что такое турбомолекулярный насос?

Турбомолекулярный насос был впервые изобретен в 1957 году, и компании в разных странах представили свою продукцию на рынке, получили развитие и популяризацию. Область применения турбомолекулярного насоса в основном такая же, как и у диффузионного насоса. Два типа насосов могут непрерывно выбрасываться в атмосферу с помощью форвакуумного насоса. Давление на входе находится в диапазоне 1 Па~10-7 Па, и насос не имеет выбора молекулярного типа. производительность, насосы от 70 л/с до 10000 л/с. Существуют также турбомолекулярные насосы меньшего или большего размера для специальных целей. Диффузионные насосы имеют производительность 60 000 л/с, а турбомолекулярных насосов общего назначения производительностью более 10 000 л/с в настоящее время нет.

1. турбомолекулярный насос принцип действия

Газ, подаваемый молекулярным насосом, должен удовлетворять двум необходимым условиям:

а. Турбомолекулярные насосы должны работать в условиях молекулярного потока. Потому что когда давление газа, содержащегося в сосуде определенного объема, уменьшается, длина свободного пробега молекул газа соответственно увеличивается. При нормальном давлении длина свободного пробега молекул воздуха составляет всего 0,06 мкм, то есть в среднем молекула газа может столкнуться со второй молекулой газа, пока она перемещается в пространстве на 0,06 мкм. При 1,3 Па средний свободный пробег между молекулами может достигать 4,4 мм. Если увеличить длину свободного пробега до величины, превышающей расстояние между стенками контейнера, вероятность столкновения молекул газа со стенкой контейнера будет больше, чем вероятность столкновения между молекулами газа. В диапазоне молекулярного потока длина свободного пробега молекул газа намного больше, чем расстояние между лопастями молекулярного насоса. Когда стена состоит из неподвижных лопастей статора и движущихся лопастей ротора, больше молекул газа устремляется к лопастям ротора и статора, закладывая основу для направленного движения молекул газа.

б. Лопасти ротора молекулярного насоса должны иметь линейную скорость, близкую к скорости молекул газа. При такой высокой скорости молекулы газа могут сталкиваться с движущимися лопастями и изменять характеристики случайного рассеяния, чтобы совершать направленные движения.

Чем выше скорость вращения молекулярного насоса, тем выгоднее увеличить скорость откачки молекулярного насоса. Практика показала, что чем выше скорость молекул газа разной молекулярной массы, тем труднее его откачать. Пример: H2 имеет очень высокое содержание в воздухе, но поскольку молекула H2 имеет большую скорость движения (наиболее вероятная скорость 1557 м/с), молекулярному насосу трудно перекачивать H2. Путем анализа остаточного газа в предельном вакууме можно обнаружить, что доля водорода может достигать 85%, при этом молекулярная масса относительно велика, а доля молекул масла с малой скоростью практически нулевая. По этой причине молекулярный насос имеет высокую степень сжатия для газов с высокой молекулярной массой, таких как пары масла, и хороший эффект всасывания.

  Фактический турбомолекулярный насос состоит из многоступенчатых лопастей, расположенных последовательно, то есть они расположены поочередно в порядке подвижной лопасти, неподвижной лопасти, подвижной пластины и т. д. Общая степень сжатия насоса определяется количеством ступеней лопаточного ряда. В конструкции турбомолекулярного насоса комбинация многоступенчатых рабочих колес должна быть оптимизирована и согласована. Как правило, форма и размер лопасти с большей скоростью откачки должны выбираться вблизи впускной стороны насоса, а его степень сжатия может быть относительно небольшой. После нескольких стадий сжатия давление газа увеличивается, а скорость откачки уменьшается. В это время следует выбрать форму лопасти с высокой степенью сжатия и низкой скоростью откачки. Эта конструкция может обеспечить идеальный результат откачки всего насоса за счет высокой скорости откачки, высокой степени сжатия и нескольких ступеней.

