Турбомолекулярный насос - Turbomolecular pump
А турбомолекулярный насос это тип вакуумный насос, внешне похожий на турбонасос, используется для получения и поддержания высокого вакуум.[1][2] Эти насосы работают по принципу, согласно которому молекулы газа импульс в желаемом направлении путем многократного столкновения с движущейся твердой поверхностью. В турбомолекулярном насосе быстро вращающийся поклонник ротор "ударяет" по молекулам газа от входа в насос в сторону выхлопа, чтобы создать или поддерживать вакуум.
Принцип работы
В большинстве турбомолекулярных насосов используется несколько ступеней, каждая из которых состоит из быстро вращающегося лопасть ротора и стационарный лопатка статора пара. Система работает как компрессор это вкладывает энергию в газ, а не забирает ее. Газ, захваченный верхними ступенями, проталкивается в нижние ступени и последовательно сжимается до уровня форвакуума (форвакуумного насоса). газ молекулы входят через входное отверстие, ротор, имеющий несколько наклонных лопастей, ударяет по молекулам. Таким образом, механическая энергия лопастей передается молекулам газа. Благодаря этому новому импульсу молекулы газа входят в отверстия для переноса газа в статоре. Это приводит их к следующему этапу, на котором 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 ударяются о нижнюю сторону лопастей. Поскольку поверхность лезвия смотрит вниз, большая часть рассеянных молекул покидает ее вниз. Поверхность шероховатая, поэтому отражения не будет. Лезвие должно быть толстым и устойчивым для работы под высоким давлением и как можно более тонким и слегка изогнутым для максимального сжатия. Для высоких степеней сжатия горловина между соседними лопастями ротора (как показано на рисунке) направлена как можно больше в прямом направлении. Для больших расходов лопасти расположены под углом 45 ° и достигают почти оси.
Поскольку степень сжатия каждой ступени составляет ≈10, каждая ступень ближе к выходу значительно меньше, чем предыдущие ступени на входе. Это имеет два последствия. Геометрическая прогрессия говорит нам, что бесконечные ступени идеально вписываются в конечную осевую длину. Конечная длина в данном случае - это полная высота корпуса как подшипники, двигатель, контроллер и некоторые охладители могут быть установлены внутри на оси. В радиальном направлении, чтобы захватить как можно больше тонкого газа на входе, роторы на входной стороне в идеале должны иметь больший диаметр. радиус, и соответственно более высокая центробежная сила; Идеальные лезвия будут экспоненциально тоньше по направлению к их концам, а углеродные волокна должны усилить алюминиевые лезвия. Однако, поскольку средняя скорость лезвия так сильно влияет на откачку, это достигается за счет увеличения корневого диаметр а не диаметр наконечника, где это возможно.
Производительность турбомолекулярного насоса сильно зависит от частоты вращения ротора. С увеличением числа оборотов лопасти ротора отклоняются сильнее. Для увеличения скорости и уменьшения деформации были предложены более жесткие материалы и различные конструкции лопастей.[3]
Турбомолекулярные насосы должны работать на очень высоких скоростях, а тепловыделение при трении накладывает конструктивные ограничения. Некоторые турбомолекулярные насосы используют магнитные подшипники уменьшить трение и масляное загрязнение. Поскольку магнитные подшипники и температурные циклы допускают только ограниченный зазор между ротором и статором, каждая из лопаток на ступенях высокого давления в некоторой степени вырождается в одну спиральную фольгу. Ламинарный поток нельзя использовать для откачки, потому что ламинарные турбины останавливаются, когда не используются при расчетном потоке. Насос можно охладить для улучшения компрессии, но он не должен быть настолько холодным, чтобы конденсировать лед на лопастях. Когда турбонасос остановлен, масло из поддерживающего вакуума может пройти обратно через турбонасос и загрязнить камеру. Один из способов предотвратить это - ввести ламинарный поток азот через насос. Переход от вакуума к азоту и от работающего турбонасоса к неподвижному должен быть точно синхронизирован, чтобы избежать механической нагрузки на насос и избыточного давления на выхлопе. Следует добавить тонкую мембрану и клапан на выпуске, чтобы защитить турбонасос от чрезмерного противодавления (например, после сбоя питания или утечки в поддерживающем вакууме).
Ротор стабилизирован во всех шести степени свободы. Один градус регулируется электродвигателем. Как минимум, эта степень должна быть стабилизирована электронным способом (или диамагнитный материал, который слишком нестабилен для использования в подшипниках прецизионных насосов). Другой способ (без учета потерь в магнитопроводы на высоких частотах) состоит в том, чтобы сконструировать этот подшипник в виде оси со сферой на каждом конце. Эти сферы находятся внутри полых статических сфер. На поверхности каждой сферы изображен шахматный узор из направленных внутрь и наружу линий магнитного поля. Как шахматная доска шаблон статических сфер вращается, 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 нагружено и будет более динамически стабильным. Датчики на эффекте Холла могут использоваться для определения положения вращения, а другие степени свободы могут измеряться емкостным способом.
