分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介

分子增压泵和涡轮分子泵工作机理简介

龚建华储继国

分子增压泵是基于拖动原理的高真空泵，同时具有优良的中真空抽气能力，是我国拥有独立知识产权的新一代真空泵。虽然姗姗来迟，但面对蓬勃发展的真空技术领域，正赶上了大好时机。分子增压泵的问世，使得广大的真空技术用户能在丰富多彩的泵种中增加了选择的机会。为了更好地为真空产业服务，特将该泵与有悠久传统的涡轮分子泵从工作机理的差异上做一简单介绍。

一、涡轮分子泵和分子增压泵的相同点与不同点

1.共同点：

涡轮分子泵和分子增压泵都是高真空泵，极限真空10-5Pa（10-7Pa）；都工作

在很高的转速（数万转/分钟）；都有很高的压缩比（N2：108），所以都可以获

得清洁真空。

2.不同点

目前国内生产的以及绝大部分国外生产的涡轮分子泵都是立式泵，而分子增

压泵是卧式泵，卧式泵对共振的控制比立式泵难度大；分子增压泵的工作压

力和排气流量均比涡轮分子泵高出很多，可以达到数百帕；涡轮分子泵的转

子是由涡轮叶片构成，而分子增压泵的转子是由平圆盘构成；涡轮分子泵工

作在分子流状态，而分子增压泵可以工作在分子流和过渡流状态。

二、涡轮分子泵和分子增压泵的工作原理

如要用通俗些的话语来说明两种泵的工作原理，可用家乐福超市的传送带式的电梯比作分子增压泵的拖动原理；而用“陷阱”（比较牵强）来形容涡轮分子泵的传输几率原理。

1.涡轮分子泵的工作原理

此处的所谓“陷阱”比喻的是一种结构，使得气体分子沿某方向容易通过，而反方向难以通过。先看生活中的一个例子，图1是捕捉黄鳝的竹篓，

这种结构使得黄鳝很容易从入口进入底部觅食，而极难从反方向逃逸，这便

是一种陷阱。再看图2，这是一个假想的隘口，由于设计成这样的构造，显然，人从两个方向通过的难易程度是不一样的，如果人平均出现在入口的任一位

置，那么从左向右，比从右向左容易通过，比例大约是5：1，这也是一种陷

阱。对于图2的模型，可以引入一个物理量——传输几率，它可以这样来理

解，以均等机会（概率相等）出现在入口任一位置的人通过隘口的可能性（概

率）。显然对于图2，从左向右的传输几率为1，即都能通过，而从右向左的

传输几率约1/5，即平均5人有1人可以通过。因此，如果起始时，隘口两边

的人数相等，随后，便慢慢地在右边逐渐增多。传输几率在气体分子的运动

中是一个非常重要的概念，比如气体分子通过一个长圆形管道，其难易程度

可用该管道的传输几率来表征。当管道的长径比（l/r）一定时，传输几率是

确定的，并且通常两个方向的传输几率也相同。

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图1 图2

涡轮分子泵的基本结构也是这样一种“陷阱”，造成气体分子从两边通过

它的传输几率不同，这样气体分子便会堆积在传输几率小的一方，形成压力

差。任何一种能使气体从低压向高压流动的手段都可以形成一种抽气作用，

涡轮分子泵就是依靠结构两边传输几率的差异来产生抽气能力的。下面来分

析一下涡轮分子泵结构两边的传输几率差异是如何形成的。

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图3 图4

涡轮分子泵的核心是由许多动轮和静轮依次相间串接而成的抽气组合。

所谓动轮为一圆盘的外缘上有一圈倾斜的叶片，叶片倾斜的角度以及叶片长

度与叶片间距的比值即空弦比决定了该动轮的形状。为了便于分析，可以把

圆周上分布的叶片展开成一条长形的叶列，当叶列沿着自身方向以v高速运

动时，其和动轮以v的线速度高速旋转的物理状态是相同的。先看一种特殊

的情况，如叶片垂直水平面，而两边的气体处于平衡态，即如图5的左边所

示，由于平衡态气体分子的运动高度对称，所以平均地讲可以用图5右边所

图5

示的箭头表示叶片两边的气体的平均速度。在图5的情况中，两边气体通过叶列的传输几率是相同的。如果叶列沿自身的方向运动，按相对运动的原理，从叶列上来观察气体则气体沿着相反的方向运动，加上自身的热运动，其最终相对于叶列的运动方向如图6右边所示。然而在这种情况下，两边

图6

气体通过叶列的传输几率也是相同的。当叶列以不同的速率大小和方向（正向或反向）运动时，根据相对运动的观点，叶列两边的气体相对叶列的运动状态可以由图7中标号1到5来描述，其中任何一种状态下，两边气体通过叶列的传输几率都是相同的。

图7 图8

但是如果让叶列向运动的方向倾斜时，情况就不一样了。首先，如图8，让叶列向右倾斜，但叶列静止不动，那么两侧气体通过叶列的传输几率仍然是相同的，然叶列一运动（向右），如图9，两边气体通过叶列的传输几率就不相同了，显然此时从上向下的传输几率要大于从下向上的传输几率，而且随着叶列运动速度的增大，上、下传输几率的差异也增大。当然与空弦比、倾斜角也有关。当叶列的运动速度趋向无穷大时（这是一种理想的情况），即如图10所示，上、下传输几率的差异可以达到最大值。所以涡轮分子泵的抽速，除了受到制造技术上的限制，其本身就存在一个物理上的极限。

图9 图10

通过以上的讨论可以知道，涡轮分子泵的叶列必须向运动方向倾斜，方可形成两侧气体分子通过叶列的传输几率的差异，从而产生抽气作用。至于