關于渦輪分子泵的安全使用問題
本文敘述了關于渦輪分子泵安全使用的一些技術問題。首先對渦輪分子泵的構造特點作了介紹，其次對渦輪分子泵的故障類型、損壞原因進行了分析。最后從設計和使用上的安全對策進行了討論，以便更好的使用渦輪分子泵。
渦輪分子泵是1956年德國人W.Becker發明的一種高速旋轉的機械真空泵。它也是一種大抽速可獲得超高真空的新型分子泵。在各個應用領域中得到了廣泛的應用和普及。1985年以來出現了一種工作壓力范圍更寬的大流量的復合式渦輪分子泵，它可代替擴散泵+羅茨泵或渦輪分子泵+羅茨泵。擴大了渦輪分子泵的使用范圍。在半導體制造設備上用以獲得清潔的高真空。人們對渦輪分子泵的改進倍受重視。不斷出現新型的組合式分子泵。如可直排大氣到高真空的組合泵應用更方便了、占地面積也少了。
渦輪分子泵的軸承由有油潤滑的滾動軸承和滑動軸承向完全非接觸式的空氣軸承和磁軸承方向發展。轉子的抽氣單元有渦輪葉片、盤式葉片和牽引式螺旋槽結構。而且動、靜葉片間的間隙很小，葉片很長剛性差。由于操作錯誤，突暴大氣到泵中，使葉片損壞，因為受大氣負載和離心力的作用開始彎曲振動，超過動、靜葉片的間隙將會發生葉片相碰損壞事故。因而，高速旋轉的轉子系統遭到破壞時有發生，所以關于渦輪分子泵的安全使用問題，曾引起過渦輪分子泵的設計者和操作者的重視和研究，以使渦輪分子泵順利推廣應用與安全運行。
1、渦輪分子泵的構造
圖1所示為磁軸承式渦輪分子泵的構造。這種泵是由轉子動片、定子靜片、馬達、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。整個轉子系統為渦輪式動片、靜片。兩者相互穿插排列而成，一般有20~40級。
圖2所示為半導體制造設備上應用的日本大阪真空產的大流量復合式渦輪分子泵的內部結構圖。
該泵的高真空級為渦輪式葉片，低真空級為牽引式螺旋槽抽氣機構。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，當然還有更大的。與支撐葉片的轉筒做成一個整體其轉動慣量較大(約0.02kgm2)。由于加工技術的進步，轉子的上下兩級抽氣單元制成一體的轉子圓筒。泵的轉速為20000~90000r/min。轉子葉片頂端的圓周速度約為250~300m/s。因為轉子葉片的速度越高則泵的性能越好。但是，受到轉子圓筒的材料強度限制，一般常采用比強度高的鋁合金或鈦合金作轉子圓筒，而泵殼則用不銹鋼或鋁合金制作。這種泵的特點是級數多，轉速高、間隙小、精度高。
圖1 磁軸承式渦輪分子泵斷面圖
圖2 大流量復合式渦輪分子泵內部結構圖(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械真空泵的軸承系統，驅動系統以及外因等出現問題時而引起的。下面僅介紹引起轉子葉片和轉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重的故障是高速旋轉的葉片或轉子筒的斷裂。無論是哪一種損壞，一旦發生了泵就要報廢。
當轉子葉片破壞時，由于轉子上的每一個葉片的重量約為1~5g，葉片很薄，損壞時產生的能量較小，但是在高速旋轉的過程中，若有一枚葉片瞬間(幾十μs以內)破壞就會引起轉子上的全部葉片遭到破壞。最后轉子被剃成光頭。在實際應用上這種情況是少見的。但也不是沒有發生過。
圖3及圖4為轉子葉片破壞的實例。
圖3 渦輪分子泵葉片破損情況
圖4 渦輪分子泵轉子體葉片嚴重破損情況
轉子筒體破壞是比較大的事故。轉子筒在高速回轉時，瞬間轉子筒斷裂成3~5塊，并會發出很大的沖擊聲響。轉子被迫停止旋轉。圖5為轉子筒破壞分塊的示意圖。此時回轉體的動能瞬間作用到定子葉片和泵體上，形成很大的轉矩。
圖5 轉子筒破壞的實例圖
這個轉矩的大小取決于轉子筒的破壞程度(壞的原因，回轉體停轉的時間，回轉體的形狀等)。通常將發生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，也可能使泵的入口法蘭的聯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。重則前級管道聯接部分也會脫落，前級管道漏氣或被甩出。法蘭焊接不牢而斷裂造成內部零件飛出，外殼損壞等。因此轉子筒的損壞是使用上最大的安全隱患，必須引起重視。使用高速旋轉機械一定要提高對安全的認識，對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，如在半導體制造設備上應用，在過渡流領域抽氣時，要排出大量的氣體，轉子筒溫升造成的破壞問題要作仔細的考察。
