Многие аналитические приложения, такие как масс-спектрометрия, электронная микроскопия или анализ поверхности, выполняются в высоком вакууме. Турбомолекулярные насосы обычно используются для создания необходимого вакуума. Такие турбонасосы нуждаются во вспомогательном насосе или форвакуумном насосе, поскольку они не могут сжиматься до атмосферного давления. Использование безмасляных мембранных насосов для создания предварительного вакуума в сочетании с современными турбонасосами (со ступенью "молекулярного сопротивления") значительно повышает чистоту создания вакуума, а также часто снижает требования к обслуживанию. Во многих случаях такой безмасляный высокий вакуум является абсолютно обязательным.
Требования к процессу
Форвакуумные насосы специально разработаны для поддержки высоковакуумных насосов. В вакуумной системе они обычно подсоединяются к выхлопу первичного насоса. Первоначально они используются для прокачки камеры через первичный насос от атмосферного или близкого к атмосферному давления до давления, достаточно низкого для работы первичного насоса. На этом этапе вспомогательный насос выполняет вспомогательную насосную (поддерживающую) роль.
Эти насосы обычно являются механическими насосами, но не исключительно. В вакуумной системе форвакуумный насос обычно соединен с высоковакуумным насосом с передним коллектором. При работе с высоковакуумными насосами диффузионного типа важно учитывать давление в коллекторе. Если оно слишком высокое или слишком низкое, система рискует обратным потоком загрязнений попасть в технологическую камеру или высоковакуумный насос. Различные типы высоковакуумных насосов предъявляют разные требования к соответствующим насосам форвакуумной обработки/подпорки.
- Если высоковакуумная система работает без какой-либо газовой нагрузки, в качестве форвакуумного насоса может быть объемный насос (пластинчато-роторный, мембранный, водокольцевой, роторный, кулачковый). В этом случае объемный расход насоса влияет только на время простоя откачки.
- При газовой нагрузке (впуск или выпуск газа, связанный с технологическим процессом) размер форвакуумного насоса должен быть таким, чтобы безопасно достигалось максимально допустимое давление подпора высоковакуумного насоса. Для этого требуется насос с высокой скоростью откачки, близкой к предельному вакууму.
Требования к насосу
Форвакуумные насосы работают для создания вакуума от атмосферного (а в некоторых случаях и немного выше) до давления подборного насоса. Форвакуумные насосы могут использоваться в качестве автономных насосов для вакуумной упаковки, термоформовании, прижимных столов, сублимационной сушки и многое другое. Они также могут использоваться для поддержки высоковакуумных насосов, таких как турбомолекулярные или диффузионные, когда требуется более высокий уровень вакуума в таких областях применения, как полупроводниковые процессы, масс-спектрометрия, исследования и разработки и многое другое.
- предельный вакуум достаточный для удовлетворения требований к давлению подпора высоковакуумного насоса – до 0,3 мбар
- высокая скорость откачки даже при давлениях, близких к предельному вакууму
- низкое энергопотребление
- низкий уровень утечки при обратном всасывании, отсутствие вентиляции при отключении питания
- высокая надежность
- хорошая переносимость конденсата
- высокая предельная стабильность вакуума и интервалы обслуживания, сравнимые с турбонасосами
- надежный запуск даже в условиях вакуума
- малые габариты, малый вес и низкая вибрация
Как выбрать форвакуумный насос в зависимости от диапазонов давления
Количество газа или пара, транспортируемого через высоковакуумный насос, также должно обрабатываться форвакуумным насосом. Кроме того, при работе высоковакуумного насоса (диффузионного насоса, турбомолекулярного насоса) никогда, даже на короткое время, не должно превышаться максимально допустимое давление форвакуума.
Если Q - эффективное количество газа или пара, которое перекачивается высоковакуумным насосом с эффективной скоростью перекачки Seff при давлении на входе pA, то это количество газа, безусловно, должно транспортироваться вспомогательным насосом со скоростью перекачки SV при давлении pV.
Если высоковакуумный насос должен использоваться для откачки паров в диапазоне от 10-3 до 10-2 мбар, то необходимо использовать вспомогательный насос с номинальной скоростью откачки 12 м3/ч, который в любом случае должен иметь скорость откачки 9 м3/ч при давлении 2 · 10-1 мбар. Если перекачивать пары не требуется, в большинстве случаев подойдет одноступенчатый пластинчато-роторный насос, работающий без газового балласта. Если необходимо также перекачивать (даже незначительные) компоненты пара, в любом случае следует использовать двухступенчатый газовый балластный насос в качестве вспомогательного насоса, который обеспечивает - также с газовым балластом – требуемую скорость перекачки при 2 · 10-1 мбар.
Если высоковакуумный насос должен использоваться только при давлении на входе ниже 10-3 мбар, подойдет вспомогательный насос меньшего размера; в случае приведенного примера это будет насос, обеспечивающий скорость откачки 6 м3/ч. Если непрерывное давление на входе еще ниже, например, ниже 10-4 мбар, требуемая скорость откачки для резервного насоса может быть рассчитана из уравнения следующим образом:
Sv=(Pa/Pv)*Seff
Теоретически, в этом случае можно было бы использовать форвакуумный насос меньшего размера со скоростью откачки около 1 м3/ч. Но на практике следует установить форвакуумный насос большего размера, поскольку, особенно при запуске вакуумной системы, в течение короткого времени может выделяться большое количество газа. Работа высоковакуумного насоса находится под угрозой, если количество газа не может быть немедленно откачано вспомогательным насосом. Если устройство постоянно работает при очень низких давлениях на входе, рекомендуется установить балластный объем (резервуар для подпорной линии или расширительный бак) между высоковакуумным насосом и форвакуумным насосом. В этом случае вспомогательный насос следует использовать только в течение короткого времени. Однако ни в коем случае нельзя превышать максимально допустимое давление подпора.