Турбомолекулярный насос: принцип работы

Турбомолекулярный насос (ТМН) — хороший способ обеспечить быструю транспортировку всевозможных сред при высоком вакууме, исключив утечки и загрязнения. Производительные агрегаты обычно используются в сочетании с форвакуумным оборудованием, обеспечивающим предварительное разряжение или постоянную эвакуацию газов с выхлопного канала. Представленные в каталоге модели ТМН, позволяют создавать низкий вакуум в пределах 10^–8 Па (10^-10 Торр). У нас можно заказать сертифицированные насосы Agilent, Busch, Edwards, KYKY, Leybold, Osaka Vacuum, Pfeiffer Vacuum и других популярных брендов с доставкой.

Содержание:

1. Общие сведения о ТМН: спецификация
2. Устройство турбомолекулярного насоса
3. Принцип действия ТМН
4. Типы турбомолекулярных насосов
5. Виды насосов турбомолекулярного типа
6. Основные характеристики ТМН
7. Преимущества и недостатки турбомолекулярных насосов
8. Сферы применения ТМН
9. Популярные бренды турбомолекулярных насосов
10. Ремонт турбомолекулярных насосов

Общие сведения о ТМН: спецификация

Турбомолекулярные насосы (ТМН) — разновидность компрессоров, разработанных для создания высокого вакуума. Их особенность в строго определенном диапазоне рабочих параметров — ограниченном диапазоне разряжения. Чтобы это обеспечить, необходимо использовать дополнительный насос, который предварительно будет формировать исходное (заданное) давление в системе.

Работа ТМН схожа с действием кинетических вакуумирующих устройств — насосов диффузионного типа, обеспечивающих быстрое преобразование газообразных сред в разряженное (вакуумное) состояние. Это достигается последовательным сжатием в процессе постоянного движения в определенном направлении. При смещении газ проходит четыре фазы: газообразную, вязкую, молекулярную и промежуточную.

Устройство турбомолекулярного насоса

Помимо высокопрочного корпуса, конструкция турбомолекулярных насосов состоит из трех основных элементов:

• Роторные диски. Рабочие колеса с комплектом особых лопаток — основная часть конструкции насосов. Они изготавливаются из высокопрочных сплавов алюминия, которые отличаются низким удельным весом при повышенной стойкости к высоким температурам и их колебаниям. Лопасти тщательно балансируются и монтируются под углом 40–150⁰ относительно оси вращения
• Статорные диски. Неподвижные пластины, жестко зафиксированные на корпусе, располагаются между лопастями роторов с минимальными зазорами. Как и на боковинах лопаток рабочих колес, на них имеются скошенные пазы-каналы радиального типа. Они расположены зеркально по отношению к подвижным каналам ротора.
• Электропровод (контроллер). В зависимости от модели ТМН комплектуются электромоторами постоянного или переменного тока, либо электродвигателями гистерезисного типа. В первом случае достигается минимальных расход ресурсов при более высокой цене насосов. Второй и третий варианты более доступны, однако требуют больше ресурсов в процессе эксплуатации.

Принцип действия ТМН

Действие турбомолекулярного насоса основано на придании молекулам откачиваемой среды мощных динамических импульсов. Это достигается тщательно спроектированной системой расположения пазов-каналов подвижных лопастей и стационарных пластин. В процессе высокоскоростного вращения ротора молекулы газа многократно сталкиваются как с движущимися лопастями, так и с неподвижными лопатками. Такое сочетание заставляет их последовательно смещаться к оси конструкции насоса (ротора) в направлении выхлопного канала.

При работе ТМН газообразная среда проходит через три стадии обработки (воздействия):

1. Всасывание: нагнетание газа внутрь статора через всасывающее окно.
2. Сжатие: уменьшение объема среды путем многоступенчатого турбомолекулярного воздействия.
3. Выхлоп: вывод разряженной газообразной среды с помощью подкачивающего насоса.

Для откачки среды из выходного отсека установлен дополнительный насос форвакуумного типа. Он постоянно работает в крейсерском режиме. Такая комбинация позволяет поддерживать довольно низкий вакуум, обеспечивая хорошую производительность при минимальном потреблении энергии.

Типы турбомолекулярных насосов

В зависимости от варианта исполнения подвеса рабочих колес можно приобрести турбомолекулярный насос одного из таких типов:

Классический турбомолекулярный насос

Рабочие колеса монтируются с помощью двух механических подшипников качения, расположенных в верхней и нижней части вала. Наиболее долговечные модели, укомплектованные керамическими подшипниками необслуживаемого типа, помещенные в консистентную смазку. Недостаток насосов этой категории в сложности ремонта при выходе из строя подшипников. После замены поврежденных деталей необходимо выполнить балансировку ротора, для которой требуется заводское оборудование.

Магнитный турбомолекулярный насос

Рабочие колеса таких насосов вращаются на двух электромагнитных подшипниках. Плюс к этому, предусмотрены и механические аналоги, которые начинают работать только в нештатной ситуации. Это может быть отключение электроэнергии либо появление вибрации рабочего колеса.

Гибридный турбомолекулярный насос

Вал ротора монтируется с помощью одного механического и одного магнитного подшипника. Первый устанавливается снизу, а второй — в верхней (атмосферной) части. Такая компоновка не только исключает механическую связь межу ротором и статором, но и позволяет при необходимости заменять магнитные подшипники без последующей балансировки в заводских условиях.

