2.18 Молекулярная откачка

Молекулярной откачкой называется удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей. В настоящее время существуют две принципиальные схемы молекулярной откачки.

Рис. 2.31 Схема молекулярной откачки при одинаковых направлениях движения пластины и газового потока.

Первая схема (рис. 2.31) представляет собой откачку через канал, одна из стенок которого совершает относительное перемещение со скоростью V_р параллельно оси канала. Молекулы газа, находящиеся в канале соударяются с движущейся поверхностью, получая приращение количества движения в направлении насоса предварительного разрежения. При этом создается перепад давлений р₂>р₁.

Максимальная быстрота действия, которая может быть получена в такой схеме, пропорциональна скорости стенки Vр:

(2.81)

где F_к—площадь поперечного сечения канала; g_м—коэффициент, учитывающий соотношения движущейся и неподвижной частей периметра канала.

Принимая число соударений молекул с движущимися и неподвижными поверхностями одинаковым, определим долю молекул, непрерывно получающих приращение скорости, в виде

(2.82)

f_д и f_н—движущаяся и неподвижная части периметра поперечного сечения канала. Для прямоугольного канала с а=2,5 см; b=1 см и u_р=165 м/с согласно (2.81) и (2.82) получим S_mах=23 л/с.

Дифференциальное уравнение течения газа через канал постоянного поперечного сечения в установившемся режиме Q=const можно записать в виде разности прямого и обратного потоков:

(2.83)

где С=U_кl_к; U_к—проводимость канала с неподвижными сторонами; l_к—длина канала.

Перепишем уравнение (2.83) в новых обозначениях:

(2.84)

.

С учетом начальных условий р=р₁ при l=0 решение (2.84) может быть записано в виде

Тогда в конце канала при 1=1_к давление

Учитывая, чтоQ=p₁S_н, получим выражение для быстроты действия

(2.85)

Из (2.85) следует линейная зависимость между быстротой действия и коэффициентом компрессии р₂/р₁, показанная на рис. 2.31. При равенстве давления р₁=р₂ быстрота действия максимальна S_н=S_mах, а при Sн=0 и р₁=р_пр имеет место наибольший коэффициент компрессии

(2.86)

Рис. 2.32. Зависимость быстродействия насоса от коэффициента компрессии.

В связи с тем, что проводимость каналов U_к при молекулярном режиме течения пропорциональна , максимальный коэффициент компрессии возрастает с увеличением молекулярной массы и снижением температуры газа.

Для указанного канала а=2,5 см, b=1 см при l_к=55 см его проводимость составляет ~ 1 л/с, что дает по формуле (2.86) максимальное значение коэффициента компрессии р_в/р_пр=10¹⁰. Таким образом данная схема молекулярной откачки удобна для получения больших коэффициентов компрессии при малых быстротах откачки.

Рис. 2.33. Схема откачки при взаимно перпендикулярном перемещении пластины и газового потока.

Вторая схема молекулярной откачки (рис. 2.33 а) использует для удаления газов зависимость проводимости наклонного канала, двигающегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью _р, от направления течения газа. Для упрощения задачи примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют нормальные по отношению к поверхности пластины потоки молекул газа q₁ и q₂. Остановив пластину и сложив вектор относительной скорости молекул _р с векторами тепловых скоростей молекул _ар, получим изображенное на рис. 2.33, б измененное направление движения молекул. Поток q₁ при tga=_ар/_р входит по оси канала, а поток q₂— перпендикулярно оси. Это приводит к тому, что проводимости канала для потоков q₁ и q₂ различны. Приближенно можно принять для потока q₂ форму трубы с поворотом на конце на 90.

Для установившегося режима течения газа

Q=S_нp₁=U₁₂P₁-U₂₁P₂ (2.87)

где U₁₂ и U₂₁ - проводимости канала для потоков q₁ и q₂ соответственно. Значение указанных проводимостей можно определить, пользуясь справочными данными о поверхности прямых труб и труб с коленом, или непосредственно математическим моделированием данной задачи методом Монте-Карло. На рис. 2.33 в безразмерной форме приведены результаты определения вероятности прохождения канала молекулами газа, полученные математическим моделированием для каналов с соотношением сторон а/b=1.

Рис. 2.34 Вероятности прохождения молекулами канала со стороны более высокого вакуума Р12 и со стороны низкого вакуума Р21 в зависимости от относительной скорости _р/_ар и угла наклона паза а.

Из (2.87) следует выражение для быстродействия:

Зависимость быстроты действия насоса от коэффициента компрессии аналогична той же зависимости для первой схемы.

Максимальная быстрота действия в данном случае при р₂/р₁=1составляет

S_max=U₁₂(1-U₂₁/U₁₂)=U₁₂(1-P₂₁/P₁₂) (2.88)

Здесь P₁₂ и P₂₁ - вероятности перехода молекул через канал в прямом и обратном направлении, пропорциональные соответствующим проводимостям.

Максимальная быстрота действия турбомолекулярных насосов S_max для _р/_ар V_ар<1 слабо зависит от рода газа. При уменьшении молекулярной массы газа возрастание проводимости U₁₂ в формуле(2.88) компенсируется уменьшением второго сомножителя, т.к. при уменьшении_р/_ар, P₂₁/P₁₂ увеличивается. Реальная быстрота действия S_н для легких газов дополнительно уменьшается в связи с увеличением проводимости зазоров.

