Принцип работы турбомолекулярного насоса

Турбомолекулярный насос представляет собой вакуумный насос, внешне похожий на турбонасос, используемый для получения и поддержания высокого вакуума. Эти насосы работают по принципу, что молекулам газа можно дать импульс в нужном направлении путем повторного столкновения с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном насосе быстро вращающийся ротор вентилятора «ударяет» из молекул газа от входа насоса к выхлопу, чтобы создать или поддерживать вакуум.

Принципы работы

Большинство турбомолекулярных насосов используют несколько ступеней, каждая из которых состоит из быстро вращающейся лопасти ротора и неподвижной пары лопастей статора. Система работает как компрессор, который подает энергию в газ, а не вынимает его. Газ захвачен верхние ступени проталкиваются в нижние стадии и последовательно сжимает до уровня форвакуумного (форвакуума) давления. Когда молекулы газа проникают через вход, ротор, имеющий несколько угловых лопастей, попадает в молекулы. Таким образом, механическая энергия лопаток передается молекулам газа. С этим вновь приобретенным импульсом молекулы газа входят в отверстия для переноса газа в статоре. Это приводит их к следующему этапу, где они снова сталкиваются с поверхностью ротора, и этот процесс продолжается, и, наконец, приводит их наружу через выхлоп.

Из-за относительного движения ротора и статора молекулы преимущественно попадают на нижнюю сторону лопастей. Поскольку поверхность лезвия опустилась вниз, большая часть рассеянных молекул оставит ее вниз. Поверхность грубая, поэтому никакого отражения не будет. Лезвие должно быть толстым и устойчивым для работы под высоким давлением и максимально тонким и слегка согнутым для максимального сжатия. Для высоких коэффициентов сжатия горловина между соседними лопастями ротора указывает как можно больше в прямом направлении. При высоких расходах лопасти находятся на 45 ° и достигают близких к оси.

Поскольку сжатие каждой ступени составляет ~ 10, каждая ступень ближе к выпускному отверстию значительно меньше, чем предыдущие входные ступени. Это имеет два последствия. Геометрическая прогрессия говорит нам о том, что бесконечные этапы могут идеально вписываться в конечную осевую длину. Конечная длина в этом случае - это полная высота корпуса, так как подшипники, двигатель и контроллер, а некоторые из кулеров могут быть установлены внутри оси. Радиально, чтобы захватить как можно больше тонкого газа на входе, роторы на стороне входа в идеале имели бы больший радиус и соответственно более высокую центробежную силу; идеальные лопасти будут экспоненциально тоньше по направлению к их наконечникам, а углеродные волокна должны укреплять алюминиевые лопасти. Однако, поскольку средняя скорость лезвия сильно влияет на прокачку, это делается путем увеличения диаметра корня, а не диаметра наконечника, где это практически возможно.

Производительность турбомолекулярного насоса сильно связана с частотой ротора. При увеличении числа оборотов лопасти ротора отклоняются больше. Для увеличения скорости и уменьшения деформации были предложены более жесткие материалы и различные конструкции лезвий.

Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях, а тепловыделение трения накладывает конструктивные ограничения. Некоторые турбомолекулярные насосы используют магнитные подшипники для снижения трения и загрязнения масла. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы обеспечивают лишь ограниченный зазор между ротором и статором, лопасти на ступенях высокого давления несколько вырождаются в одну спиральную фольгу. Ламинарный поток не может использоваться для откачки, поскольку ламинарные турбины останавливаются, если не используются при проектируемом потоке. Насос можно охлаждать, чтобы улучшить сжатие, но не должно быть таким холодным, чтобы конденсировать лед на лопастях. Когда ТНА останавливается, масло из вакуума подложки может backstream через ТНА и загрязнять камеру. Один из способов предотвратить это - ввести ламинарный поток азота через насос. Переход от вакуума к азоту и от работающего до турбонагнетателя должен быть точно синхронизирован, чтобы избежать механических нагрузок на насос и избыточного давления в выхлопных газах. Для защиты турбонасоса от избыточного противодавления (например, после сбоя питания или утечки в вакуумной подложке) необходимо добавить тонкую мембрану и клапан в выхлопных газах.

Ротор стабилизирован во всех шести степенях свободы. Один градус регулируется электродвигателем. Минимально эта степень должна быть стабилизирована в электронном виде (или диамагнитным материалом, который слишком неустойчив для использования в прецизионном подшипнике насоса). Другой способ (игнорируя потери в магнитных сердечниках на высоких частотах) заключается в том, чтобы построить этот подшипник как ось со сферой на каждом конце. Эти сферы находятся внутри полых статических сфер. На поверхности каждого шара находится шахматная фигура внутри и снаружи линий магнитного поля. По мере поворота шахматной диаграммы статических сфер ротор вращается. В этой конструкции ни одна ось не становится стабильной по стоимости, при которой другая ось нестабильна, но все оси нейтральны, а электронная регулировка менее напряжена и будет более динамически стабильной. Датчики эффекта Холла могут использоваться для определения вращательного положения, а другие степени свободы можно измерять емкостно.

Максимальное давление

При атмосферном давлении длина свободного пробега воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать только в том случае, если молекулы, попавшие в движущиеся лопасти, достигают неподвижных лопастей, прежде чем сталкиваются с другими молекулами на своем пути. Для этого зазор между движущимися лопастями и неподвижными лопастями должен быть близок к или меньше, чем длина свободного пробега. С практической точки зрения, возможный зазор между наборами лезвий составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос будет останавливаться (без чистой перекачки), если его выпустить непосредственно в атмосферу. Так как длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, турбонасос будет накачиваться, когда давление на выходе меньше, чем около 10 Па (0,10 мбар), где длина свободного пробега составляет около 0,7 мм.

Большинство турбонасосов имеют насос Holweck (или насос с молекулярным сопротивлением) в качестве последнего этапа для увеличения максимального давления подпора (давления выхлопных газов) до примерно 1-10 мбар. Теоретически, центробежный насос, насос боковой колонны или регенеративный насос могут использоваться для прямого возврата к атмосферному давлению, но в настоящее время нет коммерчески доступного турбонасоса, который выходит непосредственно в атмосферу. В большинстве случаев выхлоп соединен с механическим опорным насосом (обычно называемым черным насосом), который создает давление, достаточно низкое для работы турбомолекулярного насоса. Как правило, это давление подложки ниже 0,1 мбар и общ приблизительно 0,01 мбар. Давление подпора редко ниже 10-3 мбар (длина свободного пробега ≈ 70 мм), так как сопротивление потока вакуумной трубы между турбонасосом и черновой насос становится значительным.

Турбомолекулярный насос может быть очень универсальным насосом. Он может генерировать много вакуума из промежуточного вакуума (~ 10-2 Па) до уровней ультравысокого вакуума (~ 10-8 Па).

Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или заводе-изготовителе могут быть соединены трубами с небольшим опорным насосом. Автоматические клапаны и диффузионный насос, такие как вдувание в большую буферную трубку перед насосом, предотвращают любое избыточное давление от одного насоса, чтобы остановить другой насос.