徑向微型分子泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及抽氣性能仿真

謝天意，謝元華，竇仁超，孟冬輝，劉 坤，巴德純，孫立臣，閆榮鑫

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，沈陽110819；2.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京100094）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天探索、科學(xué)考察、軍事工程、醫(yī)療健康等領(lǐng)域均對探測儀器設(shè)備的微小型化提出了新的需求。分子泵作為獲得高真空環(huán)境的核心設(shè)備，其微小型化是其未來發(fā)展的一個重要方向。傳統(tǒng)渦輪分子泵的轉(zhuǎn)子直徑通常大于75 mm，對于大多數(shù)便攜式應(yīng)用設(shè)備而言體積過于龐大。而微型分子泵的體積小、重量輕、功耗低，能夠滿足航天及長期深空飛行的輕載荷要求，可以配合質(zhì)譜儀等進(jìn)行火星環(huán)境探測、航天器內(nèi)空氣及污染物監(jiān)測等，具有廣闊的應(yīng)用價值與技術(shù)前景。

分子泵葉片角度、葉片間距、安裝間隙等葉列結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響分子泵抽氣性能，利用數(shù)值仿真模擬分析可以有效判斷分子泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣；采用Molflow+軟件和試驗(yàn)粒子蒙特卡羅方法可以有效模擬分子流態(tài)下分子泵幾何葉列模型氣體分子的傳輸概率。目前分子泵的研究主要集中在軸向分子泵方面：張鵬飛等采用蒙特卡羅法模擬計(jì)算了分子泵葉列傳輸概率，比較了三維模型和二維模型的差異，實(shí)現(xiàn)了渦輪分子泵計(jì)算方法的優(yōu)化；Heo等利用直接模擬蒙特卡羅法對分子流、過渡流態(tài)分子泵葉列進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)分子泵單排葉列模擬結(jié)果推算出抽氣、過渡、壓縮階段整體葉列的抽氣性能；孫浩等采用混合分段法計(jì)算分子泵壓縮比，給出了分子流態(tài)下采用特征系數(shù)法計(jì)算分子泵壓縮比的適用范圍；舒行軍等從分子泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度，分析了葉片角度、葉片間距、安裝間隙等參數(shù)對壓縮比的影響。

軸向分子泵定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為煩瑣，實(shí)際拆裝時定子葉列需逐級安裝，且葉片厚度較薄、容易變形，影響定轉(zhuǎn)子葉片之間的配合間隙，裝配難度較大。而徑向分子泵裝配時，只需固定轉(zhuǎn)子圓盤的位置，即可實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子葉片間隙配合。相比軸向分子泵而言，徑向分子泵的研究報(bào)道較少；美國霍尼韋爾公司采用MEMS技術(shù)在硅片上加工制作了徑向微型分子泵，但未見其詳細(xì)研究報(bào)道。然而軸向分子泵的研究理論和方法對徑向分子泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能模擬亦具有指導(dǎo)意義。

為補(bǔ)充國內(nèi)對徑向分子泵領(lǐng)域的理論研究，發(fā)掘徑向微型分子泵的性能與結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，本研究針對徑向微型分子泵的核心部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)用模擬軟件ANSYS、COMSOL 進(jìn)行仿真分析，考查自由分子流態(tài)下葉片角度、葉片間距、安裝間隙、節(jié)弦比等參數(shù)對分子泵抽氣性能的影響，并比較徑向分子泵與軸向分子泵的結(jié)構(gòu)與抽氣性能，以期為微型分子泵的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供理論參考。

1 徑向微型分子泵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

本研究所涉及的微型分子泵要求抽速不低于6 L/s，壓縮比不小于10，主要功能部件尺寸不大于?80 mm×60 mm。為簡化結(jié)構(gòu)，減小體積與裝配難度，采用徑向定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該徑向微型分子泵主要包括進(jìn)氣口、定子、轉(zhuǎn)子、主軸、排氣口等部件，氣體經(jīng)中間進(jìn)氣口進(jìn)入泵腔，高速旋轉(zhuǎn)的定子將動能傳遞給氣體分子，氣體分子徑向通過轉(zhuǎn)子與定子進(jìn)行抽氣壓縮，最終由側(cè)面排氣口排出泵外。

