Молекулярные насосы основаны на явлении увлечения газа в результате соударений его молекул с быстро вращающимся ротором. Если в разреженном газе разместить быстро движущуюся поверхность, то молекулы газа после удара об эту поверхность приобретут дополнительную скорость в направлении движения поверхности.

Эта формула справедлива только для высокого вакуума. Молекулярные насосы требуют предварительного вакуума порядка сотых долей мм рт. ст., необходимого для образования достаточно большой по сравнению с h длины свободного пробега.

Достижимое предельное давление зависит от величины предварительного вакуума и конструкции насоса. Большим достоинством насоса является отсутствие устройств для улавливания паров рабочей жидкости.

Молекулярные насосы начинают работать сразу после пуска и не боятся попадания атмосферного воздуха внутрь насоса.

Впервые молекулярный насос был предложен в 1913 г. (рис. 342, а), но несмотря на создаваемое им предельное давление —10^-7 мм рт. ст. до 1956 г. он не получил широкого распространения из-за небольших скоростей откачки и необходимости чрезвычайно малого зазора между ротором и статором. В 1956 г. был разработан турбовидный молекулярный насос (рис. 342, г), в котором зазор между ротором и статором составлял 1 мм, а скорости откачки резко возросли. С этого времени в некоторых странах начали интенсивно работать над усовершенствованием конструкций турбовидных молекулярных насосов и над объяснением механизма их действия.

Как теоретически, так и практически подтвердилась возможность снятия ограничений в производительности этих насосов с сохранением всех их преимуществ. Основные преимущества турбомолекулярных насосов: отсутствие нагретых элементов; эффективная откачка всех без исключения газов; отсутствие в среде остаточного газа компонентов с молекулярной массой более 44 при работе без охлаждаемых ловушек; сохранение максимальной скорости откачки при давлениях 10"3 —10^-9 мм рт. ст.; быстрый выход на рабочий режим.

Подобные насосы выпускаются фирмой Пфейфер (ФРГ) со скоростями откачки от 70 до 4200 л/с и предельным давлением порядка 10^-10 мм рт. ст.(насосы TVP). В этих насосах, как уже говорилось, зазор между ротором и статором увеличен в десятки раз по сравнению с классическими молекулярными насосами, что резко повысило их надежность.

Насос TVP-500 имеет 78 чередующихся дисков ротора и статора с лопатками. Зазор между дисками около 1 мм. Диски образуют два пакета, и откачка газа производится двумя параллельными потоками. При частоте вращения ротора 16 ООО об/мин достигается скорость откачки воздуха около 140 л/с при поперечном сечении корпуса 250 см².

 

Компания СОЖЭВ (Франция) производит турбомолекулярный насосный агрегат, состоящий из турбомолекулярного насоса (650 л/с), диффузионного масляного насоса (100 л/с) и форвакуумного пластинчато-роторного(30 м3/ч). Предельное давление, создаваемое этим агрегатом, ниже 10^-10 мм рт. ст.

В новых конструкциях турбомолекулярных насосов передняя статорная решетка заменена тонкими профилями, что дает значительный эффект (рис. 347).

На рис. 348 показан турбомолекулярный агрегат ТВА-200 отечественного производства. Турбомолекулярный высоковакуумный агрегат ТВА-500М состоит из насоса ТВН-500М (модернизированного), форвакуумного насоса ВН-20-2, магнитного клапана MK с Ду-50 мм и пульта управления.

Таблица 66

Основные характеристики турбомолекулярных насосов

Техническая характеристика агрегата ТВА-500М

Предельный вакуум, измеренный во входном патрубке, в мм рт. ст.............. (1—2)*10^-9

Частота вращения в об/мин ..... 12 000

Мощность в кВт .......... 2,5

Расход воды в л/ч . . .120

Габаритные размеры в мм 1010x 820x 940 Масса в кг .......500

Рабочая область давлений турбомолекулярных насосов от 2•1O^-10 до 10^-5 мм рт. ст. В начале откачки турбомолекулярный насос оказывает некоторое изменяющееся сопротивление потоку, обеспечиваемому форвакуумный насосом, и лишь после достаточного снижения давления и уменьшения потока получает возможность создавать разрежение.

Поэтому недостаточная производительность форвакуумного насоса или большое сопротивление форвакуумной коммуникации могут привести к тому,что турбомолекулярный насос не достигнет максимальной расчетной скорости откачки, особенно по откачке легких газов, по которым насос имеет более крутой спад характеристики скорости откачки с увеличением степени сжатия.

Беляев в своих работах показал, что действие турбомолекулярного насоса можно рассматривать как динамически регулируемое сопротивление.

Иначе говоря, газ откачивается здесь в результате меняющегося сопротивления проходного сечения каналов диска при работе насоса. Поэтому и отпадает необходимость в создании весьма малого зазора.

Рис. 346. Кривые скорости откачки некоторых промышленных турбомолекулярных насосов

Была экспериментально определена зависимость скорости откачки и коэффициента сжатия от угла установки передней грани лопатки и от степени сужения канала. Опыты показали, что наиболее выгодны диски с тонкими лопатками, закрученными по высоте пропорционально радиусу диска с увеличением угла установки передней грани лопатки.

Такие диски имеет насос TBH-1000, скорость откачки которого в 2 раза больше, чем у насоса TVP-2000 (ФРГ),хотя габаритные размеры их одинаковы.

Поэтому в отличие от насосов, рассчитываемых лишь на откачку воздуха, при проектировании турбомолекулярного насоса необходим дополнительный расчет на откачку самого легкого газа — водорода.

Рис. 349. Зависимость скорости откачки промышленных турбомолекулярных насосов от молекулярной массы откачиваемого газа (по Беляеву)