Турбомолекулярный насос

Турбомолекулярный насос — это тип вакуумного насоса, предназначенный для создания и поддержания высокого и сверхвысокого вакуума (от 10⁻³ до 10⁻¹⁰ Па) за счёт передачи импульса молекулам газа от быстро вращающихся роторных лопаток. Относится к классу механических насосов кинетического действия, в которых откачка происходит не за счёт вытеснения, а за счёт направленного движения молекул.

Принцип действия

Принцип работы турбомолекулярного насоса основан на взаимодействии вращающихся лопаток ротора с молекулами откачиваемого газа. В разреженной среде, где длина свободного пробега молекул превышает размеры зазоров между лопатками, молекулы газа сталкиваются преимущественно с поверхностями лопаток, а не друг с другом.

Ротор насоса представляет собой набор дисков с наклонными лопатками, которые вращаются с высокой скоростью (обычно от 20 000 до 90 000 об/мин). Между дисками ротора расположены неподвижные статорные диски с лопатками, наклонёнными в противоположную сторону. При ударе молекулы о движущуюся лопатку ротора она получает дополнительный импульс в направлении вращения и наклона лопатки, что заставляет её двигаться в сторону выпускного патрубка. Статорные лопатки направляют молекулы к следующей ступени ротора, предотвращая возврат газа в обратном направлении.

Таким образом, за счёт многоступенчатой конструкции и высокой скорости вращения создаётся направленный поток газа от впускного отверстия (сторона высокого вакуума) к выпускному (сторона форвакуума). Для эффективной работы турбомолекулярного насоса необходимо поддерживать на выпускной стороне форвакуум (обычно 1–10 Па), который создаётся форвакуумным насосом (например, пластинчато-роторным или спиральным).

История

Первые идеи использования вращающихся лопаток для откачки газа были предложены в начале XX века. В 1913 году немецкий физик Вольфган Геде (Wolfgang Gaede) получил патент на молекулярный насос, в котором газ откачивался за счёт трения о вращающийся цилиндр. Однако этот насос имел низкую производительность и не получил широкого распространения.

Современный турбомолекулярный насос был изобретён в 1958 году немецким инженером Вильгельмом Беккером (Wilhelm Becker) из компании Arthur Pfeiffer GmbH. Беккер предложил использовать многоступенчатую конструкцию с чередующимися роторными и статорными дисками, что позволило значительно повысить степень сжатия и производительность. Первые промышленные образцы появились в 1960-х годах.

В СССР разработка турбомолекулярных насосов началась в 1960-е годы в Научно-исследовательском институте вакуумной техники имени С. А. Векшинского. В 1970-х годах были созданы серийные образцы для научных и промышленных целей.

Конструкция и основные элементы

Турбомолекулярный насос состоит из следующих основных узлов:

• Ротор — набор вращающихся дисков с лопатками, закреплённых на общем валу. Изготавливается из алюминиевых сплавов или титана для снижения инерции и повышения прочности.
• Статор — неподвижные диски с лопатками, расположенные между дисками ротора. Обычно выполняется из алюминия или нержавеющей стали.
• Вал и подшипники — вал ротора опирается на подшипники. В современных насосах используются либо масляные подшипники (с системой смазки), либо магнитные подшипники (бесконтактный подвес), что исключает загрязнение вакуума парами масла.
• Электродвигатель — высокооборотный двигатель (часто бесколлекторный постоянного тока), обеспечивающий вращение ротора. Мощность двигателя варьируется от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт.
• Корпус — герметичный корпус из нержавеющей стали или алюминия, имеющий впускной (высоковакуумный) и выпускной (форвакуумный) фланцы.
• Система охлаждения — для отвода тепла, выделяющегося при работе, используется водяное или воздушное охлаждение.
• Блок управления — электронный блок, обеспечивающий запуск, контроль скорости вращения, защиту от перегрузок и диагностику.

Классификация

Турбомолекулярные насосы классифицируются по нескольким признакам:

По типу подшипников

• С масляными подшипниками — наиболее распространённые и недорогие, но требуют периодической замены масла и могут загрязнять вакуумную среду парами масла.
• С магнитными подшипниками — ротор удерживается в магнитном поле без механического контакта. Обеспечивают чистый вакуум, низкий уровень вибраций и длительный срок службы, но дороже и сложнее в управлении.

По конструкции ротора

• С дисковыми лопатками — классическая конструкция, обеспечивающая высокую степень сжатия.
• С цилиндрическими лопатками — используются в некоторых моделях для повышения производительности при среднем вакууме.
• Гибридные — комбинация турбомолекулярной и молекулярной (drag) ступеней для улучшения работы на форвакуумной стороне.