圖1 微型分子泵設(shè)計(jì)原理示意Fig.1 Schematic diagram of the micro molecular pump

如圖2所示，徑向分子泵的轉(zhuǎn)子呈圓盤形狀，其上沿徑向依次設(shè)有環(huán)形排列的葉片，定子結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子相似，轉(zhuǎn)子葉列與定子葉列層數(shù)對應(yīng)，且轉(zhuǎn)子葉片與定子葉片交替排列，兩者相互配合進(jìn)行抽氣壓縮。

圖2 徑向微型分子泵定/轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)Fig.2 Stator and rotor structure of the radial micro molecular pump

2 抽氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算與模擬分析

微型分子泵中的定轉(zhuǎn)子能夠快速進(jìn)行抽氣，并經(jīng)過每一級葉列壓縮得到較大的壓縮比，因此，選取合理的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對分子泵性能有直接影響，是微型分子泵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2.1 徑向葉列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微型分子泵的抽氣系統(tǒng)可分為中間進(jìn)氣和四周進(jìn)氣2種結(jié)構(gòu)。中間進(jìn)氣四周排氣結(jié)構(gòu)，因進(jìn)氣端的抽氣階段葉列線速度較小，且有效抽氣面積小，抽速相對較??；而壓縮階段葉列線速度大，壓縮比增加較快，壓縮比較大。四周進(jìn)氣中間排氣結(jié)構(gòu)，因四周抽氣階段有效抽氣面積較大，且線速度較大，抽速較大；而壓縮階段葉列線速度較小，壓縮比上升慢，總壓縮比較小。在抽速滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，中間進(jìn)氣結(jié)構(gòu)比四周進(jìn)氣結(jié)構(gòu)壓縮比高近2個數(shù)量級。在一些航天探索應(yīng)用設(shè)備上，和抽速相比較，對真空度的要求更為嚴(yán)格，如“好奇號”火星車的火星樣品分析儀中的微型質(zhì)譜儀，其內(nèi)部離子源真空度需達(dá)到10～10Pa。在滿足真空度需求的前提下，在一定程度上犧牲抽速可減輕分子泵的重量，以適應(yīng)設(shè)備輕量化的需求。因此，本設(shè)計(jì)選取了小抽速大壓縮比的中間進(jìn)氣四周排氣結(jié)構(gòu)。

將分子泵轉(zhuǎn)子葉列分為抽氣、過渡和壓縮3個階段。減小葉片角度可有效縮小葉片徑向?qū)挾?，并增大單級葉列的壓縮比，而直接增加葉片數(shù)或減小葉片角度會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的有效吸氣面積減小，從而影響抽速。本設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)選擇見表1，轉(zhuǎn)子尺寸為?70 mm×40 mm，定轉(zhuǎn)子整體尺寸不超過?70 mm×45 mm，滿足核心部件尺寸設(shè)計(jì)要求。

表1 葉片參數(shù)Table 1 Parameters of the blades

2.2 徑向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模擬分析

徑向分子泵的轉(zhuǎn)子呈圓盤形狀，葉列所在圓環(huán)半徑逐漸增大。由于轉(zhuǎn)子葉盤高速旋轉(zhuǎn)，葉片根部會受到強(qiáng)大的離心力影響，且葉列由內(nèi)圈向外圈所受離心力影響依次增大。為考查葉片在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中是否會遭到破壞，對葉列結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬分析。轉(zhuǎn)子材料選用TC4鈦合金，轉(zhuǎn)速72 000 r/min。

采用SolidWorks軟件繪制轉(zhuǎn)子圓盤三維模型并保存為x_t 格式，使用ANSYSWorkBench 軟件中的Static Structural模塊導(dǎo)入轉(zhuǎn)子三維模型，設(shè)置轉(zhuǎn)子材料屬性以及額定轉(zhuǎn)速，并在設(shè)計(jì)位置選取軸承支撐點(diǎn)，模擬分析葉片的應(yīng)力、應(yīng)變與位移。模擬計(jì)算結(jié)果能為徑向轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，葉片間距或安裝間隙的合理取值等提供參考。

