Wolfgang Gaede 的分子式空氣幫浦
Wolfgang Gaede 逝世 80 週年紀念 作者 Guido Pfefferle 與 Gerhard Voss
分子式空氣幫浦的內部運作，以歷史圖片呈現
Wolfgang Gaede 於 1945 年 6 月 24 日在慕尼黑逝世。作者透過這篇文章紀念他逝世 80 周年，並首次發表圖片，揭示 E. Leybold 繼任者的分子式空氣幫浦內部運作方式。
Gaede 的分子真空幫浦專利
帝國專利辦公室 [ 柏林 ] - 專利編號 239213 Wolfgang Gaede 博士在布里斯高的弗里堡 - 旋轉式真空幫浦 - 自 1909 年 1 月 3 日起在德國帝國獲得專利
專利第 239213 號之標題起初可能聽起來不特別令人印象深刻。然而，「迴轉式真空幫浦」這個名稱背後是真空技術的一個真正里程碑：分子式空氣幫浦。
Wolfgang Gaede 在上述專利規範中寫道：「分子式空氣幫浦僅利用被抽氣體與高速移動的固體表面之間的摩擦來運輸氣體。不需要使用「密封流體」，例如水銀或油。「在現今的術語中，這意味著 :Wolfgang Gaede 的分子式空氣幫浦是世界上第一台乾式壓縮真空幫浦。
圖 1 [3] 在左側顯示了 Leybold 根據 Gaede 專利所製造的分子式空氣幫浦，此處顯示的是抽空 X 光管。當然，使用 Leybold 的旋轉葉片幫浦作為前級真空幫浦。
分子式空氣幫浦的工作原理
Wolfgang Gaede 在他的授權論文 [1] 中引入了「氣體的外部摩擦」一詞，描述了氣體分子與高速移動的固體表面之間的相互作用。他的分子式空氣幫浦基於這個原理運作。幫浦運作原理的示意圖可見於 1912 年 E. Le ybold Nachfolger [2] 發表的《新型高真空幫浦的初步通訊》。
[2] 中包含的「圖 2 」在本文中重製為圖 2。其附有以下原始文字：「深度 b 和寬度 a 的凹槽被切入圓柱體 A 中，其圍繞軸線 a 旋轉。在距離 h'，A 被圓柱形外殼 B 包圍。在一側，葉片梳 C, 連接至外殼 B，突出到凹槽中。」 [ 在圖 1（左）中，當轉子 A 沿軸線 a 高速順時針旋轉時，氣體從 n 輸送到 m 。當氣體從 m 流回到 n 並穿過 C 與 A 之間的間隙時，會發生不必要的氣流損失。在幫浦的技術實施中，此間隙不得超過幾百分之一毫米的寬度。] [ 為了達到最佳的高真空，氣體必須在幫浦入口（高真空側）和出口（前級真空側）之間進行顯著壓縮。這是透過以下原則來實現的 :] 「 個別凹槽是串聯連接的，使得開口 m 連接到 n₁、 m₁ 到 n₂ 等。因此，氣體壓力從轉子的末端朝向中心持續降低。」
Leybold 的技術設計
圖 3 [3] 顯示了沿著轉子軸 a 的 Leybold 分子式空氣幫浦的縱截面技術設計。外殼 B（圖 3 中以陰影顯示）支撐上部組件 K，並以「氣密」方式固定到其上。由實心黃銅圓柱製成的轉子 A 與軸 a 堅固連接。凹槽 D 被銑入黃銅圓柱中，薄片梳 C（深色陰影）延伸到其中。此外，S 表示幫浦在高真空側的入口，而 H 表示用於驅動軸 a 的皮帶輪。值得注意的是，幫浦的真正秘密在於上部組件 K。它包含複雜的氣體分配通道系統，沒有圖紙或照片。
Leybold 幫浦內部一覽
為了探索分子式空氣幫浦的內部運作，我們首先拆下固定上部組件 K 的四個螺絲。一旦鬆開，組件就可以從外殼 B 上抬起，我們真的很驚喜。組件和外殼之間沒有墊圈，只是黃銅和黃銅上有一點潤滑脂。