Максимальное давление
При атмосферном давлении длина свободного пробега воздуха составляет около 70 нм. Турбомолекулярный насос может работать, только если молекулы, пораженные движущимися лопастями, достигают неподвижных лопастей, прежде чем столкнуться с другими молекулами на своем пути. Для этого зазор между движущимися лопастями и неподвижными лопастями должен быть близок или меньше средней длины свободного пробега. С практической точки зрения конструкции допустимый зазор между наборами лопастей составляет порядка 1 мм, поэтому турбонасос остановится (без перекачки нетто), если его выбросить прямо в атмосферу. Поскольку длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению, турбонасос будет перекачивать, когда давление выхлопных газов меньше примерно 10 Па (0,10 мбар), когда средний свободный путь составляет примерно 0,7 мм.
Большинство турбонасосов имеют Насос Holweck (или молекулярный тормозной насос) в качестве последней ступени для увеличения максимального поддерживающего давления (выхлопного давления) примерно до 1–10 мбар. Теоретически центробежный насос, насос с боковым каналом или регенеративный насос можно было бы использовать для прямого восстановления атмосферного давления, но в настоящее время нет коммерчески доступного турбонасоса, который выбрасывает воздух прямо в атмосферу. В большинстве случаев выхлоп подключается к механическому подкачивающему насосу (обычно называемому черновой насос ), которое создает давление, достаточно низкое для эффективной работы турбомолекулярного насоса. Обычно это поддерживающее давление ниже 0,1 мбар и обычно составляет около 0,01 мбар. Поддерживающее давление редко бывает ниже 10−3 мбар (длина свободного пробега ≈ 70 мм), потому что гидравлическое сопротивление вакуумной трубы между турбонасосом и форвакуумным насосом становится значительным.
Турбомолекулярный насос может быть очень универсальным насосом. Он может создавать много градусов вакуума из промежуточного вакуума (≈10−2 Па) до сверхвысокий вакуум уровней (≈10−8 Па).
Несколько турбомолекулярных насосов в лаборатории или на производстве можно соединить трубками с небольшим обратным насосом. Автоматические клапаны и диффузионный насос подобно впрыску в большую буферную трубу перед обратным насосом, предотвращает любое избыточное давление от одного насоса, чтобы остановить другой насос.
Практические соображения
Законы динамика жидкостей не дают хорошего приближения для поведения отдельных, сильно разделенных, невзаимодействующих молекул газа, подобных тем, которые обнаружены в высокий вакуум среды. Максимальное сжатие линейно зависит от окружной скорости ротора. Чтобы получить чрезвычайно низкое давление до 1 микропаскаль часто требуется частота вращения от 20 000 до 90 000 оборотов в минуту. К сожалению, степень сжатия изменяется экспоненциально с корнем квадратным из молекулярной массы газа. Таким образом, тяжелые молекулы перекачиваются гораздо эффективнее легких. молекулы. Большинство газов достаточно тяжелые, чтобы их можно было хорошо перекачивать, но их трудно перекачивать. водород и гелий эффективно.
Дополнительный недостаток связан с высокой частотой вращения ротора этого типа насоса: очень высокий класс подшипники требуются, что увеличивает стоимость.
Поскольку турбомолекулярные насосы работают только в условиях молекулярного потока, для эффективной работы чисто турбомолекулярного насоса потребуется очень большой обратный насос. Таким образом, многие современные насосы имеют ступень молекулярного сопротивления, такую как Холвек или Геде механизм рядом с выхлопом, чтобы уменьшить размер необходимого подкачивающего насоса.
Большая часть недавних разработок турбонасосов была направлена на повышение эффективности ступеней сопротивления. Когда газ удаляется из откачиваемого пространства, более легкие газы водород и гелий становятся большей частью остающейся газовой нагрузки. В последние годы было продемонстрировано, что точная конструкция геометрии поверхности ступеней сопротивления может оказывать заметное влияние на прокачку этих легких газов, улучшая степень сжатия до двух порядков для данного объема откачки. В результате можно использовать форвакуумные насосы гораздо меньшего размера, чем требовалось бы для чисто турбомолекулярных насосов, и / или разработать более компактные турбомолекулярные насосы.
История
Турбомолекулярный насос был изобретен У. Беккером в 1958 году на основе более старых молекулярных насосов, разработанных Вольфганг Геде в 1913 г., Фернан Холвек в 1923 г. и Манн Зигбан в 1944 г.[4]
Рекомендации
- ^ Джон Ф. О'Хэнлон (4 марта 2005 г.). Руководство пользователя вакуумной техники. Джон Вили и сыновья. С. 385–. ISBN 978-0-471-46715-1.
- ^ Мартон, Кати (18 января 1980 г.). Физика и технология вакуума. Академическая пресса. С. 247–. ISBN 978-0-08-085995-8.
- ^ «Икбал, Абдул Васи и др., НИМА-А, 2012 г. Модификация конструкции лопасти ротора турбомолекулярного насоса». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 678: 88–90. Дои:10.1016 / j.nima.2012.02.030.
- ^ Роберт М. Безансон, изд. (1990). «Вакуумная техника». Энциклопедия физики (3-е изд.). Ван Ностранд Рейнхольд, Нью-Йорк. С. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9.