Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Турбомолекулярный насос (ТМН) — это кинетический высоковакуумный насос, в котором поток газа создаётся не за счёт изменения объёма ячеек, как в объёмных машинах, а за счёт прямой передачи импульса молекулам газа от быстро вращающихся лопаток ротора. Ротор и статор насоса состоят из чередующихся дисков с наклонными лопатками; при вращении ротора со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту молекула газа, сталкиваясь с лопаткой, получает дополнительную касательную скорость в направлении откачки. Многократное прохождение через последовательность ступеней многократно повторяет этот «толчок», и насос выводит молекулы со стороны высокого вакуума на сторону форвакуума.
Ниже разобраны принцип передачи импульса, условие молекулярного режима течения, конструкция ступеней лопаток ротора и статора, требования к скорости вращения и подшипникам, степень сжатия по разным газам, роль форвакуумного насоса, типичная глубина вакуума, гибридные исполнения с Хольвековыми ступенями, особенности эксплуатации и сравнение с другими высоковакуумными насосами.
Турбомолекулярный насос (ТМН, turbomolecular pump) — это кинетический высоковакуумный насос, в котором перенос газа от стороны всасывания (высокого вакуума) к стороне нагнетания (форвакуума) происходит за счёт направленной передачи импульса молекулам газа быстро вращающимися лопатками ротора. Первый практический турбомолекулярный насос был разработан и запатентован в 1958 году В. Беккером.
По терминологии вакуумной техники (ГОСТ 5197) ТМН относится к группе механических насосов кинетического действия. В отличие от объёмных насосов, у него нет ячеек переменного объёма, нет цикла «всасывание — сжатие — нагнетание», а есть непрерывный поток молекул, многократно «подталкиваемых» лопатками от всасывающей стороны к выпускной.
ТМН не «качает воздух» в обычном смысле. Он работает только в молекулярном режиме течения и имеет смысл только тогда, когда длина свободного пробега молекулы больше расстояния между лопатками. На атмосферном давлении ТМН бесполезен — его обязательно ставят последовательно с форвакуумным насосом.
На атомном уровне работа ТМН выглядит так:
Условие эффективности: окружная скорость лопатки на её краю должна быть сравнима со средней скоростью теплового движения молекул газа при рабочей температуре.
Средняя тепловая скорость молекул газа (для оценки):
v̄ ≈ √(8 · kB · T / (π · m)), где kB — постоянная Больцмана, T — абсолютная температура, K, m — масса молекулы.
v̄ ≈ √(8 · kB · T / (π · m))
kB
T
m
При комнатной температуре (~293 K) типичные значения:
470 м/с
1760 м/с
440 м/с
Окружная скорость на краю лопаток в современных ТМН — порядка 150–400 м/с; это сопоставимо со скоростью тяжёлых молекул и составляет ~10–20 % от скорости водорода.
150–400 м/с
Поскольку лёгкие молекулы (особенно H₂) движутся существенно быстрее лопатки, эффект передачи импульса для них меньше — отсюда характерная зависимость основных характеристик ТМН от массы откачиваемого газа.
Принцип ТМН работает только тогда, когда движение молекул определяется их столкновениями со стенками и лопатками, а не между собой. Это и есть молекулярный режим течения.
Критерий — длина свободного пробега молекулы λ должна быть больше характерного зазора между лопатками d (Кнудсеновское число Kn = λ/d ≫ 1). При атмосферном давлении длина свободного пробега составляет десятки нанометров — на много порядков меньше зазора между лопатками, и режим течения вязкий. Турбомолекулярная ступень в этом случае работает как обычная вентиляторная: газ проходит, но эффекта откачки нет.
Молекулярный режим в газах при комнатной температуре устанавливается, начиная примерно с давления 10⁻² мбар (≈ 1 Па) и ниже. Поэтому требование к форвакууму на нагнетательной стороне обычного ТМН — около 10⁻² мбар или ниже; при более высоком давлении степень сжатия резко падает, насос «срывает».
Это фундаментальное ограничение, а не недостаток конструкции. ТМН по самому принципу действия — насос «второй ступени», работающий поверх предварительного (форвакуумного) насоса.
Чтобы накопить ощутимое сжатие, одна турбомолекулярная ступень должна повторяться многократно. Поэтому насос строится как длинная последовательность пар «диск ротора с лопатками — диск статора с лопатками», установленных на общем валу.
