Come funziona una pompa turbomolecolare?
Il principio della pompa molecolare, noto dal 1913, è che le particelle di gas da pompare ricevono, attraverso l'impatto con le superfici in rapido movimento di un rotore, un impulso in una direzione di flusso richiesta. Le superfici del rotore, solitamente a forma di disco, formano, con le superfici fisse di uno statore, degli spazi interposti in cui il gas viene trasportato verso la porta posteriore. Nellapompa molecolare Gaide originale e nelle sue modifiche, gli spazi interposti (canali di trasporto) erano molto stretti, il che ha portato a difficoltà di costruzione e a un elevato grado di suscettibilità alla contaminazione meccanica.
Principio di funzionamento di una pompa turbomolecolare
Alla fine degli anni '50, è diventato possibile, attraverso un design simile a una turbina e la modifica delle idee di Gaede, produrre una pompa tecnicamente fattibile chiamata "pompa turbomolecolare". Gli spazi tra lo statore e i dischi del rotore sono stati realizzati nell'ordine di millimetri, in modo da ottenere tolleranze essenzialmente maggiori. In tal modo, è stata ottenuta una maggiore sicurezza operativa. Tuttavia, un effetto di pompaggio di qualsiasi significato si ottiene solo quando la velocità circonferenziale (sul bordo esterno) delle pale del rotore raggiunge l'ordine di grandezza della velocità termica media delle molecole da pompare.La teoria del gas cinetico fornisce c- o l'equazione 1.17:
in cui è contenuta la dipendenza dal tipo di gas in funzione della massa molare M. Il calcolo delle unità cgs (dove R = 83,14 · 106 mbar · cm3 / mol · K) risulta nella seguente tabella:
Tabella 2.4 c come funzione della massa molare M
Mentre la dipendenza della velocità di pompaggio dal tipo di gas è piuttosto bassa
la dipendenza della compressione k0 a velocità di trasmissione zero e quindi anche la compressione k, a causa di
è maggiore come mostrato dalla relazione determinata sperimentalmente nella Fig. 2.55.
Esempio:
dalla teoria, segue questo
Ciò coincide, come previsto (ordine di grandezza), con il valore determinato sperimentalmente per k0 (N2) = 2.0 · 108 dalla Fig. 2.55. Alla luce delle ottimizzazioni per le singole fasi del rotore oggi comuni, questa considerazione non è più corretta per l'intera pompa. Nella Fig. 2.56 sono mostrati i valori misurati per una moderna TURBOVAC 340 M.
Fig 2.55 TURBOVAC 450 - Compressione massima k0 in funzione della massa molare M
Fig 2.56 compressione massima k0 di una pompa turbomolecolare TURBOVAC 340 M per H2, He e N2 in funzione della pressione di controvuoto
Guarda il video seguente per vedere un'animazione del funzionamento di una pompa turbomolecolare in azione
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Vantaggi e svantaggi dei tipi di cuscinetti turbomolecolari
Per soddisfare tale condizione, per le pompe turbomolecolari è necessaria una velocità circonferenziale del rotore dello stesso ordine di grandezza delle velocità c elevate. Sono comprese tra circa 36.000 giri/min per pompe con rotore di grande diametro (TURBOVAC 1000) e 72.000 giri/min in caso di rotori di diametro inferiore (TURBOVAC 35 / 55). Velocità così elevate sollevano naturalmente dubbi sull'affidabilità dei cuscinetti. Leybold offre tre concetti, i cui vantaggi e svantaggi sono descritti in dettaglio di seguito:
Lubrificazione con olio / cuscinetti a sfera d'acciaio
+ Buona compatibilità con le particelle mediante olio lubrificante circolante
- È possibile solo l'installazione verticale
+ Basse esigenze di manutenzione
Lubrificazione con grasso / cuscinetti ibridi
+ Installazione in qualsiasi orientamento
+ Adatto per i sistemi mobili
± Il raffreddamento ad aria può andare bene per molte applicazioni
+ Lubrificazione permanente (dei cuscinetti)
Senza lubrificanti / sospensione magnetica
+ Nessuna usura
+ Non è richiesta manutenzione
+ Assoluta assenza di Idrocarburi
+ Bassi livelli di rumorosità e di vibrazioni
+ Installazione in qualsiasi orientamento
Cuscinetti a sfera d'acciaio / cuscinetti a sfera ibridi (cuscinetti a sfera in ceramica):
Anche una piccola lacerazione della sottile sottile pellicola lubrificante tra le sfere e le corse può, se si utilizza lo stesso tipo di materiale, causare la microsaldatura in corrispondenza dei punti di contatto. Ciò riduce notevolmente la durata dei cuscinetti. Utilizzando materiali diversi nei cosiddetti cuscinetti ibridi (corse: acciaio, sfere: ceramica), si evita l'effetto della microsaldatura.
