Молекулярний насос

Рис.1. Молекулярний насос

Молекулярний насос - вакуумний насос, вражаюча дія якого заснована на наданні молекулам відкачуваного газу додаткової швидкості при зіткненні їх з швидко обертовим (частота обертання до 90 тис. Об / хв) ротором.Розрізняють молекулярні насоси циліндричні, дискові, конічні і ін. Залишковий тиск від [math]10[/math] до [math]10^{-9}[/math] Па.

Принцип роботи

Робота даного насоса заснована на молекулярно-кінетичних явищах. Ротор 1 з великою швидкістю обертається в напрямку стрілки близько осі 7. Між камерою 2 і ротором 1 є зазор 3, який на ділянці між впускними (n) і випускними (m) сторонами значно вужче. Тут ширина h зазору в більшій частині технічних моделей становить 2/100-5/100 мм.

Розглядаються явища, які відбуваються в насосі при відсутності міжмолекулярного зіткнення. Молекули, що входять в насос по впускній трубці 4 з боку n, вдаряються в ротор 1 і отримують додатковий імпульс в напрямку в бік випускного патрубка 5. Зазор h між m і n створює дуже великий опір зворотного потоку газу безпосередньо через цей зазор. В результаті цього між випускний і впускний сторонами виникає різниця тисків. Цю різницю тисків показує манометр 6. В результаті розрахунків [math]S=\frac{w}{\sqrt{M}}[/math],де w- частота обертання ротора, M- молекулярна вага відкачуваного газу. Найбільший випускний тиск молекулярних насосів не повинний перевищувати 0,1 мм рт.ст .. Їх граничний тиск нижче 10-6 мм рт.


Переваги і недоліки молекулярних насосів

Переваги:

  • Для початку роботи насоси вимагають мало часу. У міру досягнення передбаченого числа обертів вони вже працюють з повною продуктивністю.
  • Пари масла не повинні сходити до складу залишкових газів.
  • Насоси нечутливі до прориву повітря.
  • Властивість цих насосів швидше відкачувати важкі гази, що в ряді випадків має велике значення.

Недоліки:

  • У більшості конструкцій зазори в цих насосах не повинні перевищувати кілька сотих міліметра. Така точність значно здорожує насос.
  • Наявність рухомих деталей призводить до зносу насосів.
  • Насоси чутливі до забруднень і від попадання в них металевих або скляних частинок приходять в непридатність.
  • Досягаються значення швидкості дії значно нижче, ніж у дифузійних насосів[1].
  • Робота молекулярних насосів пов'язана зі значним шумом.

Турбомолекулярний насос

Турбомолекулярний насос в розрізі

Турбомолекулярний насос(ТМН) - один з видів вакуумних насосів, що служить для створення і підтримки високого вакууму. Дія турбомолекулярного насоса засновано на наданні молекулам відкачуваного газу додаткової швидкості в напрямку відкачування обертовим ротором. Ротор складається з системи дисків. Вакуум, що створюється Турбомолекулярний насосом, від [math]10^{-2}[/math] Па до [math]10^{-8}[/math] Па (7.5 -11 мм рт ст). Швидкість обертання ротора - десятки тисяч обертів на хвилину. Для роботи вимагає застосування форвакуумного насоса.

Принцип роботи

Принцип дії турбомолекулярного насоса заснований на наданні молекулам розрідженого газу спрямованої додаткової швидкості швидко рухомою твердою поверхнею.
Рис.2. Принципова схема ТМН

На Рис.2. представлена принципова схема турбомолекулярного насоса. Робочий механізм насоса утворений роторними 3 і статорними 2 дисками, що мають радіальні косі пази- канали, бічні стінки яких нахилені відносно площини диска під кутом 40-150; причому пази статорів дисків розташовані дзеркально щодо пазів роторних дисків. Між статорними дисками і валом ротора і між роторними дисками і корпусом насоса є зазори. При молекулярному режимі течії газу в насосі, тобто при тисках нижче 1-10-1 Па, така система рухомих і нерухомих пазів забезпечує переважне проходження молекул газу в напрямку відкачування.

Дійсно, молекула газу, що пройшла через статорний паз, потрапивши в паз роторного диска, має велику ймовірність пройти через нього, тому що бокова стінка 1 роторного паза йде зі шляху молекули, а стінка 2 не може її наздогнати, в той час як така ж молекула, підходяща до роторного диска праворуч, тобто проти напрямку відкачування, яка увійшла в паз, буде з великою ймовірністю відбита стінкою 2 роторного паза і відображена назад в напрямку відкачування. Молекули, відбиті роторним диском, крім теплової швидкості, набувають додаткову швидкість. Ця швидкість дорівнює окружній швидкості роторного диска і спрямована паралельно осі насоса. Завдяки відповідному куту нахилу бічних стінок статорного паза тут також забезпечується переважне проходження молекул в напрямку відкачування. Ефективність насоса зростає з ростом окружної швидкості Vокр ротора і зі зменшенням найбільш вірогідної швидкості молекул Vв. Розрахунки показують, що максимальна швидкість дії досягається при куті нахилу пазів близько 300. З іншого боку для отримання досить високого ступеня стиснення в одному щаблі (від 3 до 5) кут нахилу паза повинен бути не більше 200. Тому в сучасних насосах високо вакуумні ступені виконуються з кутом нахилу 350, а решта 200. Турбомолекулярні насоси мають дуже високий коефіцієнт стиснення для важких газів, то під час роботи ці насоси є надійним бар'єром проти проникнення важких молекул масла з форвакуумної порожнини насоса.


