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 может быть придан импульс в желаемом направлении путем многократного столкновения с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном насосе быстро вращающийся ротор вентилятора «ударяет» молекулы газа от впускного отверстия насоса к выпускному отверстию, чтобы создать или поддерживать вакуум.
Большинство турбомолекулярных насосов используют несколько ступеней, каждая из которых состоит из быстро вращающейся роторной лопасти и неподвижной пары статорных лопастей . Система представляет собой осевой компрессор , который передает энергию газу, а не турбину , которая берет энергию из движущейся жидкости для создания вращательной мощности, поэтому «турбомолекулярный насос» — неправильное название. Газ, захваченный верхними ступенями, проталкивается в нижние ступени и последовательно сжимается до уровня давления форвакуума (форвакуумного насоса). Когда молекулы газа поступают через впускное отверстие, ротор, имеющий ряд наклонных лопастей, ударяет по молекулам. Таким образом, механическая энергия лопастей передается молекулам газа. С этим вновь приобретенным импульсом молекулы газа попадают в отверстия для переноса газа в статоре. Это приводит их к следующей ступени, 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 лопаток. Поскольку поверхность лопатки смотрит вниз, большинство рассеянных молекул покинут ее вниз. Поверхность шероховатая, поэтому отражения не произойдет. Лопасть должна быть достаточно толстой и устойчивой для работы под высоким давлением, а также как можно тоньше и слегка изогнутой для максимального сжатия. Для высоких степеней сжатия горловина между соседними лопатками ротора (как показано на изображении) направлена максимально вперед. Для высоких скоростей потока лопатки расположены под углом 45° и достигают близко к оси.
Поскольку сжатие каждой ступени составляет ≈10, каждая ступень, расположенная ближе к выходу, значительно меньше, чем предыдущие ступени на входе. Это имеет два последствия. Геометрическая прогрессия говорит нам, что бесконечные ступени могли бы идеально вписаться в конечную осевую длину. Конечная длина в этом случае равна полной высоте корпуса, поскольку подшипники , двигатель, контроллер и некоторые охладители могут быть установлены внутри на оси. Радиально, чтобы захватить как можно больше тонкого газа на входе, роторы на стороне входа в идеале должны иметь больший радиус и, соответственно, более высокую центробежную силу; идеальные лопасти должны становиться тоньше к своим кончикам. Однако, поскольку средняя скорость лопасти так сильно влияет на перекачку, это достигается путем увеличения диаметра корня , а не диаметра кончика, где это практично.
Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях, а накопление тепла из-за трения накладывает конструктивные ограничения. Некоторые турбомолекулярные насосы используют магнитные подшипники для уменьшения трения и загрязнения масла. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы допускают только ограниченный зазор между ротором и статором, лопатки на ступенях высокого давления несколько дегенерируют в одну спиральную фольгу каждая. Ламинарный поток не может использоваться для перекачки, потому что ламинарные турбины останавливаются, когда не используются при расчетном потоке. Насос можно охладить для улучшения сжатия, но он не должен быть настолько холодным, чтобы на лопатках конденсировался лед. Когда турбонасос останавливается, масло из форвакуумного вакуума может обратно течь через турбонасос и загрязнять камеру. Одним из способов предотвращения этого является введение ламинарного потока азота через насос. Переход от вакуума к азоту и от работающего к неподвижному турбонасосу должен быть точно синхронизирован, чтобы избежать механического напряжения в насосе и избыточного давления на выхлопе. Для защиты турбонасоса от чрезмерного противодавления (например, после отключения питания или утечек в форвакуумном насосе) следует добавить тонкую мембрану и клапан на выхлопе.
Ротор стабилизирован во всех шести степенях свободы . Одна степень регулируется электродвигателем. Минимально эта степень должна быть стабилизирована электронно (или диамагнитным материалом, который слишком нестабилен для использования в подшипнике точного насоса). Другой способ (игнорируя потери в магнитных сердечниках 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 находится шахматный рисунок идущих внутрь и наружу линий магнитного поля. По мере вращения шахматного рисунка статических сфер ротор вращается. В этой конструкции ни одна ось не становится стабильной за счет того, что другая ось становится нестабильной, но все оси нейтральны, а электронное регулирование менее напряжено и будет более динамически стабильным. Датчики Холла могут использоваться для определения положения вращения, а другие степени свободы могут быть измерены емкостным способом.
