涡轮分子增压泵的研究现状与进展

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作者简介!于治明)’(*$%+,

男,辽宁锦州市人,在读博士,副教授-涡轮分子增压泵的研究现状与进展

于治明’,",

刘波’,巴德纯’,

杨乃恒’)’.

东北大学,辽宁沈阳

’’###&/".

沈阳航空工业学院,辽宁沈阳

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摘

要!综述了涡轮分子增压泵的研究现状与进展-涡轮分子增压泵是一种动量传输型真空泵,它的出口压

力范围可达’###01,通过计算流体动力学方法)234法+和直接模拟蒙特卡罗法)4562+可以模拟计算抽气通道内气体的流动,这两种互补的方法可以研究从粘滞流到分子流的全部抽速曲线,从而指导新型涡轮分子增压泵的设计-关键词!分子泵/牵引分子泵/涡轮分子泵/复合分子泵/涡轮分子增压泵

中图分类号!78

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."9文献标识码!<文章编号!’##"%#$"")"##$+#&%##$"%#9

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*分子泵的现状

分子泵经过近’##年的发展,

在工程实际中分子泵得到广泛应用,主要是由于它对分子量大的气体有较高的压缩比,能获得清洁的真空环境,在某些要求清洁度较高的真空系统中,油扩散泵已被涡轮分子泵)760+代替-分子泵作为一种非常重要的半导体以及液晶显示设备的子系统,被广泛用于刻蚀+低压化学气相沉积)[02,4++金属有机物化学气相沉积)6-2,4++离子注入以及溅射工艺-760的主要问题是,在入口压力为’.$$01量级时,

其有效抽速会明显下降到9#./0#.1’2

-此外,由于涡轮分子泵前级压力低,前级泵的油蒸气返油率高,影响了分子泵入口的清洁程度,故出现了复合分子泵-最近十年来,日本研制出了核聚变用的陶瓷分子

泵1",$2-

它的特点是完全无油,没有电气系统-可以在强磁场中+高温下+有腐蚀性环境中运行,还可高温烘烤除气-适用于核聚变装置+

粒子加速器+超导磁体应用装置+超高真空装置+半导体制造+易燃型气体的排气及各种化学反应装置等场合下使用-此后又开发了一种低温型涡轮分子泵,用于抽除反应生成物的

涡轮分子泵以及可获得极高真空的涡轮分子泵1&2

-

3涡轮分子增压泵的设计

’((&年5W Y Z ^{1:2

提出了等离子刻蚀及其2,4工艺,这两种工艺主要取决于薄膜表面的活性离子

与气体分子的反应-需要确定的工艺参数有!流量+真空室压强+等离子的能量以及等离子与薄膜的距离-这两种工艺与其它工艺相比具有不同的特性!需要高的排气量和相对低的真空度,即压强在’01左右,排气量为0##|__X -为了获得高真空以及大抽气量的需要,通常这种抽气系统包括一个涡轮分子

"

$真空

4=5667

第&期

"##$年9月

万方数据

泵!一台机械增压泵!一台干泵"这会产生以下问题#抽气设备的成本增加!油蒸气的返流会造成真空室的污染"复合分子泵可以在相对高的压强下抽气!以便一台前级泵如干式膜片泵可以用于备用"另一个优点是在半导体工艺中可以较好的处理大量的微粒!特别是在刻蚀以及$%&工艺过程中"为了减少微粒提高工艺性能!迫切需要较高的真空!这集中的体现在高密度的等离子体源上!在高真空的条件下可以形成满意的致密的等离子体"涡轮分子泵常用于机械增压泵的上游’(!)*!当机械增压泵在几十帕压强时!排气量下降!而涡轮分子泵的抽速下降"为了解决这个问题!近期出现了螺旋槽涡轮增压泵!这种泵比不烘烤的复合分子泵的极限压强稍高!在高真空时抽速稍低+当压强低于,-.//01时!为. 2/345"在低真空时比复合分子泵的抽速高得多+压强为((-601时!接近,-.2/345!从低真空到高真空具有高的排气量!它的工作压力范围#.,,,017 .,8601"图.示出了它的结构示意图’.(*"这台泵的最大转速为9:,,,;32<=!转子直径为9,(22!转子轴向长度为9:,22"它包括泵体>同轴安在泵体内的筒型转子>嵌入在转子上有五个螺旋形叶片"每个叶片包括三个不同的部分!如图9所示"为了给高真空分子泵提供一个好的抽气效果!在转子进口处的叶片采用?@0的叶片截面!出口处压缩粘性高压气体的叶片采用螺旋槽截面!为了平稳的压缩和输送气体!在?@0叶片和螺旋槽叶片间采用了连接单元"为了增加压缩能力!在转子内部附加了一个内部定子+如图/5!内部定子是按造A B C D E F G原理设计的!它的上面带有6个螺旋槽或.H个螺旋槽

