ВЫСОКОВАКУУМНЫЙ ГИБРИДНЫЙ НАСОС
HYBRID HIGH-VACUUM PUMP

Область применения - вакуумная техника.
Насос предназначен для получения высокого и сверхвысокого вакуума в герметичных объемах. Насос может применяться в гелиевых течеискателях, масс-спектрометрах, вакуумных установках, требующих получения высокого вакуума в небольших объемах.
Наиболее близким к заявляемому является турбомолекулярный насос [Насос турбомолекулярный ВВ 150. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ВВ 150-010002ТО, НТЦ «Энергонасос ЦКБМ», 1999 г.], который содержит цилиндрический корпус, составленный из трех корпусов - верхнего корпуса, среднего корпуса и нижнего корпуса. В верхнем корпусе насоса расположены статор и ротор насоса. В верхней части верхнего корпуса находится фланец, к которому присоединяется откачиваемый объект. На внутренней поверхности верхнего корпуса установлены проставочные кольца, между которыми установлены статорные диски. Статорные диски выполнены разрезными, в виде полудисков, что облегчает их установку на внутреннюю поверхность корпуса насоса. По оси корпуса установлен вал насоса, закрепленный на двух подшипниках, один из которых расположен в нижней части корпуса насоса, а другой в средней. На валу установлен ротор в виде втулки, с закрепленными на ней напрессовыванием роторными дисками. Втулка закрепляется на валу также напрессовыванием. Статорные и роторные диски имеют лопатки, причем расположение лопаток статорных дисков представляет собой зеркальное отображение расположения лопаток роторных дисков, при этом имеется два вида дисков, различающихся по количеству лопаток и их конфигурации. Чередующиеся между собой статорные и роторные диски образуют однопоточную проточную часть насоса. Насос снабжен электродвигателем, статор которого закреплен в нижнем корпусе насоса, а ротор электродвигателя закреплен на валу ротора насоса.
Такой насос не обеспечивает надежной и долговременной работы. Прежде всего, это связано с тем, что насос снабжен тяжелым ротором, который создает большую нагрузку на подшипники. Из-за этого требуется использовать подшипники больших размеров, которые имеют меньший срок службы. Подшипники установлены на валу на большом расстоянии друг от друга и располагаются в разных частях корпуса насоса. Такое конструктивное решение установки подшипников (удаленность нижнего подшипника от массивного ротора насоса) приводит к быстрому выходу из строя нижнего подшипника в связи с увеличенными радиальными нагрузками на него. Это приводит к сокращению срока службы насоса. При такой установке подшипников трудно исключить возможность возникновения перекоса наружных обойм подшипников относительно внутренних обойм, закрепленных на валу насоса. Кроме того, такой насос характеризуется сложным процессом изготовления. Лопатки дисков ротора выполняются на фрезерном станке, что трудоемко и долговременно, а также требует специальных приспособлений. Таким образом, такой насос не надежен в работе, имеет большой вес и габариты, а изготовление его частей и сборка насоса в целом является долговременным и трудоемким процессом.
Предлагаемое техническое решение направлено на повышение надежности турбомолекулярного насоса, технологичности его изготовления и сборки при уменьшении его веса и габаритов, а также на улучшение откачных характеристик.
Сущность заявляемого устройства заключается в том, что турбомолекулярный насос представляет собой комбинированную высокооборотную осевую турбину, имеющую в своем составе активную вязкостную ступень, выполненную в виде четырехзаходной резьбовой канавки прямоугольного профиля переменного сечения, размещенной на внутренней поверхности ротора.
Насос имеет цилиндрический корпус, состоящий из 3-х частей, внутри которого расположена проточная часть. Проточная часть состоит из турбомолекулярной ступени, выполненной в виде чередующихся между собой лопаток ротора и лопаток статорных дисков, а также вязкостной ступени, выполненной в виде четырехзаходной резьбовой канавки прямоугольного профиля переменного сечения. При вращении ротора поток откачиваемого газа направляется от верхней высоковакуумной части, через турбомолекулярную ступень, и далее через вязкостную ступень, где достигается дополнительное сжатие газа, в форвакуумную часть к выходному фланцу, к которому подсоединяется система форвакуумной откачки.
В насосе предусмотрен промежуточный порт - возможность подключения насоса к откачной системе в зоне между турбомолекулярной ступенью и вязкостной ступенью.