Конструкції і характеристики

Схеми турбомолекулярних насосів: а) - з горизонтальним валом; б) - з вертикальним валом

Турбомолекулярні насоси виконуються:

  • з горизонтально розташованим;
  • з вертикально розташованим ротором.

Ротор ТМН може мати такі опори:

  • підшипникові;
  • на магнітному підвісі;
  • на газодинамічних опорах.

Переваги турбомолекулярних насосів

  • швидкий запуск;
  • мала селективність при відкачці різних газів;
  • відсутність парів масла і продуктів його розкладання з залишкової атмосфері;
  • можливість отримання надвисокого вакууму без використання пасток на вході;
  • механізм насоса не пошкоджується при проривах атмосферного повітря.


Практичні вказівки по експлуатації

Неприпустима тривала витримка зупиненого ТМН під форвакуумним тиском (нижче 10 Па), тому що при цьому пари масла можуть проникнути з боку форвакуума через роторний механізм на сторону високого вакууму. Зупинений ТМН повинен бути заповнений висушеним повітрям або азотом до атмосферного тиску через кран, наявний в форвакуумного патрубку насоса. Невелика кількість парів масла, що потрапило на вхід ТМН, зазвичай легко видаляється прогрівом корпусу в області впускного патрубка до 100-120 °C при працюючому ТМН. Велику небезпеку для роботи насоса представляє попадання в нього твердих частинок. При наявності такої небезпеки у вхідному патрубку насоса повинна бути встановлена ​​металева сітка з розмірами осередку 1х1 мм.

Історія

У 1913 р в журналі "Annalen der Physik" з'явилася стаття В.Геде з описом принципу дії і пристрої нового вакуумного насоса, який автор назвав молекулярним. Вже на самому початку статті було підкреслено принципову відмінність нового насоса від існуючих раніше засобів отримання вакууму: "Всі відомі досі вакуумні насоси складаються з всмоктуючого пристрою, який, згідно з первісної ідеї Отто фон Геріке, відокремлює порцію газу з відкачуваної посудини і видаляє її в форвакуум або в атмосферу. Абсолютно необхідно при цьому, щоб між високим вакуумом і форвакуумом було досить гарне ущільнення. У механічних насосах це досягається щільно пригнаним поршнем і клапанами, а в ртутних і масляних насосах - самою рідиною. На відміну від цього в молекулярному насосі області високого і попереднього вакууму не розділяються ні поршнем, ні ущільнюючої рідиною".

Як вказував Геде, ідею нового методу видалення газів йому подала стаття Кнудсена, в якій були сформульовані основні закономірності молекулярного режиму течії газу.

Незважаючи на високі характеристики, великого поширення молекулярний насос Геде не отримав. Необхідність витримувати зазори близько 0,1 мм між рухомими частинами насоса викликала значні технологічні труднощі його виготовлення. При експлуатації потрапляння твердих частинок (наприклад, осколків скла) всередину корпусу або невелике зношування підшипників виводили насос з ладу. З поширенням дифузійних засобів відкачування молекулярні насоси Геде збереглися головним чином в дослідницьких лабораторіях Німеччини, Англії та Франції. У 1930-40-х роках популярність здобули також конструкції молекулярних насосів Гольвека і Зігбана. Інтерес до молекулярних насосів піднявся на початку 1960-х років у зв'язку з винаходом Беккера конструкції "з великими допустимими зазорами". За своєю будовою насос Беккера схожий з осьовими многоступінним компресорами (рис. 33). Основною частиною таких насосів, що одержали згодом назву турбомолекулярних.

Література

  • Robert M. Besançon, ed. (1990). "Vacuum Techniques". The Encyclopedia of Physics (3rd ed.). Van Nostrand Reinhold, New York. pp. 1278–1284. ISBN 0-442-00522-9.
  • Пауэр Б. Д. Высоковакуумные откачные устройства. M.: Энергия, 1969. — 527 с.

Посилання

http://www.vacuum.ru/file/misc/borisov/vacuum/part4.html

Отримано з https://wiki.tntu.edu.ua/index.php?title=Молекулярний_насос&oldid=22358