"

涡轮分子增压泵的研究现状与进展万方数据

!"#理论研究的方法

分子泵性能计算中使用较多的有微分方程法$随机统计模拟法$%&’法$’()%法$积分方程法$传输矩阵法$角系数法等*

+","-微分方程法

盖德./"012324是最早使用微分方程法来计算牵引式分子泵的抽气性能*采用纳维5斯托克斯方程.65(方程47求出牵引式分子泵的抽速$压缩比与泵的转速$几何尺寸关系的解析表达式* +",",随机统计模拟法

这是一种统计试验法7是在分子流区域内对单一气体分子的运动过程进行模拟跟踪*这种方法只要知道气体分子在排气通道的入口平面上的分布函数和气体分子在通道内与固体表面碰撞后的出射分布函数7就可以求得气体分子通过排气通道的几率*此方法的电算程序比较简单7占用计算机内存少7应用较为广泛7但是其精度与样本数的平方根成正比7计算时间也相应增加*所以这种方法不适于计算几何形状复杂通道的传输几率*

+","+%&’法

%&’法是一种模拟粘性流体运动的一种传统方法7广泛地应用在%8’工艺模拟$透平机械设计$热传导分析7以及与流体运动的相关问题9-:;*这种方法的主要贡献在于它可以提供流体运动的详细流场7对于工程设计来讲具有足够的精度*便于进行多种方案的比较7可以节省样机的开发成本*它适用于计算粘滞流问题7而稀薄气体的流动不适用* +","<’()%法

.-4=>?3的模型9:;

=>?3的模型是一种可以用于非定常流的过渡流场计算的方法7称为直接模拟蒙特卡罗法*这种方法可以有效地用于模拟稀薄气体的流动问题*’()%法是用随机过程描述分子碰撞的7这就要求被模拟的气体分子呈杂乱无章的状态7而且分子间的距离较大7通常克努曾数介于@"-和-@之间*从均匀稳定流态开始7模拟过程中的时间参数可通过真实流动的物理时间来认定*将物理空间划分若干个单元网格7以便选择相互碰撞的分子对和对宏观流动进行抽样*为了减少计算机的处理量7可以利用模拟场的对称性建立网格单元的大小$尺寸$个数以及存储每个分子所需位置坐标个数*通常空间网格是按+’来处理的7模拟分子的位置和速度都是连续分布的7并且在计算机循环误差范围内7质量$动量和能量是守恒的*

’()%法适用范围很广*由于要求分子混沌的假设7因而适用于分子间的平均距离远大于分子直径的所有流体力学问题*它的计算机时正比于模拟分子数*

当=>?3首次在解决均匀气体中的流动松弛问题获得成功之后7把它扩展到多维流动$混合气体$多自由度内部流动和化学反应气体流动等方面* .,461A B C的模型

-D:@E-D D-年61A B C发表了很多关于’()%法的论文9D7-@;761A B C的模型与=>?3的模型同属

’()%法7其不同点在于对分子碰撞模型的处理* 61A B C认为7分子F和分子G碰撞应该互相独立地处理*’()%方法最核心的问题是对分子碰撞的数学处理*61A B C的模型是从H I@时的分子速度直接来确定H I J H时的分子速度7将单元内的所有分子都按这样办法处理*61A B C的模型先对H I@时分子速度抽样7将两个分子相对速度的信息加以记录*对每个单元网格内的分子F I-7,7KK L*执行如下步骤*

