Operation princip om Turbomolecular pumpe

En turbomolecular pumpen er en type af vakuumpumpe, overfladisk ligner en turbopump, bruges til at opnå og vedligeholde højt vakuum. Disse pumper virker på princippet om, at gas molekyler kan blive givet momentum i en ønsket retning af gentagne sammenstød med et bevægeligt fast overflade. I en turbomolecular pumpe, et hurtigt spinning fan rotor 'hits' gas molekyler fra fjorden af pumpe mod udstødningen for at oprette eller vedligeholde et vakuum.

Funktionsprincipperne

De fleste turbomolecular pumper ansætte flere etaper, hver bestående af en hurtigt roterende rotor klinge og stationære stator klinge par. Systemet fungerer som en kompressor, der sætter energi i gassen, snarere end at tage den ud. Gas fanget af de øverste trin er skubbet ind i de lavere faser og successivt komprimeres til niveauet af forgrunden-vakuum (støtter pump) pres. Som gas molekyler komme ind gennem fjorden, rammer rotoren, som har et antal vinklede blade, molekyler. Således er den mekaniske energi af vingerne overført til gas molekyler. Med denne nyerhvervede momentum indgå gas molekyler gas transfer huller i statoren. Dette fører dem til den næste fase, hvor de igen kolliderer med rotorens overflade, og denne proces fortsættes, endelig fører dem udad gennem udstødningen.

På grund af den relative bevægelse af rotor og stator rammer molekyler fortrinsvis den nederste side af knivene. Fordi klinge overfladen ser, vil de fleste af de spredte molekyler forlade det nedad. Overfladen er ru, så ingen refleksion vil forekomme. En kniv skal være tyk og stabil for højtryk drift og så tynd som mulig og lidt bøjet til maksimal komprimering. For høje kompressionsforhold peger i halsen mellem tilstødende rotorblade så meget som muligt i de fremadgående retning. Til høj strømningshastigheder knivene er på 45° og nå tæt på aksen.

Fordi kompression af hver fase er ~ 10, er hver etape tættere til forretningen betydeligt mindre end de foregående inlet faser. Dette har to konsekvenser. Geometrisk progression fortæller os, at uendelig faser ideelt kunne passe ind i en finit aksial længde. Den begrænsede længde i dette tilfælde er den fulde højde af boliger som lejer, motoren og controlleren og nogle af kølere kan være installeret inde på aksen. Radialt, for at forstå så meget af den tynde gas ved indgangen, indsugningssiden rotorer ville ideelt set have en større radius, og tilsvarende højere centrifugalkraften; ideel vinger ville få eksponentielt tyndere mod deres tips og kulfibre bør styrke aluminium vinger. Men fordi gennemsnitlige hastighed af en vinge påvirker pumpe så meget dette gøres ved at øge root diameter i stedet for spids diameter, hvor det er praktisk.

Udførelsen af en turbomolecular pumpe er stærkt knyttet til hyppigheden af rotoren. Som rpm stiger, aflede rotorblade mere. For at øge hastigheden og reducere deformationen, har stivere materialer og forskellige blade designs foreslået.

Turbomolecular pumper skal køre med meget høje hastigheder, og friktion varmeudvikling pålægger design begrænsninger. Nogle pumper, turbomolecular bruge magnetisk lejer til at reducere friktion og olie forurening. Fordi de magnetiske lejer og temperatur cyklusser giver mulighed for kun en begrænset frihøjde mellem rotor og stator, vinger på højtryk stadier er noget degenererede til en enkelt spiralformet folie hver. Laminar flow kan ikke bruges til at pumpe, fordi laminar turbiner stall når det ikke bruges på den designede flow. Pumpen kan køles til at forbedre komprimering, men bør ikke være så koldt at kondensere is på vingerne. Når en turbopump er stoppet, olie fra opbakning vakuum kan backstream gennem turbopump og forurene i salen. En måde at undgå dette er at indføre en laminar flow af kvælstof gennem pumpen. Overgangen fra vakuum til kvælstof og fra en kørende til en stadig turbopump har skal synkroniseres netop for at undgå mekanisk stress at pumpe og overtryk på udstødningen. En tynd membran og en ventil på udstødningen skal tilføjes for at beskytte turbopump fra overdreven modtryk (f.eks. efter et strømsvigt eller lækager i opbakning vakuum).