Каждая ступень даёт сравнительно небольшой коэффициент сжатия (от ~1,5 до ~10, в зависимости от массы молекулы и окружной скорости). Полная степень сжатия многоступенчатого насоса — это произведение коэффициентов отдельных ступеней; именно поэтому насосу нужно много ступеней, чтобы суммарно дать сжатие в 10⁸–10⁹ для тяжёлых газов и хотя бы 10³ для водорода.
Две ключевые характеристики ТМН — максимальная степень сжатия K₀ и максимальная скорость откачки S₀ — сильно различаются для разных газов.
Связь между давлениями на стороне всасывания и нагнетания при нулевом расходе:
Степень сжатия: K₀ = pвыпуск / pвпуск при нулевом потоке газа, где pвпуск — парциальное давление компонента на стороне высокого вакуума, pвыпуск — то же на форвакуумной стороне.
K₀ = pвыпуск / pвпуск
pвпуск
pвыпуск
При работе с потоком газа скорость откачки S(p) снижается с ростом давления на впуске и обращается в ноль, когда pвыпуск / pвпуск приближается к K₀.
S(p)
pвыпуск / pвпуск
K₀
Из-за низкой степени сжатия для водорода именно его парциальное давление обычно определяет предельный достижимый вакуум камеры с ТМН. На H₂ работают «хуже всего» — и это ограничение принципа, а не качества изготовления конкретного насоса.
Чтобы окружная скорость лопаток достигла сотен метров в секунду на доступных диаметрах (как правило, от 60 до 300 мм), ротор должен вращаться со скоростью в десятки тысяч оборотов в минуту. Современные ТМН работают на оборотах от 24 000 до 90 000 об/мин в зависимости от типоразмера; крупные насосы — на меньших оборотах, малые лабораторные модели и насосы с Хольвековыми ступенями — на больших.
Ротор приводится высокочастотным синхронным двигателем, обычно встроенным внутрь корпуса насоса со стороны форвакуума (чтобы избежать сальникового уплотнения вала). Двигатель питается от электронного частотного преобразователя, размещённого либо в отдельном блоке управления, либо непосредственно на корпусе насоса.
Кинетическая энергия вращающегося ротора при типичных оборотах огромна. В случае внезапной остановки (заклинивания, разрушения лопатки) эта энергия высвобождается за доли секунды; поэтому корпус и крепление насоса проектируются на восприятие крутящих и силовых нагрузок отказа. ТМН обязательно надёжно закрепляется к раме (крепление по фланцу с расчётным крутящим моментом затяжки).
Сам по себе ТМН не способен сжать газ до атмосферного давления — это вытекает из условия молекулярного режима. Поэтому в любую вакуумную установку с ТМН обязательно входит форвакуумный (предварительный) насос, который поддерживает на выпускной стороне ТМН давление ниже его максимального форвакуумного давления.
Подбор форвакуумного насоса делают по двум критериям одновременно: максимальное форвакуумное давление, которое выдерживает ТМН (не должно быть превышено в установившемся режиме), и пропускная способность по газу при рабочих условиях (должна быть достаточной для откачки штатного газового потока).
Чтобы поднять допустимое форвакуумное давление и снизить требования к предварительному насосу, в современных ТМН применяют комбинированную конструкцию: первые (со стороны высокого вакуума) ступени — классические турбомолекулярные с лопатками, последние (со стороны нагнетания) — молекулярные ступени Хольвека со спиральными каналами.
В ступени Хольвека ротор представляет собой гладкий цилиндр, а статор — расточку с винтовыми канавками; газ движется по спиральному каналу, прижимаемый трением о поверхность ротора. Молекулярные ступени работают и при более высоких давлениях (вплоть до нескольких миллибар), и дают существенное дополнительное сжатие.
Преимущества гибридной схемы:
Существует также класс «чисто молекулярных» насосов (МН) без турбомолекулярной части — они состоят только из ступеней Хольвека или Геде. Их характеристики скромнее, но они работают при ещё более высоких давлениях нагнетания.
Типовая область рабочих давлений турбомолекулярного насоса со стороны высокого вакуума — от 10⁻² Па до 10⁻⁸ Па (~10⁻⁴ – 10⁻¹⁰ мбар). При тщательной подготовке камеры (полированные внутренние поверхности, прогрев для дегазации, металлические уплотнения), правильно подобранном форвакуумном насосе и магнитной подвеске ротора лучшие установки выходят на сверхвысокий вакуум до ~10⁻¹¹ мбар и ниже.