從應(yīng)力分析結(jié)果（見圖3）可以看出，當(dāng)葉片在72 000 r/min 高轉(zhuǎn)速下工作時，其最大應(yīng)力發(fā)生在齒根部，為318.39 MPa；將理論分析值乘以安全系數(shù)1.2（經(jīng)驗(yàn)值），可得出實(shí)際工作時產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過381.6 MPa。本設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)子的材料為TC4鈦合金，屈服強(qiáng)度為860 MPa，遠(yuǎn)大于上述最大應(yīng)力值，因此轉(zhuǎn)子在工作過程中不會被破壞，葉片也不會出現(xiàn)損壞。

圖3 應(yīng)力分析結(jié)果Fig.3 Results of stress analysis

從彈性應(yīng)變和總位移分析結(jié)果可看出，最大彈性應(yīng)變發(fā)生在葉根處，且不超過0.007 mm（見圖4）；最大總位移發(fā)生在最外圈葉列葉頂處，為0.069 mm（見圖5）。本設(shè)計(jì)中徑向分子泵的定/轉(zhuǎn)子葉片間隙（≥0.23 mm）、定子葉片頂端與轉(zhuǎn)子盤間隙（0.4 mm）、轉(zhuǎn)子葉片頂端與定子盤間隙（0.4 mm）、轉(zhuǎn)子盤外徑與泵殼內(nèi)徑間隙（2 mm）均遠(yuǎn)大于最大總位移0.069 mm，因此葉片變形不會影響分子泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖4 彈性應(yīng)變分析結(jié)果Fig.4 Resultsof elastic strain analysis

圖5 總位移分析結(jié)果Fig.5 Resultsof total displacement analysis

2.3 葉列抽氣性能數(shù)值模擬

2.3.1 徑向葉列結(jié)構(gòu)抽氣性能模擬

分子泵轉(zhuǎn)子的作用主要是提高抽速，定子的作用主要是提高壓縮比。為深入探究徑向葉列的抽氣性能，利用COMSOL軟件分別對葉片角度為20°～40°的葉片進(jìn)行模擬計(jì)算。當(dāng)極稀薄氣體分子的移動速度比域中的任何幾何實(shí)體都快得多時，“分子流模塊”中的自由分子流接口對此類氣體建模非常有效。而渦輪分子泵中，葉片運(yùn)動速度與氣體分子熱速度相當(dāng)，需要使用蒙特卡羅方法。

對單級葉列葉片間氣體流場進(jìn)行三維建模（見圖6紅色部分）。模型使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系特征，對粒子施加離心力和科里奧利力，模擬徑向分子泵旋轉(zhuǎn)葉片所在非慣性參考系中兩葉片間氣體分子的軌跡；使用參數(shù)化掃描得到壓縮比和葉列線速度之間的關(guān)系，考查葉列線速度對壓縮比的影響，參見圖7和圖8。

圖6 單級葉列葉片間流場Fig.6 Flow field between bladesof single stagecascade

圖7 葉列線速度Fig.7 Linear speed of cascade

圖8 壓縮比和葉列線速度關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between compression ratio and linear speed of cascade

徑向分子泵每級葉列所在半徑為5～35 mm 不等，故每級葉列具有不同的線速度，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到72 000 r/min 時，各級葉列線速度為38～252 m/s。常溫條件下，分子量小的氣體分子熱運(yùn)動速度過快，不利于模擬計(jì)算葉列壓縮比、抽速等參數(shù)，故一般設(shè)置被抽氣體為氮?dú)饣驓鍤猓敬文M計(jì)算設(shè)置為氬氣。根據(jù)模擬結(jié)果，葉列抽氣階段壓縮比為25.75，過渡階段壓縮比為1 943.15，壓縮階段壓縮比為3 678.70，徑向分子泵15級葉列總壓縮比為1.84×10。本研究中設(shè)計(jì)的徑向分子泵為中間進(jìn)氣四周排氣結(jié)構(gòu)，氣體過流體積增加，四周氣體過流體積是內(nèi)部過流體積的5.13倍，理論最大壓縮比為3.6×10，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)壓縮比達(dá)到10的要求。

根據(jù)渦輪分子泵抽氣性能指標(biāo)，當(dāng)C≤0.8時（C 為葉列線速度與氣體分子平均熱運(yùn)動速度之比），分子泵最大抽速S為

可得出，本設(shè)計(jì)的氬氣最大抽速為9.5 L/s，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)抽速不低于6 L/s的要求。

