Turbomolekylær pumpe

En turbomolekylær pumpe er en type vakuumpumpe som blir brukt for å danne og opprettholde et høyt vakuum. Prinsippet bak denne typen av pumper er at gassmolekylene kan bli gitt moment i en ønsket retning ved hjelpe av gjentatte kollisjoner med en overflate i bevegelse. I en turbomolekylær pumpe vil en rask spinnende vifte «treffe» gassmolekyler fra inngangen og skyve gassmolekylene mot utgangen for å danne et vakuum.

Driftsprinsipper 
De fleste turbomolekylære pumper bruker flere trinn, som hver består av et raskt roterende rotorblad og stasjonært statorbladpar. Systemet fungerer som en kompressor som setter energi i gassen, i stedet for å ta den ut. Gass fanget i av de øvre trinnene skyves inn i de nedre trinnene og komprimeres suksessivt til nivået på forvakuumtrykket. Når gassmolekylene kommer inn gjennom innløpet, treffer rotoren, som har et antall vinklede blader, molekylene. Dermed overføres den mekaniske energien fra bladene til gassmolekylene. Med dette nylig ervervede momentet går gassmolekylene inn i gassoverføringshullene i statoren. Dette fører dem til neste trinn hvor de igjen kolliderer med rotoroverflaten, og denne prosessen fortsetter og fører dem til slutt utover gjennom eksosen.

På grunn av den relative bevegelsen til rotor og stator, treffer molekyler fortrinnsvis den nedre siden av bladene. Fordi bladoverflaten ser ned, vil de fleste av de spredte molekylene la den være nedover. Overflaten er grov, så ingen refleksjon vil forekomme. Et blad må være tykt og stabilt for høytrykksdrift og så tynt som mulig og litt bøyd for maksimal kompresjon. For høye kompresjonsforhold peker halsen mellom tilstøtende rotorblad så mye som mulig i fremoverretningen. For høye strømningshastigheter er bladene på 45 ° og når nær aksen.

Fordi kompresjonen til hvert trinn er ≈ 10, er hvert trinn nærmere utløpet betydelig mindre enn de foregående innløpstrinnene. Dette har to konsekvenser. Den geometriske progresjonen forteller oss at uendelige trinn ideelt sett kan passe inn i en endelig aksiell lengde. Den endelige lengden er i dette tilfellet husets fulle høyde, da lagrene, motoren og kontrolleren og noen av kjølere kan installeres inne på aksen. Radielt, for å gripe så mye av den tynne gassen ved inngangen, ville rotorene på inntakssiden ideelt sett ha en større radius og tilsvarende høyere sentrifugalkraft; ideelle blader vil bli eksponentielt tynnere mot spissene, og karbonfibre bør forsterke aluminiumsbladene. Imidlertid, fordi gjennomsnittshastigheten til et blad påvirker pumpingen så mye, gjøres dette ved å øke rotdiameteren i stedet for spissdiameteren der det er praktisk.

Ytelsen til en turbomolekylær pumpe er sterkt relatert til rotorens frekvens. Når rpm øker, avbøyes rotorbladene mer. For å øke hastigheten og redusere deformasjonen, er stivere materialer og forskjellige bladdesign blitt foreslått.

Turbomolekylære pumper må operere med veldig høye hastigheter, og friksjonsvarmeoppbyggingen pålegger designbegrensninger. Noen turbomolekylære pumper bruker magnetiske lagre for å redusere friksjon og oljeforurensning. Fordi de magnetiske lagrene og temperatursyklusene bare tillater en begrenset klaring mellom rotor og stator, blir bladene ved høytrykksstadiene utartet til en enkelt spiralformet folie hver. Laminær strømning kan ikke brukes til pumping, fordi laminære turbiner stopper når de ikke brukes ved den planlagte strømningen. Pumpen kan kjøles ned for å forbedre kompresjonen, men skal ikke være så kald at den kondenserer is på bladene. Når en turbopumpe stoppes, kan oljen fra støttepumpen strømme tilbake gjennom turbopumpen og forurense kammeret. En måte å forhindre dette på er å innføre en laminær strøm av nitrogen gjennom pumpen. Overgangen fra vakuum til nitrogen og fra en løpende til en stille turbopumpe må synkroniseres nøyaktig for å unngå mekanisk belastning på pumpen og overtrykk ved eksosen. En tynn membran og en ventil ved eksosen skal tilsettes for å beskytte turbopumpen mot overdreven mottrykk (f.eks. Etter strømbrudd eller lekkasjer i støttepumpen).

Rotoren er stabilisert i alle sine seks frihetsgrader. En grad styres av den elektriske motoren. Minimalt må denne graden stabiliseres elektronisk (eller av et diamagnetisk materiale, som er for ustabilt til å kunne brukes i et presisjonspumpelager). En annen måte (å ignorere 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 i hule statiske kuler. På overflaten av hver kule er det et rutemønster med magnetiske feltlinjer innover og utover. Når sjakkbrettmønsteret til de statiske kulene roteres, roterer rotoren. I denne konstruksjonen blir ingen akser gjort stabile på bekostning av å gjøre en annen akse ustabil, men alle akser er nøytrale og den elektroniske reguleringen er mindre stresset og vil være mer dynamisk stabil. Hall-effekt-sensorer kan brukes til å registrere rotasjonsposisjonen, og de andre frihetsgrader kan måles kapasitivt.

Referanser 

Vakuumpumper
Pumper