Турбомолекулярные насосы

Турбомолекулярные насосы сочетают принцип молекулярного увлечения и осевого компрессора. При этом точки на окружности ротора имеют линейные скорости порядка молекулярных (430 м/с). Поэтому вал таких насосов должен вращаться со скоростью 10 000–60 000 об/мин в зависимости от диаметра насоса.
По сравнению со многими другими сверхвысоковакуумными насосами турбомолекулярным насосам присущ ряд преимуществ: постоянная готовность к работе, быстрый (10–15 мин) запуск, нечувствительность к резкому повышению давления (вплоть до атмосферного), широкий диапазон рабочих давлений (10^–7 – 10^–1 Па) примерно одинаковая быстрота действия по большинству газов, чрезвычайно высокая степень сжатия (10¹⁵) для газов с большой молекулярной массой (М ≥ 44). Высокая степень сжатия обеспечивает давление углеводородов на входе турбомолекулярного насоса не более 10^–15 Па (10^–3 торр), т.е. практически безмаслянный вакуум, при давлении на форвакууме 1–13 Па (7×10^–3 – 0,1 торр), соответствующем остаточному давлению большинства насосов с масляным уплотнением. Большое влияние на характеристики насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах или газовой подушке.
Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показаны на рис. 2.9. В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы.
При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.
В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) и радиальный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статорным колесом) зазоры могут составлять 1–1,2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быстроту действия. При молекулярном режиме течения молекулы откачиваемого газа, прошедшие через паз статорного диска сверху или отразившиеся от него и попавшие в паз роторного диска, имеют большую вероятность пройти через него, так как боковая стенка 5 паза роторного диска уходит с пути молекул, а стенка 6 в подавляющем большинстве случаев не нагоняет их. В тех редких случаях, когда стенка 6 нагоняет часть молекул, большинство из них после соударения приобретает результирующее направление дальнейшего движения в направлении откачки (на рисунке сверху вниз). Напротив, молекулы, вошедшие в паз роторного диска снизу, против направления откачки, с большой вероятностью отражаются им обратно.

Рис. 2.9. Схемы турбомолекулярных насосов:
а) — с горизонтальным валом; б) — с вертикальным валом

Отношение вероятностей пролета молекул любого газа в прямом и обратном направлениях характеризуется степенью сжатия данного газа насосом. Легкие газы, тепловая скорость молекул которых больше, легче  проникают через насос. Для них быстрота действия больше, а степень сжатия меньше. Степень сжатия существующих насосов составляет 10² – 10³ по водороду, 10⁷ – 10¹² по азоту, больше или равна 10¹⁵ по углеводородам и возрастает с увеличением частоты вращения ротора. Увеличение угла наклона паза ведет к снижению степени сжатия и увеличению быстроты действия.
Турбомолекулярный насос может начинать откачку с давления 10² Па (~1 торр), но при этом быстрота действия его будет мала, а потребляемая мощность велика в результате тормозящего действия газа; к тому же в насосе будет выделяться заметное количество тепла. Рабочий диапазон впускных давлений турбомолекулярного насоса — 10^–7 – 1 Па (10^–9 – 10^–2 торр). При этом быстрота откачки постоянна. При давлении ниже 10^–6 Па (10⁸торр) заметнее становится перетекание водорода и других легких газов со стороны форвакуума в откачиваемый сосуд, их парциальное давление приобретает большую относительнаю величину, что вызывает уменьшение быстроты действия турбомолекулярных насосов.

Эксплуатация и обслуживание
Турбомолекулярный насос устанавливают на массивное основание. Между турбомолекулярным и форвакуумным насосами обязательна постановка сильфонного компенсатора. Между турбомолекулярным насосом и откачиваемым сосудом сильфонный компенсатор не нужен, так как насос не вибрирует. Быстрота действия форвакуумного насоса — механического вакуумного насоса с масляным уплотнением — в 20–50 раз меньше быстроты действия турбомолекулярного насоса, что обеспечивает соответствие их производительности при наибольших впускных давлениях турбомолекулярного насоса. На основе небольших турбомолекулярных насосов с быстротой действия до 500 л/с выпускаются агрегаты, вакуумная схема которых показана на рис. 2.10.
Как видно из рисунка, в агрегате отсутствуют затвор, обычно помещаемый между высоковакуумным насосом и откачиваемым сосудом, и байпасная линия. Очевидно, поэтому молекулярный насос часто присоединяют непосредственно к откачиваемому сосуду без затвора, что к тому же позволяет достичь максимальной быстроты откачки рабочей камеры установки.
Если в момент остановки турбомолекулярного насоса в него не напускают атмосферный воздух, клапан 3 необходимо закрыть сразу после обесточивания электродвигателя. Постепенное повышение давления в насосе будет способствовать торможению ротора. Откачка выключенного турбомолекулярного насоса форвакуумным насосом ведет к загрязнению турбомолекулярного насоса и откачиваемого сосуда парами масла. Поэтому следует избегать длительной откачки форвакуумным насосом в период пуска и остановки турбомолекулярного насоса.

Рис. 2.10. Схема агрегата с турбомолекулярным насосом:
1 — форвакуумный насос; 2,5 — напускные клапаны;
3 — клапан; 4 — турбомолекулярный насос

Недопустима длительная работа насоса при высоких (>10 Па) впускных давлениях, так как это приводит к выходу из строя электродвигателей.
Большую опасность представляет попадание внутрь насоса относительно крупных твердых частиц. Для предотвращения этого во впускном патрубке насоса должна быть установлена сетка с размерами ячейки 1×1 мм, которая, однако, снижает быстроту действия насоса примерно на 25%.