Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Турбомолекуля́рний насо́с (ТМН) (англ. turbomolecular pump) — один з видів вакуумних насосів кінетичного типу, у якому молекулам газу, що відкачується, імпульс руху передається так, що газ безперервно переміщується від входу до виходу насоса. Служить для створення й підтримання високого вакууму.
Принцип роботи
Принцип дії турбомолекулярного насоса базується на наданні обертовим ротором молекулам газу, який відкачується, додаткової швидкості у напрямі відкачування. Ротор і статор складаються із системи дисків, що чергуються між собою, з радіально розташованими на них лопатках.
Оскільки молекула, відбита лопаткою ротора, набуває тангенціальної складової швидкості у напрямі руху ротора, вона буде вдарятись у лопатку статора під кутом відбиття. Але оскільки лопатки статора розташовані під протилежним кутом стосовно лопаток ротора, потік молекул газу буде спрямовуватися вздовж осі насоса. В реальних конструкціях використовуються декілька пар ротор — статор; кожна пара утворює одну ступінь відкачування.
Вакуум, що створюється турбомолекулярним насосом, може становити від 10 −2 Па до 10−8 Па (10−10 мбар; 7,5 −11 мм рт ст). Швидкість обертання ротора — десятки тисяч обертів на хвилину. Для ефективної роботи потребує застосування форвакуумного насоса — вакуумного насоса, призначеного для підтримування тиску у вихідному перерізі насоса більш високого вакууму, який дає змогу останньому забезпечувати задані параметри відкачування.
Історична довідка
Турбомолекулярний насос (ТМН) було винайдено і запатентовано у 1957 році В. Беккером (W. Becker) з компанії «Pfeiffer Vacuum», на базі відомих типів конструкцій молекулярних насосів авторства В. Геде (W. Gaede) від 1913, Гольвека (Holweck) від 1923 та Зігбана (Siegbahn) від 1927 року.
За своєю конструкцією насос Беккера був схожий на багатоступінчастий компресор. Основною частиною таких насосів, що отримали згодом назву турбомолекулярних, є рухомі (роторні) диски й нерухомі (статорні) диски. В дисках було виконано косі прорізи, при цьому профілі прорізів статорних дисків були дзеркальним відбиттям роторних прорізів. Насос, описаний Беккером у 1961 році, мав ротор діаметром 600 мм, що обертався зі швидкістю 6000 об/хв. ТМН є ефективним в області високого й надвисокого вакууму. ТМН Беккера мав швидкість відкачування по повітрю 4250 л/с.
Загальна характеристика
Сучасні турбомолекулярні насоси дозволяють отримати середній, високий й надвисокий вакуум із залишковими газами, молекулярна маса яких менша за 44.
ТМН конструктивно є багатоступінчастим осьовим компресором, роторні й статорні ступені якого мають плоскі нахилені канали, утворені радіально встановленими лопатками. При обертанні роторних ступенів з високою швидкістю відбувається відкачування молекул газу завдяки різній ймовірності переходу їх через нахилені канали ступенів у прямому й зворотному напрямах. На відміну від молекулярних, турбомолекулярні насоси (ТМН) не мають малих зазорів — відстань між дисками становить близько 1 мм, тому не ставляться жорсткі вимоги до їх виготовлення.
ТМН розрахований на роботу в умовах молекулярного режиму течії газу. Для оптимальної працездатності ТМН необхідно забезпечити на виході з його останнього ступеня молекулярний режим течії газу будь-яким насосом попереднього розрідження (форвакуумним насосом) з вихлопом в атмосферу.
Гібридний ТМН (ГТМН) містить перші ступені від турбомолекулярного насоса, а останні ступені від молекулярного насоса. Роторні ступені ГТМН закріплені на загальному валу. Призначення молекулярних ступенів — забезпечити нормальну роботу останнім ступеням ТМН при підвищенні тиску на вході в ТМН, а також можливість застосування дешевших одноступінчатих форвакуумних насосів з великим граничним тиском.
Швидкість відкачування
Щоб уникнути втрат складової швидкості, переданої лопатями молекулам газу, внаслідок зіткнення з іншими молекулами потрібно, щоб в насосі переважав молекулярний потік, тобто середній вільний пробіг молекули газу повинен перевищувати крок лопаті.
