Турбомолекулярные насосы

Насос турбомолекулярный вакуумный - обзор конструкции, поиск и замена деталей и масла

Чтобы не допустить внезапной поломки вакуумного оборудования рекомендуется поставить его на сервисное обслуживание. Сервис-центры предоставляют необходимый спектр работ и услуг по их обслуживанию: контроль запуска и вибрации, состояние привода, а также осуществляют полную разборку, очистку, производят ремонт, замену деталей с дальнейшей балансировкой на специальных стендах.

Оборудование будет служить долгие годы, если использовать его правильно, по назначению, а для этого требуется знать не только его конструкцию и принцип работы, но и его особенности в отношении к другим типами вакуумного оборудования.

Содержание:

1. Турбомолекулярный вакуумный насос - как работает
2. Чем диффузионный насос отличается от турбомолекулярного насоса
3. Насосы Leybold турбомолекулярные
4. Насосы Edwards турбомолекулярные – обзор
5. Другие насосы типа ТМН

Турбомолекулярный вакуумный насос - как работает

Турбомолекулярные насосы (ТМН) нельзя назвать универсальным оборудованием – функционируют они только со средним и высоким вакуумом, и, в большинстве случаев, требуют наличия форвакуумных установок. Однако они всё же нашли сферу своего применения и отлично себя зарекомендовали. Низкие энергозатраты, небольшое шумовое загрязнение акустической среды (в сравнении с другими центробежными модификациями), защита вакуумной системы от углеводородов, высокая мощность, быстрый запуск и отсутствие необходимости в постоянном обслуживании – всё это выгодно отличает ТМН от других аналогов.

Турбомолекулярный вакуумный насос - как работает

В своем названии ТМН имеет слово молекулярный и не зря, поскольку оперирует он с молекулами того или иного газа, причем разреженного, т.е. с низким вакуумом. Однако если сравнивать его с другими молекулярными агрегатами, то принцип работы его значительно отличается, — явственней всего это заметно в сравнении с диффузионными моделями, где идет захват молекул, а не стабилизируется их движения, но об этом позже. А сейчас рассмотрим общую конструкцию и принцип действия ТМН.

Своему появлению на свет турбомолекулярная разновидность вакуумного оборудования обязана немецкому ученому Вольфгангу Геде, который в 1916 году собрал свой первый экспериментальный образец, — в конструкции прибора были использованы законы молекулярно-кинетического движения. Он состоял из стационарного статора и вращающегося ротора, с моментом вращения около 8 тыс. об/мин. Малый зазор (около 0,1 мм) позволял создавать разрежение газов до 10^-4мм ртутного столба. Была даже попытка запустить насос в массовое производство, но в связи с затруднениями в его изготовлении о данной конструкции благополучно забыли до 1957 года.

В конце 50-х годов 20 века немецкий инженер Беккер дополнил конструкцию статора и ротора, добавив к нему лопастные диски, что позволило увеличить зазор между рабочими элементами (1 мм) — появился классический турбомолекулярный вакуумный насос Pfeiffer. С тех пор ТМН активно усовершенствовался и дополнялся, — так появились современные вакуумные аппараты: Agilent, ВМН 500, ВВ 150, NEXT240D, Hipace 300, Ebara и много других.

Насос турбомолекулярный, по сути, представляет собой осевую многоступенчатую турбину, где чередуются подвижные и неподвижные её ступени. Последние изготовляются в виде крыльчатки — диск, в котором сформированы газоотводящие каналы. Каналы (крыльчатка) изготавливают под определенным углом наклона, — причем наклонные статорные и роторные каналы делают строго зеркальными. Вращательное движение турбины идет в направлении острого угла роторных пропускных каналов, что позволяет упорядочить хаотичное движение молекул того или иного газа.

Начинка ТМН устанавливается в цилиндрический корпус, где подвесами служат шариковые подшипники. Ранее в них использовались металлические шарики, и это служило причиной возникновения паров углеводорода, и, как следствие, попадание в вакуумную среду маслянистых паров. В последнее время металлические подшипники заменили керамическими шариками и магнитными подвесами – это полностью нивелировало ранний недостаток.

