普发真空于 1958 年由 W. Becker 博士开发涡轮分子泵并获 得专利。 涡轮分子泵属于动量真空泵的范畴。它们的设计类 似于涡轮机的设计。 多级、具有叶盘的涡轮状转子在壳体内 旋转。涡轮机或压缩机的叶片被统称为叶片装置。 转子盘之 间插入具有类似几何形状的叶片定子盘。
轴承
通过两个球轴承安装涡轮分子泵转子轴需要将两个球轴承都 安排在前级真空侧，因为轴承中有润滑剂。这导致较大质量 转子受单边(悬臂)支撑。
混合轴承支撑就转子动力学而言在这方面有优势。混合轴承是指单一泵中使用 两个轴承的概念。在这种情况下， 油润滑球轴承安装在前真空侧上轴的端部， 且高真空侧配备了免维护和无磨损的永磁轴承，其将转子置于径向中心位 置。 润滑前真空侧轴承的油置于油池内。小型安全轴承布置在磁轴承转子内。在正 常工作期间，轴颈在该轴承内自由旋转。如果存在强劲的径向冲击，安全轴承 则稳定转子转动。如果转子失去平衡，轴两端的轴承将比浮动轴承的情况下产 生显著较低的轴承振动力。高真空侧的磁轴承对振动完全不敏感。因此，只有 非常小的振动力被传输到壳体上。而且，这无需悬臂概念中较大的两个轴 承， 其较大尺寸限制了转速。
法兰直径尺寸超过 100 mm 的大型泵另外使用被称为 5 轴磁 轴承的轴承 [24]。 通过距离传感器和电磁体实现的数字电气 控制使转子悬浮。 涡轮转子运动的自由度可连续监控并实时 调整。 转子与壳体之间无机械接触将泵产生的振动保持在低 水平。 转子围绕其自身的惯性轴线自转。由于一侧涂层或腐 蚀(如在等离子刻蚀中)产生的任何不平衡可在较大的限制 内抵消。
除前级真空侧无油外，无磨损和免维护是另一个优势。在停 电的情况下，通过泵的旋转能量为磁轴承供电。这使得停电 可以很容易地桥接数分钟。如果停电持续时间较长，通过使 用集成的安全轴承，转子将以非常低的速度安全停止。在系 统故障期间，安全轴承使转子减速，以避免对泵造成任何损 坏。
电动机与驱动器
能够提供旋转频率高达 1,500 Hz (90,000 rpm) 的无刷直流电 动机用于驱动转子。这使得叶片速度是泵送气体所必需的。
如今，驱动器通常都是直接连接到泵上。电源是 24、48 或 72 伏的直流电，通过外部电源包或集成在泵的电子单元中的 电源包产生电流。
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图 4.21: 涡轮转子的自由度
4.9.1.1 涡轮分子泵工作原理
包括转子和定子叶片排列的泵送作用是基于将动量从快速旋 转的叶片传输给被泵送的气体分子。与叶片碰撞的分子被吸 附在叶片上，然后在一段时间后再次离开叶片。在该过程 中，叶片速度被加到分子热运动速度上。为确保由叶片传输 的速度成分不因与其他分子碰撞而损失，分子流必须在泵中 占主导地位，即:平均自由程必须大于叶片间距。
在动量泵的情况下，在泵送气体时出现反压力;这导致回 流。抽速以 S0S0 表示。体积流量随压力增加而减少，并在最大 压缩比 K0K0 时达到0值。
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图 4.22: 涡轮分子泵的工作原理
压缩比
以 K0K0 表示的压缩比可根据 Gaede 公式进行估计 [25]。 以下 适用于外观密实的叶片结构(图4.22):
公式 4-8: 涡轮分子泵的压缩比
cˉ 平均分子速度 [m · s⁻¹]
v 圆周速度 [m · s⁻¹]
几何关系取自图 4.22。系数 g 在1 和 3 之间 [26]。 从方程中 明显可以看出，K0 随叶片速度 v 以及 以指数方式增加， 因为
(公式 1-10)
因此，例如，氮的压缩比明显高于氢的压缩比。
体积流量(抽速)
抽速 S0与入口面积 A 和叶片的平均圆周速度 v, （即转速） 成正比。考虑到叶片角度 α，结果：
公式 4-9: 涡轮分子泵的抽速
考虑到法兰入口流导
(公式 1-24)
以及最佳叶片角度为 45°，根据以下 公式，得出重气体 (分子重量>20)涡轮分子泵近似有效抽速 Seff:
公式 4-10: 涡轮分子泵的有效抽速
用有效抽速除以最上层圆盘有叶片的入口表面积并考虑叶片 厚度堵塞的面积与系数 df≈df≈ 0.9，得出使用氮的涡轮分子泵的 具体抽速，例如(图 4.23中的曲线)：
公式 4-11: 具体抽速
在 图4.23 中，Y 轴上绘制的是单位面积抽速，以 l · s-1 · cm-2 为单位，X 轴上绘制的是平均叶片速度 v=π⋅f⋅(Ra+Ri)。 从该点垂直向上移动，与曲线交叉点显 示的是泵的最大单位面积抽速 SA。 用该值乘以入口盘有叶片 的表面积: A=(R2a−R2i)⋅π，求出泵的抽速，并把它与目录信息进行比较。
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图 4.23: 特定涡轮分子泵的抽速
图 4.23 中所绘制的点是普发真空在所示泵测量值的基础上确 定的。远远高于绘制曲线的点实际上是不可能的。
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图 4.24: 相对分子质量的抽速
