Турбомолекулярные насосы, принцип действия

Принцип молекулярного насоса, известный с 1913 г, состоит в том, что частички газа, откачиваются через соударение с быстро движущимися поверхностями ротора, что придает им импульс в нужном направлении потока. Поверхности ротора, обычно в форме дисков со стационарными поверхностями статора формируют промежуточное пространство, по которому газ перемещается к выпускному порту. В первоначальном молекулярном насосе Геде и его модификациях пространство (каналы) было очень узким, что являлось причиной трудностей конструирования и высокой степени чувствительности к механическим загрязнениям.

В конце пятидесятых стало возможным (через конструкции турбин и модификацию идеи Геде) создать технологически приемлемый насос, названный турбомолекулярным. Пространство между дисками статора и ротора были сделаны порядка нескольких миллиметров, что могло значительно повысить отклонения. Следовательно, достигалась большая надежность работы. Однако значительный эффект откачки достигался только тогда, когда окружная скорость (на внешнем крае) пластин ротора достигала порядка средней тепловой скорости молекул откачиваемого газа. Кинетическая теория газов описывает скорость в выражении:

в котором наблюдается зависимость скорости от типа газа (то есть от молярной массы М). Результаты расчетов в кгс-единицах измерения ( R = 83.14 ×10^6 мбар × см3 моль× К ) приведены в таблице.

Таблица зависимости тепловой скорости от молярной массы газа.

Газ

Молярная масса М

Тепловая скорость, м/с

H2

2

1761

He

4

1245

H2O

18

587

Ne

20

557

CO

28

471

N2

28

471

Воздух

28.96

463

O2

32

440

Ar

40

394

CO2

44

375

CC13F (F11)

134.78

68

 

Для соответствия условию для турбомолекулярных насосов круговая скорость ротора должна быть того же порядка, что и C . Скорость находится в диапазоне от 36000 об/мин для насосов, имеющих ротор большого диаметра до 72000 об/мин для насосов с ротором маленького диаметра. Столь высокие скорости обычно поднимают вопрос о надежности подшипников. Существует три основных концепции подшипников, достоинства и недостатки которых состоят в следующем:

Стальные шарикоподшипники с масляной смазкой
+ хорошая совместимость с частичками за счет циркуляции масла
— могут устанавливаться только вертикально
+ низкая стоимость обслуживания
Гибридные подшипники со смазкой
+ могут устанавливаться в любом положении
+ подходят для мобильных систем
± воздушное охлаждение используется не во многих областях применения
+ нет необходимости добавлять/менять смазку
(на весь ресурс подшипников)
Магнитный подвес / без смазки
+ нет износа
+ не требуется техническое обслуживание
+ полностью безмасляные
+ низкий уровень шума и вибраций
+ возможность установки в любом положении.

Стальные/керамические (гибридные) шарикоподшипники
Даже минимальный зазор в тонкой пленке смазочного материала между шариками и поверхностями колец может (если используются материалы одного типа) привести к микросварке в точке контакта. Это сильно снижает ресурс подшипников. При использовании различных материалов, так называемых гибридных подшипников (по-
верхности – сталь, шарики – керамика) можно избежать эффекта микросварки.

Самой лучшей концепцией подшипников является магнитный подвес. Достижения в электронике и использование постоянных магнитов (пассивный магнитный подвес), привело к широкому использованию магнитного подвеса. В этой системе ротор поддерживается втстабильном положении без контакта во времятработы с помощью магнитных сил. Не требуетсятникакой смазки. Для выключения встраиваютсяттак называемые подшипники приземления.

