回轉(zhuǎn)體的部分或接觸或粘結(jié)其上。在這種情況下，運(yùn)動(dòng)的葉片就會(huì)遭到損壞。此外，使用油潤(rùn)滑的軸承這種反應(yīng)性氣體會(huì)使?jié)櫥�油變質(zhì)，惡化，使軸承出現(xiàn)故障，使回轉(zhuǎn)體損壞。為了減少固體的生成物，要提高泵溫。在半導(dǎo)體制備過(guò)程中，在低壓過(guò)渡流區(qū)域10Pa左右時(shí)抽除大量的氣體會(huì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中磨擦發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子葉片，轉(zhuǎn)子筒的溫度增加。一般的鋁合金材料，在150以上由于它的蠕變特性，材料的機(jī)械強(qiáng)度急劇下降。因此，回轉(zhuǎn)體的溫度上升，在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，可能由于離心力而使葉片遭到破壞的可能性也是有的。

3、安全的對(duì)策

　　3.1、設(shè)計(jì)上的安全措施

　　在轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)，要進(jìn)行回轉(zhuǎn)體整體的應(yīng)力分析，通過(guò)有限單元法計(jì)算和電測(cè)應(yīng)力法加以驗(yàn)證，也有用電鏡進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)觀察。要避免應(yīng)力集中，氣體負(fù)荷的安全率要合理設(shè)定。高速回轉(zhuǎn)體要做精密的動(dòng)平衡，動(dòng)平衡取重時(shí)要避免裂紋產(chǎn)生，以防腐蝕，疲勞破壞。有時(shí)要作超轉(zhuǎn)數(shù)試驗(yàn)以考核零件強(qiáng)度。

　　前蘇聯(lián)書籍中給出許可的不平衡量為：

D許可=6.4m/n(g·cm)

　　式中m———轉(zhuǎn)子的質(zhì)量，g；n———轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min。

　　工業(yè)用的渦輪分子泵葉片頂端的圓周速度約為150~200m/s，而近代的渦輪分子泵的圓周速度則高達(dá)350~450m/s。由于受材料強(qiáng)度所限很少再高的。因此在葉片的設(shè)計(jì)上引入等強(qiáng)度的概念，使葉片的根部的厚度或?qū)挾认蛲庵饾u變薄或變窄。也有在葉片邊緣處加圓環(huán)或輪箍的以增加葉片的剛度和強(qiáng)度。

　　渦輪分子泵工作轉(zhuǎn)數(shù)的選擇，一般都高于一階臨界轉(zhuǎn)數(shù)，所以起動(dòng)和停機(jī)都要經(jīng)過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)數(shù)，因此會(huì)引起泵瞬間的振動(dòng)。為了消除這個(gè)影響，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，主軸的軸承常用螺旋彈簧或蝶簧支撐下軸承外圈消除軸承間隙以防滑動(dòng)。彈力一般為2~4kg。為了消振，在軸承外加橡膠阻尼環(huán)。阻尼環(huán)內(nèi)徑上的膠圈的壓縮量為14%~16%(如Φ3.5橡膠環(huán)壓縮量為0.5mm)，阻尼環(huán)的外徑上的膠圈的壓縮量為8%~10%(如Φ3.0則壓縮量為0.25mm)。阻尼環(huán)內(nèi)外有膠圈的作用是將內(nèi)部振動(dòng)轉(zhuǎn)為熱能而消失，能對(duì)振動(dòng)起隔離作用。

　　渦輪分子泵利用惰性氣體(N2、Ar)來(lái)保護(hù)軸承潤(rùn)滑。普通渦輪分子泵被抽氣體可以與軸承潤(rùn)滑油自由接觸，若是被抽氣體與泵油起化學(xué)反應(yīng)則會(huì)破壞軸承的潤(rùn)滑性能，使軸承工作受到損害，影響泵的安全工作。例如，泵抽吸CF4、SiH4、SiCl、SF6等氣體。解決這個(gè)問(wèn)題最初的辦法是用一種難以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的泵油。由于價(jià)格昂貴，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高，而被第二種辦法所代替。即在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)有一條可以供應(yīng)惰性氣體充入的氣路至上軸承的上方，以防止被抽氣與軸承接觸。充入氣

　　體的分子量要大些，可以獲得較高的壓縮比，使其返流困難，以防充入氣體對(duì)泵入口壓力的影響。因此充入氣體要選擇合適的壓力和供氣量。因?yàn)槎栊詺怏w比耐腐蝕的泵油的消耗便宜，故常用此法來(lái)保護(hù)油對(duì)軸承的潤(rùn)滑。為了不使轉(zhuǎn)子溫度過(guò)高，在設(shè)計(jì)時(shí)要確定轉(zhuǎn)

　　子與泵體間的溫升。渦輪分子泵轉(zhuǎn)子葉片與被抽氣體分子摩擦生熱，使高速回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子和泵體之間產(chǎn)生溫升ΔT，通常有如下計(jì)算式

　　式中ΔT———轉(zhuǎn)子與泵體間的溫升，℃；n———轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；Pf———泵的前級(jí)壓力，mTorr；K———與氣體種類有關(guān)的常數(shù)，其值如下：

　　抽空氣時(shí)：K=3713；

　　抽H2時(shí)：K=5203；

　　抽He時(shí)：K=4142；

　　抽Ar時(shí)：K=3097；

　　例：若泵抽空氣K=3731，設(shè)n=24000r/min，Pf=2×10^-2 Torr=20mTorr，將值代入上式則得：

　　該公式是實(shí)驗(yàn)得到的經(jīng)驗(yàn)公式，從中可以看出被抽氣體的分子量大時(shí)則k值小，這說(shuō)明所得的溫升ΔT高，所以在相同的n和Pf的條件下分子量大則ΔT高。因此在抽除一些高分子量氣體時(shí)摩擦生熱厲害。要很好考慮這個(gè)問(wèn)題，以防轉(zhuǎn)子溫升過(guò)高，消失間隙，造成轉(zhuǎn)子與定子的碰撞接觸，讓成事故。

