Турбомолекулярный насос: принцип работы

Турбомолекулярный насос — устройство для откачки воздуха из замкнутого пространства. Работает только совместно с форвакуумным аппаратом, который обеспечивает предварительное разрежение.

Содержание:

1. Общие сведения о турбомолекулярных насосах
2. Устройство турбомолекулярного насоса
3. Принцип работы турбомолекулярного насоса
4. Основные характеристики турбомолекулярных насосов
5. Типы турбомолекулярных вакуумных насосов
6. Виды турбомолекулярных вакуумных насосов
7. Плюсы и минусы насосов ТМН
8. Сферы применения турбомолекулярных насосов
9. Бренды турбомолекулярных насосов
10. Ремонт турбомолекулярных насосов

Общие сведения о турбомолекулярных насосах

Характеристики ТМН:

• высокая производительность;
• продолжительное, надёжное функционирование;
• высокая цена.

Последний показатель связан с особенностями конструкции и материалов, из которых изготовлено оборудование.

Турбомолекулярный насос используют для быстрой перекачки больших объемов газа до высоких и сверхвысоких значений. Основными рабочими органами агрегата служат:

1. Ротор — металлическое тело вращения в форме цилиндра.
2. Статор — неподвижная часть системы, которая обеспечивает герметичность для движения ротора.
3. Подшипники — детали из нитрида силикона. Прочные, износостойкие элементы позволяют технике действовать бесперебойно.

Под действием ТМН и форвакуумного аппарата газы последовательно изменяют состояние:

• газообразное;
• вязкое;
• молекулярное;
• промежуточное.

По конструкции и принципу работы турбомолекулярный насос схож с диффузионным. Он с высокой скоростью превращает газовые смеси в вакуум.

Устройство турбомолекулярного насоса

Ротор — главный рабочий элемент ТМН. Он оснащен рядами лопаток, расположенными перпендикулярно оси вращения через равные промежутки. Лопатки установлены под наклоном и разделены неподвижными пластинами. Тщательный расчет углов и расстояний между элементами, проектирование формы деталей позволяют насосу вырабатывать заявленные характеристики.

Лёгкое вращение ротора обусловлено наличием алюминия в составе и тщательной балансировкой. Силу движения элементу придает электродвигатель. Подвес ротора может быть различным, в зависимости от модели.

Поверхность ротора покрыта спиралевидными канавками, от которых зависит качество обработки воздушной смеси. Благодаря разнице их ширины и формы, поток сжимается в несколько этапов. Но эффективность откачки снижается для сред с содержанием тяжёлых молекул.

Современные турбомолекулярные насосы оснащены керамическими подшипниками. Это повышает их стойкость к износу, по сравнению с устаревшими аналогами. Элементы из керамики не подвержены коррозии, не вызывают внутреннего напряжения под действием центробежных сил, минимизируют нагрузку на систему откачки. Для них характерна твердость, устойчивость к повреждению, продолжительность эксплуатации.

Принцип работы турбомолекулярного насоса

Турбомолекулярный насос визуально представляет собой подвижный округлый диск с пластинами. Вращение лопаток стимулирует образование механической энергии из молекул газа. Система подвижных и статичных элементов стимулирует частицы откачиваемого потока к столкновению с лопатками ротора. Затем поток сжимается, проходя через канавки статора. При этом молекулы газа многократно сталкиваются с пластинами подвижного элемента. Воздух направляется к патрубку нагнетания и под действием подкачивающей установки выходит наружу. Форвакуумная установка работает непрерывно. Такой принцип действия обеспечивает высокий уровень сжатия среды.

ТМН эффективно перекачивает воздух при нагрузке до 50 Па. Ротор вращается со скоростью до 90000 об/мин, питаясь от двигателя, генератора или других источников.