Подключение насоса к откачной системе с использованием промежуточного порта позволяет изменять характеристики насоса в широком диапазоне рабочих давлений и производительности.
Ротор насоса установлен на двух высокоскоростных подшипниках.
Насос характеризуется следующими особенностями.
Подшипники, на которых закреплен вал насоса, размещены в обойме, ее конструкция обеспечивает надежность и долговечность работы подшипников, позволяя исключить возможность перекоса наружных обойм подшипников относительно внутренних обойм, закрепленных на валу насоса. Также обойма обеспечивает простоту сборки насоса и позволяет сократить линейные осевые размеры насоса.
Большая часть обоймы с подшипниками размещена в среднем корпусе насоса, форма которого предусматривает такое расположение, так как средний корпус снабжен соосным ему цилиндрическим выступом для размещения в нем обоймы. Этот цилиндрический выступ с обоймой заходит во внутренний объем верхнего корпуса и располагается в выполненной специально для этого полости ротора. Такое конструктивное выполнение частей насоса и взаимное их расположение позволяет обеспечить компактность насоса, соответственно уменьшить его габариты и вес.
Ротор насоса выполнен монолитным, что обеспечивает технологичность его изготовления, а также отсутствие собственных резонансных частот в зоне рабочих скоростей насоса.
Определенный угол наклона лопаток и длина лопаток роторных дисков задается изгибом лопаток при их изготовлении, что обеспечивает высокую технологичность изготовления ротора и возможность изготовить насос с оптимальной проточной частью. Кроме этого сокращается время, затрачиваемое на его изготовление, повышаются эксплуатационные характеристики насоса, и обеспечивается уменьшение его веса.
Посадочная на вал часть ротора выполнена в виде конуса Морзе, что облегчает сборку насоса, обеспечивает соосность ротора с валом насоса, это уменьшает вибрацию при работе и соответственно увеличивает надежность и срок работы насоса, а также комфортность при эксплуатации насоса, так как снижается шумовое воздействие. Кроме того, облегчается процесс разборки насоса и, соответственно, профилактическое обслуживание насоса.
Проточная часть насоса образована чередующимися между собой статорными и роторными дисками. Статорные диски выполнены разрезными и неподвижно установлены в корпусе проточной части. Между статорными дисками установлены статорные кольца. Пакет статорных дисков и статорных колец при сборке насоса сжимается регулировочными кольцами, обеспечивающими осевые зазоры между лопатками ротора и статорными дисками.
Все роторные диски выполнены с одинаковым числом лопаток, а длина лопаток и угол их наклона к плоскости диска на разных дисках различные, кроме этого лопатки на статорных дисках отличаются от лопаток на соответствующих роторных дисках, как по числу, так и по длине лопаток и углу ее наклона к плоскости диска. Угол наклона лопаток к плоскости диска составляет на первом и втором дисках - 35°, на третьем, четвертом, пятом и шестом - 20°, а на седьмом, восьмом, девятом и десятом - 10°. Статор содержит также десять статорных дисков, при этом два диска имеют длину лопаток 20 мм, а угол наклона к плоскости диска составляет 35°, остальные восемь дисков имеют длину лопаток 10 мм, а угол наклона лопатки составляет 15°. Такое выполнение проточной части насоса позволяет оптимизировать ее за счет возможности выполнения трех или более видов роторных дисков и, соответственно, повысив степень сжатия, улучшить откачные характеристики насоса.
Фиг.1 - общий вид турбомолекулярного насоса (продольный разрез), где приняты следующие обозначения:
1. Основание статора.
2. Вал ротора.
3. Опора ротора.
4, 5, 6. Статорные диски.
7. Роторные диски.
8. Вязкостная ступень.
9. Демпфер подшипникового узла.
10. Ротор насоса.
11. Статорные кольца.
12. Регулировочные прижимные кольца.
13. Антифрикционная втулка.
14. Статор насоса.
15. Промежуточный порт.
16. Верхняя часть корпуса.
17. Средняя часть корпуса.
18. Нижняя часть корпуса.
19. Выходной фланец.
20. Обойма подшипников.
21. Подшипники.
22. Статор электродвигателя.
23. Ротор электродвигателя.