Для избежания возникновения вибрации и раскачки, агрегат закрепляют на тяжелом основании с помощью специальных амортизаторов.

Принцип работы турбомолекулярных механизмов зиждется на упорядочивании броунского движения молекул, увеличения их плотности и вывода из системы, — это является коренным отличием от всех диффузионных аналогов.

На практике это выглядит следующим образом:

• Энергия наклонных лопастей ротора передается молекулам газа, и те в свою очередь по касательной отскакивают от твердой поверхности крыльчатки и отлетают на зафиксированную наклонную ступень.
• От неподвижных лопастей молекулы также по касательной отскакивают и попадают под встречное действие следующей подвижной ступени, — скорость молекул возрастает, а направление их стабилизируется.
• Следующая неподвижная ступень направляет молекулы, а подвижные лопасти придают дополнительную энергию, — цикл многократно повторяется.
• При выходе из турбины молекулы газа обладают максимальной концентрацией и скоростью. Плотный газовый поток успешно удаляется из корпуса вакуумного устройства через выводящий патрубок.

Следует отметить, что эффективность турбомолекулярной системы напрямую зависит от откачиваемой среды — она должна быть разреженной. Поэтому максимальная производительность ТМН возможна только при совместном использовании форвакуумных установок низкого давления.

Расходных материалов у ТМН, как таковых, нет, к ним условно можно причислить керамические подшипники, которые меняют не чаще одного раза в 4-5 лет. Масло для турбомолекулярных насосов не требуется, если, конечно, не используются металлические подшипники.

Чем диффузионный насос отличается от турбомолекулярного насоса

Отличие диффузионных и турбомолекулярных вакуумных установок фундаментальное. Если кратко, то оно заключается в использовании в этих агрегатах разных законов физики. В случае турбомолекулярных вариантов это молекулярно-кинетическая теория газов, а в случае диффузионных приборов – диффузия вещества, а в частности жидкости и газа.

Чем диффузионный насос отличается от турбомолекулярного насоса

Чем диффузионный насос отличается от турбомолекулярного насоса:

• в диффузионных вакуумных моделях в отличие от ТМН совсем нет подвижных частей;
• для вывода газа и создания вакуума требуется специальные масла или другие вещества, например, ртуть для создания чистого вакуума;
• обязательное условие работоспособности – наличие водяного, а иногда и азотного охлаждения;
• для вывода газа требуется форвакуумный прибор;
• длительный запуск системы – против 10-15 минут у ТМН у ДН время разгона составляет от 1,5 часов;
• большие габариты, а потому ДН являются стационарными установки (в производственных масштабах);
• отсутствие вибрации и шума;
• наличие углеводородов, а соответственно и загрязнение вакуума маслянистыми парами.

Состоит ДН из следующих деталей:

• герметичный цилиндрический (необязательно) корпус с водяным охлаждением (медный змеевик);
• патрубок ввода и вывода газа, последний может оснащаться эжекторным соплом;
• рабочий стакан - паропровод для масла;
• нагреватель и кипятильник;
• диффузоры, — их обозначают как сопло №1, сопло №2 и т.д.;
• ловушка для масла или отсекатель масла – барьер для проникновения масла в создаваемый вакуум.

Откачивает газ ДН по следующей схеме:

1. в корпус наливают специальное масло и с помощью кипятильника его нагревают, так чтобы начался процесс образования масла;
2. пары масла поднимаются по паропроводу и под давлением через диффузоры (сопла) распыляются под углом вниз;
3. через патрубок ввода поступает откачиваемый газ (обязательно разреженный) и встречается со струёй масляного пара, — масло насыщается молекулами газа (диффузия);
4. масляная струя, насыщенная газом, соприкасается с холодными стенками корпуса (охлаждение медным змеевиком) и конденсируется, — конденсат с газом стекает по стенкам вниз;
5. приближаясь к кипящему внизу маслу, газ высвобождается из масла и концентрируется в нижней части корпуса, откуда через выводящий патрубок удаляются наружу, — для удаления диффузионный агрегат оснащается форвакуумным аппаратом, например, пластинчато-роторным.