M对应时间J H的分子F的碰撞概率

N F I J H O P,Q@L R-@S T F G

如果分子产生碰撞7H I J H时的分子速度与H I@时的速度相等7则碰撞进入下一步*

U分子F的碰撞对象G的概率分布为

T F G V S

L@

W I-

T F W.G I-7,7KKL4 X用碰撞后的速度Y Z F I.Y F[Y G[T F G\]4V,作为

对应J H时分子F的速度*Y

F$Y G

为碰撞前的速度7\]为任意单位向量*

把H I@时分子速度用H I J H时分子速度代替的处理方法与=>?3方法不同*因为所有这些模拟规则都是从玻尔兹曼方程得来的*因此利用它得到的解等价于玻尔兹曼方程的解*

+","^积分方程法

积分方程法是以分子运动的概率模型为基础7把叶列平面划分为无数的小单元7研究每个小单元内分子的运动情况7考察气体分子与叶片的碰撞情况7然后把所有的微元积分累加起来*积分方程法适用于分子流区域7几何形状多数是简单的二维模型* +","_传输矩阵法

传输矩阵法可以处理几何形状复杂的问题*

<

+真空第<期万方数据

!"#"$角系数法

角系数法是原苏联学者提出的方法%角系数实际上是一个几何因子%

仅由几何特征决定%为了强调说明引入的角系数与任何其它参量无关%也把它称为几何因子&它利用了麦克斯韦扩散分子反射定律和麦克斯韦分布函数&这种方法先计算和测试角函数%然后解决边界值的问题&

’模拟方法的选择

根据克努曾数的大小%流体在涡轮分子泵中可以是粘滞流()*+,",-.%滑移流(,",-+)*+,"-.%过渡流(,"-+)*+-,.%或者是自由分子流()*/-,.&见表-&

表0抽气流动范围的分类

12345064277898:28;<;9=>?=8<@94;AB 5@8;<7

流动克努曾数数学模型

粘滞流)*

+,",-C D E 方程(

无滑移边界条件.滑移流,",-+)*+,"-C D E 方程(滑移边界条件.过渡流,"-+)*+-,玻尔兹曼方程分子流

)*

/-,无碰撞玻尔兹曼方程

当流体处于自由分子流时%已经提出了许多计算方法%如随机统计模拟法%积分方程法&对于分子

牵引泵的过渡流范围内%F G H I G J 和K G L M N --O 提出了

一个新模型代替P Q G R G 的方程&在粘滞流下%E Q S Q T R Q 等N -#%-!O %C Q U V W 和X Y Q J Q Z [M N -\O 以及E ]Q Y U ^H N -_O

等

人做了很多工作%他们研究了泵处于高压强时流体的性能&‘^W 等人N -a O 利用b c d 法和d E eb 法对涡轮增压泵在滑移流f 粘滞流以及过渡流下的三元流

进行了分析&结果表明%在滑移流和粘滞流时b c d

的计算是比较准确的%而对于过渡流b c d 方法不适用%因此过渡流的计算应采用d E eb 法&b c d 方法广泛的应用在空气动力学以及工业自动化领域的流

动问题N -$O

&

’"06g h 法的数学模型N -i O \"-"-基本方程

-j k k l (m n .o k k p q (m r q n .D k

k p q

s t q u k n k p v w

u x y n

(-.式中m 为密度%n 代表(

-z{|}.~

%分别对应连续方程f 三个动量(p -%p #%p !.方程以及能量(静态焓.输运方程&j f r q 和t q u

分别表示坐标变换的雅可比f 体积加权逆变速度以及扩散度&在方程(-.

中的源项y n 由下式给出

y n

x -j ,

(连续方程.D !"q o #N s (z u ."q O D #

!(s #z ."q

o(旋转力.(

动量方程.$!$l o %o &q (能量方程’()*+

,

.(#.

