Принцип работы турбомолекуряного насоса

Турбомолекулярный насос - это лопастная турбина, сжимающая газы посредством передачи импульса от быстро вращающихся лопастей ротора молекулам газа. Импульс ротора передается частицам за счет наложения тепловой скорости сталкивающихся частиц на компонент скорости движущейся поверхности ротора. Ненаправленное перемещение частиц заменяется на направленное, обеспечивая процесс откачки. Когда средняя длина свободного пути частиц больше зазора между лопастями ротора и статора (режим молекулярного потока, как правило, при давлении ниже 10-3 мм рт. ст.), частицы сталкиваются главным образом с ротором, обеспечивая в результате эффективный процесс откачки, поэтому взаимодействующее влияние различных газов отсутствует.

В режиме ламинарного потока (как правило, при давлениях выше 10-3 мм рт. ст.) действие ротора уменьшается вследствие более частых столкновений между частицами. Поэтому ТМН не способен откачивать газы от атмосферного давления и должен поддерживаться соответствующим форвакуумным насосом.

История создания турбомолекулярного насоса

История разработки ТМН восходит к 1913 г., когда Гедэ внедрил свой «высоковакуумный молекулярный насос». Первые разработки молекулярных насосов (Гедэ «высоковакуумный молекулярный насос», 1913; Холвек «молекулярный насос двойного потока», 1923; Зигбан «молекулярный насос дискового типа», 1940) так и никогда не стали по-настоящему успешными из-за их относительно низкой быстроты действия и сомнительной надежности. Кроме того, в тот период реальной потребности в этих насосах не существовало. В целях достижения низких значений предельного остаточного давления в этих насосах были сделаны зазоры между вращающимися и неподвижными частями, равные нескольким сотым миллиметра. Поэтому любое изменение температуры или помехи, создаваемые твердыми частицами, могли привести к выходу насоса из строя, вызванному блокировкой ротора.

Однако недавно основные идеи Гедэ (диск) и Холвека (барабан) были успешно применены в конструкции современных насосов (высоковакуумных молекулярных насосах, комбинированных насосах) в целях достижения крайне низких значений давления и/или использования простых сухих форвакуумных насосов.

В конструкции Беккера («турбомолекулярный насос») этих недостатков удалось избежать. Насос состоит из серии дисков с рядом лопастей, где неподвижные лопасти (статоры) чередуются с вращающимися лопастями (статорами). Лопасти наклонены относительно плоскости своего диска: в одном направлении для роторов, в другом - для статоров. Вращающиеся диски имеют высокую частоту вращения, так что окружная скорость лопастей (до 500 м/с) имеет тот же порядок, что и скорость частиц откачиваемого газа.

Расстояния между этими дисками находятся в пределах от нескольких десятых миллиметра до нескольких миллиметров. Каналы между наклоненными лопастями дисков действуют как элементарные молекулярные насосы, аналогичные высоковакуумному молекулярному насосу. Все каналы на одном диске, от 20 до 50, подсоединены параллельно и вместе обеспечивают высокую быстроту действия, равную нескольким тысячам литров в секунду.