Основные характеристики турбомолекулярных насосов

Скорость функционирования аппарата зависит от входного давления. Его можно поддерживать в широком диапазоне, но при значении 10^-1 Па начинает изменяться режим потока газа. А при величине ниже 10^-6 Па на быстроту откачки влияет водород, который выделяется из поверхности насоса и поступает из форвакуумного устройства.

Основные параметры ТМН:

• мощность энергопотребления;
• тип охлаждения — водяное или воздушное;
• скорость перекачки;
• быстрота вращения ротора;
• время запуска.

Рабочие лопасти бывают подвижными и статичными. Они находятся на разных уровнях. Движущиеся элементы управляют потоком газа, передавая ему импульс.

Турбомолекулярные агрегаты изготавливают с вертикально или горизонтально расположенным ротором. Производительность техники и степень сжатия воздушного объема зависят от скорости вращения подвижного элемента, особенностей его конфигурации. На эффективность оборудования также влияет конденсат, который образуется из сервисной жидкости форвакуумного устройства. Чтобы минимизировать его накопление рядом с подшипником, фланец ТМН размещают с уклоном.

Типы турбомолекулярных вакуумных насосов

В зависимости от особенностей подвеса ротора турбомолекулярные насосы классифицируют на 3 типа:

Классический насос ТМН

Ротор вращается в верхнем и нижнем подшипнике качения. Последние модели оснащены керамическими подшипниками с консистентной смазкой. Они не требуют обслуживания, но при поломке деталей необходимо выполнять балансировку ротора.

ТМН на магнитном подвесе

С двумя основными магнитными подшипниками. Механические аналоги в этих аппаратах предусмотрены для аварийного режима работы оборудования.

Гибридный ТМН

С верхним магнитным и нижним механическим подшипником. Комбинированное исполнение исключает связь ротора со статором.

Виды турбомолекулярных вакуумных насосов

Турбомолекулярные насосы — это специализированное оборудование для получения вакуума высоких значений. Аналогов подобных аппаратов практически не существует. В зависимости от особенностей структуры различают следующие виды ТМН:

• однопоточный;
• двухпоточный;
• с лопатками;
• с дисками.

Конструктивно техника может быть представлена в трёх исполнениях:

1. Цилиндрическом, с кольцевыми каналами на роторе. Агрегаты создают на основе проекта Геде.
2. Цилиндрическом, со спиральными канавками на роторе. Модели называют насосами Хольвека.
3. Дисковом, со спиральными каналами. Они проходят от края к диску. Устройства выполняют по разработке Зигбана.

Турбомолекулярные агрегаты изготавливают с применением высокоточного оборудования. Даже незначительные погрешности при механической обработке приведут к перетеканию рабочей среды и ухудшению параметров полученного вакуума. 

Плюсы и минусы насосов ТМН

Достоинства турбомолекулярных насосов:

• создание сверхвысокого чистого вакуума;
• обработка больших объемов газа;
• устойчивость к высоким нагрузкам;
• перекачка коррозийных, инертных потоков;
• действие в широком диапазоне давления;
• простота, удобство эксплуатации;
• низкий шумовой эффект, умеренные вибрации;
• лёгкий вес, небольшие размеры;
• запуск в течение 15 минут;
• быстрота откачки сред, даже тяжёлых.

Недостатки насосов ТМН:

• чувствительность к механическим компонентам в потоке;
• сложность замены подшипников в классических версиях агрегатов.

Сферы применения турбомолекулярных насосов

ТМН применяют в авиастроении, радиотехнике, металлургии. Аппараты широко используются в сфере испытаний — к примеру, при поиске протечек. Они могут быть частью конструкции для создания систем по ускорению веществ, выполнять важные функции в производстве получения полупроводников. Также мощные устройства необходимы в следующих направлениях:

• напыление и удаление покрытий;
• создание вакуума электроламп;
• сопровождение функционирования технологического оборудования;
• атомная промышленность;
• офтальмология.

