Как выбрать турбо­молекулярный насос для вакуумной системы

Какие исходные данные нужны для подбора

Начните с краткого описания установки и таблицы параметров. Для действующей системы приложите вакуумную схему и запись давления во времени, если она есть.

Прокрутите таблицу по горизонтали →

Этого достаточно для первого инженерного подбора: можно определить требуемый класс производительности и отсеять несовместимые исполнения. Если газовая нагрузка пока неизвестна, укажите это прямо. На следующем этапе её оценивают по процессу, материалам и измерениям; заменять её одним объёмом камеры нельзя.

Рабочее давление и предельное давление: что сравнивать

Рабочее давление поддерживается при выполнении процесса: с подачей газа, нагревом, испарением материала или другими источниками газовой нагрузки.

Паспортное предельное давление насоса — ultimate pressure относится к условиям испытания, указанным изготовителем. Значение может быть получено после прогрева, с определённым уплотнением и форнасосом. Сравнивать показатели двух изделий имеет смысл только вместе с этими условиями. [5], [15]

Предельное давление установки определяется всей системой. Его ухудшают течи, газовыделение стенок и образцов, загрязнения, проницаемость уплотнений, ограниченная проводимость и поступление газа со стороны форвакуума. Поэтому паспортная величина ТМН не становится автоматически давлением в подключённой камере. [7]

В техническом задании лучше написать: «Достичь указанного давления после такой-то подготовки, с такой-то загрузкой и за такое-то время». Формулировка «нужен максимальный вакуум» не задаёт проверяемого результата.

Все давления в расчётах ниже — абсолютные. Не смешивайте Па, мбар и торр: 1 мбар = 100 Па.

Скорость откачки: от газовой нагрузки к требованию на камере

Скорость и газовый поток — разные величины

Скорость откачки S, или быстрота действия, показывает объём газа, удаляемый за единицу времени при давлении в рассматриваемом сечении. Обычно её выражают в л/с или м³/ч.

Газовый поток Q, также называемый throughput, характеризуют произведением давления на объёмный расход. При согласованных единицах:

Например, при p в мбар и S в л/с поток Q получают в мбар·л/с. Это не расход в литрах при атмосферном давлении. При пересчёте sccm необходимо учитывать стандартные условия, к которым отнесён расход. [2]

Газовую нагрузку собирают из технологического напуска, газовыделения материалов, течей и других источников. Для установившегося режима предварительное требование к скорости на камере:

Такая оценка подходит, когда собственный фоновый вклад откачной системы существенно ниже требуемого давления, а Q и S относятся к одному газу и режиму. При значимом обратном потоке, работе около предельного давления или со смесью газов нужен более полный газовый баланс. Для смеси учитывают вклады отдельных компонентов и соответствующие им скорости. [7]

Почему паспортные л/с не равны скорости у камеры

Паспортная скорость относится к входу насоса. Между ним и камерой обычно находятся патрубок, клапан, сильфон или ловушка. Их сопротивление уменьшает доступную скорость:

S_эфф

скорость откачки у камеры

S_насоса

скорость на входе насоса

C

проводимость соединения

где C — проводимость соединения; все три величины выражены в одинаковых единицах.

Зависимость описывает последовательное соединение камеры, тракта и насоса при установившемся потоке и пренебрежимо малом дополнительном газовыделении самого тракта. В молекулярном режиме проводимость не зависит от давления, но зависит от газа, температуры и геометрии. В переходном и вязкостном режимах значения C и S необходимо согласовывать с локальными давлениями. [1]

Инженерный смысл прост: скорость у камеры ограничена и насосом, и трактом. Если проводимость намного меньше скорости насоса, дальнейшее увеличение ТМН даёт небольшой эффект.

Для предварительной проверки используйте калькулятор эффективной скорости откачки. Вводите проводимость всей соединительной линии; расчёт одной прямой трубы не учитывает автоматически клапаны и другие элементы.

