Принцип работы турбомолекулярного насоса

Принцип работы турбомолекулярного насоса

6961
0

Турбомолекулярные насосы или турбонасосы сочетают принцип работы осевого компрессора и молекулярного увлечения, при вращении ротора крайние точки на его окружности могут иметь линейные скорости до 430 м/с. Поэтому вал такого насоса, в зависимости от диаметра самого насоса, имеет скорость вращения от 10000 до 60000 об/мин.

Принцип работы

Если мы будем сравнивать турбомолекулярный насос с другими сверхвысоковакуумными, то увидим ряд преимуществ последних:

  1. постоянная готовность к функционированию;
  2. довольно быстрый запуск в течении 10 — 15 минут;
  3. абсолютная нечувствительность к внезапному и резкому повышению давления;
  4. большой диапазон рабочего давления от 10-7 до 10-1 Па;
  5. довольно высокая степень сжатия (1015) для определенных газов с большой молекулярной массой, равной или превышающей 44 единицы.

Высокая степень сжатия турбомолекулярного насоса создает давление газа на входе не более 10-15 Па или 10–3 торр – практически безмасляный вакуум, а при давлении на форвакууме или предварительном вакууме, в 1 — 13 Па, соответствует остаточному давлению насосов с масляным уплотнением.

турбомолекулярный насос принцип работы

Рис 2.9. Устройство турбомолекулярного насоса.

Достаточное влияние на основные технические характеристики насоса оказывает и конструкция узлов опоры: на магнитных опорах, на подшипниках качения со смазкой или газовой подушке.

Схемы насосов с различной разновидностью расположения валов ротора представлены на рис. 2.9.

Устройство турбомолекулярного насоса

В корпусе насоса-2 расположены неподвижные колеса статора-4, а между ними вращаются подвижные колеса-3, жестко закрепленные на роторе-1. Подвижные колеса выполнены в виде диска с прорезями, а в неподвижных – статорных колесах есть такой же формы прорези, расположенные зеркально.

В случае горизонтального расположения ротора движение газа после входа во всасывающий патрубок будет разделяться на два потока, которые соединятся только в выхлопном патрубке.

В турбомолекулярных насосах можно увеличивать рабочие зазоры, т.к. у них довольно маленькие коэффициенты компрессии каждой ступени. При диаметре в 200 мм осевые и радиальные зазоры могут варьироваться в пределах 1 — 1,2 мм, что и позволяет повышать надежность работы рабочих колес в несколько раз.

Увеличение зазоров снижает коэффициент компрессии насосов этого класса, но почти не влияет на их быстроту действия. При рабочем цикле насоса молекулы газа, прошедшие через специальный паз статорного колеса сверху имеют большой шанс пройти через него, т. к. боковая стенка-5 паза роторного диска уже уходит с пути их движения, а стенка-6, как свидетельствует практика, не нагоняет молекулы.

В практике встречались случаи, когда стенка-6 все-таки нагоняет определенную часть молекул, тогда они после соударения приобретают движение в направлении откачки. Молекулы, уже вошедшие в паз диска снизу, и против откачки, будут отражены в обратную сторону.

Соотношение возможности пролета молекул газа в прямом и обратном направлениях и характеризуется степенью сжатия любого газа насосом. Чем легче используемый газ, тем лучше он проходит через насос, для таких газов степень сжатия гораздо меньше, а быстрота действия насоса больше.

Так степень сжатия насосов по водороду составляет 102 – 103, по азоту — 107 – 1012, а для углеводородов она равна или будет немного более 1015 и будет возрастать, если частота вращения ротора данного насоса будет увеличиваться. Если угол наклона паза увеличивается, то это приводит к снижению степени сжатия и увеличению быстродействия насоса.

Турбомолекулярные насосы могут производить откачку при давлении в 102 Па, но в этом случае быстродействие их будет довольно малым, а потребляемая мощность соответственно высокой, за счет тормозящего действия газа и в насосе будет происходить значительное выделение тепловой энергии.

Рабочий диапазон впускных давлений насосов этого класса при постоянной быстроте откачки варьируется от 10–7 до 1 Па. При более низких давлениях, начиная со значения 10–6 Па, быстродействие турбомолекулярных насосов значительно уменьшается за счет перетекания легких газов со стороны форвакуума в направлении откачиваемого сосуда и возрастания их парциального давления.

Эксплуатация и техобслуживание

Как правило, турбомолекулярные насосы устанавливаются на массивные и прочные основания, а между ними и форвакуумными насосами необходимо расположить сильфонный компенсатор. Насосы при работе не создают вибрации, поэтому между ними и откачиваемым сосудом установка сильфонного компенсатора не требуется.

Быстрота действия форвакуумных насосов или механических вакуумных насосов с масляным уплотнением в 20-50 раз менее быстродействия турбомолекулярных, что и гарантирует соответствие их производительности при больших впускных давлениях. При использовании небольшого турбомолекулярного насоса с быстротой действия до 500 л/с создаются агрегаты, вакуумная схема которых представлена на рис. 2.10.

На рисунке видно, что в данном агрегате отсутствует затвор, помещаемый между высоковакуумным насосом и сосудом, из которого производится откачка, и байпасная линия. Такое подсоединение, без затвора, и позволяет достигать максимальной быстроты откачки из рабочей камеры установки.

Турбомолекулярный откачной пост

Рис. Схема вакуумной системы с турбомолекулярным насосом.

Для того чтобы атмосферный воздух не попал внутрь турбомолекулярного насоса, клапан-3 необходимо перекрыть сразу после отключения электродвигателя. Торможению ротора насоса способствует постепенный рост давления.

Откачка форвакуумным насосом выключенного турбомолекулярного насоса может привести к загрязнению последнего, а также и камеру откачиваемого сосуда парами масла, поэтому этого следует избегать при остановке и запуске турбомолекулярных насосов.

Нельзя допускать длительную работу насосов при довольно высоких впускных давлениях более 10 Па, потому что это может привести к поломке электродвигателя.

При попадании внутрь насоса крупных твердых частиц, возникает опасность поломки его внутренних частей, для предотвращения такой ситуации во впускном патрубке устанавливается предохранительная сетка с размерами ячейки не менее 1х1 мм, но это снижает быстродействие насоса на 25%.

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