Швидкість відкачування визначається зовнішнім діаметром роторних ступенів, довжиною лопаток, їх кількістю, кутом нахилу лопаток перших ступенів та швидкістю обертання ротора. При високому тиску на вході в ТМН, його швидкодія залежить і від швидкості відкачування форвакуумного насоса. Коли тиск газу на вході в ТМН зростає, то збільшується його тертя в ступенях проточної частини ТМН та потужність, що споживається електродвигуном приводу, особливо при зниженні швидкості обертання ротора від тертя газу. Це викликає збільшення нагріву проточної частини ТМН, підшипникових вузлів обертання, зниження швидкості відкачування і може привести до аварії. Тому, при підвищенні температури вузлів обертання ротора вище за певне значення відбувається захисне відключення живлення електродвигуна ТМН.
Ступінь стиснення
Співвідношення можливостей проходження молекул газу в прямому і зворотному напрямах характеризується ступенем стиснення будь-якого газу насосом. Чим легшим є газ, тим краще він проходить через щілини у насосі і тим меншим є ступінь стиснення, а швидкодія насосу є більшою.
Ступінь стиснення визначається швидкістю обертання, кількістю ступенів і молекулярною масою газу, що відкачується. Він вищий для важких газів, що забезпечує ефективну протидію проникненню вуглеводнів у простір відкачування. Значення ступеня стиснення за воднем є важливим показником при використанні насоса для створення надвисокого вакууму.
Так ступінь стиснення насосів за воднем становить 102...103, за азотом — 107...1012, а для вуглеводнів вона сягає 1015 і зростає із збільшенням частоти обертання ротора. Збільшення кута нахилу пазів (лопаток) приведе до зниження ступеня стиснення й зростання швидкодії насоса.
Підшипниковий вузол і система підвіски
Для приведення в дію роторів здійснюється безщітковими двигунами постійного струму, що забезпечують частоту обертання до 90000 об/хв). Вони, в свою чергу, забезпечують відповідні швидкості лопатей, необхідні для відкачування газів. Приводи кріпляться, переважно, безпосередньо до насосів. Електроживлення, що виробляється зовнішніми джерелами живлення, подається при 24 або 48 В постійного струму. У разі насосів великих розмірів живлення приводів забезпечується безпосередньо від джерела випрямленої напруги мережі.
Застосовуються дві основні системи підвіски: магнітний підвіс та керамічні підшипники, що не вимагають проведення періодичного обслуговування. Кульки керамічного підшипника, виконані з , є легшими, твердішими і мають вищу однорідність у порівнянні із сталевими аналогами, що збільшує ресурс підшипника та зменшує вібрації.
Використання магнітного підвісу у ще більшій мірі підвищує надійність всієї системи. Часто в насосах застосовується гібридна схема підвісу. На вході насоса з боку високого вакууму використовуються магнітні опори, а на виході — керамічні підшипники із змащуванням оливою чи консистентним мастилом.
Повністю магнітний підвіс ротора дає додаткові переваги:
- безмасляне відкачування — повна відсутність слідів вуглеводнів;
- не вимагає технічного обслуговування — відсутність механічного зносу підшипників;
- низький рівень вібрацій — нижчий від рівня вібрацій звичайних підшипників;
- мінімальні вимоги до охолодження — у більшості випадків достатньо природного охолодження;
- довільна орієнтація у просторі — насос може бути встановлений з будь-яким розташуванням осі.
Контролер керування приводом
Для роботи турбомолекулярного насоса потрібні високі швидкості обертання, що сягають до 100000 обертів за хвилину. Для забезпечення таких швидкостей і пускових режимів приводних електродвигунів застосовується контролер, що плавно регулює частоту обертання від практично нульової до максимальної.
Див. також
Примітки
- ДСТУ 2758-94 Вакуумна техніка. Терміни та визначення.
- У стандартних лабораторних насосах ротор обертається із швидкістю від 48000 об/хв (старіші конструкції) до 90000 об/хв (новіші конструкції)
- Becker W. Deutsches Reich Patent № 10155573 (16/09/1957)
- Robert M. Besançon, ред. (1990). Vacuum Techniques. The Encyclopedia of Physics (вид. 3rd). Van Nostrand Reinhold, New York. с. 1278—1284. ISBN .
- Борисов В. П. Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «Боязни Пустоты» // Вопросы истории естествознания и техники, № 4, 2002. (рос.)
- Becker W. Vakuum-Technik. 1961. № 10. S. 199.
Джерела
- Лобода В. Б. Фізичні основи вакуумної техніки [Текст]: навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл. / В. Б. Лобода. — Суми: Університетська книга, 2011 . Ч. 1. — 2011. — 253 с. —
- Фролов Е. С. Автономова И. В. Васильев В. И. Механические вакуумные насосы. — М.: Машиностроение, 1989. — 288 с.