2.2、損壞的原因
渦輪分子泵損壞的原因可分為設計上的和使用上的兩方面的原因造成的。
在設計上，有材料方面的問題。如材質的選擇、毛坯的管理(如轉子主軸加工后要垂直放置防彎變形)材料缺陷的檢查等，還有轉子整體的力學分析，轉子葉片的固有頻率為轉軸轉數的整數倍時就會發生動片共振。突暴大氣瞬間1.05s，動片也會彎曲振動可達0.49mm經7.5s彎曲量可達2.04mm(試驗值)、疲勞，以及轉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題都要慎重考慮。當壓力突然升高(大氣沖入)時，轉子的葉片很薄很長，在大氣壓力作用下，會使動片與定片相接觸，使轉子葉片被打得七零八落，損壞嚴重。由于人們對此現象作了分析研究，使這種情況可以避免發生。由于軸承的故障也能使定片和動片相接觸，甚至材料缺陷也會造成事故的發生。
在使用上存在的問題也不少，在泵口處異物的混入，如玻璃碎片、墊片、螺釘等，由于泵體是垂直的，混入的異物會直接落到高速旋轉的葉片上造成事故。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，它會與轉子的鋁合金材料起化學反應，轉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，多則幾個月。圖6為鋁合金轉子表面晶界破壞的電鏡圖片。
一般將轉子葉片進行表面處理，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，實際上是不可能的，就現實而言，排除上述氣體不應該使用普通的渦輪分子泵，而用專用的渦輪分子泵，如陶瓷轉子耐腐蝕。
圖6 轉子鋁合金材料晶界損壞的SEM照片
在抽吸反應性氣體時，氣體在泵內遭到壓縮、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，其固體生成物會在泵內的間隙處堆積。在轉子高速旋轉過程中，這些堆積的固體生成物會與回轉體的部分或接觸或粘結其上。在這種情況下，運動的葉片就會遭到損壞。此外，使用油潤滑的軸承這種反應性氣體會使潤滑油變質，惡化，使軸承出現故障，使回轉體損壞。為了減少固體的生成物，要提高泵溫。在半導體制備過程中，在低壓過渡流區域10Pa左右時抽除大量的氣體會在運轉過程中磨擦發熱，使轉子葉片，轉子筒的溫度增加。一般的鋁合金材料，在150以上由于它的蠕變特性，材料的機械強度急劇下降。因此，回轉體的溫度上升，在高速回轉時，可能由于離心力而使葉片遭到破壞的可能性也是有的。
3、安全的對策
3.1、設計上的安全措施
在轉子設計時，要進行回轉體整體的應力分析，通過有限單元法計算和電測應力法加以驗證，也有用電鏡進行組織結構觀察。要避免應力集中，氣體負荷的安全率要合理設定。高速回轉體要做精密的動平衡，動平衡取重時要避免裂紋產生，以防腐蝕，疲勞破壞。有時要作超轉數試驗以考核零件強度。
前蘇聯書籍中給出許可的不平衡量為：
D許可=6.4m/n(g·cm)
式中m———轉子的質量，g；n———轉子的轉數，r/min。
工業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350~450m/s。由于受材料強度所限很少再高的。因此在葉片的設計上引入等強度的概念，使葉片的根部的厚度或寬度向外逐漸變薄或變窄。也有在葉片邊緣處加圓環或輪箍的以增加葉片的剛度和強度。
渦輪分子泵工作轉數的選擇，一般都高于一階臨界轉數，所以起動和停機都要經過一階臨界轉數，因此會引起泵瞬間的振動。為了消除這個影響，在設計傳動系統時，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。彈力一般為2~4kg。為了消振，在軸承外加橡膠阻尼環。阻尼環內徑上的膠圈的壓縮量為14%~16%(如Φ3.5橡膠環壓縮量為0.5mm)，阻尼環的外徑上的膠圈的壓縮量為8%~10%(如Φ3.0則壓縮量為0.25mm)。阻尼環內外有膠圈的作用是將內部振動轉為熱能而消失，能對振動起隔離作用。