Il concetto di cuscinetto più elegante è quello della sospensione magnetica. Già nel 1976 Leybold ha consegnato pompe turbomolecolari a sospensione magnetica, le leggendarie serie 550M e 560M. In quel momento è stata utilizzata una sospensione magnetica puramente attiva (ovvero con elettromagneti). I progressi nell'elettronica e l'uso di magneti permanenti (sospensione magnetica passiva) basati sul "Sistema KFA Jülich" hanno permesso alla sospensione magnetica di diffondersi ampiamente. In questo sistema, il rotore viene mantenuto in una posizione stabile senza contatto durante il funzionamento, grazie alle forze magnetiche. Assolutamente non sono necessari lubrificanti. I cosiddetti cuscinetti di "touch down" sono integrati per l'arresto.
Schema di una pompa turbomolecolare
La Fig. 2.52 mostra un disegno in sezione di una tipica pompa turbomolecolare. La pompa è un compressore a flusso assiale con design verticale, la cui parte attiva o di pompaggio è composta da un rotore (6) e uno statore (2). Le pale della turbina sono situate intorno alle circonferenze dello statore e del rotore. Ogni coppia di file di pale circolari con rotore - statore forma un unico stadio, in modo che il complessivo sia composto da una moltitudine di stadi montati in serie. Il gas da pompare arriva direttamente attraverso l'apertura della flangia di ingresso (1), ovvero, senza alcuna perdita di conduttanza, nell'area di pompaggio attiva delle pale superiori del complessivo rotore - statore. Questo è dotato di lame con un'apertura radiale particolarmente ampia per consentire un'ampia area di ingresso anulare. Il gas catturato da queste fasi viene trasferito alle fasi di compressione più basse, le cui lame hanno una distanza radiale più breve, dove il gas viene compresso alla pressione di controvuoto o alla pressione di vuoto irregolare. Il rotore della turbina (6) è montato sull'albero di trasmissione, supportato da due cuscinetti a sfere di precisione (8 e 11), posti nell'alloggiamento del motore. L'albero del rotore è azionato direttamente da un motore a media frequenza alloggiato nello spazio di pre-vuoto all'interno del rotore, in modo che non sia necessario il passaggio dell'albero rotante verso l'atmosfera esterna. Questo motore è alimentato e controllato automaticamente da un convertitore di frequenza esterno, normalmente un convertitore di frequenza a stato solido che garantisce un livello di rumore molto basso. Per applicazioni speciali, ad esempio in aree esposte a radiazioni, vengono utilizzati convertitori di frequenza per generatori di motori.
Fig 2.52 Schema di una pompa turbomolecolare TURBOVAC 151 lubrificata a grasso.
- Flangia di ingresso per vuoto alto
- Gruppo statore
- Flangia di sfiato
- Flangia per pre-vuoto
- Protezione antischegge
- Rotore
- Corpo della pompa
- Cuscinetto a sfera
- Collegamento dell'acqua di raffreddamento
- Motore trifase
- Cuscinetto a sfera
La configurazione verticale di rotore - statore fornisce condizioni di flusso ottimali del gas in ingresso. Per garantire un funzionamento privo di vibrazioni a velocità di rotazione elevate, la turbina viene bilanciata dinamicamente a due livelli durante l'assemblaggio.
