Bagaimana cara kerja pompa turbomolekuler?
Prinsip pompa molekuler - dikenal sejak tahun 1913 - adalah bahwa partikel gas yang akan dipompa menerima, melalui benturan dengan permukaan rotor yang bergerak cepat, impuls dalam arah aliran yang diperlukan. Permukaan rotor - biasanya berbentuk cakram - membentuk, dengan permukaan stasioner stator, ruang intervensi di mana gas diangkut ke port pendukung. Pada pompa molekul Gaede asli dan modifikasinya, ruang intervensi (saluran transportasi) sangat sempit, yang menyebabkan kesulitan konstruksi dan tingkat kerentanan yang tinggi terhadap kontaminasi mekanis.
Prinsip kerja pompa turbomolekuler
Pada akhir Lima puluhan, menjadi mungkin - melalui desain mirip turbin dan dengan modifikasi ide Gaede - untuk memproduksi pompa yang layak secara teknis yang disebut "pompa turbomolekuler". Ruang antara stator dan cakram rotor dibuat dalam urutan milimeter, sehingga toleransi yang lebih besar pada dasarnya dapat diperoleh. Dengan demikian, keamanan pengoperasian yang lebih baik tercapai. Namun, efek pemompaan yang signifikan hanya tercapai ketika kecepatan sirkular (di tepi luar) bilah rotor mencapai urutan besarnya kecepatan termal rata-rata molekul yang akan dipompa. Pasokan teori gas kinetik untuk c- o persamaan 1,17:
yang mengandung ketergantungan pada jenis gas sebagai fungsi massa molar M. Perhitungan yang melibatkan cgs-unit (di mana R = 83,14 · 106 mbar · cm3 / mol · K) menghasilkan Tabel berikut:
Tabel 2,4 c sebagai fungsi massa molar M
Sementara ketergantungan kecepatan pemompaan pada jenis gas cukup rendah
ketergantungan kompresi k0 pada throughput nol dan juga kompresi k, karena
lebih besar seperti ditunjukkan oleh hubungan yang ditentukan secara eksperimental di Gambar 2.55.
Contohnya:
dari teori ini mengikuti bahwa
Ini cocok, seperti yang diharapkan (urutan magnitudo), dengan nilai yang ditentukan secara eksperimental untuk k0 (N2 ) = 2,0 · 108 dari Gambar 2.55. Mengingat pengoptimalan untuk setiap tahap rotor yang umum saat ini, pertimbangan ini tidak lagi benar untuk seluruh pompa. Tunjukkan pada Gambar 2,56 adalah nilai yang diukur untuk TURBOVAC 340 M modern.
Gambar 2,55 TURBOVAC 450 - Kompresi maksimum k0 sebagai fungsi massa molar M
Gambar 2,56 Kompresi maksimum k0 pompa turbomolekuler TURBOVAC 340 M untuk H2, He, dan N2 sebagai fungsi tekanan latar
Tonton video di bawah ini untuk melihat animasi pemompaan pompa turbomolekuler dalam tindakan
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Kelebihan dan kekurangan jenis bantalan turbomolekuler
Untuk memenuhi kondisi ini, kecepatan sirkular untuk rotor dengan urutan magnitudo yang sama seperti c kecepatan rotor tinggi diperlukan untuk pompa turbomolekuler. Kisarannya mulai dari sekitar 36.000 rpm untuk pompa dengan diameter rotor besar (TURBOVAC 1000) hingga 72.000 rpm untuk diameter rotor yang lebih kecil (TURBOVAC 35 / 55). Kecepatan tinggi semacam itu secara alami menimbulkan pertanyaan tentang konsep bantalan yang andal. Leybold menawarkan tiga konsep, kelebihan dan kekurangannya dijelaskan secara terperinci berikut ini:
Pelumasan oli / bantalan bola baja
+ Kompatibilitas yang baik dengan partikel melalui sirkulasi pelumas oli
- Hanya dapat dipasang secara vertikal
+ Pemeliharaan rendah
Pelumasan gemuk / bantalan hibrida
+ Pemasangan dalam orientasi apa pun
+ Cocok untuk sistem seluler
± Pendinginan udara akan dilakukan untuk banyak aplikasi
+ Dilumasi seumur hidup (bantalan)
Bebas pelumas / suspensi magnetis
+ Tidak aus
+ Tanpa pemeliharaan
+ Sepenuhnya bebas hidrokarbon
+ Tingkat kebisingan dan getaran rendah
+ Pemasangan dalam orientasi apa pun
Bantalan bola baja/bantalan bola hibrida (bantalan bola keramik):
Meskipun lapisan pelumas yang tipis di antara bola dan baling-baling dapat robek sebentar - jika menggunakan jenis bahan yang sama - menyebabkan pengelasan mikro pada titik kontak. Hal ini sangat mengurangi masa pakai bantalan. Dengan menggunakan bahan yang berbeda pada bantalan yang disebut hibrida (ras: baja, bola: keramik), efek pengelasan mikro dapat dihindari.