Турбомолекулярный высоковакуумный гибридный насос содержит (фиг.1) составной корпус, состоящий из верхней части корпуса 16, средней части корпуса 17 и нижней части корпуса 18. Внутри корпуса 16 расположен статор насоса 14, статорные диски 4, 5 и 6, статорные кольца 11 и ротор насоса 10, ориентированный по оси насоса с роторными дисками 7, посадочная часть которого выполнена в виде конуса Морзе и установлена на валу ротора насоса 2. Также ротор насоса 10 имеет полость, размеры и форма которой позволяют разместить в ней цилиндрический выступ средней части корпуса 17, в котором в свою очередь размещен шарикоподшипниковый узел - обойма 20, с запрессованным в корпус опоры подшипниками 21 с резиновыми температурными компенсаторами-демпферами 9. В нижней части корпуса 18, на его внутренней поверхности установлен статор 22 электродвигателя, а ротор электродвигателя 23 закреплен на валу насоса 2. В откачной зоне между турбомолекулярной ступенью и вязкостной ступенью выполнен промежуточной порт 15 - отвод для промежуточной откачки газа.
Заявляемый турбомолекулярный насос работает следующим образом.
При подаче напряжения на статор электродвигателя 22 ротор электродвигателя 23 приводит во вращение вал 2 насоса, установленный на подшипниках 21, которые расположены в обойме 20, исключающей перекос обойм подшипников. Вместе с валом 2 приходит во вращение ротор насоса 10, установленный на вал 2. Ротор насоса 10 вращается вокруг выступа средней части корпуса насоса 17 с антифрикционной втулкой 13, являющимся статором вязкостной ступени насоса 14. При этом роторные диски 7 вращаются между статорными дисками 4, 5 и 6, обеспечивают прохождение молекул газа из откачиваемого объема вдоль оси насоса. В нижней части ротора молекулы газа изменяют направление, и захватываются спиральными активными канавками, выполненными на внутренней поверхности ротора, и за счет раскрутки начинают ускоренно двигаться вверх, и через канал корпуса поступают на выход насоса.
За счет применения активной спирали вместо общепринятой спирали Хольвека расширился диапазон давлений, при которых устойчиво работает молекулярная ступень.
Сочетание вращающегося ротора с нарезанной четырехзаходной прямоугольной резьбой с изменяемой глубиной канавки от входа к выходу вокруг неподвижного статора с минимальным взаимным зазором создают так называемую вязкостную или молекулярную ступень.
Сравнивались турбомолекулярные насосы ТМГН 50/63 с активной спиралью и Эдварде EXT75DX со спиралью Хольвека.
На фиг.2 показана зависимость давлений на входе в турбомолекулярный высоковакуумный гибридный насос от давления на выходе для насоса оснащенного спиралью Хольвека |X|, и насоса с активной спиралью |A|.
На графике фиг.2 видно, что при достижении предельного давления на выходе в турбомолекулярном насосе со спиралью Хольвека происходит срыв вакуума (это вызывает остановку насоса), при использовании же активной спирали постепенно повышается давление в турбомолекулярной части и насос останавливается при давлении на входе 130 Па.
Необходимо отметить, что сравниваемый насос Эдварс ЕХТ750 имеет 2 ступени со спиралью Холдеса, при этом максимальное выходное давление создаваемое им - 800 Па, а насос THFH-50-63 имеет одну ступень с активной спиралью и максимальное выходное давление создаваемое им - 1500 Па.
Высоковакуумный гибридный насос предлагаемой конструкции был изготовлен на производственной базе ОАО «Завод «Измеритель» и проведены его испытания. Испытания показали, что за счет введения второй ступени, выполненной на внутренней поверхности ротора в виде четырехзаходной прямоугольной резьбы переменного сечения, выбора оптимальных углов лопастей статорных и роторных дисков существенно изменились характеристики вакуумной ступени насоса, статорная неподвижная часть насоса отделена от ротора насоса антифрикционной втулкой, изготовленной из графитофторопластового материала. Также за счет помещения подшипников в обойму, запрессовываемую в среднюю часть корпуса, обеспечивается соосность и исключается перекос наружных обойм подшипников относительно внутренних обойм, закрепленных на валу насоса. Также обойма обеспечивает простоту сборки насоса и позволяет сократить линейные и осевые размеры движущихся частей насоса, что увеличивает долговечность насоса, расширяя эксплуатационный период с сохранением заданных параметров.
Таким образом, предлагаемая конструкция насоса обеспечивает повышение производительности насоса, его надежную и долговечную работу с требуемыми откачными характеристиками.