+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Теоретические основы работы турбомолекулярных насосов

Основные технические характеристики ТМН (степень сжатия и быстроту действия) можно рассчитать исходя из параметров работы одного ротора и статора. Вращающийся диск с лопастями (ротор) перемещает молекулы с одной стороны на другую, некоторые молекулы перемещаются в направлении, противоположном основному потоку через лопасти.

откачка турбомолекулярным насосом

Рис. 1. Процесс откачки турбомолекулярным насосом: а - вероятность полета молекулы, если смотреть со стороны системы координат движущего ротора. Косинусное распределение изменяется в соответствии с постоянной скоростью газа vr газа. HV - сторона низкого давления;VV - сторона высокого давления; vb - скорость лопасти; Vm — средняя скорость молекулы; vr = -vb, - относительная скорость газа, если смотреть со стороны системы координат ротора б - перенос молекул, десорбирующихся с передней стороны лопасти ротора [6] (источник SFV):

молекула С, идущая со стороны низкого давления
c1, c2, c3 - угол для передачи, адсорбции на поверхности ротора, отталкивания соответственно; молекула D, идущая со стороны высокого давления
d1, d2, d3 - угол для передачи, адсорбции на поверхности ротора, отталкивания соответственно

Конструкция наиболее распространенных турбомолекулярных насов показана на рис. I [6]. Распределение вероятности направления движения молекул в системе координат ротора описывается законом косинуса. Как видно по движущемуся ротору, диаграмма этого распределения приобретет почти эллиптическую форму посредством вычитания постоянной скорости ротора vb=-vr. На рис. 1, а четко показано, что частицы, идущие с высоковакуумной стороны, преимущественно будут проходить ротор без столкновения с лопастями. Частицы, выходящие со стороны выпуска, будут преимущественно ударяться о «нижнюю» сторону лопастей, где они будут снова десорбироваться, но теперь с деформированных косинусным распределением, т. е. менее 50% молекул будет направлено в сторону высокого вакуума. Соотношение частиц, идущих со стороны высокого вакуума к выпуску из насоса, безусловно, будет выше, чем в противоположном направлении. Что касается частиц, ударяющихся о поверхности лопасти, на рис. 1, б видно следующее.

  1. Молекула, идущая из пространства 1, сталкивается с лопастью ротора насоса; вероятность возвращения в пространство 1 пропорциональна углу c1 и меньше вероятности с2 отражения от другой лопасти или передачи в пространство 2 (вероятность с3).
  2. Ситуация весьма отличается для молекулы, выходящей из пространства 2, которая имеет более низкую переходную вероятность пересечения лопасти по сравнению с молекулой, выходящей из пространства 1. Быстрота действия насоса - это чистая разность между молекулами, преходящими из пространства I в пространство 2, и молекулами, переходящими обратно.

Для того, чтобы рассчитать рабочие характеристики одного диска, нам необходимо знать две крайние величины: максимальную степень сжатия Ктю (при нулевом потоке) и максимальную быстроту действия (для равного давления на обоих сторонах диска). Эти значения зависят от вероятности передачи частиц, движущихся в направлении откачиваемого потока и обратном направлении. Для молекулярного потока эти вероятности зависят от соотношения v/u скорости лопасти v и средней тепловой скорости и частицы газа, угла лопасти а, но не от давления. Величина Kmax ТМН находится в экспонентной зависимости от скорости лопасти v, специфичного для насоса коэффициента G (геометрия ротора и статора) и квадратного корня молекулярной массы Моткачиваемых частиц:

$$K_{max}~exp(M^{1/2}vg) (1)$$

Величина ,Smax пропорциональна произведению специфичного для насоса коэффициента G (геометрия ротора и статора) и скорости лопасти v. Она не зависит от давления и вида откачиваемого газа:

$$S_{max}~vG (2)$$

Во время эксплуатации диск работает между этими двумя крайними величинами. Для реальных условий откачки (производительность (поток газа) Q = Spвпуск) и различных значений давления по обеим сторонам диска (К=рвыпусквпуск) между степенью сжатия К и реальной быстротой откачки S одного диска существует следующее отношение:

$$S=S_{max}\frac{K_{max}-K}{K_{max}-1}=S_{max}\frac{K_{max}-S/S_{v}}{K_{max}-1}S (3)$$&

В более точном расчете принимается во внимание зазор между внешним диаметром вращающегося диска и внутренним диаметром корпуса статора, а также колебание геометрии лопасти в зависимости от радиуса. Однако основное отношение, приведенное в уравнении (3), остается в силе.
Турбомолекулярный насос собран из нескольких дисков, подсоединенных последовательно, с различными видами геометрии лопасти. Каждый диск может рассматриваться в качестве отдельного насоса. Если быстрота действия Sv следующего в направлении потока диска известна, а производительность является постоянной, К в уравнении (3) может быть заменено S/Sv, и начиная с быстроты действия Л’, форвакуумного насоса и используя значения Smax и Кmax для первого диска на форвакуумной стороне, можно рассчитать реальную быстроту действия этого диска. Формула может использоваться в качестве повторяющейся формулы для поэтапного расчета быстроты действия целого насоса в молекулярном потоке. Тогда быстрота действия всего ТМН зависит от сжатия и быстроты действия Sv форвакуумного насоса, как это приводится в уравнении (3).

Оттуда можно вывести, что если Кmax для газа является малой величиной, то скорость откачки этого газа является функцией соотношения S/Sv. Для практических целей ТМН с низкой Kmax для Н2 требует большего форвакуумного насоса для эффективной откачки Н2 (низкое соотношение S/Sv).
Впускная проводимость площади лопасти диска ограничивает быстроту действия, и фактическая быстрота действия S ТМН становится функцией v/u [7], поэтому S зависит от молекулярной массы откачиваемого газа.

Быстрота действия и степень сжатия ТМН уменьшаются при значениях давления выше 10-3 мм рт. ст., что вызвано взаимодействием частиц друг с другом, по мере того как средняя длина свободного пути становится меньше расстояния лопасти, и лопасти дисков ротора больше не находятся в диапазоне молекулярного потока. Это значение соответствует давлению форвакуумной линии от 10-2 мм рт. ст. до 10-1 мм рт. ст.
Как для любого вакуумного насоса, предельное остаточное давление р0 ТМН может быть получено путем деления давления pv на выпускной стороне насоса на максимальную степень сжатия Кmax:

$$p_{0}=p_{v}/K_{max} (4)$$

Увеличение Кmax в зависимости от молекулярной массы М означает, что газы с тяжелыми молекулами сжимаются в большой степени и имеют низкую вероятность обратного потока; в этом заключается причина «чистого» вакуума без загрязнения парами масла и углеводородами (рис 2). Меньшее сжатие для легких газов является причиной того, что атмосфера остаточного газа ТМН главным образом состоит из Н2. Однако это справедливо только для «чистой» системы с металлическими фланцевыми уплотнениями.
Хорошим материалом для уплотнений является витон или вакуумная резина, однако при их использовании предельное остаточное давление и состав остаточного газа выглядят иначе. Характеристики вакуум резины нужно уточнять у производителей.

спектр остаточного газа

Рис. 2. Спектр остаточного газа чистого ТМН

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.