Konsep bantalan yang paling elegan adalah suspensi magnetik. Sejak tahun 1976, Leybold memasok pompa turbomolekuler yang digantung secara magnetis - seri legendaris 550M dan 560M. Pada saat itu, suspensi magnetik murni aktif (yaitu dengan elektromagnet) digunakan. Kemajuan dalam elektronik dan penggunaan magnet permanen (suspensi magnetik pasif) berdasarkan "Sistem KFA Jülich" memungkinkan konsep suspensi magnetik menyebar luas. Dalam sistem ini, rotor dipertahankan dalam posisi stabil tanpa kontak selama pengoperasian, oleh gaya magnet. Tidak diperlukan pelumas sama sekali. Bantalan yang disebut touch down terintegrasi untuk shutdown.
Diagram skematik pompa turbomolekuler
Gambar 2,52 menunjukkan gambar penampang pompa turbomolekuler umum. Pompa adalah kompresor aliran aksial dengan desain vertikal, bagian aktif atau pemompaannya terdiri dari rotor (6) dan stator (2). Bilah turbin terletak di sekitar lingkaran stator dan rotor. Setiap pasangan rotor - stator baris pisau melingkar membentuk satu tahap, sehingga rakitan terdiri dari banyak tahap yang dipasang secara berurutan. Gas yang akan dipompa tiba langsung melalui bukaan flensa saluran masuk (1), yaitu, tanpa kehilangan konduktansi, di area pemompaan aktif bilah atas rakitan rotor - stator. Produk ini dilengkapi dengan bilah dengan rentang radial yang sangat besar untuk memungkinkan area inlet annular yang besar. Gas yang ditangkap oleh tahap-tahap ini ditransfer ke tahap kompresi bawah, yang bilahnya memiliki rentang radial yang lebih pendek, di mana gas dikompresi ke tekanan cadangan atau tekanan vakum kasar. Rotor turbin (6) dipasang pada poros penggerak, yang didukung oleh dua bantalan bola presisi (8 dan 11), yang ditempatkan di rumah motor. Poros rotor digerakkan secara langsung oleh motor frekuensi menengah yang terletak di ruang vakum awal di dalam rotor, sehingga tidak perlu ada saluran poros putar ke atmosfer luar. Motor ini dialiri daya dan dikontrol secara otomatis oleh konverter frekuensi eksternal, biasanya konverter frekuensi solid-state yang memastikan tingkat kebisingan sangat rendah. Untuk aplikasi khusus, misalnya, di area yang terpapar radiasi, konverter frekuensi generator motor digunakan.
Gambar 2,52 Diagram skematis pompa turbomolekul TURBOVAC 151 berpelumas gemuk.
- Flensa saluran masuk vakum tinggi
- Paket stator
- Flensa ventilasi
- Flensa vakum awal
- Pelindung serpihan
- Rotor
- Rumah pompa
- Bantalan bola
- Sambungan air pendingin
- Motor 3 fasa
- Bantalan bola
Konfigurasi rotor - stator vertikal memberikan kondisi aliran gas yang optimal pada saluran masuk. Untuk memastikan pengoperasian bebas getaran pada kecepatan putaran tinggi, turbin diseimbangkan secara dinamis pada dua tingkat selama perakitannya.
Kecepatan pompa pompa turbomolekuler
Karakteristik kecepatan pemompaan (laju aliran volume) pompa turbomolekuler ditampilkan pada Gambar 2.53. Kecepatan pemompaan tetap konstan di seluruh kisaran tekanan kerja. Nilai ini berkurang pada tekanan masuk di atas 10-3 mbar, karena nilai ambang batas ini menandai transisi dari wilayah aliran molekul ke wilayah aliran gas kental laminar. Gbr. 2,54 juga menunjukkan bahwa kecepatan pemompaan tergantung pada jenis gas.
