Турбомолекулярный насос

Турбомолекулярный насос — это тип вакуумного насоса , внешне похожий на турбонасос , используемый для получения и поддержания высокого вакуума . ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Эти насосы работают по принципу, согласно которому молекулам газа можно придать импульс в желаемом направлении путем повторных столкновений с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном насосе быстро вращающийся ротор вентилятора «ударяет» молекулы газа от входа насоса к выпуску, чтобы создать или поддерживать вакуум.

Принципы работы

В большинстве турбомолекулярных насосов используется несколько ступеней, каждая из которых состоит из быстро вращающейся лопатки ротора и пары неподвижных лопаток статора . Система представляет собой осевой компрессор , который передает энергию газу, а не турбину , которая забирает энергию из движущейся жидкости для создания вращательной силы, поэтому термин «турбомолекулярный насос» является неправильным. Газ, захваченный верхними ступенями, подается в нижние ступени и последовательно сжимается до уровня давления форвакуума (форвакуумного насоса). Когда молекулы газа входят через входное отверстие, ротор, имеющий несколько наклонных лопастей, сталкивается с молекулами. Таким образом механическая энергия лопастей передается молекулам газа. Благодаря этому вновь приобретенному импульсу молекулы газа входят в газоперекачивающие отверстия в статоре. Это приводит их к следующему этапу, где они снова сталкиваются с поверхностью ротора, и этот процесс продолжается, в конечном итоге выводя их наружу через выхлоп.

Из-за относительного движения ротора и статора молекулы преимущественно попадают на нижнюю сторону лопастей. Поскольку поверхность лезвия смотрит вниз, большая часть рассеянных молекул покинет ее вниз. Поверхность шероховатая, поэтому отражения не будет. Лезвие должно быть достаточно толстым и устойчивым для работы под высоким давлением и как можно более тонким и слегка изогнутым для максимального сжатия. Для высоких степеней сжатия зазор между соседними лопастями несущего винта (как показано на изображении) направлен максимально вперед. Для высоких скоростей потока лопасти располагаются под углом 45° и приближаются к оси.

Поскольку сжатие каждой ступени составляет ≈10, каждая ступень ближе к выходу значительно меньше, чем предыдущие впускные ступени. Это имеет два последствия. Геометрическая прогрессия говорит нам, что бесконечные ступени идеально могут вписаться в конечную осевую длину. Конечная длина в данном случае равна полной высоте корпуса, так как подшипники , двигатель и контроллер, а также часть охладителей могут быть установлены внутри на оси. В радиальном направлении, чтобы захватывать как можно больше тонкого газа на входе, роторы на стороне впуска в идеале должны иметь больший радиус и, соответственно, более высокую центробежную силу; идеальные лезвия станут тоньше к кончикам. Однако, поскольку средняя скорость лопасти очень сильно влияет на перекачку, это достигается за счет увеличения диаметра корня , а не диаметра кончика, где это практически возможно.

Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях, а накопление тепла из-за трения накладывает конструктивные ограничения. В некоторых турбомолекулярных насосах используются магнитные подшипники для уменьшения трения и загрязнения масла. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы допускают лишь ограниченный зазор между ротором и статором, каждая из лопаток на ступенях высокого давления несколько деградирует до одной спиральной фольги. Ламинарный поток нельзя использовать для перекачки, поскольку ламинарные турбины глохнут, когда не используются при расчетном расходе. Насос можно охладить для улучшения сжатия, но он не должен быть настолько холодным, чтобы на лопастях конденсировался лед. Когда турбонасос остановлен, масло из вспомогательного вакуума может вернуться через турбонасос и загрязнить камеру. Одним из способов предотвратить это является введение ламинарного потока азота через насос. Переход от вакуума к азоту и от работающего турбонасоса к неподвижному должен быть точно синхронизирован, чтобы избежать механического воздействия на насос и избыточного давления на выхлопе. Следует добавить тонкую мембрану и клапан на выхлопе, чтобы защитить турбонасос от чрезмерного противодавления (например, после сбоя питания или утечек в вакууме).

Ротор стабилизирован во всех шести степенях свободы . Одна степень регулируется электродвигателем. Как минимум, эта степень должна быть стабилизирована электроникой (или диамагнитным материалом, который слишком нестабильен, чтобы его можно было использовать в прецизионных подшипниках насоса). Другой способ (без учета потерь в магнитопроводах на высоких частотах) — построить этот подшипник в виде оси со сферой на каждом конце. Эти сферы находятся внутри полых статических сфер. На поверхности каждой сферы расположен шахматный узор, состоящий из линий магнитного поля, идущих внутрь и наружу. Когда шахматный узор статических сфер вращается, ротор вращается. В этой конструкции ни одна ось не становится стабильной за счет нестабильности другой оси, но все оси нейтральны, а электронное регулирование менее подвержено нагрузкам и будет более динамически стабильным. Датчики Холла можно использовать для определения положения вращения, а другие степени свободы можно измерять емкостным способом.