Velocità di pompaggio delle pompe turbomolecolari
Le caratteristiche della velocità di pompaggio (portata in volume) delle pompe turbomolecolari sono illustrate nella Fig. 2.53. La velocità di pompaggio rimane costante per l'intera gamma di pressioni di esercizio. Diminuisce a pressioni di aspirazione superiori a 10-3 mbar, poiché questo valore di soglia indica la transizione dalla regione del flusso molecolare alla regione del flusso viscoso laminare dei gas. La Fig. 2.54 mostra inoltre che la velocità di pompaggio dipende dal tipo di gas.
Fig 2.53 Velocità di pompaggio per l'aria di diverse pompe turbomolecolari
Fig. 2.54 Curve di velocità di pompaggio di una TURBOVAC 600 per H2, He, N2 e Ar
Rapporto di compressione delle pompe turbomolecolari
Il rapporto di compressione (spesso chiamato anche semplicemente compressione) delle pompe turbomolecolari è il rapporto tra la pressione parziale di un componente di gas sulla flangia di pre-vuoto della pompa e quella sulla flangia di vuoto alto: la compressione massima k0 viene rilevata a resa zero. Per motivi fisici, il rapporto di compressione delle pompe turbomolecolari è molto elevato per le molecole pesanti, ma notevolmente inferiore per le molecole leggere. La relazione tra compressione e massa molecolare è mostrata nella Fig. 2.55. Illustrato nella Fig. 2.56 sono le curve di compressione di un TURBOVAC 340 M per N2, He e H2 in funzione della pressione di supporto. A causa dell'elevato rapporto di compressione per le molecole di idrocarburi pesanti, le pompe turbomolecolari possono essere collegate direttamente a una camera del vuoto senza l'ausilio di uno o più deflettori o filtri raffreddati e senza il rischio di una pressione parziale misurabile per gli idrocarburi nella camera del vuoto (vuoto privo di idrocarburi! Vedere anche la Fig. 2.57: spettro del gas residuo sopra una TURBOVAC 361). Poiché la pressione parziale dell'idrogeno raggiunta dalla pompa secondaria rotativa è molto bassa, la pompa turbomolecolare è in grado di raggiungere le pressioni finali nell'intervallo 10-11 mbar nonostante la sua compressione piuttosto moderata per H2. Per produrre pressioni così estremamente basse, è ovviamente necessario osservare rigorosamente le regole generali della tecnologia UHV: la camera del vuoto e la parte superiore della pompa turbomolecolare devono essere sottoposte a cottura e devono essere utilizzate guarnizioni metalliche. A pressioni molto basse, il gas residuo è composto principalmente da H2 proveniente dalle pareti metalliche della camera. Lo spettro nella Fig. 2.57 mostra la composizione del gas residuo davanti all'ingresso di una pompa turbomolecolare a una pressione finale di 7 · 10-10 mbar equivalente all'azoto. Sembra che la porzione di H2 nella quantità totale di gas sia pari a circa il 90-95%. La frazione di molecole "più pesanti" è notevolmente ridotta e masse superiori a 44 non sono state rilevate. Un criterio importante per la valutazione della qualità di uno spettro di gas residuo sono gli idrocarburi misurabili dei lubrificanti utilizzati nel sistema della pompa per vuoto. Naturalmente, un "vuoto assolutamente privo di idrocarburi" può essere prodotto solo con sistemi di pompe privi di lubrificanti, ad esempio con pompe turbomolecolari a sospensione magnetica e pompe secondarie a compressione a secco. Se azionate correttamente (sfiato a qualsiasi tipo di arresto), non sono rilevabili idrocarburi anche nello spettro delle normali pompe turbomolecolari.
Fig. 2.57 Spettro sopra una TURBOVAC 361.
M = Numero di massa = Massa molare relativa a una ionizzazione 1
I = Corrente ionica
Ulteriori tipi di pompe turbomolecolari
Un ulteriore sviluppo della pompa turbomolecolare è la pompa turbomolecolare ibrida o composta. Si tratta in realtà di due pompe su un albero comune in un unico alloggiamento. La fase di alto vuoto per la regione del flusso molecolare è una classica pompa turbomolecolare, la seconda pompa per l'intervallo di flusso viscoso è una pompa a trascinamento molecolare o a frizione.