Gambar 2,53 Kecepatan pemompaan untuk udara dari pompa turbomolekul yang berbeda
Gambar 2,54 Kurva kecepatan pemompaan TURBOVAC 600 untuk H2, He, N2 dan Ar
Rasio kompresi pompa turbomolekuler
Rasio kompresi (sering disebut juga kompresi) pompa turbomolekuler adalah rasio antara tekanan parsial satu komponen gas pada flensa vakum awal pompa dan pada flensa vakum tinggi: kompresi maksimum k0 ditemukan pada throughput nol. Karena alasan fisik, rasio kompresi pompa turbomolekul sangat tinggi untuk molekul berat tetapi jauh lebih rendah untuk molekul ringan. Hubungan antara kompresi dan massa molekul ditampilkan pada Gambar 2.55. Dilihat pada Gbr. 2,56 adalah kurva kompresi TURBOVAC 340 M untuk N2, He, dan H2 sebagai fungsi tekanan latar belakang. Karena rasio kompresi yang tinggi untuk molekul hidrokarbon berat, pompa turbomolekuler dapat dihubungkan langsung ke ruang vakum tanpa bantuan satu atau beberapa baffle atau perangkap yang didinginkan dan tanpa risiko tekanan parsial yang terukur untuk hidrokarbon di ruang vakum (vakum bebas hidrokarbon! - lihat juga Gbr. 2,57: spektrum gas residu di atas TURBOVAC 361). Karena tekanan parsial hidrogen yang dicapai oleh pompa cadangan putar sangat rendah, pompa turbomolekuler mampu mencapai tekanan tertinggi dalam kisaran 10 -11 mbar meskipun kompresinya agak sedang untuk H2. Untuk menghasilkan tekanan yang sangat rendah, tentu saja, perlu untuk secara ketat mematuhi aturan umum teknologi UHV: ruang vakum dan bagian atas pompa turbomolekuler harus dipanggang, dan segel logam harus digunakan. Pada tekanan yang sangat rendah, gas residu terutama terdiri dari H2 yang berasal dari dinding logam ruangan. Spektrum pada Gbr. 2,57 menunjukkan komposisi gas residu di depan inlet pompa turbomolekul pada tekanan tertinggi setara nitrogen 7 · 10 -10 mbar. Tampaknya bagian H2 dalam jumlah total gas sekitar 90 hingga 95%. Fraksi molekul "berat" berkurang secara signifikan dan massa yang lebih besar dari 44 tidak terdeteksi. Kriteria penting dalam menilai kualitas spektrum gas residu adalah hidrokarbon yang terukur dari pelumas yang digunakan dalam sistem pompa vakum. Tentu saja, vakum "sempurna bebas hidrokarbon" hanya dapat dihasilkan dengan sistem pompa yang bebas pelumas, misalnya dengan pompa turbomolekul yang digantung magnetis dan pompa cadangan kompresi kering. Bila dioperasikan dengan benar (ventilasi pada kondisi diam apa pun) tidak ada hidrokarbon yang terdeteksi bahkan dalam spektrum pompa turbomolekul normal.
Gambar 2,57 Spektrum di atas TURBOVAC 361.
M = Angka massa = Massa molar relatif pada ionisasi 1
I = Arus ion
Jenis pompa turbomolekuler lainnya
Pengembangan lebih lanjut dari pompa turbomolekuler adalah pompa turbomolekuler hibrida atau campuran. Ini adalah dua pompa pada poros umum dalam satu casing. Tahap vakum tinggi untuk wilayah aliran molekuler adalah pompa turbomolekuler klasik, sedangkan pompa kedua untuk rentang aliran kental adalah pompa seret atau gesekan molekuler.
Leybold memproduksi pompa seperti TURBOVAC 55 dengan tahap Holweck terintegrasi (kompresor tipe ulir) dan, misalnya, HY. CONE 60 atau HY. CONE 200 dengan tahap Siegbahn terintegrasi (kompresor spiral). Tekanan cadangan yang dibutuhkan kemudian berjumlah beberapa mbar sehingga pompa cadangan hanya perlu mengompresi dari sekitar 5 hingga 10 mbar ke tekanan atmosfer. Tampilan penampang kerucut HY. CONE ditampilkan pada Gambar 2.52a.
Gambar 2.52a Bagian penampang pompa turbomolekul HY.CONE.