Турбомолекулярные агрегаты приносят пользу любой сфере, которой нужен глубокий или сверхглубокий безмасляный вакуум. Их достоинства сложно переоценить, ведь подобные результаты на других аппаратах получить практически невозможно.

Бренды турбомолекулярных насосов

На рынке появляется все больше производителей вакуумного оборудования. Среди них модели известных фирм — Agilent, Busch, CBVAC, EBARA, Edwards, KYKY, Leybold, Osaka Vacuum, Pfeiffer Vacuum, Shimadzu, Ulvac, и других в том числе российских брендов.

KYKY

ТМН агрегаты оснащены керамическими необслуживаемыми подшипниками. Детали не нуждаются в смазке — заводской обработки хватает на весь период службы оборудования.

Насосы KYKY можно монтировать в любом положении, сохранив особенности конструкции и производительность техники. В линейке бренда есть модели с разным типом подвеса.

Pfeiffer Vacuum

Немецкая компания изготавливает турбомолекулярные агрегаты с разной мощностью, производительностью и размерами. В изготовлении аппаратов участвуют опытные инженеры, используются современные технологии и оборудование. Такой ответственный подход позволяет получить качественную, высокоэффективную технику.

Ebara

Американо-японская компания – одни из мировых лидеров в области создания высоковакуумного оборудования. Насосы ТМН Ebara используются по всему миру. Отличаются высочайшим качеством материалов изготовления и впечатляющими показателями производительности.

Edwards

Бренд выпускает ТМН насосы с магнитным подвесом ротора. В линейке продукции регулярно появляются модели с обновлёнными характеристиками. В агрегаты встроены контроллеры SCU для регулирования технического состояния и подачи питания.

Agilent

Надёжные турбомолекулярные насосы отличаются высокой скоростью действия, отсутствием шума и вибраций. Они созданы из прочных материалов, устойчивы к интенсивным нагрузкам.

Leybold

Вакуумное оборудование из Германии продуцирует чистый вакуум в глубоком и сверхглубоком диапазоне. Аппараты оснащены гибридной системой подшипников, частотным преобразователем. Лопатки установлены по особой схеме, которая стимулирует ускоренную откачку потока и уменьшает вибрации.

В турбомолекулярные насосы Leybold встроены электронные блоки управления, магнитный подвес закреплён оригинальным способом. Оборудование легко монтировать, а рабочую температуру удобно контролировать.

Ремонт турбомолекулярных насосов

Турбомолекулярные агрегаты редко требуется ремонтировать. Технику изготавливают с расчетом на высокие нагрузки, используя улучшенные материалы и надёжные механизмы. Поломки аппаратов обычно быстро устраняются без значительных материальных затрат.

Чтобы избежать ремонта, важно регулярно проводить техобслуживание, привлекая представителей завода-производителя. Особенно важен контроль за работой оборудования во время гарантийного срока. Самостоятельное вмешательство и попытки устранить неисправности могут привести к удорожанию ремонта, который в итоге все равно придется поручить профессионалам.

Чаще всего в турбомолекулярных насосах изнашиваются подшипники и уплотнительные соединения. К этому нужно относиться с пониманием — расходные материалы подлежат постоянной замене. Этот момент стоит обдумать на этапе покупки агрегата. Приобретая технику с возможностью доступа к изнашиваемым элементам, можно упростить процесс их замены и не рисковать оборотами производства. Чтобы аппарат функционировал без резких остановок, необходимо своевременно менять уплотнители и смазывать подвижные элементы.

В случае поломки ротора насосам требуется более сложный ремонт. Такое бывает из-за резкой разгерметизации полости агрегата — подвижный элемент вращается с огромной скоростью и раскалывается, повреждая стенки рабочего пространства. Если ущерб очень большой, технику придется заменить

Мощные, надёжные турбомолекулярные насосы находят применение в различных областях человеческой деятельности. Модели постоянно совершенствуются, повышается износостойкость деталей и улучшается качество сборки конструкции.