- Бех І. І. Основи фізики вакууму та вакуумної техніки. Методи отримання високого й надвисокого вакууму [Текст]: навч. посіб. / І. І. Бех та ін. ; Київський національний ун-т ім. Тараса Шевченка. — К.: Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», 2001. — 105 с. — ISBN 966-594-261
- Пауэр Б. Д. Высоковакуумные откачные устройства. M.: Энергия, 1969. — 527 с.
- Robert M. Besançon Vacuum Techniques. The Encyclopedia of Physics (3rd ed.). Van Nostrand Reinhold, New York, 1990. — pp. 1278—1284. .
- Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред. кол. Д. М. Алексеев, А. М. Бонч-Бруевич, А. С. Боровик-Романов и др. — М.: Сов. энциклопедия, 1984. — 944 с.
Посилання
| Вікісховище має мультимедійні дані за темою: Турбомолекулярний насос |
- (англ.)
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Turbomolekulya rnij naso s TMN angl turbomolecular pump odin z vidiv vakuumnih nasosiv kinetichnogo tipu u yakomu molekulam gazu sho vidkachuyetsya impuls ruhu peredayetsya tak sho gaz bezperervno peremishuyetsya vid vhodu do vihodu nasosa Sluzhit dlya stvorennya j pidtrimannya visokogo vakuumu Turbomolekulyarnij nasos u rozrizi Shema roboti turbomolekulyarnogo nasosaPrincip robotiPrincip diyi turbomolekulyarnogo nasosa bazuyetsya na nadanni obertovim rotorom molekulam gazu yakij vidkachuyetsya dodatkovoyi shvidkosti u napryami vidkachuvannya Rotor i stator skladayutsya iz sistemi diskiv sho cherguyutsya mizh soboyu z radialno roztashovanimi na nih lopatkah Oskilki molekula vidbita lopatkoyu rotora nabuvaye tangencialnoyi skladovoyi shvidkosti u napryami ruhu rotora vona bude vdaryatis u lopatku statora pid kutom vidbittya Ale oskilki lopatki statora roztashovani pid protilezhnim kutom stosovno lopatok rotora potik molekul gazu bude spryamovuvatisya vzdovzh osi nasosa V realnih konstrukciyah vikoristovuyutsya dekilka par rotor stator kozhna para utvoryuye odnu stupin vidkachuvannya Vakuum sho stvoryuyetsya turbomolekulyarnim nasosom mozhe stanoviti vid 10 2 Pa do 10 8 Pa 10 10 mbar 7 5 11 mm rt st Shvidkist obertannya rotora desyatki tisyach obertiv na hvilinu Dlya efektivnoyi roboti potrebuye zastosuvannya forvakuumnogo nasosa vakuumnogo nasosa priznachenogo dlya pidtrimuvannya tisku u vihidnomu pererizi nasosa bilsh visokogo vakuumu yakij daye zmogu ostannomu zabezpechuvati zadani parametri vidkachuvannya Istorichna dovidkaTurbomolekulyarnij nasos TMN bulo vinajdeno i zapatentovano u 1957 roci V Bekkerom W Becker z kompaniyi Pfeiffer Vacuum na bazi vidomih tipiv konstrukcij molekulyarnih nasosiv avtorstva V Gede W Gaede vid 1913 Golveka Holweck vid 1923 ta Zigbana Siegbahn vid 1927 roku Za svoyeyu konstrukciyeyu nasos Bekkera buv shozhij na bagatostupinchastij kompresor Osnovnoyu chastinoyu takih nasosiv sho otrimali zgodom nazvu turbomolekulyarnih ye ruhomi rotorni diski j neruhomi statorni diski V diskah bulo vikonano kosi prorizi pri comu profili proriziv statornih diskiv buli dzerkalnim vidbittyam rotornih proriziv Nasos opisanij Bekkerom u 1961 roci mav rotor diametrom 600 mm sho obertavsya zi shvidkistyu 6000 ob hv TMN ye efektivnim v oblasti visokogo j nadvisokogo vakuumu TMN Bekkera mav shvidkist vidkachuvannya po povitryu 4250 l s Zagalna harakteristikaSuchasni turbomolekulyarni nasosi dozvolyayut otrimati serednij visokij j nadvisokij vakuum iz zalishkovimi gazami molekulyarna masa yakih mensha za 44 TMN konstruktivno ye bagatostupinchastim osovim kompresorom