Турбомолекулярный насос. Виды и работа. Применение и особенности
Опубликовано: 27.08.2018
Турбомолекулярный насос представляет собой специализированный вакуумный агрегат, который используется для образования вакуума большого значения. Установки данного типа имеют немного разновидностей, ведь аналогов, способных создать сверхвысокий вакуум, практически не существует. Впервые о турбомолекулярных устройствах заговорили в 1913 году. Именно тогда Геде придумал, как создать молекулярный насос. Однако первые турбомолекулярные устройства стали появляться только в 1958 году благодаря Беккеру. Постепенно их стали активно применять в промышленности.
Принцип работы турбомолекулярных насосов HiPace - 3D
Огромную роль в процессе создания вакуума выполняет принцип работы насоса. Молекулярное состояние системы находится в прямой зависимости от турбины, которая применяется в данном агрегате. Эта турбина способствует ускорению процесса создания вакуума. Эти агрегаты получили широкое распространение в промышленности, авиации, научных лабораториях и тому подобное.
Турбомолекулярный насос STP в разрезе.
Виды
Турбомолекулярный насос в зависимости от конструктивного исполнения может быть:
По своей конструкции подобные агрегаты могут быть классифицированы по трем видам:
Цилиндрический вид, в роторе которого имеются кольцевые каналы. Данный агрегат имеет конструктивное исполнение Геде ; Цилиндрический вид, по поверхности его ротора располагаются каналы спирального вида. Данный агрегат часто называют устройством Хольвека ; Дисковый вид, в котором используются каналы спирального вида от наружного диаметра к диску. Этот тип конструкций часто называют устройством Зигбана .Конструктивно схема устройства, который предложил Беккер, имеет корпус, в котором установлены неподвижные статорные диски. Ротор представляет вал с колесами, которые представляют диски с фрезерованными косыми пазами радиального вида. Они также могут представлять лопаточные колеса, лопатки на них ставятся под некоторым углом к торцовой плоскости втулки. В случае, когда колеса выполнены в виде дисков с прорезями, то в статорных колесах прорези выполняются зеркально. Для лопаточного исполнения применяются те же условия, но уже с учетом углов установки. Чтобы упростить установку статорных колес их разрезают по диаметру.
В молекулярные агрегаты цилиндрического вида, в которых каналы спирального вида находятся по поверхности ротора, имеют несколько иное исполнение. Здесь, в отличие от агрегатов Геде, каналы создаются винтовыми корпусными канавками. В этих устройствах отсутствуют отсекатели, что снижает объем перемещающегося газа. Газ посредством патрубка для всасывания направляется насос, где перемещается по винтовым канавкам и делится на потоки. Оттуда он выходит в полости нагнетания, из них газ откачивается с помощью форвакуумного насоса. Ротор начинает работать благодаря электрическому двигателю. Чтобы исключить перемещение газов внутренняя часть насоса надежно изолируется от внешней среды.
В устройстве Зигбана дискового вида каналы изготавливаются в крышках торцового вида. Вращающийся диск в данном случае находится в корпусе. Газ направляется в каналы спирального вида посредством патрубка для всасывания. В большинстве случаев используются три спирали, через которые газ направляет к центру диска, где с помощью форвакуумного насоса откачивается.
Главный минус насосов указанных исполнений – это необходимость применения современного высокоточного оборудования для их производства и сборочных работ. В случае погрешностей в мехобработке или увеличении зазоров происходит резкое перетекание газов, вследствие чего существенно снижаются показатели откачивания. Тем не менее, молекулярные ступени с успехом применяются в комбинированных турбомолекулярных устройствах.
Подобные агрегаты выпускают разные производители, вследствие чего они также добавляют разнообразные новшества в своих моделях.
Устройство
Турбомолекулярный насос работает благодаря статорным и роторным дискам, у которых имеются радиальные косые каналы. Их стенки находятся под углом порядка 15-40 градусов по отношению к плоскости диска. При этом каналы статоров располагаются зеркально по отношению к роторам. Между валом ротора и статором есть зазоры, которые позволяют перемещаться молекулам газа в сторону откачки. Подобная система подвижных и неподвижных каналов обеспечивает перепад давлений и способствует эффективному образованию вакуума.
