Молекулярные насосы
Лекция №13
Молекулярные насосы
Главная идея молекулярного насоса - придание всем молекулам откачиваемого газа движущимся в произвольных направлениях дополнительной составляющей скорости в направлении к выпускному патрубку.
Принцип работы такого насоса (насоса Геде) иллюстрируется рис. 4. Цилиндрический ротор 3 вращается внутри герметичного статора 4 и гонит газ от впускного патрубка 1 к впускному патрубку 2. Между статором 4 и ротором 5 имеется рабочая полость (в которой и осуществляется перекачка) за исключением зоны, находящейся наверху, между патрубками, где статор и ротор находятся вплотную друг к другу (с зазором 0,1 мм). В низком вакууме для такого насоса соотношение впускного Рвп и выпускного давления определяется соотношением, определяемом вязкостью газа:
Робр-Рвп=6Ln/h
где n – частота вращения ротора;
l – длина зазора;
h – глубина зазора;
η –вязкость откачиваемого газа
Рекомендуемые материалы
В высоком вакууме соотношение впускного и выпускного давлений определяется вектором дополнительной скорости молекул и геометрией ротора:
где В – константа, зависящая от параметров зазора и массы молекул газа.
При зазоре δ0.1 мм между ротором и статором, в котором образуется вредный для насоса обратный поток газа и при параметрах насоса:
Dr =50 мм, n = 12000 об/мин, Pвып = 5 Па , насос обеспечивает предельный вакуум
Р1 = 5*10-5 Па. При уменьшении частоты вращения ротора до 4000 об/мин (как в опытах Геде), тот же насос создает вакуум лишь Р15*10-2 Па.
Опыт показывает, что с таким типом насоса невозможно обеспечить большую быстроту откачки (SH > 1 л/с) из-за малой пропускной способности рабочей полости насоса. Для достижения больших скоростей откачки используют другой тип молекулярных насосов – турбомолекулярные насосы .
Турбомолекулярные насосы (ТМН)
В отличие от молекулярного насоса, где ротор и отраженные от него молекулы движутся в одном направлении, в турбомолекулярном насосе молекулы откачиваемого газа двигаются перпендикулярно плоскости вращения ротора насоса.
Процесс откачки газа в турбомолекулярном насосе обеспечивается системой чередующихся, вращающихся и неподвижных дисков, в которых сделаны косые прорези, как это показано на рис. 30.
Рис. 30 Схема работы турбомолекулярного насоса:
а) схема конструкции;
б) процесс пролета молекул через систему дисков с прорезями;
в) диаграмма скоростей
Цифрами обозначены:
1 – диски статора с прорезями, наклоненными под углом β к плоскости
дисков;
2 – диски ротора с прорезями под углом α к плоскости (вращения) дисков;
3 – вал ротора;
4 – выпускной патрубок
Молекулы движущиеся вниз от впускного фланца вдоль наклонных прорезей неподвижного диска 1 (рис. 30 б) попадая в объем, занимаемый диском 2 не соударяются со стенками прорезей в диске 2, которые движутся с линейной скоростью Vr , которая может быть рассчитана с помощью векторной диаграммы скоростей показанной на рис. 30с, где Vm –вектор скорости теплового движения “откачиваемой” молекулы, Vr - скорость перемещения стенки зазора ротора;
пунктир – направление вектора “проскальзывания” молекулы вдоль стенки прорези ротора. Молекулы газа, движущиеся в других направлениях, с другой (резко отличающейся от Vm) скоростью или движущиеся в обратном направлении пропускаться системой дисков не будет.
Для эффективной откачки молекул газа, движущихся со средней тепловой скоростью Va 500м/с необходимо придать ротору (диаметру 200-400 мм) скорость вращения около 16000-25000 об/мин.
Геометрическая быстрота откачки ТМН может быть выражена:
м3*с-1
где V1– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени,
V1 =117м/с,
- суммарная площадь поперечных сечений прорезей неподвижного
17 Сварочное производство - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
(подвижного) дисков, т.е. воображаемая площадь “откачивающая” газ,м2.
t1 - время, когда прорези дисков 1 не закрыты перемычками дисков 2
t2 - период взаимного перекрытия прорезей перемычками.
Основная причина, вызывающая отклонения действительной быстроты откачки от “геометрической”, заключается в отличии скоростей основной массы молекул газа от расчетной Va , в соответствии с законом Максвелла о распределении молекул по скоростям.
Турбомолекулярные насосы способны создать предельное давление до Р1 =106Па и обеспечить стабильную быстроту откачки 100-1000 л/с (0,1-1 м3с-1) в диапазоне впускных давлений Р вп = 10-1 – 5*10-6 Па.
Эти насосы хорошо приспособлены откачки больших потоков газов, в том числе агрессивных, что делает их незаменимыми в микроэлектронике при реализации процессов нанесения и травления тонких пленок.