Турбомолекулярный насос представляет собой тип вакуумного насоса, внешне похожий на турбоагрегат, используемый для получения и поддержания высокого вакуума. Эти современные насосы работают по определенному принципу. Например, молекулы газа могут быть заданы импульсом в нужном направлении путем многократного столкновения с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном агрегате быстро вращающийся ротор вентилятора «ударяет» молекулы газа от входа насоса к выхлопной трубе, чтобы создать или поддержать вакуум.
Большинство турбомолекулярных насосов оснащены несколькими ступенями, каждая из которых состоит из быстро вращающегося лопасти несущего винта и неподвижной пары лопаток статора. Система работает как компрессор, который перемещает энергию в газ, а не вынимает его. Газ, захваченный верхними ступенями, вталкивается в нижние ступени и последовательно сжимается до уровня давления переднего вакуумного насоса. Когда молекулы газа проникают через впускное отверстие, ротор, который имеет несколько угловых лопаток, попадает в молекулы. Таким образом, механическая энергия лопастей передается молекулам газа. С этим импульсом, молекулы газа входят в газоотводные отверстия в статоре. Это приводит их к следующему этапу, на котором они снова сталкиваются с поверхностью ротора, и этот процесс продолжается.
Из-за относительного движения ротора и статора, молекулы предпочтительно проникают в нижнюю сторону лопастей. Поскольку поверхность лезвия помещена к нижней части, большая часть рассеянных молекул тянется до самого низа.. Лезвие должно быть толстым и стабильным для работы под высоким давлением и как можно более тонким и слегка изогнутым для максимального сжатия. Для высоких коэффициентов сжатия горловина между смежными лопатками ротора максимально направлена в прямом направлении. При высоких скоростях потока лопасти находятся под углом 45 ° и достигают вблизи оси.
Принцип работы турбомолекулярных насосов
Следует отметить, что сжатие каждой ступени составляет около 10. Геометрическая прогрессия свидетельствует о том, что бесконечные этапы могут идеально вписываться в конечную осевую длину. Конечная длина в этом случае — это полная высота корпуса, как подшипники, двигатель и контроллер. Однако, некоторые из кулеров могут быть установлены внутри на оси. В радиальном направлении для захвата как можно большего количества тонкого газа на входе роторы впускной стороны в идеале должны иметь больший радиус и, соответственно, более высокую центробежную силу.Идеальные лезвия будут экспоненциально тоньше по направлению к их кончикам, а углеродные волокна должны усилить действие алюминиевого лезвия. Однако, поскольку средняя скорость лезвия влияет на накачку, тогда этот процесс осуществляется путем увеличения диаметра корня, а не диаметра кончика.
Принцип работы турбомолекулярного насоса тесно связан с частотой вращения ротора. При увеличении числа оборотов лопасти ротора отклоняются под большим наклоном. Для повышения скорости и уменьшения деформации предположительно следует использовать более жесткие материалы и различные конструкции лопаток.
Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях. Некоторые турбомолекулярные насосы используют магнитные подшипники для уменьшения трения и загрязнения масла. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы допускают только ограниченный зазор между ротором и статором. В то время как лопасти на ступенях высокого давления несколько дегенерируются в одну спиральную пленку. Ламинарный поток нельзя использовать для перекачивания, так как ламинарные турбины останавливаются, когда они не используются в проектируемом потоке.
Насос можно охладить для улучшения сжатия, но он не должен быть настолько холодным, чтобы конденсировать лед на лопастях. Когда турбонасос останавливается, масло из заднего вакуума может возвращаться через агрегат и при этом загрязнять камеру. Одним из способов предотвратить это является введение ламинарного потока азота через насос. Переход от вакуума к азоту и от работающего до неподвижного турбонасоса должен быть синхронизирован точно, чтобы избежать механических нагрузок на насос и избыточного давления в выхлопе. Для защиты турбонасоса от избыточного противодавления (например, после отключения электропитания или утечки в вакууме) необходимо добавить тонкую мембрану и клапан на выходе.
Ротор стабилизирован во всех шести степенях свободы. Следует отметить, что градус регулируется электродвигателем. Этот уровень должен быть стабилизирован и достигнут электронным путем (или применением диамагнитным материалом, который слишком неустойчив, чтобы использовать в подшипнике прецизионного насоса). Другим способом является построение этого подшипника как оси с шаром на каждом конце. Эти сферы находятся внутри полых статических сфер.
На поверхности каждой сферы представлен изображение в виде шахматной доски, направленное вовнутрь и наружу идущих линий магнитного поля. По мере поворота шахматного рисунка статических сфер ротор вращается в нужном направлении. В этой конструкции никакая ось не стабилизируется из-за того, что другая ось слишком неустойчива, но все оси нейтральны, а электронная регулировка менее нагружена и будет более динамически стабильной. Датчики эффекта могут использоваться для определения вращательного положения, а другие степени свободы могут быть измерены емкостным способом.
Как достигается давление с помощью турбомолекулярного насоса
При атмосферном давлении длина свободного пробега воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать только в том случае, если молекулы, попавшие в движущиеся лопасти, достигают стационарных лопастей до столкновения с другими молекулами на своем пути. Для достижения этого действия, промежуток между движущимися лезвиями и неподвижными лопастями должен быть меньше или больше длины свободного пробега. С точки зрения практической конструкции допустимый зазор между комплектами лезвий составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос останавливается (без перекачки), если его выпустить непосредственно в атмосферу. Так как длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, турбонасос будет качать, когда давление выхлопа будет достигать меньше, чем около 10 Па (0,10 мбар), где длина свободного пробега составляет около 0,7 мм.
В большинстве турбонасосов в качестве своей последней ступени используется насос молекулярного сопротивления, чтобы увеличить максимальное поддерживающее давление (давление выхлопных газов) до примерно 1-10 мбар. Теоретически, центробежный насос, насос с боковым каналом или регенеративный агрегат можно было бы использовать для непосредственного возврата к атмосферному давлению, но в настоящее время не существует доступного турбонасоса, который выхлопывается непосредственно в атмосферу. В большинстве случаев выхлоп соединен с механическим вспомогательным насосом (обычно называемым червячным насосом), который создает давление, достаточно низкое для эффективной работы турбомолекулярного насоса. Обычно это давление подпора ниже 0,1 мбар и обычно около 0,01 мбар.
Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или на заводе-изготовителе могут быть соединены трубами с небольшим опорным насосом. В современных условиях многие промышленные предприятия используют данный агрегат, который представлен в интернет-магазине. Стоимость каждого агрегата указана непосредственно на официальном сайте. В разделе каталога можно детально ознакомиться с характеристиками устройства.