Для того чтобы масло не попадало в систему с вакуумом, верхний диффузор оснащают азотным охлаждением, — так производится отсечка масляных паров от зоны забора газа и значительно уменьшает попадание углеводорода в вакуум.

Запуск системы нужно производить с особой тщательностью, иначе может произойти прорыв атмосферы с дальнейшим воспламенением её внутри корпуса. По этой же причине допускается откачивать только разряженный газ, т.е. низкий вакуум.

Насосы Leybold турбомолекулярные

Турбомолекулярные насосы Leybold (Германия) являются классическими моделями, в современном понимании — это означает, что подвесы для турбины откачивающего устройства применяют механического образца с использованием керамических шариков, которые исключают образование углеводорода. Также в моделях серии TURBOVAC изготавливают с отдельным блоком электроники, — блок питания и преобразователь частоты находится отдельно. В системе нагнетания (дожима) газа используется система Хольвега.

Насосы Leybold турбомолекулярные

О принципе работы ТМН Leybold рассказывать излишне (принципиально она не отличается), а вот о некоторых других достоинствах данной системы указать следует:

• скорость откачки от 35 до 2400 л/с;
• создание высокого и сверхвысокого вакуума;
• функционирование аппарата в любой ориентации;
• высочайший уровень надежности (эксплуатация более 50 тыс. часов) и легкость в обращении;
• компактность и малый вес.

Насосы Edwards турбомолекулярные – обзор

Насосы Edwards турбомолекулярные – обзор

Турбомолекулярные насосы Edwards – один из старейших производителей на рынке вакуумного оборудования (Великобритания). Заслуживает отдельного внимания в связи с постоянным внедрением новейших технологий в свою продукцию.

• Так наряду с проверенными технологиями (керамические и магнитные подвесы, дожиматели Хольвега), Edwards с успехом внедрила собственное запатентованное ноу-хао – сильфонный уплотнитель. Приборы с этим нововведением позволили ТМН значительно расширить границы своего применения, — теперь они могут работать с агрессивными средами.
• К тому же могут запускаться с низкого давления – прорыв атмосферы не страшен. Запуск происходит быстро и без каких-либо нареканий, на разгон оборудования хватает 5-ти минут.
• Создание высокого и сверхвысокого вакуума без малейшей примеси углеводорода.
• Компактный вид.
• Экономия электроэнергии и самый низкий уровень шума (среди аналогов).

Другие насосы типа ТМН

Другие насосы типа ТМН

1. Из флагманов вакуумного оборудования, внедряющих новейшие технологические решения, особо выделяется родоначальник турбомолекулярных устройств - Pfeiffer Vacuum. Эта немецкая компания успешно внедряет такие новшества, как гибридные подвесы: керамические и магнитные подшипники. Благодаря этой системы достигнуты рекордные скорости вращения ротора, а вместе с тем и скорость откачки газов и степень сжатия.

ТМН от Pfeiffer Vacuum представлены линейкой приборов HiPase. Все агрегаты оснащены датчиками температуры и датчиками Холла, поставляются с различными версиями интерфейса, а также оборудованы интегрированным контроллером, который позволяет гибко регулировать функционирование вакуумных агрегатов. Наиболее популярные модели: HiPase 300, HiPase 700.

2. Среди бюджетных вариантов вакуумного оборудования стоит отметить отечественных производителей с линейкой моделей: ТМН 200, ТМН 500 и ТМН 1000. Характеристики у них схожи:

• ресурс составляет более 1 тыс. часов;
• время запуска – от12 минут;
• скорость вращения турбины – 24 тыс. об./мин;
• коэффициент сжатия – от 2000;
• скорость откачки – 200, 500 и 1000 л/с, соответственно.

3. Китайские производители KYKY постепенно завоевывают отечественный рынок. В продаже можно найти две линейки ТМН:

• серия FF – керамические подшипники, воздушное и водяное охлаждение и надежность;
• серия CFX – магнитные подшипники, надежность.

Основные характеристики: быстрота действия — от 25 до 3000 л/с, время старта — от 2-х до 12-ти минут, охлаждение – воздушное или водяное, положение при установке - произвольное.