2.3.2軸向葉列結(jié)構(gòu)性能模擬計(jì)算

為了比較不同結(jié)構(gòu)分子泵的抽氣效果，選取2種結(jié)構(gòu)整體尺寸相近且抽氣系統(tǒng)體積相當(dāng)?shù)姆肿颖米瞿M分析對象，其中徑向分子泵（壁厚約9 mm）抽氣系統(tǒng)外徑90 mm，高度10 mm，體積（π×45×10）約為63 617 mm；軸向分子泵（壁厚約4 mm）抽氣系統(tǒng)外徑54 mm，高度30 mm，體積（π×27×30）約為68 707 mm。同時，軸向分子泵與徑向分子泵的轉(zhuǎn)子參數(shù)選取一致，具有相同的葉列級數(shù)、葉片角度、葉片間距和葉片尺寸等，如圖9所示。

圖9 軸向轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意Fig.9 Structural diagram of the axial rotor

根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速72 000 r/min，葉根圓周直徑40 mm，可知轉(zhuǎn)子葉片頂部線速度為151 m/s。利用模擬軟件COMSOL進(jìn)行氣體粒子追蹤（見圖10），設(shè)置氣體流場進(jìn)出口且給定氣體粒子總數(shù)，模擬可觀察氣體粒子的運(yùn)動全過程，并在進(jìn)出口設(shè)置粒子計(jì)數(shù)器，計(jì)算氣體粒子穿過與返回概率，從而得到對應(yīng)葉列壓縮比。

圖10 葉片間粒子分布Fig.10 Particle distribution between blades

根據(jù)模擬軟件的“分子流模塊”，使用蒙特卡羅法對每一級不同狀態(tài)參數(shù)的葉列進(jìn)行模擬計(jì)算，可得出每級葉列的壓縮比，繼而推算出葉列整體壓縮比。其中，葉列壓縮比K 在抽氣階段為84.71，過渡階段為120.76，壓縮階段為564.09，軸向分子泵15級葉列總壓縮比為5.7×10。當(dāng)C≤0.8時，利用抽速計(jì)算公式可得出軸向結(jié)構(gòu)分子泵的最大抽速為15.6 L/s。

在整體尺寸相近且抽氣系統(tǒng)體積相當(dāng)?shù)臈l件下，軸向分子泵抽速大、壓縮比相對較小，而徑向分子泵抽速相對較小、壓縮比大，見表2。根據(jù)壓縮階段壓縮比值，徑向分子泵在轉(zhuǎn)子外側(cè)再增加葉列時，單級葉列壓縮比在10以上，而軸向分子泵單級葉列壓縮比在3左右?？梢?，在同等抽氣系統(tǒng)體積下，徑向分子泵在獲得高壓縮比方面更具優(yōu)勢。

表2 軸向與徑向分子泵性能比對Table 2 Comparison of performance of axial and radial molecular pumps

3 結(jié)論

相比軸向分子泵，徑向微型分子泵的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較簡單，加工與裝配難度小。本研究對徑向微型分子泵核心部件——定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行原理介紹、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)模擬分析。利用ANSYS軟件對所設(shè)計(jì)的徑向分子泵轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，并用COMSOL軟件進(jìn)行分子泵抽氣性能仿真，探究比較徑向和軸向結(jié)構(gòu)的分子泵的抽速與壓縮比，得出以下結(jié)論：

1）在與本設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)某闅庀到y(tǒng)體積下，徑向結(jié)構(gòu)分子泵的抽速（9.5 L/s）略小于軸向結(jié)構(gòu)分子泵的抽速（15.6 L/s）。

2）在與本設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)某闅庀到y(tǒng)體積下，徑向微型分子泵的壓縮比可達(dá)到3.6×10，比軸向分子泵的壓縮比大將近1個數(shù)量級。相對于軸向分子泵，徑向分子泵轉(zhuǎn)子外圈線速度大，在外圈增加定轉(zhuǎn)子葉列可使壓縮比進(jìn)一步增加，故在提高分子泵壓縮比方面具有明顯優(yōu)勢。

下一步可根據(jù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化結(jié)果，采用3D打印、超精密磨削、MEMS技術(shù)等加工方式制作徑向微型分子泵原理樣機(jī)，進(jìn)行相關(guān)性能測試研究，推進(jìn)徑向微型分子泵走向?qū)嶋H應(yīng)用。