2. Преимущества и недостатки турбомолекулярного насоса

   а. Преимущества

Потому что турбомолекулярные насосы в некоторых отношениях работают лучше, чем крионасосы, ионные насосы и диффузионные насосы. Поэтому в основном часто используют турбомолекулярные насосы. Его преимущества:

• Чистый, без обратного потока масляных паров
  

Турбомолекулярный насос может обеспечить чрезвычайно чистую вакуумную среду для перекачиваемого контейнера без каких-либо ловушек и работать в соответствии с рабочими процедурами и не содержит углеводородов. Так как современные турбомолекулярные насосы редко смазываются маслом, за исключением больших насосов, для малых насосов часто используются подшипники с консистентной смазкой, а также воздушные подшипники, но больше применяются подшипники с магнитной подвеской.

• Легко использовать
  

Во многих случаях турбомолекулярные насосы могут использоваться без клапанов высокого или грубого вакуума. Простым нажатием кнопки насос начинает работать. От атмосферного давления до предельного давления. Эта система может прокачиваться турбомолекулярным насосом и может быть разогнана до рабочей скорости. Это устраняет необходимость в вакуумных компонентах, таких как клапаны, трубы, ловушки, контроллеры клапанов и т. д. В то же время устраняются отказы, вызванные этими компонентами. Таким образом, пространство, занимаемое системой турбомолекулярного насоса, невелико, а направление установки турбомолекулярного насоса не ограничено и может быть установлено в любом направлении (за исключением насоса с масляной смазкой, который может работать только в вертикальном диапазоне ± 5°). Эту функцию можно использовать, если место установки ограничено.

• Сильная возможность подачи газа
  

Большинство турбомолекулярных насосов способны перекачивать легкие газы, такие как водород и гелий. Поэтому он очень подходит для технологического процесса в условиях сверхвысокого вакуума. Для этих процессов с высоким содержанием водорода можно использовать течеискатели гелиевых масс-спектрометров и в других случаях. Существуют турбомолекулярные насосы, специально разработанные для откачки агрессивных газов, подходящие для травления, реактивного ионного травления, обработки ионным пучком, химического осаждения из паровой фазы под низким давлением, эпитаксии, ионной имплантации и других технологических операций. В ходе этих процессов извлекаемый газ будет вызывать коррозию крионасоса, ионного насоса, масла диффузионного насоса и т. д. Даже стандартные незащищенные турбомолекулярные насосы будут разрушены. Поскольку турбомолекулярный насос является насосом трансмиссионного типа, перекачиваемый газ может проходить через ствол и не скапливаться в насосе. Поэтому он подходит для процессов с высокой газовой нагрузкой. Например, напыление, травление и т. д.

• Подходит для сверхвысокого вакуума
  

Турбомолекулярный насос с хорошей герметизацией и дегазацией в сочетании с двухступенчатым пластинчато-роторным насосом с хорошей производительностью (или с сухим форвакуумным насосом с такой же производительностью) предельный вакуум обычно может достигать 10-9 ~ 10-10 торр. Если турбомолекулярный насос соединен с другим турбомолекулярным насосом, и насос герметизирован металлом и хорошо дегазирован, предельное давление обычно составляет 1×10-10～1×10-11 торр. В отличие от крионасосов или ионных насосов, турбомолекулярные насосы работают на полной скорости откачки в условиях сверхвысокого вакуума. Эти свойства в сочетании с их хорошей чистотой (невозможно обнаружить углеводороды) делают очевидным, что пользователи будут выбирать турбомолекулярные насосы для масс-спектрометров высокого разрешения, оборудования для молекулярно-лучевой эпитаксии и оборудования для анализа в сверхвысоком вакууме.

• Хорошая производительность при высоком давлении
  

Давление на входе некоторых турбомолекулярных насосов может находиться в пределах от 10-1 до 10-3 торр. В этом диапазоне давлений ионный насос использовать нельзя, а работа диффузионного насоса также станет нестабильной для крионасоса, что требует дросселирования скорости откачки или частой регенерации.

