Турбомолекулярные насосы предназначены для откачки газов до высокой степени вакуума. Высоковакуумным насосам для работы нужно разрежение в камере, и турбомолекулярный насос - не исключение. Соответственно, нужны форвакуумные средства откачки. Работая вместе с подходящим форвакуумным насосом, они способны создавать разряжение 10-8... 10-10 мбар.
Эти насосы нашли обширное применение в таком направлении электроники - как микроэлектроника. Часто их используют в научных приборах, предназначенных для исследования микроструктур. Также они полезны в работе с ускорителями, имитаторами космического пространства и других системах специального назначения.
Насос состоит из осевой турбины, которая передает импульс от быстровращающихся лопастей ротора, тем самым сжимает газ. Частицы сталкиваются и образуют тепловую скорость, та взаимодействует с компонентом скорости вращающегося ротора. Таким образом, движение частиц становиться направленным, а процесс откачки - возможным. В некоторых моделях насосов имеется дополнительная ступень откачки – ступень Хольвека. Такая ступень позволяет откачивать воздух с большей производительностью.
-
Преимущества этих насосов:
- Высокая производительность при быстрой работе,
- В откачиваемом объеме не появляется загрязнений,
- Долгий срок службы,
- Включение в несколько кнопок, т.е. быстрый и простой запуск,
- Широкий диапазон давления, при которым насос может работать,
- Степень сжатия высокая.
-
Недостатки:
- Большая стоимость, складывающаяся из дорогих материалов.
- Возможна вибрация и быстрый износ подшипников (при использовании шарикоподшипникового насоса), если установить корпус не ровно.
- Необходимо постоянно смазывать (при при использовании шарикоподшипникового насоса).
Строение насоса:
Лопатки ротора зеркально отражают лопатки статора. Два диска (статор и ротор) вместе образуют одну ступень ТМН, обеспечивающую степень сжатия равную приблизительно 30 (в случае воздуха). Несколько ступеней насоса совместно создают степень сжатия, равную перемноженным значениям степени сжатия для каждой ступени.
Наклон лопастей определяет производительность и степень сжатия. Соответственно, на входе в насос лопасти имеют более резкий наклон для большой производительности, но обеспечивают меньшую степень сжатия. На выходе из насоса лопасти имеют малый наклон, из-за этого степень сжатия высокая, но производительность небольшая. Степень сжатия пропорциональна молекулярной массе перекачиваемого газа, соответственно, чем тяжелее газ (больше молекулярная масса), тем выше по нему производительность.
Степень сжатия пропорциональна молекулярной массе перекачиваемого газа, соответственно чем тяжелее газ, тем выше по нему производительность. Также при откачке легких газов (Н2 и He) рекомендуется использовать по возможности большую форвакуумную установку.
Турбомолекулярные вакуумные насосы по принципу подвеса ротора можно условно разделить на два основных типа:
- с использованием классических подшипников,
- с магнитным подвесом ротора.
Обычно насосы такого типа обладают производительностями 60 ... 550 л/с. На их базе очень удобно создавать небольшие автоматизированные системы.
Насосы с магнитным подвесом не используют классические подшипники во время работы (но они присутствуют в конструкции в качестве аварийных). Во время работы насоса, ротор под действием магнитного поля подвешен внутри корпуса насоса.
Насосы с подвесом ротора 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 были разработаны специальные коррозионностойкие модели. От обычных они отличаются дополнительным портом для подвода продувочного газа, что позволяет разбавить откачиваемые газы и уменьшить отложение частиц на рабочих поверхностях насоса, а также специальным покрытием лопастей и корпуса насоса. Покрытия подбираются под каждый рабочий процесс индивидуально. Так же насосы могут оснащаться специальной системой прогрева, что также позволяет уменьшить осаждение частиц на поверхностях насоса. К основным недостаткам насосов с магнитным подвесом относится большая стоимость, по сравнению с устройствами на классических подшипниках. В последнее время все большее распространение получают вакуумные насосы с контроллером, который встроен в установку. Это позволяет отказаться от использования дорогостоящего соединительного кабеля между насосом и контроллером, а также уменьшить общие габариты системы.
Однако существует некоторое ограничение на применение насосов со встроенным контроллером в сильных магнитных полях (например, на ускорителях), где необходимо выносить всю электронику за пределы активной зоны. Сами насосы с подвесом неплохо работают в таких условиях.
Насосы с классическими подшипниками и с магнитным подвесом имеют принципиальные отличия.
Приведем несколько примеров:
- Затраты на расходные материалы, такие как замена подшипников и смазочного масла.
- Уровень шума.
- Положение насоса
-
Основные особенности эксплуатации насосов с магнитным подвесом:
- Если возможен контакт с агрессивными средами (пары кислот, воздух загрязненный пылью и т.п.), используйте специальные коррозионностойкие версии насосов. В некоторых случаях возможно ограничиться применением защитных экранов и специальных ловушек.
- Насос с шарикоподшипниками установите вертикально или горизонтально, с учетом допустимых отклонений (при горизонтальном монтаже рекомендуется располагать насос выхлопным фланцем вниз – это поможет уменьшить накопление грязи в корпусе). Эти насосы с магнитным подвесом допускают монтаж в любом положении.
- Прогревайте систему, используя соответствующие прогреваемые версии насосов, и делайте прогрев системы по определенным правилам.
- Строго соблюдайте распорядок работ по уходу за насосом (чистка, замена подшипников и пр.)
- Избегайте разрушения вакуумных систем, которые ведут к взрывоопасному росту давления. Это приводит к полному разрушению турбомолекулярных насосов.