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图 4.25: 入口压力的抽速
因而所确定的抽速仍然没有说明有关轻型气体的值，如氢。 如果涡轮分子泵专为低极限压力而设计， 则使用具有各种叶 片角度的泵级组合对氢具有最大抽速。这将使泵产生针对氢 (约 1,000) 和氮产生足够的压缩比， 由于氮在空气中高分 压，它应该为109。 在纯粹涡轮分子泵的情况下，由于其分 子流，需要的前级真空压力大约为 10-2 mbar。
4.9.1.2 Holweck 级工作原理
Holweck 级(图 4.26)是多级 Gaede 类型的分子泵， 具有 螺旋形泵通道。由于转子的旋转，进入泵通道的气体分子接 收到通道方向的牵引速度。回流损失的出现是因为挡板之间 的间隙，该挡板将 Holweck 通道彼此隔离并将其与转子隔 离。 间隙的宽度必须保持较小，以减少回流。绕定子 (2) 中 螺旋形通道旋转的圆柱形套筒 (1) 用作 Holweck 级。 将定子 安排在转子的内外使得两个 Holweck 级很容易集成在同一泵 内。这意味着，被抽出的气体通过定子通道被输送到转子的 外部， 然后通过另外的定子通道被输送到转子的内部，直到 它们通过收集通道被输送到前级泵。一些现代涡轮分子泵具 有几个这样的“折返”Holweck 级。
Holweck 级的抽速 S0等于：
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图 4.26: Holweck 级的工作原理
公式 4-12: Holweck 级的抽速
其中， b⋅h 是通道横截面， v⋅cos α是通道方向的速度分量。
压缩比因通道长度 L和速度 v⋅cos α 以指数方式增长 [4]:
公式 4-13: Holweck 级压缩比
使用该公式计算得到的值在实际 Holweck 级中无法实现， 因 为从相邻通道经过挡板的回流急剧降低了压缩比， 而且这种 影响没有考虑在公式 4-13 内
为使极限压力在 0.5 和 5 hPa 之间以隔膜泵为前级建立涡轮 分子泵系统，涡轮分子泵目前配备了 Holweck 级。这些类型 的泵被称为涡轮拖动泵。由于涡轮分子泵的高压缩比而只需 低抽速就能获得低的本底压力，排气通道，特别是通道高度 以及转子之间的间隙可以保持得极小，从而仍然在 1 hPa 范 围内提供分子流。同时，这使氮的压缩比增加了所需的 103数量级。从图4.27中可以看出， 压缩比曲线向较高压力移动 了大约 10 的二次幂。
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图 4.27: 纯涡轮分子泵和涡轮牵引泵的压缩比
对于专为大气体流量而设计的涡轮分子泵，提供了折中方 案， 其中涉及到气体抽气量、前真空兼容性以及颗粒耐受 性，且 Holweck 级中间隙距离增大了。
4.9.1.3 涡轮分子泵性能数据
气体负荷
在恒定体积流量范围内与压力成正比增长。在抽速曲线的下 降段中，最大抽出的气体负荷可继续上涨，但他们取决于前 级泵大小。最大允许的气体负荷也取决于泵的温度(冷却和/ 或加热的泵)和所涉及的气体类型。抽出惰性气体是有疑问 的，因为它们在撞击转子时产生大量的耗散能量，且由于其 低比热，只有很少的热量可耗散给壳体。
制造商对转子温度的测量能够对气体类型有关的工艺提出建 议，以便安全操作涡轮分子泵。涡轮分子泵的技术数据规定 了氢、氦、氮、氩和 CF4 在公称 rpms 下最大允许的气体负荷。转速降低允许更高的气体吞吐量。
抽速 > 1,000 l · s-1 的 HiPace 系列泵配备了转子温度监控装 置，防止其自身过热。
临界前级压力
临界前级压力是指涡轮分子泵前级真空侧的最大压力， 在该 压力下，泵的压缩比减少。通过在进气侧无进气的情况下增 加前级压力，根据 ISO 21360-1:2012 测定压缩比，作为压 缩比测定的一部分来确定该值。在涡轮分子泵的技术数据 中， 最大临界前级压力始终是针对氮来规定的。
本底压力、极限压力、残余气体
对于真空泵，极限压力和本底压力是有区别的(也见第4.1.3 节)。 虽然泵必须在测量指南中规定的条件下在规定时间内 达到本底压力 pb，但是极限压力 pe 可大幅降低。在 HV 范围 内， 使用金属密封件在清洁条件下烘烤 48 小时后达到本底压 力。 对具有铝壳体泵的底压的规定是实现压力无需烘烤，且 使用清洁的 FKM 密封件。
腐蚀性气体版本的泵具有较高的解吸率，由于转子表面的涂 层，这可暂时导致较高的本底压力。
用前级压力除以压缩比得出极限压力。
公式 4-14: 极限压力
是否达到极限压力将取决于设备和泵的大小与清洁度以及烘 烤条件。在极端烘烤(超过 300 °C)后，在残余气体中将只 发现 H2, CO and CO22。 这些是溶解在测试罩金属中并连续逸 出的气体。清洁、 烘烤设备的典型残余气体光谱如图 4.28 所 示。
在使用前级泵时，气镇应定期打开，以防止氢在前真空区域 积聚。在很多情况下，实际极限压力由涡轮分子泵高真空侧 解吸条件及其抽速决定的，而不是泵的压缩比.
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图 4.28: 典型的 UHV 残余气体光谱(涡轮分子泵)