　　渦輪分子泵設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是渦輪分子泵在外界強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，泵運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性問(wèn)題。渦輪分子泵在有磁場(chǎng)作用的條件下工作時(shí)，轉(zhuǎn)子內(nèi)有感應(yīng)渦流存在。會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸和葉片產(chǎn)生熱變形。由于轉(zhuǎn)子和定子的間隙很小，一旦發(fā)熱變形會(huì)使轉(zhuǎn)子卡死，葉片損壞等現(xiàn)象發(fā)生。此外還會(huì)產(chǎn)生制動(dòng)力矩，增加驅(qū)動(dòng)負(fù)荷，降低轉(zhuǎn)速。因此國(guó)外有些廠家對(duì)各種渦輪分子泵通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定其磁感應(yīng)的許可值Bmax。

　　渦輪分子泵在強(qiáng)磁場(chǎng)(均勻的或脈沖磁場(chǎng))下工作時(shí)，由于轉(zhuǎn)子葉片的高速轉(zhuǎn)動(dòng)(100~1000Hz)，動(dòng)片與定片間隙在0.5~1.0mm之間，一個(gè)導(dǎo)體在磁場(chǎng)內(nèi)移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)的渦流，變成熱能損失。

　　式中Δp———渦流損失；B———磁感應(yīng)強(qiáng)度；f———葉片的旋轉(zhuǎn)頻率；；δ———葉片材料的電阻率。

　　Δp與旋轉(zhuǎn)葉片的形狀有關(guān)，葉片的長(zhǎng)度大大超過(guò)葉片的寬度，磁場(chǎng)會(huì)引起葉片發(fā)熱，其主軸也會(huì)發(fā)熱使動(dòng)片與定片的間隙變化。

　　最大許可的Bmax值的決定原則是，即磁場(chǎng)影響使此間隙縮小一半時(shí)的B值，定為Bmax。在脈沖磁場(chǎng)條件下，最大許可值為B'max

　　式中t1———接通時(shí)間，s；t2———斷開時(shí)間，s。

　　如果改變泵殼材料，對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行鐵鎳合金的磁屏蔽，Bmax值可增至四倍仍是許可的。巴爾蔡司公司生產(chǎn)的一些型號(hào)的渦輪分子泵進(jìn)行過(guò)這方面的實(shí)驗(yàn)研究。動(dòng)片與定片的設(shè)計(jì)時(shí)的間隙為0.1~1.0mm。由于渦流的熱變形使間隙縮小一半時(shí)的B值規(guī)定為許可的臨界值。其結(jié)果如下表所示：

表1 渦輪分子泵的技術(shù)參數(shù)

　　萊寶公司也有這方面的實(shí)驗(yàn)和的確定規(guī)則，對(duì)他們生產(chǎn)的泵在均勻和脈沖磁場(chǎng)中，磁場(chǎng)順著軸的方向Bmax為1.5×10^-2 Tesla，而垂直方向時(shí)Bmax值為3.5×10^-3 Tesla，它是以轉(zhuǎn)子的溫度達(dá)100℃作為Bmax的確定原則的。

　　舉例說(shuō)明：TurboVac3500型渦輪分子泵中定子和轉(zhuǎn)子盤之間的間隙為1.5~2.0mm，工作在脈沖均勻的磁場(chǎng)中與軸線正交。規(guī)定轉(zhuǎn)子溫度為100℃。t1=15s，t2=285s，B=3×10-2Tesla。在同樣脈沖4×10^-2 Tesla時(shí)，溫度達(dá)到100℃經(jīng)過(guò)35個(gè)脈沖。

　　轉(zhuǎn)子溫度T的計(jì)算有如下經(jīng)驗(yàn)公式：

　　式中T0為轉(zhuǎn)子的初始速度；

　　γ=1.18×10⁶度/Tesla²；

　　α=8.5×10^-5；

　　t為時(shí)間。

　　在非均勻的磁場(chǎng)條件下，泵無(wú)故障運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)應(yīng)的Bmax=6×10^-2 Tesla/cm，磁場(chǎng)梯度為7×10^-4 Tesla/cm，轉(zhuǎn)子的溫度達(dá)到100℃，而轉(zhuǎn)子的頻率要降低10%。

　　3.2、使用上的安全對(duì)策

　　由于渦輪分子泵使用方便，因此得到廣泛的應(yīng)用和普及。但是，高速的回轉(zhuǎn)體，萬(wàn)一遭到損壞或發(fā)生能量轉(zhuǎn)換對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞是難以估量的。所以使用者對(duì)此必須要有高度的重視。日本曾提出渦輪分子泵安全使用準(zhǔn)則及釋放轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法的建議以引起用戶注意。真空泵的用途很廣，使用的條件也多種多樣。如使用的工作壓力，被抽氣體的種類和性質(zhì)不同時(shí)，所要考慮的對(duì)策也就不同了。如異物的混入，吸氣口處安裝有保護(hù)的金屬網(wǎng)，網(wǎng)孔的大小直接影響泵的抽氣效率。因此，對(duì)各種對(duì)策要綜合來(lái)考慮其效果。以上所談的這些問(wèn)題都是從文獻(xiàn)資料上收集的。本人對(duì)此沒有感性的認(rèn)識(shí)，錯(cuò)誤在所難免，懇請(qǐng)批評(píng)指正。