rotorni j statorni stupeni yakogo mayut ploski nahileni kanali utvoreni radialno vstanovlenimi lopatkami Pri obertanni rotornih stupeniv z visokoyu shvidkistyu vidbuvayetsya vidkachuvannya molekul gazu zavdyaki riznij jmovirnosti perehodu yih cherez nahileni kanali stupeniv u pryamomu j zvorotnomu napryamah Na vidminu vid molekulyarnih turbomolekulyarni nasosi TMN ne mayut malih zazoriv vidstan mizh diskami stanovit blizko 1 mm tomu ne stavlyatsya zhorstki vimogi do yih vigotovlennya TMN rozrahovanij na robotu v umovah molekulyarnogo rezhimu techiyi gazu Dlya optimalnoyi pracezdatnosti TMN neobhidno zabezpechiti na vihodi z jogo ostannogo stupenya molekulyarnij rezhim techiyi gazu bud yakim nasosom poperednogo rozridzhennya forvakuumnim nasosom z vihlopom v atmosferu Gibridnij TMN GTMN mistit pershi stupeni vid turbomolekulyarnogo nasosa a ostanni stupeni vid molekulyarnogo nasosa Rotorni stupeni GTMN zakripleni na zagalnomu valu Priznachennya molekulyarnih stupeniv zabezpechiti normalnu robotu ostannim stupenyam TMN pri pidvishenni tisku na vhodi v TMN a takozh mozhlivist zastosuvannya deshevshih odnostupinchatih forvakuumnih nasosiv z velikim granichnim tiskom Shvidkist vidkachuvannyaShob uniknuti vtrat skladovoyi shvidkosti peredanoyi lopatyami molekulam gazu vnaslidok zitknennya z inshimi molekulami potribno shob v nasosi perevazhav molekulyarnij potik tobto serednij vilnij probig molekuli gazu povinen perevishuvati krok lopati Shvidkist vidkachuvannya viznachayetsya zovnishnim diametrom rotornih stupeniv dovzhinoyu lopatok yih kilkistyu kutom nahilu lopatok pershih stupeniv ta shvidkistyu obertannya rotora Pri visokomu tisku na vhodi v TMN jogo shvidkodiya zalezhit i vid shvidkosti vidkachuvannya forvakuumnogo nasosa Koli tisk gazu na vhodi v TMN zrostaye to zbilshuyetsya jogo tertya v stupenyah protochnoyi chastini TMN ta potuzhnist sho spozhivayetsya elektrodvigunom privodu osoblivo pri znizhenni shvidkosti obertannya rotora vid tertya gazu Ce viklikaye zbilshennya nagrivu protochnoyi chastini TMN pidshipnikovih vuzliv obertannya znizhennya shvidkosti vidkachuvannya i mozhe privesti do avariyi Tomu pri pidvishenni temperaturi vuzliv obertannya rotora vishe za pevne znachennya vidbuvayetsya zahisne vidklyuchennya zhivlennya elektrodviguna TMN Stupin stisnennyaSpivvidnoshennya mozhlivostej prohodzhennya molekul gazu v pryamomu i zvorotnomu napryamah harakterizuyetsya stupenem stisnennya bud yakogo gazu nasosom Chim legshim ye gaz tim krashe vin prohodit cherez shilini u nasosi i tim menshim ye stupin stisnennya a shvidkodiya nasosu ye bilshoyu Stupin stisnennya viznachayetsya shvidkistyu obertannya kilkistyu stupeniv i molekulyarnoyu masoyu gazu sho vidkachuyetsya Vin vishij dlya vazhkih gaziv sho zabezpechuye efektivnu protidiyu proniknennyu vuglevodniv u prostir vidkachuvannya Znachennya stupenya stisnennya za vodnem ye vazhlivim pokaznikom pri vikoristanni nasosa dlya stvorennya nadvisokogo vakuumu Tak stupin stisnennya nasosiv za vodnem stanovit 102 103 za azotom 107 1012 a dlya vuglevodniv vona syagaye 1015 i zrostaye iz zbilshennyam chastoti obertannya rotora Zbilshennya kuta nahilu paziv lopatok privede do znizhennya stupenya stisnennya j zrostannya shvidkodiyi nasosa Pidshipnikovij vuzol i sistema pidviskiDlya privedennya v diyu rotoriv zdijsnyuyetsya bezshitkovimi dvigunami postijnogo strumu sho zabezpechuyut chastotu obertannya do 90000 ob hv Voni v svoyu chergu