Наибольший коэффициент компрессии наблюдается при S_н =0, если Р₁=Р_пр и Р₂=Р_s то из

К=Р_s/Р_пр=U₁₂/U₂₁=P₁₂/P₂₁

Коэффициент компрессии при _р/_ар <1 сильно зависит от рода газа в связи с изменением величины отношения _р/_ар, а следовательно и P₁₂/P₂₁. Легкие газы имеют меньший коэффициент компрессии.

Величина р_в/р_пр для одной ступени невелика (обычно 2-4), поэтому данная схема более удобна для получения больших быстрот действия. Повышение коэффициента компрессии достигается последовательным соединением нескольких ступеней откачки.

Рассмотрим конструкции молекулярных насосов.

Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки канала имеют много конструктивных разновидностей, часть из которых схематично представлена на рис. 2.35

Насос, имеющий в статоре 3 набор цилиндрических канавок 4, входные и выходные отверстия в которых разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с большой частотой так, чтобы его линейная скорость была близка к тепловой скорости молекул.

Спиральный паз 1 на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность ротора 3 образуют рабочий канал (2.35, б). Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1, отстоящие на минимальном расстоянии от вращающегося диска 2 используются для молекулярной откачки в схеме рис. (2.35, в). Через зазор между статором и ротором происходит возврат газа из камеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов. Нормальная работа таких насосов возможна при зазоре между ротором и статором не превышающем 0,1 мм.

Рис. 2.35. Схемы молекулярных насосов:

а - с круговыми канавками; б - со спиральными канавками; в - дисковый

Практическое применение таких насосов нашли в качестве ступеней высокого давления при совместной работе с насосами, имеющими взаимно перпендикулярное перемещение газа и рабочих поверхностей, а также при откачке газов с большой молекулярной массой.

Проникновение паров масел, применяемых для смазки подшипниковых узлов, в откачиваемый объект во время работы насоса очень мало, но сильно возрастает при остановке насоса.

Быстрота действия насосов прямо пропорциональна частоте вращения ротора, которая в современных насосах может достигать (10-40) тысяч оборотов в минуту. Максимальная быстрота действия обычно не превышает 100 л/с из-за малого поперечного сечения каналов. Предельное давление 10^-5 Па при коэффициентах компрессии 10⁵-10⁶.

Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа получили широкое распространение. Конструкция турбомолекулярного насоса, использующая этот принцип, во многом определяется расположением вала ротора: горизонтальным или вертикальным, устройством и формой рабочих органов: цилиндровые, конусные, дисковые с радиальным потоком, дисковые с осевым потоком, барабанные. Большое влияние на характеристики потоков оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах или газовой подушке.

Схемы насосов с горизонтальным и вертикальным расположением вала ротора показана на рис. 2.36. В корпусе 2 установлены неподвижные статорные колеса 4, между которых вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеется зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру.

П ри горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после выхода во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке. В связи с малым коэффициентом компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) и радиальный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статорным колесом) зазоры могут составлять 1-1,2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быстроту действия.

Быстрота откачки турбомолекулярных насосов согласно (2.88) слабо зависит от рода газа (рис.2.36). Предельное давление насосов 10^-7-10^-8 Па. С увеличением молекулярной массы коэффициент компрессии растет за счет уменьшения перетечек через зазоры и увеличения отношения линейной скорости ротора к тепловой скорости молекул V_p/ V_ар (2.37). Наибольшее давление запуска таких насосов для воздуха 1-10 Па.

К достоинствам турбомолекулярного насоса относятся: высокая удельная быстрота действия 2 л/с на см³ входного сечения, достаточно широкий диапазон рабочих давлений (10^-6-10) Па , быстрый запуск насоса в течение 5-10 мин; практически безмасленый спектр остаточных газов при напуске во время запуска и остановки насоса сухого азота.

Недостатком насоса является наличие высокоскоростного ротора со смазываемыми быстро изнашивающимися подшипниками или сложными системами подвеса. Характеристики современных турбомолекулярных насосов приведены на рис. 2.38 и табл.2.6 [2]

рис.2.38 Характеристики турбомолекулярных насосов

Таблица 2.6 Турбомолекулярные насосы

Основные характеристики	Тип насоса
	ТМН-100	TBH-200	TMH-200	TBH-500	TMH-5000
Рабочий диапазон,	6,6510-7 10-9-	1,3310-6	6,6510-7	1,3310-6	6,6510-7
Па	1,3310-7	1,3310-2	1,3310-7	1,3310-2	1,3310-2
Быстрота откачки	100	200	250	500	5000
воздуха в рабочем диапазо-
диапазоне давлений, л/с
Предельное оста-	6,6510-7 10-9-	1,3310-6	6,6510-7	1,3310-6	6,6510-7
точное давление, Па
Наибольшее выпуск-	1,3310-7	1,3310-2	1,3310-7	1,3310-2	1,3310-2
ное дапление, торр
Частота вращения	18000	16000	18000	16000	6000
ротора, об/мин
Мощность электро-	0,3	0,4	0,3	0,8	2
двигателя, кВт
Тип преобразователя	НВР-З, СПЧ	—	НВР-З, СПЧ	HB3,	НВЗ, СПЧФ
	СПЧ		СПЧ	СПЧФ	СПЧФ
Расход охлаждаю-	50	50	50	120	500
щей воды, л/ч
Диаметр впускного	125	160	160	260	500
патрубка, мм
Диаметр выпускно-	32	50	50	50	100
го патрубка, мм
Габаритные разме-	—	920 х	675х310X	—	—
ры (длинах ширина х		х400х	х385
х высота) мм		х510
Масса, кг	110	—	205	—	1480
Необходимая быстрота	3	6		12	150
откачки форвакуумного
насоса, л/с