Максимальное давление

При атмосферном давлении длина свободного пробега воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать только в том случае, если молекулы, ударяемые движущимися лопастями, достигают неподвижных лопастей, прежде чем столкнуться с другими молекулами на своем пути. Для этого зазор между движущимися и неподвижными лопастями должен быть близок или меньше средней длины свободного пробега. С практической точки зрения допустимый зазор между наборами лопаток составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос заглохнет (без чистой перекачки), если выбрасывать газ прямо в атмосферу. Поскольку средний свободный пробег обратно пропорционален давлению, турбонасос будет качать, когда давление выхлопных газов меньше примерно 10 Па (0,10 мбар), где средний свободный пробег составляет около 0,7 мм.

Большинство турбонасосов имеют насос Холвека (или насос молекулярного сопротивления) в качестве последней ступени для увеличения максимального поддерживающего давления (давления выхлопных газов) примерно до 1–10 мбар. Теоретически для прямого возврата к атмосферному давлению можно использовать центробежный насос, насос с боковым каналом или регенеративный насос , но в настоящее время на рынке не существует турбонасоса, который выбрасывает газ непосредственно в атмосферу. В большинстве случаев выхлоп подключается к механическому форвакуумному насосу (обычно называемому форвакуумным насосом ), который создает давление, достаточно низкое для эффективной работы турбомолекулярного насоса. Обычно это опорное давление ниже 0,1 мбар, а обычно около 0,01 мбар. Опорное давление редко бывает ниже 10. ⁻³ мбар (средний свободный пробег ≈ 70 мм), поскольку гидравлическое сопротивление вакуумного трубопровода между турбонасосом и форвакуумным насосом становится значительным.

Турбомолекулярный насос может быть очень универсальным насосом. Он может генерировать вакуум во многие степени из промежуточного вакуума (≈10 ⁻² Па) до сверхвысокого вакуума (≈10 ⁻⁸ Хорошо).

Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или на производственном предприятии можно соединить трубками с небольшим форвакуумным насосом. Автоматические клапаны и диффузионный насос, например, впрыск в большую буферную трубку перед форвакуумным насосом, предотвращают избыточное давление одного насоса, вызывающее остановку другого насоса.

Практические соображения

Законы гидродинамики не обеспечивают хорошего приближения к поведению отдельных, сильно разделенных, невзаимодействующих молекул газа, подобных тем, которые обнаруживаются в условиях высокого вакуума . Максимальное сжатие изменяется линейно в зависимости от окружной скорости ротора. Чтобы получить чрезвычайно низкое давление до 1 микропаскаля , часто необходима скорость вращения от 20 000 до 90 000 оборотов в минуту. К сожалению, степень сжатия изменяется экспоненциально в зависимости от квадратного корня из молекулярной массы газа. Таким образом, тяжелые молекулы перекачиваются гораздо эффективнее, чем легкие . сложно Большинство газов достаточно тяжелы, чтобы их можно было хорошо откачивать, но эффективно перекачивать водород и гелий .

Дополнительный недостаток связан с высокой скоростью вращения ротора насоса этого типа: очень высокого качества требуются подшипники , что увеличивает стоимость.

Поскольку турбомолекулярные насосы работают только в условиях молекулярного потока, для эффективной работы чистого турбомолекулярного насоса потребуется очень большой форвакуумный насос. Таким образом, многие современные насосы имеют ступень молекулярного сопротивления, такую как механизм Холвека или Геде, рядом с выхлопом, чтобы уменьшить размер необходимого форвакуумного насоса.

Большая часть недавних разработок турбонасосов была сосредоточена на повышении эффективности ступеней сопротивления. По мере удаления газа из перекачиваемого пространства более легкие газы, водород и гелий, составляют большую часть оставшейся газовой нагрузки. В последние годы было продемонстрировано, что точная геометрия поверхности ступеней сопротивления может оказать заметное влияние на откачку этих легких газов, улучшая степень сжатия до двух порядков для заданного объема откачки. ^{[ нужна ссылка ]} В результате можно использовать форвакуумные насосы гораздо меньшего размера, чем это требуется для чисто турбомолекулярных насосов, и/или сконструировать более компактные турбомолекулярные насосы.

История

Турбомолекулярный насос был изобретен в 1958 году В. Беккером на основе более старых молекулярных насосов, разработанных Вольфгангом Геде в 1913 году, Фернаном Холвеком в 1923 году и Манне Зигбаном в 1944 году. ^{[ 3 ]}

Ссылки

^ Джон Ф. О'Хэнлон (4 марта 2005 г.). Руководство пользователя по вакуумной технике . Джон Уайли и сыновья. стр. 385–. ISBN 978-0-471-46715-1 .
^ Мартон, Кэти (18 января 1980 г.). Вакуумная физика и технология . Академическая пресса. стр. 247–. ISBN 978-0-08-085995-8 .
^ Роберт М. Безансон, изд. (1990). «Вакуумная техника». Энциклопедия физики (3-е изд.). Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк. стр. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9 .

Внешние ссылки

Некоторые практические рекомендации

[O'Hanlon2005-1] Джон Ф. О'Хэнлон (4 марта 2005 г.). Руководство пользователя по вакуумной технике . Джон Уайли и сыновья. стр. 385–. ISBN 978-0-471-46715-1 .

[Kati1980-2] Мартон, Кэти (18 января 1980 г.). Вакуумная физика и технология . Академическая пресса. стр. 247–. ISBN 978-0-08-085995-8 .

[3] Роберт М. Безансон, изд. (1990). «Вакуумная техника». Энциклопедия физики (3-е изд.). Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк. стр. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]