zabezpechuyut vidpovidni shvidkosti lopatej neobhidni dlya vidkachuvannya gaziv Privodi kriplyatsya perevazhno bezposeredno do nasosiv Elektrozhivlennya sho viroblyayetsya zovnishnimi dzherelami zhivlennya podayetsya pri 24 abo 48 V postijnogo strumu U razi nasosiv velikih rozmiriv zhivlennya privodiv zabezpechuyetsya bezposeredno vid dzherela vipryamlenoyi naprugi merezhi Zastosovuyutsya dvi osnovni sistemi pidviski magnitnij pidvis ta keramichni pidshipniki sho ne vimagayut provedennya periodichnogo obslugovuvannya Kulki keramichnogo pidshipnika vikonani z ye legshimi tverdishimi i mayut vishu odnoridnist u porivnyanni iz stalevimi analogami sho zbilshuye resurs pidshipnika ta zmenshuye vibraciyi Vikoristannya magnitnogo pidvisu u she bilshij miri pidvishuye nadijnist vsiyeyi sistemi Chasto v nasosah zastosovuyetsya gibridna shema pidvisu Na vhodi nasosa z boku visokogo vakuumu vikoristovuyutsya magnitni opori a na vihodi keramichni pidshipniki iz zmashuvannyam olivoyu chi konsistentnim mastilom Povnistyu magnitnij pidvis rotora daye dodatkovi perevagi bezmaslyane vidkachuvannya povna vidsutnist slidiv vuglevodniv ne vimagaye tehnichnogo obslugovuvannya vidsutnist mehanichnogo znosu pidshipnikiv nizkij riven vibracij nizhchij vid rivnya vibracij zvichajnih pidshipnikiv minimalni vimogi do oholodzhennya u bilshosti vipadkiv dostatno prirodnogo oholodzhennya dovilna oriyentaciya u prostori nasos mozhe buti vstanovlenij z bud yakim roztashuvannyam osi Kontroler keruvannya privodomDlya roboti turbomolekulyarnogo nasosa potribni visoki shvidkosti obertannya sho syagayut do 100000 obertiv za hvilinu Dlya zabezpechennya takih shvidkostej i puskovih rezhimiv privodnih elektrodviguniv zastosovuyetsya kontroler sho plavno regulyuye chastotu obertannya vid praktichno nulovoyi do maksimalnoyi Div takozhVakuum Vakuumna tehnika Forvakuumnij nasos Molekulyarnij nasosPrimitkiDSTU 2758 94 Vakuumna tehnika Termini ta viznachennya U standartnih laboratornih nasosah rotor obertayetsya iz shvidkistyu vid 48000 ob hv starishi konstrukciyi do 90000 ob hv novishi konstrukciyi Becker W Deutsches Reich Patent 10155573 16 09 1957 Robert M Besancon red 1990 Vacuum Techniques The Encyclopedia of Physics vid 3rd Van Nostrand Reinhold New York s 1278 1284 ISBN 0 442 00522 9 Borisov V P Izobretenie vakuumnogo nasosa i krushenie dogmy Boyazni Pustoty Voprosy istorii estestvoznaniya i tehniki 4 2002 ros Becker W Vakuum Technik 1961 10 S 199 DzherelaLoboda V B Fizichni osnovi vakuumnoyi tehniki Tekst navch posib dlya stud vish navch zakl V B Loboda Sumi Universitetska kniga 2011 Ch 1 2011 253 s ISBN 978 966 680 566 2 Frolov E S Avtonomova I V Vasilev V I Mehanicheskie vakuumnye nasosy M Mashinostroenie 1989 288 s Beh I I Osnovi fiziki vakuumu ta vakuumnoyi tehniki Metodi otrimannya visokogo j nadvisokogo vakuumu Tekst navch posib I I Beh ta in Kiyivskij nacionalnij un t im Tarasa Shevchenka K Vidavnicho poligrafichnij centr Kiyivskij universitet 2001 105 s ISBN 966 594 261 Pauer B D Vysokovakuumnye otkachnye ustrojstva M Energiya 1969 527 s Robert M Besancon Vacuum Techniques The Encyclopedia of Physics 3rd ed Van Nostrand Reinhold New York 1990 pp 1278 1284 ISBN 0 442 00522 9 Fizicheskij enciklopedicheskij slovar Gl red A M Prohorov Red kol D M Alekseev A M Bonch Bruevich A S Borovik Romanov i dr M Sov enciklopediya 1984 944 s PosilannyaVikishovishe maye multimedijni dani za temoyu Turbomolekulyarnij nasos angl