Eine Turbomolecular-Pumpe ist ein Typ der Vakuumpumpe, die oberflächlich einem turbopump ähnlich ist, verwendet, um Hochvakuum zu erhalten und aufrechtzuerhalten. Diese Pumpen arbeiten am Grundsatz, dass Gasmoleküle Schwung in einer gewünschten Richtung durch die wiederholte Kollision mit einer bewegenden festen Oberfläche gegeben werden können. In einer Turbomolecular-Pumpe 'schlägt' ein schnell spinnender Turbinenrotor Gasmoleküle von der kleinen Bucht der Pumpe zum Auslassventil, um ein Vakuum zu schaffen oder aufrechtzuerhalten.

Betriebsgrundsätze

Die meisten Turbomolecular-Pumpen verwenden vielfache Stufen, die aus Paaren des Rotors/Statoren bestiegen der Reihe nach bestehen. Durch die oberen Stufen gewonnenes Benzin wird in die niedrigeren Stufen gestoßen und nacheinander zum Niveau des vorderen Vakuums zusammengepresst (Pumpe unterstützend), Druck.

Da die Gasmoleküle durch die kleine Bucht hereingehen, schlägt der Rotor, der mehrere winklige Klingen hat, die Moleküle. So wird die mechanische Energie der Klingen den Gasmolekülen übertragen. Mit diesem kürzlich erworbenen Schwung treten die Gasmoleküle in die Gasübertragungslöcher im Statoren ein. Das führt sie zur folgenden Bühne, wo sie wieder mit der Rotor-Oberfläche kollidieren, und dieser Prozess fortgesetzt wird, schließlich sie nach außen durch das Auslassventil führend.

Wegen der Verhältnisbewegung des Rotors und Statoren schlagen Moleküle vorzugsweise die niedrigere Seite der Klingen. Weil die Klinge-Oberfläche herabsieht, werden die meisten gestreuten Moleküle sie abwärts verlassen. Die Oberfläche ist rau, so wird kein Nachdenken vorkommen. Eine Klinge muss dick und für die Operation des Hochdrucks stabil und so dünn wie möglich und für die maximale Kompression ein bisschen gebogen sein. Für hohe Kompressionsverhältnisse weist der Hals zwischen angrenzenden Rotor-Klingen (wie gezeigt, im Image) so viel wie möglich in der Vorwärtsrichtung hin. Für hohe Durchflüsse sind die Klingen an 45 ° und reichen in der Nähe von der Achse.

Weil die Kompression jeder Bühne ~10 ist, ist jede am Ausgang nähere Bühne beträchtlich kleiner als die Vorangehen-Einlassstufen. Das hat zwei Folgen. Der geometrische Fortschritt sagt uns, dass unendliche Stufen eine begrenzte axiale Länge ideal einbauen konnten. Die begrenzte Länge ist in diesem Fall die volle Höhe der Unterkunft als die Lager, der Motor, und Kontrolleur und einige der Kühler kann innen auf der Achse installiert werden. Radial, um so viel des dünnen Benzins am Eingang zu ergreifen, würden die Einlassseite-Rotoren einen größeren Radius und entsprechend höhere Zentrifugalkraft ideal haben; ideale Klingen würden exponential dünner zu ihren Tipps werden, und Kohlenstoff-Fasern sollten die Aluminiumklingen verstärken. Jedoch, weil die durchschnittliche Geschwindigkeit einer Klinge das Pumpen so viel betrifft, wird davon durch die Erhöhung des Wurzeldiameters aber nicht des Tipp-Diameters, wo praktisch, getan.

Pumpen von Turbomolecular müssen mit sehr hohen Geschwindigkeiten funktionieren, und die Reibungshitzezunahme erlegt Designbeschränkungen auf. Einige Turbomolecular-Pumpen verwenden magnetische Lager, um Reibung und Ölverunreinigung zu reduzieren. Weil die magnetischen Lager und die Temperaturzyklen nur eine beschränkte Abfertigung zwischen Rotor und Statoren berücksichtigen, werden die Klingen in den Stufen des Hochdrucks zu einer einzelnen spiralenförmigen Folie jeder etwas degeneriert. Fluss von Laminar kann für das Pumpen nicht verwendet werden, weil laminar Turbinen wenn nicht verwendet am bestimmten Fluss stecken bleiben. Die Pumpe kann abgekühlt werden, um die Kompression zu verbessern, aber sollte nicht so kalt sein, um Eis auf den Klingen zu kondensieren.

Wenn ein turbopump angehalten wird, kann das Öl vom sich rückwärts bewegenden Vakuum backstream durch den turbopump und den Raum verseuchen. Eine Weise, das zu verhindern, ist, einen laminar Fluss des Stickstoffs durch die Pumpe einzuführen. Der Übergang vom Vakuum bis Stickstoff und von einem Laufen bis einen stillen turbopump muss genau synchronisiert werden, um mechanische Betonung zur Pumpe und dem Überdruck am Auslassventil zu vermeiden. Eine dünne Membran und eine Klappe am Auslassventil sollten hinzugefügt werden, um den turbopump vor dem übermäßigen Zurückdruck (z.B nach einem Macht-Misserfolg oder Leckstellen im sich rückwärts bewegenden Vakuum) zu schützen.