Предел определяется в первую очередь:
Это насос с быстро вращающимся ротором, на котором установлены диски с наклонными лопатками. Молекулы газа, попадая на лопатки, получают от них дополнительный «толчок» в сторону выпуска. Чтобы это работало, газ должен быть достаточно разрежен — настолько, чтобы молекулы летели по прямой и сталкивались в основном с лопатками, а не друг с другом. Поэтому турбомолекулярный насос всегда работает в паре с обычным форвакуумным насосом, который и создаёт необходимое начальное разрежение.
Из герметичного корпуса; ротора с дисками-лопатками на общем валу; чередующихся со ступенями ротора неподвижных дисков-лопаток статора; высокочастотного синхронного двигателя; подшипников (шариковых с гибридными керамическими шариками или магнитной подвески); внешнего или встроенного частотного преобразователя; впускного фланца со стороны высокого вакуума и выпускного — со стороны форвакуума. Дополнительно входят клапаны вентиляции, датчики температуры и оборотов, иногда система водяного охлаждения корпуса.
Принцип передачи импульса работает только в молекулярном режиме течения, когда длина свободного пробега молекулы больше расстояния между лопатками. При атмосферном давлении среда плотная, молекулы сталкиваются между собой каждые несколько десятков нанометров, и любой «толчок» от лопатки тут же теряется в случайных столкновениях. Поэтому ТМН становится эффективным только начиная с давления порядка 10⁻² мбар и ниже. До этого давления камера откачивается отдельным форвакуумным насосом.
Чтобы обеспечить на выпускной стороне ТМН достаточно низкое давление (порядка 10⁻² мбар или ниже для классического ТМН, до единиц миллибар для гибридных насосов с Хольвековыми ступенями). Без форвакуумного насоса газ просто не может покинуть выпускной фланец ТМН — давление там быстро поднимается, и насос срывается. Кроме того, форвакуумный насос откачивает камеру с атмосферы до диапазона, в котором ТМН эффективен.
В бюджетных и общепромышленных исполнениях — гибридные шариковые подшипники с керамическими шариками и специальной смазкой; они требуют периодического обслуживания. В чистых, аналитических и сверхвысоковакуумных установках — магнитная подвеска ротора: ротор удерживается активным магнитным полем и не касается корпуса вообще. Это даёт нулевой контактный износ, отсутствие смазки в проточной части и углеводородно-чистый вакуум, но дороже и требует исправной электроники подвеса.
Типовая рабочая область — высокий вакуум от 10⁻² до 10⁻⁸ Па (примерно от 10⁻⁴ до 10⁻¹⁰ мбар). При тщательно подготовленной камере, прогреве для дегазации, металлических уплотнениях и магнитной подвеске ротора возможен сверхвысокий вакуум до ~10⁻¹¹ мбар и ниже. В этих условиях предельный вакуум часто определяется не самим насосом, а парциальным давлением водорода и натеканием через уплотнения.
Тепловая скорость молекулы водорода при комнатной температуре около 1760 м/с — существенно выше окружной скорости лопаток (150–400 м/с). Чтобы добавочный импульс лопатки заметно отклонял движение молекулы в сторону выпуска, скорости должны быть сопоставимы. Для лёгкого и быстрого водорода эффект слабее, поэтому степень сжатия ТМН по H₂ — порядка 10³, в то время как по азоту — 10⁸–10⁹. Для глубокого вакуума по водороду применяют гибридные насосы с Хольвековыми ступенями и тщательную дегазацию системы.
Насос, в котором первые (со стороны высокого вакуума) ступени — классические турбомолекулярные с лопатками, а последние (со стороны форвакуума) — молекулярные ступени Хольвека со спиральными каналами между ротором и статором. Хольвек работает и при более высоком форвакуумном давлении, поэтому гибридный ТМН можно подключать к компактным мембранным или Scroll-насосам и получить полностью масло-свободную вакуумную систему. Дополнительно повышается степень сжатия по лёгким газам.
Диффузионный насос передаёт импульс молекулам струёй пара рабочей жидкости (углеводородной или силиконовой); он прост и надёжен, но даёт углеводородное загрязнение и требует охладительной ловушки. Криогенный насос «вымораживает» газы на холодных поверхностях; даёт самый глубокий вакуум, но требует криогенной системы и периодической регенерации. ТМН — кинетический насос с механическим ротором: запускается быстро, даёт чистый вакуум (особенно при магнитной подвеске), универсален по большинству газов, но имеет огромную кинетическую энергию ротора и обязательно работает в паре с форвакуумным насосом.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.