渦輪分子幫浦如何運作？
自 1913 年起廣為人知的分子幫浦的原理是，要抽排的氣體微粒透過與轉子的快速移動表面碰撞，以所需流向接收到脈衝。轉子的表面通常為盤形，與定子的靜止表面形成中介空間，氣體會通過此處輸送至前級口。在原始的 Gaede 分子幫浦及其修改款型中，中介空間 (輸送通道) 非常窄，導致產生結構性的困難，以及對機械污染的高度敏感性。
渦輪分子幫浦的操作原理
50 年代末期，已經可能透過類似渦輪的設計及對於 Gaede 想法的修改來生產技術上可行的稱為「渦輪分子幫浦」的幫浦。定子與轉子盤之間的空間是以公釐的量級製作的，這樣就可以取得本質上更大的耐受度。因此，這樣可以達到更大的操作安全性。但是，只有當轉子葉片的周向速度 (位於外緣) 達到要抽排之分子的平均熱速度量級時，才能達到有意義的抽氣效果。運動氣體論提供了方程式 1.17 的 c-：
其中包含作為莫耳質量 M 之函數的氣體類型的相依性。涉及公分克秒單位的計算 (其中 R = 83.14 · 106 mbar · cm3 / mol · K) 產生在下表中：
表 2.4 c 作為莫耳質量 M 的函數
鑑於氣體類型抽氣速度的相依性非常低
在零輸送量時壓縮 k0 的相依性，以及因此也包含壓縮 k，因為
較大，如圖 2.55 中的實驗性判定的關係所示。
例如：
從理論上來說，這是隨後自然會發生的
如預期 (量級)，這相當符合圖 2.55 中 k0 (N2) = 2.0 · 108 的實驗性判定的值。就今日常見的個別轉子級段的最佳化觀點來看，此考量因素對完整幫浦而言已不再正確。圖 2.56 中顯示了針對現代化 TURBOVAC 340 M 測量的值。
圖 2.55 TURBOVAC 450 - 最大壓縮 k0 作為莫耳質量 M 的函數
圖 2.56 渦輪分子幫浦 TURBOVAC 340 M 針對 H2、He 與 N2 作為前級壓力的函數的最大壓縮 k0
請觀賞以下影片，查看動作中渦輪分子幫浦的抽氣動畫
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
渦輪分子軸承類型的優點與缺點
為了符合條件，渦輪分子幫浦需要作為 c 高轉子速度之相同量級的轉子周向速度。它們的範圍從約 36,000 rpm 的具有大直徑轉子的幫浦 (TURBOVAC 1000) 到 72,000 rpm 的較小轉子直徑的幫浦 (TURBOVAC 35 / 55)。這樣的高速對穩定的軸承概念來說自然是有疑問的。Leybold 提供了三種概念，以下將詳細介紹其優點與缺點：
油潤滑 / 鋼球軸承
+ 透過循環油潤滑達到與微粒之間的良好相容性
- 只能垂直安裝
+ 低維護成本
脂潤滑 / 混合軸承
+ 可以任何方向安裝
+ 適合行動系統
± 氣冷將適用於許多應用
+ (軸承) 終生潤滑
免潤滑劑 / 磁浮
+ 無磨損
+ 免維護
+ 絕對無碳氫化合物
+ 低躁音和震動
+ 可以任何方向安裝
鋼球軸承 / 混合球軸承 (陶瓷球軸承)：
即使在球與座圈之間的薄潤滑膜出現短暫的撕扯，如果使用相同類型的材料，也可能需要在接觸點處進行微焊接。這嚴重縮短了軸承的使用壽命。透過在所謂的混合軸承中使用不同的材料 (座圈：鋼，球：陶瓷)，可以避免進行微焊接。
最講究的軸承概念是磁浮。早至 1976 年，Leybold 就提供了磁浮渦輪分子幫浦，傳奇系列 550M 與 560M。當時使用了純主動式磁浮 (即具電磁鐵)。電子科技的進步及永久磁鐵 (被動式磁浮) 的使用以「KFA Jülich 系統」為基礎，允許磁浮概念廣為流傳。在此系統中，轉子會保持在穩定的位置，在操作期間不會因磁力而產生接觸。如此就絕對不需要潤滑。所謂的下接觸軸承會整合用於關閉。