• Короткое время цикла
  

Большинству турбомолекулярных насосов, особенно небольших, обычно требуется от 1 до 3 минут для достижения нормальной рабочей скорости. И может быть немедленно закрыт и может подвергаться воздействию атмосферы. Эта функция быстрого цикла полезна в системах ввода проб, особенно в портативных гелиевых течеискателях.

• Долгая работа
  

В некоторых случаях время безотказной работы турбомолекулярных насосов превосходит другие насосы. Поскольку в случае большой газовой нагрузки и утечки клапана крионасос будет часто регенерироваться или ионный насос будет часто ремонтироваться, а использование турбомолекулярного насоса также может устранить загрязнение вакуумной камеры из-за масла насоса.

б. Недостатки

• Высокая стоимость оборудования
  

Инвестиции в оборудование для турбомолекулярного насоса со скоростью откачки более 1000 л/с больше, чем для диффузионного насоса и крионасоса. Однако турбомолекулярные насосы полезны в особых случаях, когда нельзя использовать диффузионные насосы и крионасосы из-за технологических газов или по другим причинам. Небольшие турбомолекулярные насосы довольно дороги по сравнению с малыми или средними диффузионными насосами. Однако, учитывая, что для системы диффузионного насоса требуются клапаны, перегородки, ловушки, контроллеры клапанов, трубы и т. д., рассчитывается общая стоимость, и разница между ними невелика. В некоторых случаях турбомолекулярные насосы все же являются более дешевым вариантом.

• Чувствителен к твердым частицам или осадку
  

Если в работающий турбомолекулярный насос попадут предметы (винты, осколки стекла, нити или кремниевые чипсы), турбина будет повреждена, что часто требует возврата на завод для ремонта. В случае аварии ущерб серьезный. Ремонт и запчасти дорогие. В целях безопасности труда на входе в насос установлен фильтр с мелкими отверстиями для защиты нормальной работы насоса. Эта мера приводит к большим потерям в эффективной скорости откачки насоса. Толстые отложения на лопастях могут вызвать износ и блокировку лопастей, а также повлиять на дисбаланс ротора. Если некоторые частицы попадают в подшипник, вызывая износ, это может сократить срок службы насоса. Поэтому в некоторых приложениях необходимо устанавливать защитные меры.

• Шум и вибрация
  

Судя по опыту использования, у насоса будут проблемы с вибрацией и шумом, большинство из которых вызвано повреждением подшипников и плохой балансировкой. При нормальной работе насос находится в спокойном состоянии, а максимальная амплитуда находится в пределах от 0,1 до 0,001 мкм (т. е. от 100 до 1 нм). Используется в некоторых прецизионных приборах.

• Сломанная проблема
  

Некоторые пользователи опасаются использовать турбомолекулярный насос, опасаясь поломки лопастей ротора. Раздавливание происходит, когда крыльчатка внезапно засасывает посторонние предметы или изнашиваются подшипники при нормальной работе насоса. Обычно существуют защитные меры, такие как добавление фильтров на входе, и обычно можно избежать фрагментации.

• Воздействие атмосферы может привести к несчастным случаям
  

Любой высоковакуумный насос столкнется с такой аварией во время работы. Если манометр сломан, проблемы с трубами, клапанами и уплотнениями на входе могут внезапно подвергнуть вход вакуумного насоса воздействию атмосферного давления. Различные типы турбомолекулярных насосов имеют разную устойчивость к ударам атмосферного давления. Некоторые насосы будут повреждены из-за резонансного изгиба лопастей, но некоторые насосы не будут повреждены воздействием атмосферы. Лучший способ для производителей — получить результаты путем экспериментов. Диффузионные насосы и крионасосы также менее устойчивы к таким внезапным авариям в своей работе и менее устойчивы, чем турбомолекулярные насосы. Например, окисление масла диффузионного насоса быстро загрязняет вакуумную камеру, а крионасосы требуют регенерации.