Виды насосов турбомолекулярного типа

С учетом конструкции турбомолекулярные насосы изготавливаются нескольких видов: однопоточные, двухпоточные, с выносным или интегрированным электродвигателем (контроллером).

Основные характеристики ТМН

Выбирая турбомолекулярный насос, обратите внимание на такие характеристики предлагаемых моделей ТМН:

• Степень сжатия: до 10^-10 мбар.
• Мощность: до 5 тысяч л.с.
• Производительность: до 100 м³/ч.
• Скорость оборотов: 24–90 тысяч об/мин.
• Откачиваемые среды: H₂, He, N₂ и др.

Преимущества и недостатки турбомолекулярных насосов

Популярность турбомолекулярных насосов обусловлена следующими особенностями и достоинствами:

• ТМН позволяют создавать высокий и сверхвысокий вакуум в широком диапазоне без утечки или загрязнения.
• Возможность перекачки инертных, коррозионных и агрессивных газов большими объемами.
• Длительный ресурс при минимуме обслуживания.
• Легки запуск в работу, повышенная стойкость к резким колебаниям давления.
• Низкий порог вибраций и шумов при небольших размерах и легком весе.

Недостатки: необходимость постоянного контроля над уровнем смазки подшипников, дисбалансом лопастей ротора и статора. Резкие перепады атмосферного давления способны повредить лопатки.

Сфера применения ТМН

Мощные ТМН применяются в энергетике, фармацевтике, приборостроении, пищевой промышленности, медицине, других отраслях. Турбомолекулярные насосы востребованы для обеспечения разных технологических операций. Малогабаритные агрегаты заказывают для травления, распыления, ионной имплантации, литографии, ускорение частиц, решения других задач. Современное оборудование позволяет изготавливать полупроводники, проводить термоядерный синтез, выполнять другие операции. Компактные насосы встроены в конструкции МРТ, КТ, других диагностических аппаратов.

Популярные бренды турбомолекулярных насосов

Agilent

Американская корпорация поставляет на мировой рынок ТМН оборудование, разработанное на основе новых технологий. Малогабаритные насосы из Калифорнии отличаются незаурядными характеристиками, простотой эксплуатации и долговечностью. Они рассчитаны на длительную работу в экстремальных условиях с максимальными нагрузками.

Busch

В линейке немецких турбомолекулярных насосов большой выбор компактных моделей безмасляного типа, предназначенных для обслуживания технологических процессов с особыми требованиями к высокому вакууму. Небольшие насосы отличаются длительным ресурсом, повышенной стойкостью к износу, перепадам температур, другим агрессивным воздействиям. В их конструкции применяются керамические подшипники, для которых не требуется смазка на протяжении всего срока эксплуатации.

EBARA

Американо-японский концерн поставляет малогабаритные турбонасосные агрегаты, укомплектованные керамическими или магнитными подшипниками. Несмотря на размеры, небольшие насосы отличаются повышенной производительностью и способны длительное время работать без обслуживания в экстремальных условиях. При этом их цена ниже по сравнению с продукцией европейских брендов.

Edwards

Турбомолекулярное оборудование из Великобритании можно заказать для решения наиболее сложных задач с гарантией ожидаемых результатов. Конструкция насосов выполнена по гибридной схеме подвесов. В верхней части вала ротора монтируются магнитные подвесы, а в нижней — подшипники, смазываемые масляной смазкой. Насосы комплектуются встроенными электродвигателями (контроллерам) мощностью 47–400 л.с.

KYKY

Продукция китайской компании составляет достойную конкуренцию мировым брендам, предлагая аналогичную производительность и мощность по более низкой цене. Турбонасосы поставляются с керамическими, магнитными либо механическими подшипниками. Балансировка роторов выполняется с применением новых технологий и современных стендов Dual-Plane, что сводит к минимуму вибрации и шумы.

Osaka Vacuum

Японская компания много лет лидирует на мировом рынке, предлагая долговечные насосы повышенной производительности. Благодаря длинному списку типоразмеров и вариантов исполнения, можно заказать модель для решения любых задач.

Ремонт турбомолекулярных насосов

Один из недостатков использования турбомолекулярных насосов заключается в том, что, обслуживание и ремонт должны выполнять специально подготовленные мастера или завода-производителя. Вмешательство в конструкцию даже для устранения незначительных неисправностей чревато усугублением проблемы с последующим увеличением цены ремонта. В то же время турбомолекулярные насосы считаются оборудованием повышенной надежности и способны длительное время работать без обслуживания. В 95% поломок неисправности устраняются без существенных расходов.

Распространенной поломкой ТМН является износ подшипников или уплотнителей. В большинстве случаев расходные детали быстро заменяются новыми аналогами в сроки, указанные в регламенте. Чтобы исключить сложности с ремонтом, целесообразно при выборе турбомолекулярных насосов обращать внимание на легкость доступа к расходным элементам.

Наиболее сложной поломкой считается выход из строя ротора. Неполадки с рабочими колесами обычно происходят при резкой разгерметизации корпуса. В таких случаях ротор разбивает оболочку без возможности восстановления мотора. Поэтому необходимо соблюдать указания по безопасности и рабочие параметры, предусмотренные руководством по эксплуатации конкретной модели насоса.