渦輪分子幫浦的示意圖
圖 2.52 顯示了典型渦輪分子幫浦的剖面圖。幫浦是垂直設計的軸向流量空壓機，其主動或抽氣部分包含轉子 (6) 與定子 (2)。渦輪葉片位於鏡子與轉子的圓周。原型葉片排的每個轉子 - 定子對都形成一個級段，使組件包含許多串聯安裝的級段。要抽排的氣體會直接通過進氣口法蘭 (1) 的孔洞抵達，也就是說，在轉子 - 定子組件的頂部葉片的主動式抽氣區域上不會損失任何氣導。此處配備有特別大的徑向跨度的葉片，允許存在大型輪狀進氣區域。這些級段捕捉到的氣體會被輸送到下方壓縮級段，其葉片具有較短的徑向跨度，氣體會在此壓縮至前級壓力或粗真空壓力。渦輪轉子 (6) 安裝在驅動軸上，其由兩個精確球軸承 (8 與 11) 支撐，安置在馬達外殼中。轉子軸由轉子內前級真空空間中的中頻馬達直接驅動，如此就不需要將任何迴轉軸引導至外部大氣。此馬達由外部變頻器供電及自動控制，通常這是一部固態變頻器，可確保非常低的噪音。針對特殊應用，例如暴露於輻射下的區域，會使用電動發電機變頻器。
圖 2.52 脂潤滑 TURBOVAC 151 渦輪分子幫浦的示意圖。
- 高真空進氣口法蘭
- 定子包
- 通風法蘭
- 前級真空法蘭
- 碎片防護罩
- 轉子
- 幫浦外殼
- 球軸承
- 冷卻水連接
- 3 相馬達
- 球軸承
通風轉子 - 定子組態提供進氣口處氣體的最佳流量條件。為確保在高旋轉速度下運轉時沒有振動，渦輪在其組裝時會在兩個層級上動態平衡。
渦輪分子幫浦的抽氣速度
圖 2.53 不同渦輪分子幫浦的空氣抽氣速度
圖 2.54 TURBOVAC 600 針對 H2、He、N2 與空氣的抽氣速度曲線
渦輪分子幫浦的壓縮比
渦輪分子幫浦的壓縮比 (經常也簡稱為壓縮) 是一個氣體成分在幫浦的前級真空法蘭處的分壓與高真空法蘭處的分壓之間的比：最大壓縮 k0 可在零輸送量時找到。針對物理的原因，渦輪分子幫浦的壓縮比對重分子而言非常高，但對輕分子而言則很低。壓縮與分子質量之間的關係如圖 2.55 所示。圖 2.56 中顯示了 TURBOVAC 340 M 針對 N2、He 與 H2 作為前級壓力函數的壓縮曲線。由於重碳氫化合物分子的高壓縮比，渦輪分子幫浦可以直接連接真空腔室而無須一或多個冷卻擋板或冷阱的輔助，也不會產生真空腔室中碳氫化合物出現可測量分壓的風險 (無碳氫化合物真空！– 另請參閱圖 2.57：高於 TURBOVAC 361 的殘留氣體頻譜)。由於迴轉前級幫浦所達到的氫氣分壓非常低，渦輪分子幫浦能夠達到 10-11 mbar 範圍中的極限真空壓力，儘管其對於 H2 的壓力相對較為中等。為了產生如此極低的壓力，當然，這將需要嚴格遵守 UHV 技術的一般規則：真空腔室與渦輪分子幫浦的上半部必須經過烘烤，且必須使用金屬密封件。在非常低的壓力下，殘留氣體主要由來自腔室金屬壁的 H2 所構成。圖 2.57 中的頻譜顯示了在 7 · 10-10 mbar 氮氣等值的極限真空壓力之下，渦輪分子幫浦進氣口前的殘留氣體成分。它會顯示出 H2 佔氣體總量約 90 至 95%。「較重」分子的部分會顯著減少，而大於 44 的質量偵測不到。評估殘留氣體頻譜品質時有一個重要的準則，就是真空幫浦系統中使用的潤滑劑中可測量的碳氫化合物。當然，「絕對無碳氫化合物真空」只能以沒有潤滑劑的幫浦系統產生，例如使用磁浮渦輪分子幫浦與乾式壓縮前級幫浦。當直接操作 (在任何種類的靜止情況下通風) 時，在正常渦輪分子幫浦的頻譜中也偵測不到任何碳氫化合物。
圖 2.57 高於 TURBOVAC 361 的頻譜。
M = 質量數 = 離子化 1 時的相對莫耳質量
I = 離子電流
更多類型的渦輪分子幫浦