По охлаждению

• С водяным охлаждением — эффективно отводит тепло, но требует подвода воды.
• С воздушным охлаждением — проще в установке, но менее эффективно при высоких нагрузках.

Характеристики

Основные технические характеристики турбомолекулярных насосов:

• Предельное остаточное давление — минимальное давление, которое может быть достигнуто насосом. Для современных моделей составляет 10⁻⁷–10⁻¹⁰ Па.
• Быстрота действия — объём газа, откачиваемый насосом в единицу времени. Измеряется в л/с или м³/ч. Для малых насосов — 10–100 л/с, для крупных промышленных — до 10 000 л/с и более.
• Степень сжатия — отношение давления на выпускной стороне к давлению на впускной. Для азота может достигать 10⁹–10¹¹.
• Рабочий диапазон давлений — область, в которой насос работает эффективно. Обычно от 10⁻¹ до 10⁻⁸ Па.
• Скорость вращения ротора — от 20 000 до 90 000 об/мин в зависимости от модели.
• Мощность — потребляемая мощность двигателя, обычно 0,1–5 кВт.

Применение

Турбомолекулярные насосы широко используются в областях, требующих чистого и глубокого вакуума:

• Научные исследования — в ускорителях частиц, масс-спектрометрах, электронных микроскопах, установках для исследования поверхности (например, сканирующая туннельная микроскопия).
• Полупроводниковая промышленность — в процессах напыления, травления, литографии и ионной имплантации при производстве микросхем.
• Вакуумная металлургия — для плавки, сварки и термообработки металлов в вакууме.
• Оптика и покрытия — при нанесении тонких плёнок и зеркальных покрытий методом магнетронного распыления или термического испарения.
• Аналитическое оборудование — в газовых анализаторах, хроматографах и спектрометрах.
• Космическая техника — для испытаний космических аппаратов в вакуумных камерах.
• Медицина — в стерилизаторах и некоторых диагностических приборах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая степень сжатия и низкое предельное давление.
• Чистота вакуума (особенно в моделях с магнитными подшипниками) — отсутствие масел и других загрязнений.
• Широкий рабочий диапазон давлений.
• Относительно компактные размеры по сравнению с диффузионными насосами аналогичной производительности.
• Возможность работы в любом положении (для некоторых моделей).

Недостатки

• Необходимость форвакуумного насоса для создания предварительного разрежения.
• Высокая стоимость, особенно для моделей с магнитными подшипниками.
• Чувствительность к твёрдым частицам и агрессивным газам — могут повредить лопатки.
• Ограниченный срок службы подшипников (для масляных моделей — 10 000–30 000 часов).
• Высокий уровень шума и вибраций при работе.

Производители

Основные мировые производители турбомолекулярных насосов:

• Pfeiffer Vacuum (Германия) — один из пионеров и лидеров рынка, выпускает широкий спектр моделей.
• Edwards Vacuum (Великобритания) — производит насосы серии nEXT и STP.
• Leybold (Германия) — предлагает модели TURBOVAC.
• Shimadzu (Япония) — выпускает насосы для аналитического оборудования.
• Ebara (Япония) — специализируется на промышленных насосах.
• В России — производством турбомолекулярных насосов занимаются предприятия, такие как АО «Вакууммаш» (Казань) и НПО «Энергомаш» (Москва), выпускающие модели для научных и промышленных целей.

Интересные факты

• Скорость вращения ротора турбомолекулярного насоса может превышать скорость звука в воздухе: на периферии лопаток линейная скорость достигает 300–400 м/с.
• В насосах с магнитными подшипниками ротор может вращаться без механического контакта десятки тысяч часов, а в случае отключения питания — плавно останавливаться за счёт встроенных аккумуляторов.
• Турбомолекулярные насосы используются в коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер (CERN), для поддержания сверхвысокого вакуума в ускорительных камерах.

Источники

• Беккер В. «Турбомолекулярные насосы: история и развитие» // Vacuum Technology Journal, 1988.
• О’Хэнлон Дж. «Справочник по вакуумной технике» (пер. с англ.), М.: Мир, 2005.
• Розанов Л. Н. «Вакуумная техника и технология», М.: Высшая школа, 1990.
• Pfeiffer Vacuum. «Turbomolecular Pumps: Principles and Applications» (каталог и техническая документация), 2020.
• ГОСТ Р 53681-2009 «Насосы вакуумные. Термины и определения».