- Port vakum
- Flensa vakum tinggi
- Rotor
- Stator
- Bearing
- Motor
- Kipas
- Bearing
Cara mengoperasikan pompa turbomolekuler dengan pompa cadangan
Sebagai aturan umum, pompa turbomolekuler harus dinyalakan bersama dengan pompa cadangan untuk mengurangi aliran balik oli dari pompa cadangan ke dalam ruang vakum. Penundaan penyalaan pompa turbomolekuler masuk akal dalam kasus set pompa cadangan yang agak kecil dan ruang vakum yang besar. Pada kecepatan pemompaan yang diketahui untuk pompa cadangan SV (m3 /jam) dan volume yang diketahui untuk ruang vakum (m3 ), dimungkinkan untuk memperkirakan tekanan pengaktifan untuk pompa turbomolekuler:
Start simultan saat
2,24 a
dan penundaan start saat
2,24 b
pada tekanan pengaktifan:
2,24 c
Start simultan saat
dan penundaan start saat
pada tekanan pengaktifan:
(2,24)
Saat mengevakuasi volume yang lebih besar, tekanan pengaktifan untuk pompa turbomolekuler juga dapat ditentukan dengan bantuan diagram Gambar 2.58.
Gambar 2,58 Penentuan tekanan pengaktifan untuk pompa turbomolekul saat mengevakuasi bejana besar
Mencegah difusi balik pada pompa turbomolekuler melalui ventilasi
Setelah dimatikan atau jika terjadi kegagalan daya, pompa turbomolekuler harus selalu diventilasi untuk mencegah sirkulasi balik hidrokarbon dari sisi vakum awal ke dalam ruang vakum. Setelah mematikan pompa, pasokan air pendingin juga harus dimatikan untuk mencegah kemungkinan kondensasi uap air. Untuk melindungi rotor, disarankan untuk mematuhi waktu ventilasi (minimum) yang disebutkan dalam petunjuk pengoperasian. Pompa harus diventilasi (kecuali dalam kasus pengoperasian dengan gas penghalang) melalui flensa ventilasi yang sudah mengandung throttle logam sinter, sehingga ventilasi dapat dilakukan menggunakan katup normal atau katup ventilasi kegagalan daya.
Pengoperasian gas perapat
Pada pompa yang dilengkapi fasilitas gas penghalang, gas lembam - seperti nitrogen kering - dapat diterapkan melalui flensa khusus untuk melindungi ruang motor dan bantalan dari media agresif. Gas penghalang dan katup ventilasi khusus mengukur jumlah gas penghalang yang diperlukan dan juga dapat berfungsi sebagai katup ventilasi.
Pemisahan getaran
Pompa TURBOVAC diseimbangkan secara presisi dan umumnya dapat disambungkan langsung ke peralatan. Hanya dalam kasus instrumen yang sangat sensitif, seperti mikroskop elektron, disarankan untuk memasang peredam getaran yang mengurangi getaran yang ada ke minimum. Untuk pompa yang digantung secara magnetis, sambungan langsung ke peralatan vakum biasanya akan dilakukan karena getaran yang sangat rendah yang dihasilkan oleh pompa tersebut.
Untuk aplikasi khusus seperti pengoperasian di medan magnet kuat, area bahaya radiasi, atau di atmosfer tritium, hubungi Departemen Penjualan kami yang berpengalaman dan selalu siap membantu Anda.
Dasar-dasar Teknologi Vakum
Unduh eBook "Dasar-Dasar Teknologi Vakum" kami untuk menemukan dasar-dasar dan proses pompa vakum.
Referensi
- Simbol vakum
- Glosarium perangkat
- Referensi dan sumber
Simbol vakum
Simbol vakum
Glosarium simbol yang umum digunakan dalam diagram teknologi vakum sebagai representasi visual jenis pompa dan komponen dalam sistem pemompaan
Glosarium perangkat
Glosarium perangkat
Gambaran umum tentang unit pengukuran yang digunakan dalam teknologi vakum dan apa arti simbolnya, serta setara modern dari unit historis
Referensi dan sumber
Referensi dan sumber
Referensi, sumber, dan bacaan lebih lanjut terkait pengetahuan dasar tentang teknologi vakum
Simbol vakum
Glosarium simbol yang umum digunakan dalam diagram teknologi vakum sebagai representasi visual jenis pompa dan komponen dalam sistem pemompaan
Glosarium perangkat
Gambaran umum tentang unit pengukuran yang digunakan dalam teknologi vakum dan apa arti simbolnya, serta setara modern dari unit historis
Referensi dan sumber
Referensi, sumber, dan bacaan lebih lanjut terkait pengetahuan dasar tentang teknologi vakum