Насос приводится в движение благодаря высокочастотному электрическому двигателю. Ток в двигатель подается от электрической сети или мощного аккумулятора . Ротор движка располагается в форвакуумной полости вместе с валом насосного ротора. Такое конструктивное исполнение исключает манжетный износ.
Вращение ротора осуществляется с частотой порядка 18-100 тысяч оборотов в минуту. Поэтому во время сборочных работ насос подвергается тщательной балансировке, во время которой подшипники устанавливаются с максимальной точностью. Для таких агрегатов применяются специальные подшипники, имеющие текстолитовые сепараторы. Чтобы подшипники работали без перебоев, им нужна смазка. С этой целью используется маслонасос, для которого устанавливается свой электрический движок. Воздух подается через входной патрубок.
Когда начинается вращаться двигатель, в движение приводится ротор насоса, он вращается относительно статора. Лопатки ротора и статора располагаются по отношению друг к другу зеркально. Вместе они создают ступень насоса, обеспечивающую компрессионное сжатие воздушных масс. Для воздуха компрессия может достигать показателя 30. Однако в агрегатах применяется сразу несколько ступеней, вследствие чего компрессия может достигать показателя в несколько сотен единиц.
Далее в действие вступает форвакуумный насос, который благодаря компрессии легко откачивает воздушные массы. Указанное конструктивное исполнение вызвано тем, что для работы данного агрегата требуется определенное давление, чтобы насос мог приступить к работе. Внешний вид подобного агрегата напоминает турбину, вследствие чего и пошло название турбомолекулярный насос.
Принцип действия
Турбомолекулярный насос можно отнести к кинетическим агрегатам, которые работают на принципе передаче импульса молекулам для направления их к откачивающему устройству. Его конструкция напоминает ротор из многочисленных ступеней. Типичная конструкция выполнена в виде вращающегося круглого диска, на котором расположены лопасти. Они во время вращения действуют на молекулы воздушных масс и передают им энергию, направляя через статорные канавки.
В насосе предусмотрено несколько ступеней, на каждой из которых происходит сжатие газа до момента, когда они не дойдут до нагнетательного отверстия. Через него сжатый воздух легко откачивается насосом. Быстродействие и параметры сжатия определяются геометрией роторной и статорной частей, их скоростью вращения, а также числом лопастей. Агрегат производится в вертикальном либо горизонтальном исполнении.
Применение
Турбомолекулярный насос находит широчайшее применение во многих сферах деятельности. Данные агрегаты применяются в промышленности, в первую очередь это касается медицинской, металлургической, авиационной, атомной, химической, радиотехнической и электронной промышленности. Также их используют во всевозможных технологических процессах, а также с целью обеспечения функционирования установок и оборудования, где наблюдается необходимость создания и поддержания вакуума высокого значения.
Также турбомолекулярный насос применяется в аналитических приборах, к примеру, в многокамерных масс-спектрометрах. Такие агрегаты незаменимы при создании полупроводников, в частности в ионной имплантации и сухом травлении. Производителям необходимо повышать производительность оборудования, их надежность. Поэтому без турбомолекулярных устройств здесь не обойтись. Данные процессы проходят с применением коррозионных и агрессивных газов, поэтому насосы снабжаются защитой и соответствующим покрытием. Напылении материалов. При испарении, покрытии и травлении разнообразных материалов. Химическом осаждении. В создании ускорителей частиц. При вакуумировании электронных ламп. В случае необходимости имитации космического пространства. Изготовление вакуумных печей. Для создания устройств поиска протечек. Создания сверхвысоковакуумного оборудования. В производстве электронных приборов и так далее.Преимущества и недостатки
Турбомолекулярный насос имеет следующие преимущества:
Быстрота действия и высокая производительность. Отсутствие появления загрязнений в откачиваемом объеме. Высокая надежность во время работы. Долговечность эксплуатации. Быстрый запуск. Постоянная готовность к работе. Широкий диапазон рабочего давления. Высокая степень сжатия.Однако у таких устройств имеются и недостатки:
Высокая цена, вызванная необходимостью применения дорогих комплектующих, использования дорогостоящего обрабатывающего оборудования и высокоспециализированного рабочего труда. Небольшой дисбаланс лопастей роторных и статорных частей может привести к вибрации и быстрому износу подшипников. Необходимость постоянной смазки высокоскоростного ротора.Похожие темы:
