Принцип действия турбомолекулярного насоса основан на сообщении молекулам разреженного газа направленной дополнительной скорости быстро движущейся твердой поверхностью.
Рабочий механизм насоса образован роторными и статорными дисками, имеющими радиальные косые пазы — каналы, боковые стенки которых наклонены относительно плоскости диска под углом 40—15°; причем пазы статорных дисков расположены зеркально относительно пазов роторных дисков. Между статорными дисками и валом ротора и между роторными дисками и корпусом насоса имеются зазоры. При молекулярном режиме течения газа в насосе, т. е. при давлениях ниже 10-1—1 Па, такая система подвижных и неподвижных пазов обеспечивает преимущественное прохождение молекул газа в направлении откачки. Действительно, молекула газа, прошедшая через статорный паз (или отразившаяся от статорного диска и движущаяся к роторному диску слева), попав в паз роторного диска, имеет большую вероятность пройти через него, так как боковая стенка роторного паза уходит с пути молекулы. Стенка не может ее нагнать, в то время как такая же молекула, подходящая к роторному диску справа, т. е. против направления откачки, вошедшая в паз, будет с большой вероятностью задержана стенкой роторного паза и отражена обратно в направлении откачки. Молекулы, отраженные роторным диском, кроме тепловой скорости, приобретают дополнительную скорость. Эта скорость
равна окружной скорости роторного диска и направлена параллельно оси насоса. Благодаря соответствующему углу наклона боковых стенок статорного паза здесь также обеспечивается преимущественное прохождение молекул в направлении откачки.
Таким образом, каждая ступень, состоящая из роторного и статорного дисков, создает перепад давлений. Причем наибольшее отношение давлений по обе стороны ступени (степень сжатия) равно приблизительно отношению вероятностей перехода молекул через паз в направлении откачки и в обратном направлении, а наибольшая возможная быстрота ступени пропорциональна разности 21-2- 22-1. В области достигнутых окружных скоростей в современных промышленных турбомолекулярных насосах разность XI-2- характеризуется почти линейной зависимостью, т. е. эффективность насоса возрастает с ростом окружной скорости ротора и с уменьшением наиболее вероятной скорости молекул. Расчеты показывают, что максимальная быстрота действия достигается при угле наклона пазов около 30°. С другой стороны, для получения достаточно высокой степени сжатия в одной ступени (от 3 до 5) угол наклона паза должен быть не более 20°.
Поэтому в современных насосах высоковакуумные ступени выполняются с углом наклона 35°, а все остальные — 20°. Для «быстрых» молекул (легких газов) окружная скорость ротора является относительно меньшей, чем для «медленных» молекул (тяжелых газов), поэтому коэффициент сжатия ступени заметно меньше для легких газов. Каждый роторный и статорный диск создает небольшой перепад давлений, однако благодаря большому количеству последовательных ступеней (30—40) обеспечивается высокий коэффициент сжатия насоса в целом (102—103 по водороду, 107—109 по азоту). Так как турбомолекулярные насосы имеют очень высокий коэффициент сжатия для тяжелых газов, то во время работы эти насосы являются надежным барьером против проникновения тяжелых молекул масла из форвакуумной полости насоса.
Конструкции и характеристики. Высокая надежность насосов достигается тем, что они приводятся во вращение от высокочастотного электродвигателя, ротор которого расположен в форвакуумной полости на общем валу с ротором насоса. Таким образом, исключается вакуумный ввод вращения, манжеты которого подвержены износу. Ротор вращается с частотой около 18 ООО об/мин и перед сборкой насоса подвергается тщательной динамической балансировке, что обеспечивает работу насоса без шума и вибраций, а также долговечность подшипников.
Смазка подшипников осуществляется маслонасосом, имеющим небольшой собственный электродвигатель. В случае аварийного отключения электроэнергии подача смазки прекращается, а ротор турбомолекулярного насоса способен по инерции вращаться еще 40—60 мин. Однако это не ведет к повреждению подшипников, имеющих текстолитовые сепараторы. Небольшой поток воды используется для охлаждения статорной обмотки электродвигателя и торцевых крышек, отделяющих подшипники от полости на выходе последнего форвакуумного диска насоса с тем, чтобы уменьшить в этой области давление паров масла. Основным остаточным газом является водород (массовое число 2). Кроме того, содержится небольшое количество паров воды (массовое число 18), смесь окиси углерода и азота (массовое число 28) и двуокиси углерода (массовое число 44). Таким образом, в остаточных газах тяжелые углеводородные соединения не обнаруживаются, и турбо-молекулярные насосы с достаточным основанием считаются безмасляными средствами откачки, хотя в их форвакуумных полостях присутствуют пары масла, используемого для смазки подшипников насоса, и пары масла, попадающие туда из механического вакуумного насоса. Быстрота действия остается постоянной в широком диапазоне давлений — от 10"1 Па, когда начинает сказываться изменение режима течения газа через диски насоса, до 10~® Па, когда на быстроту действия оказывает влияние водород, выделяющийся из насоса и перетекающий со стороны форвакуумной полости насоса. Предельное остаточное давление турбомолекулярных насосов составляет 10s—10“7 Па. Достоинства турбомолекулярных насосов — быстрый запуск, малая селективность при откачке различных газов, отсутствие паров масла и продуктов его разложения в остаточной атмосфере, возможность получения сверхвысокого вакуума без использования ловушек на входе. Механизм насоса не повреждается при прорывах атмосферного воздуха. Все это обусловило их широкое применение во многих отраслях науки и промышленности.
При эксплуатации турбомолекулярных насосов необходимо контролировать поступление масла к подшипникам (для чего в насосе предусмотрены смотровые окна) и отсутствие шумов, появление которых свидетельствует об износе подшипников. Недопустима длительная выдержка остановленного турбомолекулярного насоса под форвакуумным давлением (ниже 10 Па), так как при этом пары масла могут проникнуть со стороны форвакуума через роторный механизм на сторону высокого вакуума.
Остановленный турбомолекулярный насос должен быть заполнен осушенным воздухом или азотом до атмосферного давления через кран, имеющийся в форвакуумном патрубке насоса. Небольшое количество паров масла, попавшее на вход турбомолекулярного насоса, обычно легко удаляется прогревом корпуса в области впускного патрубка до 100—120 °С при работающем турбомолекулярном насосе. Большую опасность для работы насоса представляет попадание в него твердых частиц. При наличии такой опасности во входном патрубке насоса должна быть установлена металлическая сетка с размерами ячейки 1 х 1 мм.