Leybold produce pompe come la TURBOVAC 55 con uno stadio Holweck integrato (compressore a vite) e, ad esempio, la HY. CONE 60 o HY. CONO 200 con stadio Siegbahn integrato (compressore a spirale). La pressione di controvuoto richiesta quindi è pari a pochi mbar, in modo che la pompa secondaria sia necessaria solo per comprimere da circa 5 a 10 mbar alla pressione atmosferica. Vista in sezione di una HY. CONE mostrata nella Fig. 2.52a.
Fig. 2.52a Sezione trasversale di una pompa turbomolecolare HY.CONE.
- Porta del vuoto
- Flangia per vuoto alto
- Rotore
- Statore
- Cuscinetto
- Motore
- Ventola
- Cuscinetto
Come utilizzare le pompe turbomolecolari con una pompa secondaria
Di norma, le pompe turbomolecolari devono generalmente essere avviate insieme alla pompa secondaria per ridurre l'eventuale flusso di olio dalla pompa secondaria nella camera del vuoto. Un avvio ritardato della pompa turbomolecolare ha senso nel caso di gruppi pompa secondaria piuttosto piccoli e di grandi camere del vuoto. A una velocità di pompaggio nota per la pompa secondaria SV (m3/h) e a un volume noto per la camera del vuoto (m3) è possibile stimare la pressione di inserimento per la pompa turbomolecolare:
Avvio simultaneo quando
2.24 a
e avvio ritardato quando
2.24 b
a una pressione di inserimento di:
2.24 c
Avvio simultaneo quando
e avvio ritardato quando
a una pressione di inserimento di:
(2.24)
Quando si evacuano volumi maggiori, è possibile determinare anche la pressione di inserimento per le pompe turbomolecolari con l'ausilio dello schema della Fig. 2.58.
Fig 2.58 determinazione della pressione di inserimento per le pompe turbomolecolari durante l'evacuazione di serbatoi di grandi dimensioni
Prevenzione della retrodiffusione nelle pompe turbomolecolari attraverso lo sfiato
Dopo lo spegnimento o in caso di interruzione dell'alimentazione elettrica, le pompe turbomolecolari devono sempre essere spurgate per evitare qualsiasi diffusione di idrocarburi dal lato del pre-vuoto nella camera del vuoto. Dopo aver spento la pompa, disattivare anche l'alimentazione dell'acqua di raffreddamento per evitare la possibile condensa del vapore acqueo. Per proteggere il rotore, si raccomanda di rispettare i tempi di sfiato (minimi) indicati nel libretto di istruzioni. La pompa deve essere ventilata (tranne nel caso di funzionamento con un gas barriera) attraversola flangiadi sfiato che già contiene una farfalla in metallo sinterizzato, in modo che lo sfiato possa essere eseguito utilizzando una valvola normale o una valvola di sfiato in caso di interruzione dell'alimentazione.
Funzionamento con un gas barriera
Nel caso di pompe dotate di impianto con gas barriera, il gas inerte, come l'azoto secco, può essere applicato attraverso una speciale flangia in modo da proteggere lo spazio del motore e i cuscinetti da sostanze aggressive. Uno speciale gas barriera e una valvola di sfiato dosano la quantità necessaria di gas barriera e possono fungere anche da valvola di sfiato.
Disaccoppiamento delle vibrazioni
Le pompe TURBOVAC sono bilanciate con precisione e generalmente possono essere collegate direttamente all'apparecchiatura. Solo nel caso di strumenti altamente sensibili, come i microscopi elettronici, si consiglia di installare gli ammortizzatori di vibrazioni che riducono al minimo le vibrazioni presenti. Per le pompe a sospensione magnetica, in genere, un collegamento diretto all'apparecchiatura del vuoto è dovuto alle vibrazioni estremamente basse prodotte da tali pompe.
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Fondamenti della tecnologia del vuoto
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
