Турбомолекулярный насос. 
Турбомолекулярный насос

Турбомолекулярный насос — один из видов вакуумных насосов, служащий для создания и поддержки высокого вакуума. Действие турбомолекулярного насоса основано на сообщении молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости в направлении откачки вращающимся ротором. Ротор состоит из системы дисков. Вакуум, создаваемый турбомолекулярным насосом, — от 10 ?2 Па до 10?8 Па (10?10 мбар; 7.5 ?11 мм ртст). Скорость вращения ротора — десятки тысяч оборотов в минуту. Для работы требует применения форвакуумного насоса.

Принцип действия и характеристики турбомолекулярных насосов Турбомолекулярные вакуумные насосы, относящиеся к кинетическим вакуумным насосам (вакуумным турбонасосам), широко используют для откачивания газов в области давлений всасывания вплоть до 10−8…10−10 Па из различных объектов, используемых в электрической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.

Насосы обладают высокими эксплуатационными характеристиками. Так, при откачивании газов они не загрязняют откачиваемый объем парами углеводородов или другими рабочими телами в сравнении с другими высоковакуумными насосами, например диффузионными, с распылением титана. Турбомолекулярные вакуумные насосы имеют практически постоянные характеристики при откачивании газов и паров с различной молекулярной массой. Отличаются простотой в обслуживании, надежностью работы, стойкостью к прорыву атмосферного воздуха.

Турбомолекулярные насосы применяют в установках напыления металлов, масс-спектрометрии, ускорителях элементарных частиц и других сферах промышленности.

Конструктивная схема двухпоточноготурбомолекулярного вакуумного насоса, предложенного Беккером имеет следующий принцип работы. В корпусе с установленными в нем неподвижными статорными дисками вращается ротор, представляющий собой вал с расположенными на нем рабочими колесами, которые выполнены в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточных колес; их лопатки установлены под определенным углом к торцевой поверхности втулки. Когда рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колесах такой же формы прорези выполняют зеркально по отношению к прорезям роторных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса выполняют с лопатками, обычно с тем же углом установки, но зеркально отраженными по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса.

Переход молекул газа через вращающееся рабочее колесо насоса обусловлен различием сопротивлений межлопаточных каналов, образованных двумя соседними лопатками или стенками выфрезерованного паза, потокам молекул газа с противоположных сторон. Количество газа, проходящего на противоположную сторону колеса, определяется числом молекул, попавших во входные сечения межлопаточных каналов или пазов, и вероятностью перехода молекул, которая выражается частью общего числа молекул газа, попавших в торцовое сечение межлопаточных каналов и перешедших на его противоположную сторону.

Ротор насоса устанавливают на подшипниках качения. Для обеспечения высокой чистоты откачиваемых газов используют подшипники с керамическими шариками без смазки. Всасывающий патрубок выполнен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса насоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединен форвакуумный насос.

Широкое распространение получили однопоточные насосы, отличающиеся, как правило, меньшим сопротивлением на всасывании. Насос приводится в движение от электродвигателя, ротор которого обычно расположен на валу насоса. В насосе допускаются сравнительно большие осевые и радиальные зазоры (до 1.0…2.5 мм) в зависимости от размеров рабочих колес.

Масс-спектрометрические измерения парциальных давлений в откачиваемом объеме и экспериментальные данные турбомолекулярных насосов при стендовых испытаниях ив реальных условиях их работы на откачных постах свидетельствуют об их высоких эксплуатационных характеристиках и, в частности, об обеспечении ими безмасляного откачивания.

Откачная характеристика турбомолекулярного насоса — зависимость быстроты действия от давления всасывания — определяется, прежде всего, откачными характеристиками рабочих колес, определяемыми двумя основными параметрами: максимальной быстротой откачки при отношении давлений, равном единице и максимальным отношением давлений при быстроте откачки, равной нулю.

Характеристики турбомолекулярных насосов варьируются в широких переделах. Производительность по азоту, гелию, водороду варьируется от 80 л/сек до 1000 л/сек и более. Конечное давление достигает от 5×10−6 до 1×10−10 мбар при небольших размерах и весе 2−20 кг.

Скорость откачки Скорость откачки определяется наружным диаметром роторных ступеней, длиной лопаток, их количеством, углом наклона лопаток первых ступеней, скоростью вращения. При высоком давлении на входе в ТМН, его быстрота действия зависит и от скорости откачки форвакуумного насоса. Когда давление газа на входе в ТМН возрастает, то увеличивается его трение в ступенях проточной части ТМН и мощность, потребляемая электродвигателем, особенно при снижении скорости вращения ротора от трения газа. Это вызывает увеличение нагрева проточной части ТМН, подшипниковых узлов вращения, снижение скорости откачки и может привести к аварии. Поэтому, при повышении температуры узлов вращения ротора выше определённой величины происходит отключение питания электродвигателя ТМН с помощью температурного датчика, установленного вблизи одного из узлов вращения ротора. Так происходит ограничение времени откачки максимального потока газа на входе в ТМН.