在渦輪分子幫浦的更進一步發展中，出現了混合式或複合式渦輪分子幫浦。這實際上是在單一外殼中的共用軸上的兩個幫浦。分子流量區域的高真空級段是典型渦輪分子幫浦，黏性流量範圍的第二個幫浦是分子牽曳或摩擦幫浦。
Leybold 以諸如具有整合式 Holweck 級段 (螺旋型空壓機) 的 TURBOVAC 55，以及例如具有整合式 Siegbahn 級段 (螺旋空壓機) 的 HY. CONE 60 或 HY. CONE 200 製造幫浦。所需前級壓力大約為幾 mbar，所以只有在從約 5 到 10 mbar 壓縮至大氣壓力時才需要前級幫浦。HY. CONE 的剖視圖如圖 2.52a 所示。
圖 2.52a HY.CONE 渦輪分子幫浦的橫截面。
- 真空口
- 高真空法蘭
- 轉子
- 定子
- 軸承
- 馬達
- 風扇
- 軸承
如何以前級幫浦操作渦輪分子幫浦
原則上，渦輪分子幫浦一般應與前級幫浦一起啟動才能減少油從前級幫浦到真空腔室的任何回流。對於相對較小的前級幫浦組合與大真空腔室而言，延遲啟動渦輪分子幫浦是有道理的。在前級幫浦的已知抽氣速度 SV (m3/h) 及真空腔室的已知體積 (m3) 之下，可以估計渦輪分子幫浦的復載壓力：
在以下情況時同時啟動
2.24 a
在以下情況時延遲啟動
2.24 b
在以下情況時的復載壓力：
2.24 c
在以下情況時同時啟動
在以下情況時延遲啟動
在以下情況時的復載壓力：
(2.24)
抽真空較大體積時，渦輪分子幫浦的復載壓力也可在圖 2.58 的輔助下判定。
圖 2.58 抽真空大型容器時判定渦輪分子幫浦的復載壓力
透過通風防止渦輪分子幫浦反向擴散
關閉後或發生電源故障時，應始終為渦輪分子幫浦通風，才能防止碳氫化合物從前級真空側反向或散至真空腔室。關閉幫浦後，冷卻水供應也應關閉，以防止可能的水蒸氣凝結。為了保護轉子，建議遵守操作指示中規定的 (最短) 通風時間。幫浦應透過已包含在燒結金屬節流中的通風法蘭通風 (使用屏障式氣體操作時除外)，以便能夠使用正常閥或電源故障通風閥執行通風。
屏障式氣體操作
對於配備屏障式氣體設施的幫浦，惰性氣體 (例如氮氣) 可透過特殊法蘭應用，以便能夠保護馬達空間與軸承抵抗侵蝕性介質。特殊屏障式氣體與通風閥會計量屏障式氣體的必要數量，並且也可作為通風閥使用。
為振動去耦
TURBOVAC 幫浦經過精確平衡，一般情況下可直接連接到設備。只有在高敏感度的儀器上，例如電子顯微鏡，才建議安裝減震器來將存在的振動降到最低。針對磁浮幫浦，通常直接連接到真空設備就行了，因為此類幫浦產生的振動極低。
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References
- Vacuum symbols
- Glossary of units
- References and sources
Vacuum symbols
A glossary of symbols commonly used in vacuum technology diagrams as a visual representation of pump types and parts in pumping systems
Glossary of units
An overview of measurement units used in vacuum technology and what the symbols stand for, as well as the modern equivalents of historical units
References and sources
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