При атмосферном давлении длина свободного пробега воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать только в том случае, если молекулы, попавшие под движущиеся лопасти, достигают неподвижных лопастей до столкновения с другими молекулами на своем пути. Чтобы этого добиться, зазор между движущимися и неподвижными лопастями должен быть близок или меньше длины свободного пробега. С точки зрения практической конструкции допустимый зазор между наборами лопастей составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос остановится (нет чистой откачки), если будет выпускаться напрямую в атмосферу. Поскольку длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, турбонасос будет качать, когда давление выхлопа меньше примерно 10 Па (0,10 мбар), где длина свободного пробега составляет около 0,7 мм.
Большинство турбонасосов имеют насос Хольвека (или молекулярный насос сопротивления) в качестве последней ступени для увеличения максимального обратного давления (давления выхлопа) примерно до 1–10 мбар. Теоретически, центробежный насос, насос с боковым каналом или регенеративный насос могут использоваться для прямого возврата к атмосферному давлению, но в настоящее время нет ни одного серийно выпускаемого турбонасоса, который выбрасывает воздух 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 форвакуумное давление ниже 0,1 мбар и обычно около 0,01 мбар. Форвакуумное давление редко бывает ниже 10−3 мбар (средняя длина свободного пробега ≈ 70 мм), поскольку сопротивление потоку вакуумной трубы между турбонасосом и форвакуумным насосом становится значительным.
Турбомолекулярный насос может быть очень универсальным насосом. Он может генерировать много степеней вакуума от промежуточного вакуума (≈10−2 Па ) до сверхвысоких уровней вакуума (≈10−8 Па ).
Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или на производственном предприятии могут быть соединены трубками с небольшим форвакуумным насосом. Автоматические клапаны и диффузионный насос, например, впрыскивание в большую буферную трубку перед форвакуумным насосом, предотвращают любое избыточное давление от одного насоса, которое может остановить другой насос.
Законы гидродинамики не дают хороших приближений для поведения отдельных, сильно разделенных, невзаимодействующих молекул газа, таких как те, которые находятся в условиях высокого вакуума . Максимальное сжатие линейно зависит от окружной скорости ротора. Для получения чрезвычайно низких давлений вплоть до 1 микропаскаля часто необходимы скорости вращения от 20 000 до 90 000 оборотов в минуту. К сожалению, степень сжатия меняется экспоненциально с квадратным корнем молекулярной массы газа. Таким образом, тяжелые молекулы прокачиваются гораздо эффективнее, чем легкие . Большинство газов достаточно тяжелые, чтобы их можно было хорошо прокачивать, но водород и гелий трудно эффективно прокачивать.
Дополнительный недостаток обусловлен высокой скоростью вращения ротора этого типа насоса: требуются подшипники очень высокого класса , что увеличивает стоимость.
Поскольку турбомолекулярные насосы работают только в условиях молекулярного потока, чистому турбомолекулярному насосу для эффективной работы потребуется очень большой форвакуумный насос. Таким образом, многие современные насосы имеют ступень молекулярного сопротивления, такую как механизм Хольвека или Геде, около выхлопа, чтобы уменьшить размер требуемого форвакуумного насоса.
Большая часть последних разработок турбонасосов была сосредоточена на повышении эффективности ступеней сопротивления. По мере удаления газа из откачиваемого пространства более легкие газы водород и гелий становятся большей частью оставшейся газовой нагрузки. В последние годы было продемонстрировано, что точная конструкция геометрии поверхности ступеней сопротивления может оказывать заметное влияние на откачку этих легких газов, улучшая степень сжатия до двух порядков для заданного объема откачки. [ необходима цитата ] В результате можно использовать гораздо меньшие форвакуумные насосы, чем это потребовалось бы для чисто турбомолекулярных насосов, и/или проектировать более компактные турбомолекулярные насосы.
Турбомолекулярный насос был изобретен в 1958 году В. Беккером на основе более старых молекулярных насосов, разработанных Вольфгангом Геде в 1913 году, Фернаном Хольвеком в 1923 году и Манне Зигбаном в 1944 году . [3]