Объём камеры и время выхода на режим

Объём определяет количество газа, которое первоначально находится в камере, но не описывает последующее газовыделение. Две камеры одинакового объёма, с разными материалами, образцами и временем пребывания на воздухе, могут откачиваться по-разному.

Для идеализированного участка откачки используют:

Здесь V — объём камеры, p₁ и p₂ — начальное и конечное давления. При V в литрах и S_эфф в л/с время получается в секундах.

Допущения: постоянные объём, температура и эффективная скорость; газовая нагрузка пренебрежимо мала; конечное давление достаточно далеко от предела системы. Подставлять скорость ТМН в эту формулу для всего пути от атмосферы до высокого вакуума нельзя. [3]

Реальный цикл включает предварительную откачку, разгон ротора, переходные режимы и удаление газа, выделяющегося с поверхностей. Некоторые этапы перекрываются во времени — их нельзя всегда просто сложить. На глубоком вакууме определяющим ограничением часто становится газовыделение. [3]

Для одного газа при постоянных объёме и температуре упрощённый баланс имеет вид:

Зависимость скорости от времени учитывает, в частности, разгон ротора. Для смеси с меняющимся составом составляют балансы отдельных компонентов. Если постоянная нагрузка уравновешивается откачкой, давление перестаёт снижаться. При существенном фоновом вкладе насоса модель дополняют соответствующими членами. [2]

Калькулятор времени откачки вакуумной камеры помогает оценить упрощённый сценарий. Он не заменяет расчёт реального цикла с газовыделением, изменением скорости и переключением ступеней.

Газовый состав и степень сжатия

Для выбора нужны как минимум две характеристики по рабочему газу: скорость откачки S и степень сжатия K.

Степень сжатия — отношение парциального давления определённого газа на выходе ТМН к его парциальному давлению на входе. Максимальное паспортное значение K₀ определяют при нулевом результирующем потоке этого газа. Его нельзя считать неизменным рабочим отношением давлений при любой нагрузке.

Для водорода и гелия сжатие обычно существенно ниже, чем для азота. Поэтому подходящая скорость по N₂ ещё не подтверждает пригодность насоса для H₂ или He. Воздух также не следует считать неизменным составом остаточного газа: по мере откачки соотношение компонентов меняется. [4], [2]

Показателен паспорт Shimadzu TMP-B300:

Прокрутите таблицу по горизонтали →

Различие скоростей умеренное, а сжатия — на порядки. Это пример чтения документации конкретного насоса, не универсальные характеристики ТМН. [5]

В предельной ситуации без результирующего потока отношение p_фор,i/K_0,i показывает возможный вклад газа со стороны форвакуума во входное парциальное давление. При реальной нагрузке дополнительно учитывают газ из камеры и зависимость характеристик от режима. Делить общее фордавление смеси на коэффициент сжатия по азоту некорректно. [7]

Как подобрать форвакуумную ступень

Форвакуумный насос выполняет две задачи: участвует в предварительном снижении давления и отводит газ с выхода ТМН во время работы. Отключать его после разгона турбоступени по общему правилу нельзя; допустимые режимы задаются конструкцией откачной системы. [6]

Проверяйте рабочую точку под нагрузкой

Для предварительного расчёта рабочей точки форнасоса используют:

Здесь p_b — давление на входе форвакуумного насоса, а S_b(p_b) — его скорость при этом давлении. В суммарный поток включают газ, проходящий через ТМН, защитную продувку и дополнительные нагрузки форлинии. Для потоков, заданных при разных температурах, сначала согласуют условия пересчёта.

Затем рассчитывают перепад давления в форлинии. Полученное давление на выходе ТМН сравнивают с допустимой рабочей областью турбонасоса. Давления на концах форлинии при заметных потерях различаются. [21]

Используйте кривую скорости форнасоса при давлении на его входе. Номинальная производительность в м³/ч и предельное давление при закрытом входе не описывают работу с поступающим газом. [3], [6]

В документации ТМН различайте:

• критическое форвакуумное давление;
• допустимое давление на выходе при непрерывной работе;
• максимальный непрерывный поток конкретного газа;
• условия охлаждения и температуры, при которых получены значения.