式中!f s f z u f %和&分别表示压强f 流体粘度f 三个方向速度f 能量耗散和热传导&旋转力-包括哥氏力以及离心力%可以用下式计算

-xD#m .q u /z q D(0q 10u 2D 0q 20u 1.m 3u 3q "2(!.式中3表示泵的转速&.q u /为在直角坐标系下的埃丁顿(4R R M U Y 5^U .张量&z q 为相对速度&0q 1%0u 2%0q 2%0u 1为克罗奈克尔(6J ^U G 78G J .符号&"2为矢径的长度&

状态方程为

m x

!

(9:;|.<

(\.

9和;|分别表示普适气体常数和混合气体分子量&

\"-"#边界条件

采用等温边界条件&对于固体边界表面根据该处克努曾数的大小%自动的采用滑移或非滑移条件&

在壁面处的滑移速度近似的按照完全漫反射的假定计算

z |=>

?z

?@|

(_.式中>为气体的平均自由程&脚标|代表固体壁面&

’"A 计算方案

目前的计算方案是由b [G U 等人

N -B %#,O

开发并加以证明&这种方法可以解决非线性及共轭输运方程f 连续方程f C C E 方程以及在转动参考系中的能量方程&为了离散输运方程%采用了有限差分法&输运方程的对流部分采用三阶迎风D E d 格式%

方程中的粘性项和源项采用了二阶中心差分&为了增强速度C 压强耦合以及在每个时间步长末的质量守恒流动场的解%采用了基于压强的预测:校正算法&为了改进稳态流动收敛性%采用了改进的4W H G J

法&’"F 模拟过程N

-a %-i O

模拟过程见图\%

由于转子上流道的对称性%为了降低计算量%只计算一个流道&整个计算区域由五

个部分组成%将转子的气体流道分成i \_i _个网格&

如图_%

块-和#的区域为泵进口上游的真空室&块-的进口平面与泵的进口之间的轴向距离为,"_$%$为真空室的内径&块!为转子的流动槽&块\为转子的出口平面和泵的出口平面之间的区域&块_

_

!第\期于治明%等G 涡轮分子增压泵的研究现状与进展

万方数据

j Y ‘Y d c i g h f g ^a b_g \\j _c d Y ‘h i Z cZ c c _‘\i g h f g 方法进口压强计算值

J D *

K 出口压强给定值J D *K 抽速计算值J U V 1K 抽速测量值J U V 1K 相对误差J IK $%&"B )B L

G )F H Q F A )A G G G !)F G G )F Q B )B C

L )C B Q !L )A C G B H B )C G G )F Q B )B Q

=)B H Q B F )L G G B !Q )G G L )!A B )G L

C )A H F H F )L F G B L L )A G !)Q F B )G C

H )!C F !L )F G B A G G H )L C "#$B )C =

G Q )B C H A Q )B G F H L )=G C )=!G )C L

L L )L L C G =)A H H L !)G G C )G Q !)!H

==)F =!L =)C C L =C )Q lA A )B H G B )H L

F B )L F A F L )=A A A L lA H )

G !=C )F H

G C !)!Q G G Q )B L Q Q )A lG Q )Q Q G G =)G C

A !!)H !F Q )H A H =)H lG F )=A ==H )

B =F B B )

C B =Q )B Q !F )!lA A )=B 压缩比的测试见图H J 8K 测试中%$Q B R S S S 作为前级泵以及m $&:!"J n ,*o

pA F B U V 1K 和%$Q B R S S S 的组合作为涡轮分子增压泵的前级泵?为了得到所需的压强@需要关闭质量流量计并允许气体通过泵的前级管道?当真空室压强处于平衡时@需要记录测试罩内部压强和前级管道压强@然后计算出前级管

道压强与真空室压强的比?如图H J 8

K 当被控前级压J 7K 所示@当出口压强低于G B B D *时真空室压强几C L 真空第!期

万方数据

乎为常数!这表明涡轮分子增压泵的压缩性能不同于"#$的指数关系!此外%

当它的前级泵为&’()*+++

时%这种泵有较大的压缩比%在前级管道压强为,))$-

附近时%最大压缩比大于,).!为了测试内部定子的性能%设计并安装了一种/槽及,.槽的内部定子0见图12!图.

表示了不同的内部定子

涡轮分子增压泵的研究现状与进展

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期

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