ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНІ НАСОСИ
Принцип дії турбомолекулярного насоса заснований на повідомленні молекул розрідженого газу спрямованої додаткової швидкості твердої поверхнею, що швидко рухається.
Робочий механізм насоса утворений роторними та статорними дисками, що мають радіальні косі пази - канали, бічні стінки яких нахилені щодо площини диска під кутом 40-15 °; причому пази статорних дисків розташовані дзеркально щодо пазів роторних дисків. Між статорними дисками і валом ротора між роторними дисками і корпусом насоса є зазори. При молекулярному режимі течії газу насосі, т. е. при тисках нижче 10-1—1 Па, така система рухомих і нерухомих пазів забезпечує переважне проходження молекул газу напрямку відкачки. Дійсно, молекула газу, що пройшла через статорний паз (або відбилася від статорного диска і рухається до роторного диска зліва), потрапивши в паз роторного диска, має велику ймовірність пройти через нього, так як бічна стінка паза роторного йде з шляху молекули. Стінка не може її наздогнати, тоді як така ж молекула, що підходить до роторного диска праворуч, тобто проти напрямку відкачування, що увійшла в паз, буде з великою ймовірністю затримана стінкою роторного паза і відбита назад у напрямку відкачування. Молекули, відбиті роторним диском, крім теплової швидкості, набувають додаткової швидкості. Ця швидкість дорівнює окружній швидкості роторного диска і спрямована паралельно осі насоса. Завдяки відповідному куту нахилу бічних стінок паза статорного тут також забезпечується переважне проходження молекул у напрямку відкачування.
Таким чином, кожен щабель, що складається з роторного та статорного дисків, створює перепад тисків. Причому найбільше відношення тисків пообидві сторони щаблі (ступінь стиснення) дорівнює приблизно відношенню ймовірностей переходу молекул через паз у напрямку відкачування та у зворотному напрямку, а найбільша можлива швидкість щаблі пропорційна різниці 21-2-22-1. В області досягнутих окружних швидкостей у сучасних промислових турбомолекулярних насосах різниця XI-2-характеризується майже лінійною залежністю, тобто ефективність насоса зростає зі зростанням окружної швидкості ротора та зі зменшенням найбільш ймовірної швидкості молекул. Розрахунки показують, що максимальна швидкість дії досягається при куті нахилу пазів близько 30 °. З іншого боку, для отримання досить високого ступеня стиснення в одному ступені (від 3 до 5) кут нахилу паза має бути не більше ніж 20°.
Тому в сучасних насосах високовакуумні щаблі виконуються з кутом нахилу 35 °, а решта - 20 °. Для "швидких" молекул (легких газів) окружна швидкість ротора є відносно меншою, ніж для "повільних" молекул (важких газів), тому коефіцієнт стиснення ступеня помітно менше для легких газів. Кожен роторний і статорний диск створює невеликий перепад тисків, проте завдяки великій кількості послідовних ступенів (30-40) забезпечується високий коефіцієнт стиснення насоса в цілому (102-103 водню, 107-109 азоту). Так як турбомолекулярні насоси мають дуже високий коефіцієнт стиснення для важких газів, то під час роботи ці насоси є надійним бар'єром проти проникнення важких молекул олії із форвакуумної порожнини насоса.
Конструкції та характеристики. Висока надійність насосів досягається тим, що вони обертаються від високочастотного електродвигуна, ротор якого розташований у форвакуумній порожнині на загальному валу з ротором насоса. Таким чином, виключаєтьсявакуумне введення обертання, манжети якого схильні до зносу. Ротор обертається з частотою близько 18 ТОВ об/хв і перед складання насоса піддається ретельному динамічному балансуванню, що забезпечує роботу насоса без шуму та вібрацій, а також довговічність підшипників.
Мастило підшипників здійснюється маслонасосом, що має невеликий власний електродвигун. У разі аварійного відключення електроенергії подача мастила припиняється, а ротор турбомолекулярного насоса здатний обертатися по інерції ще 40—60 хв. Однак це не веде до пошкодження підшипників, які мають текстолітові сепаратори. Невеликий потік води використовується для охолодження обмотки статора електродвигуна і торцевих кришок, що відокремлюють підшипники від порожнини на виході останнього форвакуумного диска насоса з тим, щоб зменшити в цій області тиск парів масла. Основним залишковим газом є водень (масове число 2). Крім того, міститься невелика кількість парів води (масове число 18), суміш окису вуглецю та азоту (масове число 28) та двоокису вуглецю (масове число 44). Таким чином, в залишкових газах важкі вуглеводневі сполуки не виявляються, і турбо-молекулярні насоси з достатньою основою вважаються безмасляними засобами відкачування, хоча в їх форвакуумних порожнинах присутні пари масла, що використовується для змащення підшипників насоса, і пари масла, що потрапляють туди . Швидкість дії залишається постійною в широкому діапазоні тисків - від 10"1 Па, коли починає позначатися зміна режиму перебігу газу через диски насоса, до 10"
® Па, коли на швидкість дії впливає водень, що виділяється з насоса і перетікає з боку форвакуумної порожнини насоса. Граничний залишковий тиск турбомолекулярних насосівстановить 10s-10 "7 Па. Переваги турбомолекулярних насосів - швидкий запуск, мала селективність при відкачуванні різних газів, відсутність парів олії та продуктів її розкладання в залишковій атмосфері, можливість отримання надвисокого вакууму без використання пасток на вході. Механізм насоса не ушкоджується під час проривів атмосферного повітря. Усе це зумовило їхнє широке застосування у багатьох галузях науки та промисловості.
При експлуатації турбомолекулярних насосів необхідно контролювати надходження олії до підшипників (для чого в насосі передбачені оглядові вікна) та відсутність шумів, поява яких свідчить про зношування підшипників. Неприпустима тривала витримка зупиненого турбомолекулярного насоса під форвакуумним тиском (нижче 10 Па), так як при цьому пари олії можуть проникнути з боку форвакууму через роторний механізм на бік високого вакууму.
Зупинений турбомолекулярний насос повинен бути заповнений осушеним повітрям або азотом до атмосферного тиску через кран, що є у форвакуумному патрубку насоса. Невелика кількість пар масла, що потрапила на вхід турбомолекулярного насоса, зазвичай легко видаляється прогріванням корпусу в області впускного патрубка до 100-120 ° С при турбомолекулярному насосі, що працює. Велику небезпеку для роботи насоса становить потрапляння до нього твердих частинок. За наявності такої небезпеки у вхідному патрубку насоса має бути встановлена металева сітка з розмірами комірки 1 х 1 мм.