Например, у KYKY FF-160/700 максимальное непрерывное и максимальное форвакуумное давление указаны отдельными строками. Выбирать рабочую точку по одной цифре без выяснения условий нельзя. [13]

Предел, приведённый при нулевом входном потоке, нельзя без проверки переносить на непрерывный технологический режим. Максимальные входное давление, фордавление и газовый поток также не обязательно допустимы одновременно. [6]

Дополнительно проверяют пусковой поток, время предварительной откачки, работу с газобалластом и запас до тепловых ограничений. Размер запаса определяют по неопределённости нагрузки и требованиям изготовителя, а не по универсальному коэффициенту.

Какой тип форнасоса рассматривать

Прокрутите таблицу по горизонтали →

Сравнивают конкретные исполнения в нужной рабочей точке, включая обслуживание, энергопотребление и требования к инженерным коммуникациям. [8], [9], [10]

Слово «сухой» характеризует рабочую полость сжатия и не обязательно означает отсутствие смазки во всех узлах. Для чистого процесса отдельно определяют допустимое загрязнение камеры и поведение системы при остановке.

Входной фланец и проводимость тракта

Фланец выбирают вместе с вакуумной схемой. Совпадение номинального диаметра не подтверждает совместимость стандарта, крепления и уплотнения.

Прокрутите таблицу по горизонтали →

Проверяют точное исполнение по чертежам: проходное сечение, наружный диаметр, крепёж и уплотнение. Число в обозначении фланца может относиться к условному проходу или наружному размеру; сравнивать только эти числа недостаточно. [20], [22]

Уменьшение диаметра, удлинение магистрали, колена, переходники и регулирующие клапаны снижают доступную скорость. Для длинной прямой круглой трубы в молекулярном режиме проводимость пропорциональна d³/L; для короткого патрубка или сложной трассы этот закон без поправок неприменим. [1], [21]

Поэтому вакуумную арматуру, клапаны и соединения включают в расчёт до выбора окончательной модели. Установка мощного насоса за узким переходником может оказаться менее результативной, чем изменение подключения.

Магнитный подвес и контактные подшипники

Керамический подшипник остаётся контактной опорой. Полная магнитная левитация удерживает ротор без контакта рабочих опор в штатном режиме. Существуют и комбинированные конструкции. [11]

Прокрутите таблицу по горизонтали →

Магнитный подвес особенно интересен при строгих требованиях к вибрациям и смазочным материалам, но пригодность к процессу подтверждается отдельно. [11], [12] Экономическое сравнение включает стоимость комплекта, обслуживание и последствия простоя.

Термин «гибридный» требует расшифровки. Он может обозначать сочетание магнитной и контактной опор; например, именно такая схема указана у TMP-B300. В описании самого шарикоподшипника это слово также может означать сочетание стальных колец с керамическими телами качения. [5], [4]

Ориентация и механическое крепление

До заказа согласуйте положение оси ротора, направление входа и выхода, доступ к разъёмам и сервисное пространство. Разрешение одной модели работать горизонтально не распространяется на все насосы этой марки.

Ограничения могут быть связаны с опорами и системой смазки. При этом существуют насосы с контактными подшипниками, для которых разрешена установка под разными углами. Окончательное основание — руководство точного исполнения.

Крепление должно соответствовать требованиям изготовителя и удерживать насос при предусмотренных аварийных нагрузках. Один гибкий патрубок не заменяет механическую опору. Виброразвязку проектируют вместе с креплением, а не добавляют произвольно после монтажа. [14]

Какое охлаждение потребуется

В зависимости от модели применяются естественное, принудительное воздушное или водяное охлаждение.