圖 4 顯示了翻轉的上部組件 K 的下側和外殼 B 的頂側。我們將在圖 6 中仔細觀察 K 的下側。在 B 的頂側，可以看到一系列連接到 B 內部的插槽，因此也連接到轉子的凹槽。此外，葉片梳 C 安裝在 B 的頂側，與幫浦的縱軸平行對齊。安裝螺絲的孔也可見於圖 4。移除圖 3 所示的組件 E、F、G 和 H 後，我們能夠抽出並測量轉子 A。根據我們的測量結果，其直徑為 100.00 + 0.01 mm。為了展示葉片梳與轉子之間的相互作用，我們將由單塊黃銅研磨的梳插入轉子的凹槽中。如圖 5 所示更詳細。
為使機構如圖 2 所示運作，精密機械精確度和百分之一毫米的再現性是絕對必要的。Leybold 早在 1912 年就能達到這種精確度。
圖 6 詳細顯示了上部組件 K 的底面，讓我們更接近分子空氣幫浦的「秘密」內部工作。我們使用金屬清潔液追蹤內部通道。
這讓我們能夠詳細追蹤高真空 (HV) 和前級真空 (FV) 側之間的複雜氣體路徑：高真空側的入口（HV 接頭 S，圖 6）連接至圖 6 的位置 1。從那裡，轉子將氣體輸送到右側的位置 2。這意味著從 K 的標示側（E. Leybold 的 Nachfolger，Coeln 和 Berlin，德國專利 ）觀察時，轉子必須逆時針旋轉。
通過填充有軟焊料的可見通道，氣體從右側 2 移動到左側 2，然後經由轉子移動到右側 3 ，通過 K 中的通道移動到左側 3 ，通過轉子移動到右側 6 ，通過 K 中的通道移動到左側 6 ，通過轉子移動到右側 4 ，通過 K 中的通道移動到左側 4 ，通過轉子移動到右側 7 ，通過 K 中的通道移動到左側 7，通過轉子移動到右側 5，通過 K 至左側 5 的通道， 通過轉子至右側 8， 最後通過 K 至左側 8 的通道， 從此處到達連接至前級真空幫浦的環形凹槽（FV 位置）。
很抱歉給您帶來漫長的解釋 - 但在 113 年後，必須將其寫下並記錄下來。因此，我們能夠實驗性地確認 Wolfgang Gaede 的陳述，即氣體是從幫浦中心抽出的。K 內通道系統的確切結構可能只能使用 X 光進行非破壞性判斷。請務必注意，連接到前級真空幫浦的凹槽圍繞著環狀的內部高真空區域。
此設計可確保前級真空幫浦能捕捉到從環境（1000 mbar）到凹槽（0.1 mbar）的任何空氣洩漏。環形凹槽與位置 1 之間的壓力差通常比環境大氣與凹槽之間的壓力差小 10，000 倍。因此，從凹槽到位置 1 的洩漏遠小於從環境洩漏到凹槽中的洩漏。總而言之：環形凹槽可保護高真空區域免受來自環境大氣的空氣洩漏。
Epilogue
Leybold 有幸在 Gaede 檔案庫中保存了兩台原始分子式空氣幫浦。這幸運的情況激發了將其中一個幫浦恢復到工作狀態的想法。這已經成功完成，但仍有工作要做，才能徹底最佳化幫浦的運作。
參考
[1] Wolfgang Gaede Habilitation Thesis：The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau，1912 年 [2] 根據 Gaede E. Leybold 博士的 Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein]，1912 年，有關新高真空幫浦（分子空氣幫浦）的初步通訊 [3] 根據 Gaede E. Leybold 博士的 Nachfolger，Cöln a[m] Rh[ein]，1912 年，有關分子空氣幫浦的第 VI 號特殊價目表
作者：
Guido Pfefferle
原型和工具電子郵件：[email protected]
Gerhard Voss 博士
Gaede Archive Cologne
電子郵件：[email protected]
