Operation prinsipp av Turbomolecular pumpen

En turbomolecular pumpe er en vakuumpumpe, overfladisk ligner på en turbopump, brukes til å få og opprettholde høy vakuum. Disse pumpene arbeid på prinsippet om at gassmolekyler kan gis momentum i ønsket retning av gjentatte kollisjon med en glidende solid overflate. I en turbomolecular pumpe, en raskt spinning fan rotoren "treff" gassmolekyler fra mengden av pumpen mot eksos for å opprette eller vedlikeholde et vakuum.

Prinsippene

De fleste turbomolecular pumper ansette flere stadier, hver bestående av et raskt roterende rotor blade og stasjonære stator blad par. Systemet fungerer som en kompressor som setter energi i gassen, snarere enn å ta den ut. Gass fanget av øvre stadier er presset inn i de lavere stadiene og suksessivt komprimert til nivået av forgrunnen-vakuum (backing pumpen) trykket. Som gass molekylene inn gjennom innløpet, treff rotoren, som har en rekke vinklede blader, molekyler. Dermed er den mekaniske energien av bladene overført til gassmolekyler. Dette nyervervede øyeblikk inngå gass molekylene gass overføring hullene i stator. Dette fører dem til neste fase hvor de igjen kolliderer med rotoren overflaten, og prosessen fortsetter, lede dem utover gjennom eksos.

På grunn av den relative bevegelsen av rotor og stator traff molekyler fortrinnsvis undersiden av bladene. Fordi bladet overflaten ser ned, vil de fleste av spredte molekyler forlate den nedover. Overflaten er ujevn, så refleksjon oppstår. Et blad må være tykk og stabil høytrykk drift og så tynne som mulig og litt bøyd for maksimal komprimering. For høy kompresjon forholdstall peker halsen mellom tilstøtende rotorbladene som mulig i retning forover. For høy flow priser bladene er 45° og kommer nær aksen.

Komprimeringen av hvert trinn er ~ 10, er hvert trinn nærmere til uttaket betydelig mindre enn de foregående innløp stadiene. Dette har to konsekvenser. Geometrisk progresjon forteller at uendelig stadier kan ideelt passe inn i en begrenset aksial lengde. Finite lengde i dette tilfellet er full høyde av bolig som lagrene, motor og kontroller noen av kjølere kan monteres inne på aksen. Radialt, for å forstå så mye av tynne gassen ved inngangen, ville innløpet side rotorene helst ha en større radius og tilsvarende høyere sentrifugalkraften; ideell blad ville bli eksponentielt tynnere mot deres tips og karbon fiber bør forsterke aluminium bladene. Men fordi gjennomsnittet fart av et blad påvirker pumping så mye ved å øke rot diameteren i stedet for tuppens diameter der det er praktisk.

Ytelsen på en turbomolecular pumpe er sterkt knyttet til frekvensen av rotoren. Som rpm øker, bøye rotorbladene mer. For å øke hastigheten og redusere deformasjon, har stivere materialer og ulike blad design blitt foreslått.

Turbomolecular pumper må operere ved svært høye hastigheter, og friksjon heten bygge pålegger design begrensninger. Noen turbomolecular pumper bruke magnetiske kulelager for å redusere friksjon og olje kontaminering. Fordi de magnetiske kulelagerne og temperaturen sykluser tillater bare en begrenset klaring mellom rotor og stator, bladene på høytrykk stadier er noe degenerert i én spiralformede folie hver. Laminær strømning kan ikke brukes for pumping, fordi laminær turbiner stall når den ikke brukes på designet flyten. Pumpen kan være avkjølt for å forbedre komprimeringen, men bør ikke være så kald som kondenserer is på bladene. Når en turbopump stoppes, olje fra støtte vakuum kan backstream gjennom turbopump og forurense kammeret. En måte å unngå dette er å innføre en laminær strømning av nitrogen gjennom pumpen. Overgangen fra vakuum til nitrogen og en gang for en fortsatt turbopump har synkronisert nettopp for å unngå mekaniske påkjenninger til pumpen og overtrykk på eksos. En tynn skive og en ventil på eksos bør legges for å beskytte turbopump fra overdreven mottrykk (f.eks etter et strømbrudd eller lekkasjer i støtte vakuum).

Rotoren har stabilisert seg i alle sine seks grader av frihet. Én grad styres av den elektriske motoren. Dette grad må minimal, stabiliseres elektronisk (eller en diamagnetic materiale, som er for ustabilt for å brukes i en presisjon vannpumpe peiling). En annen måte (ignorerer tap i magnetiske kjerner ved høye frekvenser) er å konstruere dette lageret som en akse med en kule i hver ende. Disse kulene er inne hul statisk kuler. Er et sjakkbrettmønster av innover og utover kommer magnetfelt linjer på overflaten av hver kule. Som sjakkbrettmønsteret av statisk kulene er rotert, roterer rotoren. I byggingen ingen akse er laget stabil på bekostning av å gjøre en annen aksen ustabil, men alle akser er nøytral og elektronisk regulering er mindre stresset og vil være mer dynamisk stabil. Hall effekten sensorer kan brukes til å sanse roterende stillingen og andre grader av frihet kan måles capacitively.

Maksimalt trykk

Med lufttrykk, betyr gratis banen til luft er ca 70 nm. En turbomolecular pumpe kan bare hvis disse molekyler rammet av bevegelige bladene nå stasjonære bladene før kollidere med andre molekyler på vei. For å oppnå dette, må gapet mellom bevegelige blader og stasjonære blad nær eller mindre enn betyr gratis banen. Fra et praktisk bygging ståsted er en mulig gapet mellom bladet på 1 mm, så en turbopump vil stall (ingen netto pumpe) hvis brukt direkte til atmosfæren. Siden betyr gratis banen er omvendt proporsjonal med press, en turbopump vil pumpe når eksos trykket er mindre enn 10 Pa (0,10 mbar) der betyr gratis banen er om 0,7 mm.

De fleste turbopumps har en Holweck pumpe (eller molekylær dra pumpen) som deres siste etappen å øke maksimalt oppbakking Press (eksos trykk) til om 1-10 mbar. Teoretisk, en sentrifugalpumpe, en side kanal pumpe eller en regenererende pumpe kan brukes til å tilbake til lufttrykk direkte, men for øyeblikket er det ikke kommersielt tilgjengelig turbopump som bruker direkte til atmosfæren. I de fleste tilfeller er eksos koblet til en mekanisk støtte pumpe (vanligvis kalt skrubbing pumpen) som produserer en trykket lavt nok for turbomolecular pumpen å arbeide effektivt. Dette støtte presset er vanligvis under 0,1 mbar og ofte om 0,01 mbar. Støtte trykket er sjelden under 10−3 mbar (mener gratis banen ≈ 70 mm) fordi flyt motstanden av vakuum røret mellom turbopump og roughing pumpen blir betydelig.

Turbomolecular pumpen kan være en svært allsidig pumpe. Det kan generere mange grader av vakuum fra mellomliggende vakuum (~ 10−2 Pa) til ultrahøy vakuum nivåer (~ 10−8 Pa).

Flere turbomolecular pumper i en lab eller fabrikk kan kobles av rør til en liten støtte pumpe. Automatisk ventiler og diffusion pumpe som injeksjon i en stor buffer tube foran støtte pumpen hindrer noen overtrykk fra en pumpe for å stoppe en annen pumpe.