涡轮分子泵的发明史

(根据Willi Becker 理念制造出的第一台涡轮泵)

自1945年担任实验室主任以来，工程师Willi Becker一直致力于优化扩散泵的性能以及找到避免抽送能力下降过半的方法——而造成性能下降的就是当时必须使用的挡板。在实验中，他发现装有涡轮叶片的旋转圆盘具有抽吸效果，从而想到制造一种对吸入气体无气阻的挡板。沿着这条思路出发，1955年涡轮分子泵问世。

Willi Becker 博士，涡轮泵的发明者（1919年-1986年）
1956
申请涡轮泵设计专利
1958
第一台涡轮泵上市
1966年7月
成为吉森大学的荣誉博士
随后几年
优化涡轮分子泵：缩减尺寸和重量，改善轴承结构和性能
1982年3月
退休
1986年2月
Willi Becker 博士去世，享年66岁

(图为Willi Becker 在实验室)

Willi Becker 博士个人简历，涡轮泵的发明者（1919年-1986年）
1939
毕业于达姆施塔特工程学院
进入韦茨拉尔的 Arthur Pfeiffer 公司
起初在飞机导航设备领域工作
1945
成为高真空领域的开发负责人
建立一套完整的真空技术设备和测量仪器程序
1954/55
研制涡轮泵

涡轮分子泵发明者Willi Becker

Willi Becker在1955年的设计基础上制造出一款新泵，有针对性地组装了多个高速旋转的圆形涡轮叶片，这款泵也不负众望地显示出了卓越的性能。Willi Becker这样描述道：“这种挡板主要由一个快速旋转的叶轮组成，翼片端部边缘沿轴方向逐渐减轻。正确的旋转方向和一定的转速可以保证空气分子从上到下自由通过，而从下向上飞的油滴则会被表面捕获。在试验阶段最引人注目的是这种旋转挡板能够产生相当大的压缩比。由于叶轮与转轮相近，我们参照涡轮机在转轮前后对称安装导轮，通过导轮放大压缩效果，再将许多这样的转轮安装在一个泵内。因为这种泵的结构与涡轮机十分相似，我们将其命名为涡轮真空泵。“

涡轮分子泵使真空技术发生了颠覆性变革，称得上是该研究领域最具意义的发明之一。

涡轮分子泵的发明使普发真空成为行业的标杆

当1945年Willi Becker接管普发真空实验室工作时， 他还没有想到他将为真空技术带来革命性进步。在研究扩散泵期间，他提出一种设计方案，使此类泵中挡板不会对吸入气体产生阻力——这种阻力会导致泵功率下降多达 50％。

1955年，他将想法付诸实践，以快速旋转叶轮为基础设计出一款挡板，叶轮由装配涡轮叶片的圆盘所组成。这款旋转挡板展示出惊人的功率，空气分子从上向下流动，而从下向上飞的油滴将被表面捕获。

三年后，他研制出第一台按照此原理运作的样机泵，并申请了专利。涡轮分子泵——简称涡轮泵诞生，普发真空再一次证明了自身在真空制造业的开创性。

随后几年中，Willi Becker 不断改进他的发明，优化功能并为他所发现的抽吸效应提供理论依据，这使他于1966年成为吉森大学的荣誉博士。涡轮分子泵是市场上品质和性能最好的泵，是每个现代实验室的基本设备之一。

普发真空的现任研发负责人 Armin Conrad 深谙这项发明所具有的划时代意义，并在采访中解释了涡轮分子泵之所以重要的原因。

Conrad先生，请问涡轮分子泵是在什么样背景下诞生的，在它之前人们都适用哪些真空设备进行生产和研究？

Armin Conrad: 在涡轮分子泵发明前，工业上主要使用油泵制造真空。顾名思义，这种泵在使用过程中需要大量的油。然而，在上世纪中叶，对于无油真空的需求愈发迫切，人们试图用油气密封方法解决这个问题，但始终难以满足要求。Willi Becker是一位极具探索精神的发明家和手工制作爱好者，他的好奇心以及对解决问题的痴迷促使他决定填补无油真空的空白。他迎难而上，并在研究过程发现涡轮的抽吸作用。

涡轮分子泵的基础原理是什么？

Armin Conrad: 气体粒子击中移动的挡壁，则自身的热运动方向变为垂直于挡壁。这个过程多次重复，无规则热分子运动被转换成定向粒子流，由此得到泵送过程。根据这一原理运作的泵因此被称为分子泵。这一工作原理的难点是气体粒子的相互碰撞，这会抵消泵送过程，因此必须预先使腔体压力降至约 10 -1 hPa 。

第一台分子泵是什么样的？
涡轮分子泵主要由一个外壳与转子和定子组成。旋转圆盘和固定圆盘交叉排列，一个转子盘和一个定子盘组成一个泵级。转子转动得越快，抽吸效果就越显著。现代泵的转速已高达 90 000 min-1，圆周速度为 400 m/s。而在1958年Willi Becker的自制样机转速就能达到 142 m/s。

涡轮分子泵自问世后有哪些改进？

Armin Conra：如前文所述，第一台泵压力达到 10 -1 hPa。为了适应更高的前级压力，在90年代开发出霍尔威克级。它由一个带铣削螺纹的直立件和一个旋转圆筒组成。泵通道的典型尺寸比涡轮盘上的小10至50倍。因为高压是影响气体粒子碰撞的第一因素，故标准前级压为 10 hPa，特殊情况下甚至允许达到 30 hPa。

它对泵用户有什么好处？

Armin Conrad: 我们致力于涡轮分子泵的改进，追求技术领先。近年来，通过改进转子动力和完善轴承技术，产品的可靠性有了极大提高。普发真空的特殊均衡技术在这种情况下起到了重要的作用。此外，HiPace 系列涡轮分子泵通过早期故障检测简化了后期维护工作。

另一方面， HiPace 实现了能源的高效利用，通过优化驱动技术、减少资源消耗和改进驱动器的效率，大大节约了运行成本。

您怎么看待涡轮分子泵未来的趋势？

Armin Conrad: 产品能效在目前具有重要意义，并且在未来将越来越重要。越来越多的客户要求解决方案具有更高的生产率、更低的资源消耗与运营成本。真空系统的能耗有时甚至可以占到生产设备总能耗的30%，也就是说在节能方面仍旧有很大的空间可以进行改善。在HiPace 系列中，我们极大地提高了涡轮分子泵技术的环境可持续发展能力和经济效益。未来我们仍会在这条道路上探索，以满足市场和客户日益高涨的需求。