Rotoren er stabiliseret i alle dens seks grader af frihed. Én grad styres af elektromotor. Minimalt, stabiliseres denne grad elektronisk (eller af et diamagnetic materiale, som er alt for ustabil til at bruges i precision pumpe indflydelse). En anden måde (ignorerer tab i magnetisk kerner ved høje frekvenser) er at konstruere denne betydning som en akse med en kugle i hver ende. Disse kugler er inde i hule statisk kugler. På overfladen af hver kugle er et skakternet mønster af indad og udad vil magnetiske feltlinier. Som skakternet mønster af statisk kugler er roteret, roterer rotoren. I denne konstruktion ingen akse er gjort stabile på omkostningerne ved at gøre en anden akse ustabile, men alle akser er neutral og den elektroniske regulering er mindre stressede og bliver mere dynamisk stabilt. Hall effekt sensorer kan bruges til at fornemme den roterende holdning og de andre frihedsgrader kan måles capacitively.

Maksimalt tryk

Ved atmosfærisk tryk, den gennemsnitlige omkostningsfrit bane luft er omkring 70 nm. En turbomolecular pumpe kan kun fungere, hvis disse molekyler, hit med de bevægelige vinger nå de stationære klinger før sammenstød med andre molekyler på deres måde. For at opnå det, skal kløften mellem bevægelige vinger og stationære vinger være tæt på eller mindre end den gennemsnitlige gratis sti. Fra en praktisk konstruktion synspunkt er et muligt hul mellem kniv sæt størrelsesordenen 1 mm, så en turbopump vil stall (ingen netto pumpe) Hvis opbrugt direkte til atmosfæren. Da den gennemsnitlige omkostningsfrit bane er omvendt proportionalt med trykket, en turbopump vil pumpe Når udstødningsgassens tryk er mindre end ca 10 Pa (0,10 mbar) hvor den gennemsnitlige gratis path er omkring 0,7 mm.

De fleste turbopumps har en Holweck pumpe (eller Molekylær træk pumpe) som deres sidste fase til at øge den maksimale støtte pres (udstødning pressure) til omkring 1 – 10 mbar. Teoretisk, en centrifugalpumpe, en side-kanal pumpe eller en regenerativ pumpe kunne anvendes til at tilbage til atmosfærisk tryk direkte, men i øjeblikket er der ingen kommercielt tilgængelige turbopump, der direkte til atmosfæren. I de fleste tilfælde, er udstødningen forbundet til en mekanisk opbakning pumpe (normalt kaldet skrub pumpe), der producerer en pres lav nok til turbomolecular pumpen til at fungere effektivt. Typisk, denne opbakning pres er under 0,1 mbar og almindeligt om 0,01 mbar. Opbakning pres er sjældent under 10−3 mbar (ensbetydende omkostningsfrit bane ≈ 70 mm) fordi flow modstand i vakuum rør mellem turbopump og roughing pumpen bliver betydelig.

Turbomolecular pumpen kan være en meget alsidig pumpe. Det kan generere mange grader af vakuum fra mellemliggende vakuum (~ 10−2 Pa) op til ultra-høje vakuum niveauer (~ 10−8 Pa).

Flere turbomolecular pumper i en lab eller produktionsanlæg kan være forbundet med rør til en lille opbakning pumpe. Automatiske ventiler og diffusionspumpe som indsprøjtning i en stor buffer-røret foran støtter pump forhindrer enhver overtryk fra pumpe til stall en anden pumpe.