На рисунке показано сечение типового турбомолекулярного насоса. Насос является осевым компрессором вертикальной конструкции, действующей или откачивающей части, которая состоит из ротора 6 и статора 2. Турбинные лопатки расположены по окружности статора и ротора. Каждая пара пластин ротора – статора образуют
одну ступень, поэтому блок состоит из множества ступеней, расположенных последовательно. Откачиваемый газ попадает прямо через входной фланец 1 и без потерь проводимости в действующую область откачки на верхние лопатки блока ротора – статора. Верх оборудован лопатками специально большего радиального размера, чтобы обеспечить большую площадь кольцевой поверхности. Газ, захватываемый этой ступенью, перемещается на ступни меньшей компрессии, лопатки которых имеют более короткий радиальный размер, где газ сжимается до выпускного (форвакуумного) давления. Ротор турбины 6 устанавливается на ведущий вал, поддерживаемый двумя прецизионными шарикоподшипниками (8 и 11), установленными в корпус двигателя. Вал ротора приводится в действие с помощью среднечастотного двигателя, установленного в форвакуумной области с ротором, так что нет необходимости вращать втулку вала при внешнем атмосферном давлении. Питание к двигателю и автоматическое управление обеспечивается с помощью внешнего, обычно твердотельного частотного преобразователя, который гарантирует очень низкий уровень шума. Для особых технологических процессов, например, в областях с повышенной радиацией, используются частотные преобразователи генератора двигателя. Вертикальная конфигурация ротора – статора обеспечивает оптимальные условия потока газа на входе.

Чтобы гарантировать отсутствие вибрации при работе на высоких скоростях вращения, турбины проходят динамическую балансировку при двух уровнях во время их сборки. Характеристики быстроты действия (объемного потока) представлены на рис. 2.53. Быстрота действия остается постоянной на всем протяжении диапазона рабочего давления. Она понижается при входных давлениях порядка 10-3 мбар, т.к. это пороговое значение означает переход из молекулярного режима течения в область ламинарного вязкостного режима течения газа. На рис. 2.54 представлены зависимости быстроты действия от рода газа.

Коэффициент компрессии (часто обозначается просто компрессией) турбомолекулярного насоса равен отношению между парциальным давлением одного компонента газа на форвакуумном (выпускном) фланце к давлению на высоковакуумном фланце: максимальная компрессия k0 вычисляется при нулевой производительности. По физическим причинам коэффициент компрессии турбомолекулярного насоса очень высокий для тяжелых молекул, но значительно ниже для легких молекул. Зависимость между компрессий и молекулярной массой показана на рис. 2.55.

На рис. 2.56 представлены зависимости компрессии насоса TURBOVAC 340 для N2, He, H2 от выпускного давления.

Из-за высокого коэффициента компрессии для тяжелых молекул углеводородов, турбомолекулярные насосы могут прямо подсоединяться к вакуумной камере без помощи одного или нескольких охлаждаемых экранов или ловушек, без риска измерения парциального давления углеводородов в вакуумной камере (безмасляный вакуум – см. рис. 2.57: спектры остаточных газов над насосом TURBOVAC 361).

Т.к. парциальное давление водорода, получаемое ротационным форвакуумным насосом слишком низкое, турбомолекулярный насос может создать предельное давление примерно 10-11 мбар, несмотря на небольшую компрессию для Н2.

Чтобы создать столь низкое предельное давление необходимо строго соблюдать требования высоковакуумной технологии: вакуумная камера и верхняя часть турбомолекулярного насоса должны быть прогреты и необходимо использовать металлические уплотнения. При очень низких давлениях остаточный газ состоит в основном из Н2, выходящего из металлических стенок камеры. Спектр на рис. 2.57 показывает состав остаточных газов на входе в турбомолекулярный насос при давлении 7·10-10 мбар (по азоту). Видно, что количество Н2 в общем количестве газа составляет примерно 90…95%. Фракция тяжелых молекул значительно снижена, а массы более 44 не определены. Важным критерием в спектре определения количества остаточных газов является измерение углеводородов из смазочных материалов, используемых в системе откачки.

Конечно же, абсолютно безмасляный вакуум можно получить только в системах откачки, не содержащих смазочных материалов (т.е., например, турбомолекулярный насос с магнитным подвесом и сухой компрессионный форвакуумный насос). При корректной работе (напуск прилюбом простое) в спектре обычного турбомолекулярного насоса углеводороды обнаружены не будут.

Дальнейшим развитием турбомолекулярных насосов являются гибридные турбомолекулярные насосы. На деле это два насоса в одном корпусе с общим валом. Высоковакуумная ступень для молекулярного режима течения – это классический турбомолекулярный насос, а второй насос для вязкостного режима течения – молекулярный или фрикционный насос.

Так же смотрите Рекомендации по работе с турбомолекулярными насосами