• Естественное допустимо только в указанной изготовителем области температур и нагрузок.
• Воздушное требует подходящего вентилятора, свободного движения воздуха и соблюдения предела температуры окружающей среды.
• Водяное выбирают при соответствующих тепловых нагрузках и требованиях исполнения. Проверяют температуру, расход, давление и качество воды, а также условия, исключающие конденсацию.

Потребность в охлаждении зависит от газового потока, фордавления, режима вращения, теплопритока от установки и температуры помещения. Разрешённое охлаждение и допустимый непрерывный поток необходимо проверять совместно. [3], [14]

Отдельно согласуют прогрев: допустимая температура камеры не равна допустимой температуре корпуса, входного фланца или электроники ТМН.

Вибрации и чувствительные измерения

Для электронной микроскопии, масс-спектрометрии и поверхностной аналитики важно оценивать колебания в месте чувствительного узла. Значимы тип подвеса, балансировка, расположение насоса и передача вибраций от форвакуумной ступени.

Запросите условия измерения заявленной вибрации: частотный диапазон, точку измерения, способ крепления и режим насоса. Показатели разных производителей нельзя автоматически сравнивать как измеренные одинаковым способом; например, Shimadzu прямо оговаривает собственную методику. [15]

При выборе места установки возникает компромисс: увеличение расстояния может помочь организовать механическую развязку, но соединительная линия уменьшит эффективную скорость. Решение проверяют одновременно по вакуумным и вибрационным требованиям.

Контроллер, измерение давления и автоматика

Подбирают комплект: ТМН, совместимый привод или контроллер, источник питания, кабели, форвакуумную ступень, арматуру и средства измерения.

Контроллер ТМН управляет двигателем и разгоном; у соответствующих конструкций — также магнитным подвесом. Контроллер вакуумметра считывает датчики. Системный контроллер или ПЛК связывает оборудование в общий алгоритм. Один прибор иногда объединяет несколько функций, но это нужно проверять по его документации. [12], [17]

При комплектации выясняют:

• какие насос, контроллер, источник питания и кабель разрешено использовать совместно;
• как контролируются скорость ротора, температура, нагрузка и ошибки;
• какие входы interlock доступны и что происходит при снятии разрешения;
• какие клапаны и датчики поддерживаются непосредственно;
• какие интерфейсы и протоколы нужны для ПЛК/АСУ;
• как система действует при пропадании питания, форвакуума, охлаждения или связи.

Совпадение разъёмов либо наличие RS-485 не доказывает совместимость: должны совпадать назначение сигналов, протокол и поддерживаемые команды. [15], [17]

Для контроля цикла нужны измерения в камере и в форлинии с подходящими диапазонами. Вакуумметры и датчики вакуума подбирают по давлению, среде и требуемой точности. У тепловых и ионизационных датчиков показания зависят от газа; расположение датчика возле насоса также не делает его показание равным давлению в камере при наличии потока. [16], [21]

Проектный алгоритм должен определять разрешение подачи технологического газа, реакции клапанов на аварии и управляемый напуск при остановке. Условия запуска и напуска берут из руководства: универсального давления включения ТМН или универсального времени задержки нет. [14]

Если процесс требует удерживать заданное давление, предусматривают регулирование расхода газа и/или эффективной скорости откачки — например, клапаном по сигналу вакуумметра. Запас скорости насоса сам по себе не заменяет систему регулирования. [3]

В опубликованных конфигурациях индивидуальных вакуумных откачных постов ГК «Криосистемы» ТМН Shimadzu TMP-B300 объединён со спиральной форвакуумной ступенью, широкодиапазонным вакуумметром, клапанами и управлением. Для новой установки совместимость и рабочие параметры проверяют для всего комплекта.

Агрессивные газы, пары и загрязняющие процессы

Для таких процессов перечень газов дополняют концентрациями, расходами, температурой и возможными продуктами реакции. Отдельно указывают частицы, аэрозоли и вещества, способные конденсироваться или образовывать отложения.

