ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ НАСОСЫ
Турбомолекулярные насосы (ТМН) предназначены для откачки газов до высокой степени вакуума (до 10-8 Па). Насосы эти обеспечивают получение чистого безмасляного вакуума, а широкий и разнообразный модельный ряд позволяет выбрать насос с нужными характеристиками, как по быстроте действия, так и по предельному остаточному давлению, коррозионной стойкости и условиям эксплуатации. Поэтому турбомолекулярные насосы находят применение в различных отраслях промышленности: от микроэлектроники до фармацевтических производств. Часто их используют в научных приборах: масс-спектрометрах, электронных микроскопах, рентгеновских анализаторах, в ускорителях, имитаторах космического пространства и других системах специального назначения.
Для работы высоковакуумного насоса необходимо создать предварительное разрежение в камере, а также поддерживать пониженное давление в выпускной магистрали насоса. Соответственно, нужны форвакуумные средства откачки. Работая вместе с подходящим форвакуумным насосом, ТМН способны откачивать систему до давления 10-6... 10-8 Па.
Насос состоит из осевой турбины, быстровращающиеся лопасти которой придают молекулам газа импульс в направлении откачки, тем самым сжимая газ. Движение молекул становиться направленным, а процесс откачки - возможным. В некоторых моделях насосов имеется дополнительная ступень откачки – ступень Хольвека или Гаеде. Такая ступень позволяет поддерживать в выпускном тракте насоса более высокое давление.
Преимущества турбомолекулярных насосов:
Широкий диапазон быстроты действия – от 50 л/с до нескольких тысяч л/с.
Безмасляная (сухая) откачка: в откачиваемый объем не попадают пары рабочей жидкости.
Длительный срок службы, продолжительные интервалы между проведением технического обслуживания насоса.
Быстрый и простой запуск.
Широкий диапазон рабочего давления.
Высокая степень сжатия.
Возможность установки насоса в произвольном положении.
Недостатки:
Большая стоимость, складывающаяся из дорогих материалов и дорогостоящей высокоточной обработки деталей насоса.
Сложность технического обслуживания и ремонта насоса (как правило, эти работы выполняются на заводе-изготовителе).
УСТРОЙСТВО НАСОСА:
Турбинная ступень состоит из двух наборов колес с лопатками: подвижных и неподвижных. Подвижные колеса закреплены на роторе и вращаются вместе с ним с высокой скоростью. Неподвижные колеса (статор) закреплены на корпусе насоса. Лопатки ротора зеркально отражают лопатки статора. Два колеса (статора и ротора) вместе образуют одну ступень ТМН, обеспечивающую степень сжатия равную приблизительно 30 (в случае воздуха). Несколько ступеней насоса совместно создают степень сжатия, равную произведению значений степени сжатия для каждой ступени.
Степень сжатия зависит от молекулярной массы перекачиваемого газа: чем тяжелее газ (больше молекулярная масса), тем она выше. Степень сжатия зависит также от скорости вращения ротора. Для повышения эффективности откачки легких газов (Н2 и He) используются насосы с высокими скоростями вращения.
Турбомолекулярные вакуумные насосы по принципу подвеса ротора можно условно разделить на три основных типа:
с магнитным подвесом ротора,
с использованием классических подшипников,
с комбинированным подвесом: магнитная опора со стороны впускного фланца и классический подшипник – на выпуске.
Ротор насоса с магнитным подвесом левитирует во время работы насоса в магнитном поле внутри его корпуса (классические подшипники присутствуют в конструкции на случай аварии, а также для удержания ротора при остановленном насосе). В такой конструкции отсутствует трение, следовательно, снижается износ и продлевается срок службы насоса. А специальные датчики зорко следят за положением ротора и при необходимости корректируют его, управляя магнитным полем подвеса, что делает насос менее чувствительным к вибрации и другим внешним воздействиям. Однако, стоимость такого насоса существенно выше, чем аналогичного насоса с классическими подшипниками.
Подшипники насосов второго типа – тоже не совсем обычные подшипники. В них используются керамические шарики, что позволяет ротору вращаться с высокой скоростью, недоступной для обыкновенных металлических подшипников. Комбинированный подвес – компромиссное решение, позволяющее отчасти использовать преимущества магнитного подвеса при приемлемой стоимости насоса.
Турбомолекулярные насосы широко используются в полупроводниковых производствах, где им зачастую приходится контактировать с агрессивными средами (пары кислот, мелкодисперсная пыль). Для уменьшения вредного воздействия откачиваемой среды на насос разработаны специальные коррозионно-стойкие модели. От обычных они отличаются дополнительным портом для подвода продувочного газа, защищающего подшипники от воздействия твердых частиц и агрессивных сред, а также антикоррозионным покрытием лопаток турбины и корпуса насоса. Покрытия подбираются под каждый рабочий процесс индивидуально. Турбомолекулярные насосы могут оснащаться специальной системой прогрева, что также позволяет уменьшить осаждение частиц на поверхностях насоса.
Для управления работой насоса необходимо управляющее электронное устройство – контроллер. Контроллер может быть встроен непосредственно в насос, или устанавливаться отдельно от насоса и соединяться с последним с помощью кабеля. В первом варианте не требуется дорогостоящий соединительный кабель между насосом и контроллером, меньше общие габариты системы. Второй вариант используется там, где условия не подходят для работы электронных блоков: в зоне воздействия сильных магнитных полей (например, на ускорителях) или радиоактивности. Сами турбомолекулярные насосы неплохо работают в таких условиях.
Впрочем, напряженность магнитного поля в месте установки ТМН не должна превышать определенной величины. В противном случае вихревые токи, возникающие в лопатках ротора при вращении в магнитном поле, могут вызвать перегрев лопаток и выход насоса из строя.
Работающие турбомолекулярные насосы чувствительны к прорыву атмосферы (могут выйти из строя). Отметим также, что детали ТМН изготавливаются с очень высокой точностью, зазор между некоторыми из них составляет всего несколько десятков микрон. Поэтому насосы требуют аккуратного обращения при монтаже и транспортировке: сильная вибрации и удары могут привести к смещению деталей насоса, и даже небольшое смещение может вызвать его повреждение. Необходимо также соблюдать температурный режим хранения и эксплуатации, чтобы детали насоса не приходили в соприкосновение вследствие теплового расширения или сжатия. Это может сократить срок службы насоса или привести к выходу его из строя.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Турбомолекулярные насосы – современное эффективное средство откачки, обеспечивающее получение чистого высокого и сверхвысокого вакуума до 10-8 Па. Турбомолекулярные насосы способны во многих случаях заменить диффузионные насосы, обеспечивая при этом получение безмасляного вакуума, быстрый выход на рабочий режим и ряд других преимуществ.
ТМН универсальны в применении и используются во всех отраслях промышленности и науки, где задействованы вакуумные технологии, а широкий модельный ряд этих насосов обеспечивает решение самых разнообразных практических задач.
