Турбомолекулярные насосы

В молекулярных насосах частицы газа, ударяясь о быстро перемещающуюся поверхность, отражаются от нее с дополнительной составляющей скорости в направлении движения поверхности. Различают насосы собственно моле­кулярные и турбомолекулярные.
Собственно молекулярные насосы. Устройство и принцип действия молекулярного насоса иллюстрирует рис. 3.17. Внут­ри цилиндрической полости стато­ра 1 находится ротор 2. Статор имеет такую конфигурацию, что на участке поверхности 3—4 зазор между ним и ротором очень мал и создает сравнительно большое со­противление потоку; на остальном же участке 3—5—4 длиной L меж­ду ротором и статором образуется камера шириной h, где и происхо­дит процесс откачки. Молекулы газа, попадающие во входное от­верстие насоса и ударяющиеся о поверхность ротора, остаются на ней некоторое время (равное вре­мени пребывания), а затем отры­ваются со скоростью, зависящей от температуры ротора. Однако, ввиду того что ротор обладает окружной скоростью Vw, молекулы газа приобретают танген­циальную составляющую скорости в направлении движения ротора и движутся вслед за ним от входа к выходу насоса.

Рис. 3.17. Схема молекуляр­ного насоса: 1 — статор; 2 — ротор; 3, 4, 5 — участки кольцевого канала

Молекулы, обладающие скоростями, касательными к по­верхности, после многих отражений от стенок камеры при­ближаются к выходу из насоса, где газ накапливается и его концентрация возрастает, вследствие чего газ вытекает в фор­вакуум, созданный у выхода из насоса. Зазор 3—4, имеющий большое сопротивление, затрудняет перетекание газа со сто­роны выхода ко входу (т. е. ограничивает обратный поток). Тем не менее такой поток существует и в насосной камере в направлении 4—5—3, так что эффективный откачиваемый поток представляет собой основной поток за вычетом двух обратных потоков (в направлениях 4—5—3 и 4—3).
На рис. 3.18 показан дисковый молекулярный насос в разрезе, его конструктивная схема и принцип действия не требуют дополнительных пояснений. Молекулярные насосы работают при форвакууме порядка сотых долей тора; такой форвакуум необходим для обеспечения достаточно большой (по отношению к характерному размеру насоса) длины сво­бодного пробега молекул откачиваемого газа, с тем чтобы откачиваемый газ находился в молекулярных условиях.

Рис. 3.18. Молекулярный дисковый насос: 1 — сцепление; 2 — спиральные каналы; 3 — вращающийся диск

Молекулярные насосы имеют большие частоты враще­ния. Для малых насосов они достигают 10—20 тыс. об/мин; для больших насосов они меньше. Диаметры роторов имеют порядок нескольких десятков сантиметров, а зазоры должны составлять сотые миллиметра, что создает серьезные конст­руктивные трудности.
Скорость откачки современных молекулярных насосов достигает нескольких десятков литров в секунду. Они обес­печивают предельный вакуум ~ 10-6 Тор при предваритель­ном вакууме порядка долей тора.
Турбомолекулярные насосы сочетают принцип молекуляр­ного увлечения и осевого многоступенчатого 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 (10-13 Тор), т. е. практически безмасляный вакуум, при давлении на форвакууме 1—13 Па (7 • 10-3—0,1 Тор), 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.
Принцип действия турбомолекулярного насоса показан на рис. 3.19, а, а на рис. 3.19, б — зависимость предельного давления в фор вакуумной системе.
Между неподвижными статорными дисками 1 располо­жены вращающиеся роторные диски 2. Как статор, так и ротор снабжены лопатками, установленными под соответствующим углом. При этом в статоре и роторе прорези расположены зеркально в плоскости дисков.
В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить ра­бочие зазоры. Например, 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 сниже­нием коэффициента компрессии насоса слабо влияет на бы­строту его 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 2 паза роторного диска уходит с пути молекул, а стенка 1 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 справа налево). Напротив, молекулы, вошедшие в паз роторного диска сни­зу, против направления откачки, с большой вероятностью отражаются им обратно.
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.

Рис. 3.19. а — принцип действия турбомолекулярного насоса; б — зависимость предельного давления от давления в форвакуумной системе турбомолекулярного насоса

Турбомолекулярный насос может начинать откачку с дав­ления 102 Па (~1 Тор), 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 Тор). При этом быстрота откачки постоянна. При давлении ниже 10-6 Па (10-8 Тор) заметнее становится пере­текание водорода и других легких газов со стороны форваку­ума в откачиваемый сосуд, их парциальное давление приоб­ретает большую относительную величину, что вызывает умень­шение быстроты действия турбомолекулярных насосов.

Рис. 3.20. Турбомолекуляр­ный вертикальный насос. 
Диаметр входа ~15 см, S              = 400 л • с-1 (в диапазоне 10-3-10-8 Тор), Рфвак =  10-3Тор, p < 5 - 10-8 Тор, двигатель питается пере­менным током 400 Гц, под­шипники находятся в фор­вакууме:
1— статор; 2 — лопатки ста­тора; 3 — ротор; 4 — лопат­ки ротора; 5 — вал ротора с короткозамкнутой обмоткой; 6— двигатель; 7 — обмотка статора; 8 — провода питания статора; 9 — подшипники вала ротора; 10 — часть статора, на которой смонтирован двигатель, работающий в форвакууме; 11     — охлаждающий змеевик

Турбомолекулярные насосы могут быть как с горизон­тальным, так и с вертикальным расположением вала. В последние годы наибольшее распространение получи­ли турбомолекулярные насосы с вертикальным располо­жением вала, вариант конструкции которого представлен на рис. 3.20.
Наиболее предпочтительный тип насоса предварительного разряжения, особенно для насосов малой и средней произ­водительности, — это диафрагменные насосы.

Эксплуатация и обслуживание
Между турбомолекулярным и форвакуумным насосами обязательна постановка сильфонного компенсатора. Между турбомолекулярным насосом и откачиваемым сосудом силь-фонный компенсатор не нужен, так как насос не вибрирует.
Быстрота действия форвакуумного насоса в 20—50 раз меньше бы­строты действия турбомолекуляр-ного 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. 3.21.

3.21. Схема агрегата с турбомолекулярным насосом 
1 — форвакуумный насос; 2, 5 — напускные каналы; 3 — клапан; 4 — турбомолекулярный насос

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 в случае применения механического вакуумного насоса с масляным уплотнением. Поэтому следует избегать длительной откачки форвакуумным насосом в период пуска и остановки турбомолекулярного насоса.
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 может быть уста­новлена сетка с размерами ячейки 1 х 1 мм, которая, однако, снижает быстроту действия насоса примерно на 25%.