Специальное исполнение может предусматривать стойкие покрытия, защитную продувку, нагрев отдельных узлов и меры против попадания частиц. Например, сочетание покрытий, защитного газа и нагрева описано в документации Yuchi. Это не подтверждает совместимость любого магнитоподвесного насоса с любой химической средой. [18]

Продувку purge подбирают по газу, чистоте, расходу и давлению подачи. Её нагрузку учитывают в форвакуумной ступени. Ловушка или защитный элемент могут изменить проводимость; их также включают в расчёт.

Для PVD проверяют не только достижение базового вакуума, но и работу с технологическим газом, тепловым излучением и потоком осаждаемого материала. Для CVD дополнительно важны химическая совместимость и продукты реакции. У производителей есть отдельные технологические исполнения; одного обозначения «PVD/CVD» для выбора недостаточно. [19]

Типичные ошибки при выборе

1. Сравнивать только паспортные л/с. Не определены газ и давление, при которых нужна эта скорость.
2. Считать объём камеры единственным исходным параметром. Не оценены газовыделение и технологическая нагрузка.
3. Игнорировать тракт. Потенциал насоса ограничен узким патрубком или клапаном.
4. Приравнивать предельное давление ТМН к давлению установки. Не учтены условия испытания и состояние камеры.
5. Переносить характеристики N₂ на H₂ или He. Не проверено сжатие лёгких газов.
6. Выбирать форнасос по номинальным м³/ч. Не определена его рабочая точка под нагрузкой.
7. Принимать предельные характеристики за одновременно допустимый режим. Не согласованы поток, фордавление и охлаждение.
8. Проверять монтаж после покупки. Фланец подходит, но ориентация, крепление или доступ к обслуживанию — нет.
9. Не включать электронику и защитную автоматику в комплект. Не проверены совместимость и аварийные сценарии.
10. Считать продувку универсальной защитой. Не подтверждена допустимость химии, паров и продуктов процесса.

Практический алгоритм выбора

1. Опишите процесс и цикл. Что происходит в камере, какие газы поступают и как часто установка выходит из вакуума.
2. Задайте три требования. Рабочее давление, остаточное давление после подготовки и время выхода на режим.
3. Составьте газовый баланс. Разделите постоянную нагрузку, пики и газовыделение во времени. Отметьте неизвестные величины.
4. Определите требуемую скорость на камере. Используйте газовый баланс и отдельно проверьте динамику откачки.
5. Оцените проводимость и компоновку. Согласуйте диаметр, длину, арматуру и место насоса.
6. Определите класс ТМН. Проверьте, какая паспортная скорость обеспечивает нужную эффективную; предусмотрите обоснованный запас.
7. Проверьте характеристики по газам. Скорость, сжатие, допустимый поток и рабочее давление рассматривайте совместно.
8. Согласуйте форвакуум. Проверьте рабочую точку, пусковой режим, продувку и предварительную откачку.
9. Проверьте исполнение. Подвес, фланцы, ориентацию, крепление, охлаждение, химическую совместимость и сервис.
10. Сформируйте комплект и критерии приёмки. Зафиксируйте электронику, измерение, клапаны, алгоритмы и условия, при которых установка должна показать требуемый результат.

На выходе должна получиться проверяемая спецификация системы: не только обозначение насоса, но и условия его работы.

Когда нужен инженерный расчёт системы

Подключайте инженера до выбора модели, если существенны H₂ или He, требуется сверхвысокий вакуум, присутствуют агрессивные газы, конденсируемые пары или частицы. Отдельной проработки требуют короткий цикл, чувствительность к вибрациям, несколько связанных камер и переменная нагрузка.

При замене существующего оборудования важны также совместимость с контроллером, монтажные размеры, исходные блокировки и доступные инженерные коммуникации. Аналог по одному значению л/с может не соответствовать остальным условиям.

Вопросы и ответы