Номинальная потребляемая мощность Номинальная потребляемая мощность — это мощность, определяемая при номинальной скорости вращения ротора ТМН. При получении высокого вакуума она определяется силами трения в узлах вращения ТМН. Во время разгона ротора ТМН мощность, потребляемая его приводом максимальна. Обычно она ограничивается рабочими параметрами блока питания ТМН.

Коэффициент компрессии турбомолекулярный насос откачка Коэффициент компрессии определяется скоростью вращения, количеством ступеней и молекулярным весом откачиваемого газа. Он выше для тяжелых газов, что обеспечивает эффективное противодействие проникновению углеводородов в откачиваемый объем. Значение коэффициента компрессии по водороду важно при использовании насоса для создания сверхвысокого вакуума.

Подшипниковый узел и система подвески Применяются две основные системы подвески: магнитный подвес и керамические подшипники. Необслуживаемые керамические подшипники используются вместо обычных стальных подшипников. Шарики подшипника, выполненные из нитрида кремния, легче, тверже и обладают более высокой однородностью по сравнению со стальными аналогами. При их использовании увеличивается ресурс и снижается уровень вибраций.

Повышение надежности достигается использованием разных материалов в паре шарик-канавка, предотвращающих образование поверхностных раковин. Использование магнитного подвеса еще более повышает надежность всей системы. Часто в насосах применяется гибридная схема подвеса. На входе насоса со стороны высокого вакуума используются магнитные опоры, а на выходе керамические подшипники с масляной или консистентной смазкой.

Полностью магнитный подвес ротора дает дополнительные преимущества:

безмасляная откачка — полное отсутствие следов углеводородов;

не требует технического обслуживания — отсутствие механического износа подшипников;

низкий уровень вибраций — ниже уровня вибраций обычных подшипников;

минимальные требования к охлаждению — в большинстве случаев достаточно естественного охлаждения;

произвольная ориентация — насос может быть установлен в любом положении.

Турбомолекулярные насосы Shimadzu.

Японское качество по лучшим ценам.

«Вакуумные системы и электроника» предлагает полный модельный ряд турбомолекулярных насосов на магнитной подвеске производства компании Shimadzu, предназначенных для работы в любых производственных условиях.

Благодаря исключительному качеству и разумным ценам Shimadzu принадлежит 80−90% сегмента турбомолекулярных насосов с производительностью выше 2000 л/с мирового рынка.

Основные достоинства турбомолекулярных насосов Shimadzu:

Надежность: среднее время наработки на отказ (MTBF) — 13,7 лет в условиях реальной эксплуатации (прорывы атмосферы, попадание частиц на вход), благодаря сверхнадежной конструкции и тщательной проверке каждого насоса при выпуске с завода;

Лучшие цены, особенно на модели с большой производительностью;

Ротор на магнитной подвеске: отсутствие износа, а также любых загрязнений в рабочий объем;

Плавная регулировка производительности от 25% до 100%;

Широкий модельный ряд со скоростями откачки по азоту от 190 л/с до 4200 л/с;

Предельный вакуум 10−9 Па (10−11 торр);

Сохранение работоспособности после случайного прорыва атмосферы;

Устойчивость к попаданию случайных частиц (частицы подложки, грязь, стружка…);

Наличие специальных моделей с улучшенными характеристиками по откачке легких газов (водород);

Выбор моделей с водяным (LM) и воздушным (M) охлаждением, а также моделей в коррозионно-стойком исполнении (LMC, MC);

Возможность установки в горизонтальном положении и под любым углом (за исключением модели 4203LMC);

Время запуска 5−18 минут (в зависимости от модели);

Внутренняя защита от случайного отключения электроэнергии;

Коммуникационная связь через последовательные порты RS-232C, RS-485;

Контроллер, снабженный функциями мониторинга состояния и быстрой диагностики проблем;

Гарантия на все оборудование 12 месяцев.

Стандартный комплект поставки турбомолекулярного насоса включает:

Турбомолекулярный насос серии LM, M, LMC или MC с фланцем ISO, CF или VG; фланец подключения механического насоса (KF25 или KF40 для больших насосов);

Контроллер (источник питания) однофазный, 50 Гц, 200−220 В;

Кабель управления длиной от 3 до 30 м;

Кабель привода электродвигателя длиной от 3 до 30 м (не требуется для моделей 203, 303, 403);

Кабель питания длиной 5 м;

Защитный экран;

Крепежные болты;

Для моделей с воздушным охлаждением серии М и МС — кабель вентилятора длиной от 3 до 30 м.