渦輪分子泵利用惰性氣體(N2、Ar)來保護軸承潤滑。普通渦輪分子泵被抽氣體可以與軸承潤滑油自由接觸，若是被抽氣體與泵油起化學反應則會破壞軸承的潤滑性能，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。解決這個問題最初的辦法是用一種難以發生化學反應的泵油。由于價格昂貴，運轉費用高，而被第二種辦法所代替。即在設計時設有一條可以供應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。因為惰性氣體比耐腐蝕的泵油的消耗便宜，故常用此法來保護油對軸承的潤滑。為了不使轉子溫度過高，在設計時要確定轉
子與泵體間的溫升。渦輪分子泵轉子葉片與被抽氣體分子摩擦生熱，使高速回轉的轉子和泵體之間產生溫升ΔT，通常有如下計算式
式中ΔT———轉子與泵體間的溫升，℃；n———轉子的轉數，r/min；Pf———泵的前級壓力，mTorr；K———與氣體種類有關的常數，其值如下：
抽空氣時：K=3713；
抽H2時：K=5203；
抽He時：K=4142；
抽Ar時：K=3097；
例：若泵抽空氣K=3731，設n=24000r/min，Pf=2×10-2 Torr=20mTorr，將值代入上式則得：
該公式是實驗得到的經驗公式，從中可以看出被抽氣體的分子量大時則k值小，這說明所得的溫升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摩擦生熱厲害。要很好考慮這個問題，以防轉子溫升過高，消失間隙，造成轉子與定子的碰撞接觸，讓成事故。
渦輪分子泵設計時要考慮的另一個技術問題是渦輪分子泵在外界強磁場作用下，泵運轉的可靠性問題。渦輪分子泵在有磁場作用的條件下工作時，轉子內有感應渦流存在。會導致轉軸和葉片產生熱變形。由于轉子和定子的間隙很小，一旦發熱變形會使轉子卡死，葉片損壞等現象發生。此外還會產生制動力矩，增加驅動負荷，降低轉速。因此國外有些廠家對各種渦輪分子泵通過實驗確定其磁感應的許可值Bmax。
渦輪分子泵在強磁場(均勻的或脈沖磁場)下工作時，由于轉子葉片的高速轉動(100~1000Hz)，動片與定片間隙在0.5~1.0mm之間，一個導體在磁場內移動會產生電磁感應的渦流，變成熱能損失。
式中Δp———渦流損失；B———磁感應強度；f———葉片的旋轉頻率；；δ———葉片材料的電阻率。
Δp與旋轉葉片的形狀有關，葉片的長度大大超過葉片的寬度，磁場會引起葉片發熱，其主軸也會發熱使動片與定片的間隙變化。
最大許可的Bmax值的決定原則是，即磁場影響使此間隙縮小一半時的B值，定為Bmax。在脈沖磁場條件下，最大許可值為B'max
式中t1———接通時間，s；t2———斷開時間，s。
如果改變泵殼材料，對轉子進行鐵鎳合金的磁屏蔽，Bmax值可增至四倍仍是許可的。巴爾蔡司公司生產的一些型號的渦輪分子泵進行過這方面的實驗研究。動片與定片的設計時的間隙為0.1~1.0mm。由于渦流的熱變形使間隙縮小一半時的B值規定為許可的臨界值。其結果如下表所示：
表1 渦輪分子泵的技術參數
萊寶公司也有這方面的實驗和的確定規則，對他們生產的泵在均勻和脈沖磁場中，磁場順著軸的方向Bmax為1.5×10-2 Tesla，而垂直方向時Bmax值為3.5×10-3 Tesla，它是以轉子的溫度達100℃作為Bmax的確定原則的。
舉例說明：TurboVac3500型渦輪分子泵中定子和轉子盤之間的間隙為1.5~2.0mm，工作在脈沖均勻的磁場中與軸線正交。規定轉子溫度為100℃。t1=15s，t2=285s，B=3×10-2Tesla。在同樣脈沖4×10-2 Tesla時，溫度達到100℃經過35個脈沖。
轉子溫度T的計算有如下經驗公式：
式中T0為轉子的初始速度；
γ=1.18×106度/Tesla2；
α=8.5×10-5；
t為時間。
在非均勻的磁場條件下，泵無故障運轉，對應的Bmax=6×10-2 Tesla/cm，磁場梯度為7×10-4 Tesla/cm，轉子的溫度達到100℃，而轉子的頻率要降低10%。
3.2、使用上的安全對策
由于渦輪分子泵使用方便，因此得到廣泛的應用和普及。但是，高速的回轉體，萬一遭到損壞或發生能量轉換對結構的破壞是難以估量的。所以使用者對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則及釋放轉矩測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不同時，所要考慮的對策也就不同了。如異物的混入，吸氣口處安裝有保護的金屬網，網孔的大小直接影響泵的抽氣效率。因此，對各種對策要綜合來考慮其效果。以上所談的這些問題都是從文獻資料上收集的。本人對此沒有感性的認識，錯誤在所難免，懇請批評指正。