Der Rotor wird in allen seinen sechs Graden der Freiheit stabilisiert. Ein Grad wird durch den elektrischen Motor geregelt. Minimal muss dieser Grad elektronisch stabilisiert werden (oder durch ein diamagnetic Material, das zu nicht stabil ist, um in einem Präzisionspumpe-Lager verwendet zu werden). Ein anderer Weg (Verluste in magnetischen Kernen an hohen Frequenzen ignorierend), soll dieses Lager als eine Achse mit einem Bereich an jedem Ende bauen. Diese Bereiche sind statische hohle Innenbereiche. Auf der Oberfläche jedes Bereichs ist ein Damebrett-Muster nach innen und nach außen gehende magnetische Feldlinien. Als das Damebrett-Muster der statischen Bereiche rotieren gelassen wird, rotiert der Rotor. In diesem Aufbau wird keine Achse stabil auf den Kosten gemacht, eine andere Achse nicht stabil zu machen, aber alle Äxte sind neutral, und die elektronische Regulierung wird weniger betont und wird dynamischer stabil sein. Saal-Wirkungssensoren können verwendet werden, um die Rotationsposition zu fühlen, und die anderen Grade der Freiheit können kapazitiv gemessen werden.

Maximaler Druck

Am atmosphärischen Druck ist der freie Mittelpfad von Luft ungefähr 70 nm. Klingen von Turbomolecular können mit nichts in der Nähe von solch einer kleinen Abfertigung, so dieser Typ von Pumpe-Marktbuden, wenn erschöpft, direkt zur Atmosphäre gebaut werden. Nonetheless Varian, Inc. seit 2006 bietet eine Pumpe an, wo die letzten Stufen Klingen für den Nullfluss optimieren ließen und gegen einen Druck einer Atmosphäre pumpen können. Weil die Tiefdruck-Stufen den Fluss beschränken, können die Stufen des Hochdrucks zum Nullfluss befestigt werden. Theoretisch zentrifugale Pumpen konnten verwendet werden, aber es ist kompakter, um einen zirkulierenden Fluss zwischen hohlen Fäden im Rotor und dem Statoren zu verwenden. In anderen Fällen wird das Auslassventil mit einer sich rückwärts bewegenden Pumpe verbunden, die einen Druck niedrig genug für die Turbomolecular-Pumpe erzeugt, um effizient zu arbeiten. Gewöhnlich muss dieser Druck unter 10 Papa mit 1-2 Papa als allgemeine Durchschnitte sein.

Die Turbomolecular-Pumpe kann eine sehr vielseitige Pumpe sein. Es kann viele Grade des Vakuums vom Zwischenvakuum (~10 Papa) bis zu Ultrahochvakuum-Niveaus (~10 Papa) erzeugen.

Vielfache Turbomolecular-Pumpen in einem Laboratorium oder Produktionsanlage können durch Tuben mit einer kleinen sich rückwärts bewegenden Pumpe verbunden werden. Automatische Klappe- und Verbreitungspumpe wie Einspritzung in eine große Puffertube vor der sich rückwärts bewegenden Pumpe verhindert jeden Überdruck an einer Pumpe, eine andere Pumpe einzustellen.

Praktische Rücksichten

Gesetze der flüssigen Dynamik gelten in Hochvakuum-Umgebungen nicht. Die maximale Kompression ändert sich geradlinig mit der circumferential Rotor-Geschwindigkeit. Um äußerst niedrigen Druck unten zu 1 Mikropascal zu erhalten, sind Folge-Raten von 20,000 bis 90,000 Revolutionen pro Minute häufig notwendig. Leider ändert sich das Kompressionsverhältnis exponential mit der Quadratwurzel des Molekulargewichtes des Benzins. So werden schwere Moleküle viel effizienter gepumpt als leichte Moleküle. Der grösste Teil von Benzin ist schwer genug, um gut gepumpt zu werden, aber es ist schwierig, Wasserstoff und Helium effizient zu pumpen.

Ein zusätzlicher Nachteil stammt von der hohen Rotor-Geschwindigkeit dieses Typs der Pumpe: Lager des sehr hohen Grads sind erforderlich, die die Kosten vergrößern.

Weil turbomolecular nur Arbeit in molekularen Fluss-Bedingungen pumpt, wird eine reine Turbomolecular-Pumpe verlangen, dass eine sehr große sich rückwärts bewegende Pumpe effektiv arbeitet. So haben viele moderne Pumpen eine molekulare Schinderei-Bühne wie ein Mechanismus von Holweck oder Gaede in der Nähe vom Auslassventil, um die Größe der sich rückwärts bewegenden erforderlichen Pumpe zu reduzieren.

Geschichte

Die Turbomolecular-Pumpe wurde 1958 von Becker erfunden, der auf den älteren molekularen Schinderei-Pumpen gestützt ist, die von Gaede 1913, Holweck 1923 und Siegbahn 1944 entwickelt sind.

Links

• Einige praktische Richtlinien