Принцип на действие на турбомолекулната помпа

Турбомолекулната помпа е тип вакуумна помпа, повърхностно подобна на турбопомпа, използвана за получаване и поддържане на висок вакуум. Тези помпи работят на принципа, че молекулите на газа могат да бъдат натоварени в желаната посока чрез повторно сблъсък с движеща се твърда повърхност. В турбомолекулярна помпа ротор с бързо въртящ се вентилатор "удря" газови молекули от входа на помпата към отработените газове, за да създаде или поддържа вакуум.

Принципи на работа

Повечето турбомолекулярни помпи използват няколко етапа, всяка от които се състои от бързо въртящо се роторно острие и стационарна двойка статорни лопатки. Системата работи като компресор, който поставя енергията в газа, вместо да го изважда. Газът, уловен от горните етапи, е натиснат в долните етапи и последователно е компресиран до нивото на налягането на предния вакуум (поддържаща помпа). Тъй като газовите молекули навлизат през входа, роторът, който има няколко ъглови остриета, удря молекулите. По този начин механичната енергия на лопатките се прехвърля към газовите молекули. С този новопридобит импулс, газовите молекули влизат в дупките за пренос на газ в статора. Това ги води до следващия етап, когато отново се сблъскат с повърхността на ротора, и този процес продължава, като най-накрая ги насочва навън през изпускателната тръба.

Поради относителното движение на ротора и статора, молекулите преференциално попадат на долната страна на лопатките. Тъй като повърхността на острието гледа надолу, повечето от разпръснатите молекули ще го оставят надолу. Повърхността е груба, така че няма да има отражение. Ножът трябва да е дебел и стабилен при работа под високо налягане и възможно най-тънък и леко извит за максимално компресиране. При високи съотношения на компресия гърлото между съседните лопатки на ротора е насочено възможно най-много в посока напред. При високи скорости на потока лопатките са на 45 ° и достигат до оста.

Тъй като компресията на всеки етап е ~ 10, всеки етап по-близо до изхода е значително по-малък от предходните етапи на вливане. Това има две последствия. Геометричната прогресия ни показва, че безкрайните етапи могат идеално да се вместят в крайна аксиална дължина. Крайната дължина в този случай е пълната височина на корпуса, като лагерите, мотора и контролера, а някои от охладителите могат да се монтират вътре в оста. Радиално, за да се хване толкова от тънкия газ на входа, входящите странични ротори биха имали по-голям радиус и съответно по-висока центробежна сила; идеалните ножове биха се изтласкали експоненциално по-тънки към върховете им и въглеродните влакна трябва да подсилят алуминиевите остриета. Въпреки това, тъй като средната скорост на острието оказва влияние върху изпомпването толкова много, това се постига чрез увеличаване на диаметъра на корена, а не на диаметъра на върха, когато е практично.

Работата на турбомолекулярна помпа е силно свързана с честотата на ротора. С увеличаването на оборотите, лопатките на ротора се отклоняват повече. За да се увеличи скоростта и да се намали деформацията, бяха предложени по-твърди материали и различни конструкции на ножовете.

Турбомолекулните помпи трябва да работят при много високи скорости и натрупването на топлина от триене налага конструктивни ограничения. Някои турбомолекулярни помпи използват магнитни лагери, за да намалят триенето и замърсяването с масло. Тъй като магнитните лагери и температурните цикли позволяват само ограничена хлабина между ротора и статора, лопатките във високите етапи на налягането до известна степен се дегенерират в едно-единствено спирално фолио. Ламинационният поток не може да се използва за изпомпване, тъй като ламинарните турбини се сриват, когато не се използват при проектирания поток. Помпата може да бъде охладена, за да се подобри компресията, но не трябва да бъде толкова студена, че да кондензира лед върху лопатките. Когато спирачният турбо е спрян, маслото от вакуума за закрепване може да се върти в турбопомпата и да замърси камерата. Един от начините да се предотврати това е да се въведе ламинарен поток от азот през помпата. Преходът от вакуум към азот и от движение към стар турбопомпа трябва да се синхронизира точно, за да се избегне механичното натоварване на помпата и свръхналягането на изпускателната тръба. Трябва да се добави тънка мембрана и клапан към отработените газове, за да се предпази турбопомпата от прекомерно обратно натиск (напр. След прекъсване на електрозахранването или изтичане във вакуума).

Роторът е стабилизиран при всичките си шест степени на свобода. Една степен се управлява от електрическия мотор. Минимално тази степен трябва да бъде стабилизирана по електронен път (или чрез диамагнитен материал, който е твърде нестабилен, за да бъде използван в прецизен лагер на помпата). Друг начин (игнорирайки загубите в магнитните ядра при високи честоти) е да се конструира този лагер като ос с сфера на всеки край. Тези сфери са в кухи статични сфери. На повърхността на всяка сфера има шарка на вътрешните и външните линии на магнитно поле. Когато шаблонът на статичните сфери се завърти, роторът се върти. При тази конструкция не се постига стабилност на оста по отношение на цената на направата на друга ос нестабилна, но всички оси са неутрални и електронното регулиране е по-малко напрегнато и ще бъде по-динамично стабилно. Сензорите за ефект на залата могат да се използват за установяване на ротационната позиция, а другите степени на свобода могат да бъдат измерени капацитивно.

Максимално налягане

При атмосферно налягане средният свободен път на въздуха е около 70 nm. Турбомолекулната помпа може да работи само ако тези молекули, засегнати от движещите се остриета, достигнат стационарните остриета, преди да се сблъскат с други молекули по пътя си. За да се постигне това, разликата между движещите се ножове и стационарните лопатки трябва да бъде близка или по-малка от средната свободна пътека. От практическа конструктивна гледна точка, възможна празнина между комплектите остриета е от порядъка на 1 мм, така че турбопомпата ще се задържи (без изпомпване), ако се изтощи директно в атмосферата. Тъй като средната свободна пътека е обратно пропорционална на налягането, турбопомпата ще се изпомпва, когато налягането на отработилите газове е по-малко от около 10 Pa (0,10 mbar), където средната свободна пътека е около 0,7 мм.

Повечето турбодувки имат помпа Holweck (или молекулярна помпа) като последна стъпка за увеличаване на максималното натоварващо налягане (изпускателно налягане) до около 1-10 mbar. Теоретично може да се използва центробежна помпа, помпа с страничен канал или регенеративна помпа, която да се използва директно за атмосферното налягане, но в момента няма турбопомпа, която да се изхвърля директно в атмосферата. В повечето случаи изпускателната уредба е свързана с механична подпорна помпа (обикновено наричана групова помпа), която създава достатъчно ниско налягане, за да работи турбомолекулната помпа ефективно. Обикновено това поддържащо налягане е под 0.1 mbar и обикновено около 0.01 mbar. Поддържащото налягане рядко е под 10-3 mbar (средна свободна пътека ≈ 70 mm), тъй като устойчивостта на потока на вакуумната тръба между турбопомпата и грубия помпа става значителна.

Турбомолекулната помпа може да бъде много гъвкава помпа. Той може да генерира много степени на вакуум от междинния вакуум (~ 10-2 Pa) до ултра-високи нива на вакуум (~ 10-8 Ра).

Няколко турбомолекулярни помпи в лаборатория или в производствена инсталация могат да бъдат свързани чрез тръби с малка подпорна помпа. Автоматичните клапани и дифузионната помпа, като инжектиране в голяма буферна тръба пред помпата, предпазват от всякакво свръхналягане от една помпа, за да спре помпата.