Aan het einde van de jaren vijftig werd het mogelijk om – door een turbineachtig ontwerp en door aanpassing van de ideeën van Gaede – een technisch haalbare pomp te produceren, de zogenaamde 'turbomoleculaire pomp'. De ruimtes tussen de stator en de rotorschijven werden in de orde van millimeter gemaakt, zodat in wezen grotere toleranties konden worden verkregen. Daardoor werd een hogere bedrijfsveiligheid bereikt. Een pompeffect van enige betekenis wordt echter pas bereikt wanneer de omtreksnelheid (aan de buitenrand) van de rotorschoepen de orde van grootte van de gemiddelde thermische snelheid van de te verpompen moleculen bereikt. Kinetische gastheorie levert voor c- o de vergelijking 1,17: 

waarin de afhankelijkheid van het type gas als functie van de molaire massa M is opgenomen. De berekening met cgs-eenheden (waarbij R = 83,14 · 106 mbar · cm³ / mol · K) resulteert in de volgende tabel:  

Terwijl de afhankelijkheid van de pompsnelheid van het type gas vrij laag is

de afhankelijkheid van de compressie k₀ bij nuldoorvoer en dus ook de compressie k, door 

is groter, zoals blijkt uit de experimenteel bepaalde relatie in Fig. 2,55.

Bijvoorbeeld door:
uit theorie volgt dat

Dit komt, zoals verwacht (grootteorde), goed overeen met de experimenteel bepaalde waarde voor k₀ (N₂ ) = 2,0 · 10⁸ uit Afb. 2,55. Gezien de optimalisaties voor de individuele rotortrappen die vandaag de dag gebruikelijk zijn, is deze overweging niet meer correct voor de gehele pomp. Afbeelding: 2,56 zijn de waarden zoals gemeten voor een moderne TURBOVAC 340 M. 

Om aan deze voorwaarde te voldoen, is een omtreksnelheid voor de rotor van dezelfde orde van grootte vereist als c hoge rotorsnelheden voor turbomoleculaire pompen. Deze variëren van ca. 36.000 tpm bij pompen met een grote rotordiameter (TURBOVAC 1000) tot 72.000 tpm bij kleinere rotordiameters (TURBOVAC 35 / 55). Dergelijke hoge toerentallen stellen natuurlijk vragen bij een betrouwbaar lagerconcept. Leybold biedt drie concepten aan, waarvan de voor- en nadelen hieronder worden beschreven: 

Oliesmering / stalen kogellagers

+ Goede compatibiliteit met deeltjes door circulerend oliesmeermiddel 
- Kan alleen verticaal worden gemonteerd 
+ Weinig onderhoud 

Vetsmering / hybride lagers 

+ Installatie in elke richting 
+ Geschikt voor mobiele systemen 
± Luchtkoeling is geschikt voor veel toepassingen 
+ Levenslang gesmeerd (van de lagers) 

Vrij van smeermiddelen / magnetische ophanging

+ Geen slijtage 
+ Onderhoudsvrij 
+ Volledig vrij van koolwaterstoffen 
+ Lage geluids- en trillingsniveaus 
+ Installatie in elke richting 

Stalen kogellagers/hybride kogellagers (keramische kogellagers):

Afbeelding 2,52 toont een doorsnedetekening van een typische turbomoleculaire pomp. De pomp is een verticale axiale flowcompressor waarvan het actieve of pompende gedeelte bestaat uit een rotor (6) en een stator (2). De turbineschoepen bevinden zich rond de omtrek van de stator en de rotor. Elk rotor-statorpaar van cirkelvormige schoepenrijen vormt één trap, zodat de constructie bestaat uit een groot aantal in serie gemonteerde trappen. Het te verpompen gas komt rechtstreeks door de opening van de inlaatflens (1), d.w.z. zonder verlies van geleidbaarheid, bij het actieve pompgebied van de bovenste schoepen van de rotor-statorconstructie. Deze is uitgerust met schoepen met een bijzonder grote radiale overspanning om een groot ringvormig inlaatgebied mogelijk te maken. Het gas dat door deze fasen wordt opgevangen, wordt overgebracht naar de lagere compressiefasen, waarvan de schoepen kortere radiale overspanningen hebben, waar het gas wordt gecomprimeerd tot tegendruk of ruwe vacuümdruk. De turbinerotor (6) is gemonteerd op de aandrijfas, die wordt ondersteund door twee precisiekogellagers (8 en 11), die in het motorhuis zijn ondergebracht. De rotoras wordt rechtstreeks aangedreven door een middenfrequentiemotor die in de voorvacuümruimte in de rotor is ondergebracht, zodat er geen doorvoer van de draaias naar de buitenlucht nodig is. Deze motor wordt gevoed en automatisch geregeld door een externe frequentieomvormer, gewoonlijk een halfgeleiderfrequentieomvormer die zorgt voor een zeer laag geluidsniveau. Voor speciale toepassingen, bijvoorbeeld in stralingsblootgestelde gebieden, worden motorgeneratorfrequentieomvormers gebruikt.  

De verticale rotor-statorconfiguratie zorgt voor optimale stromingsomstandigheden van het gas bij de inlaat. Om een trillingsvrije werking bij hoge toerentallen te garanderen, wordt de turbine tijdens de montage dynamisch op twee niveaus uitgebalanceerd. 

De pompsnelheid (volumestroomsnelheid) van turbomoleculaire pompen wordt weergegeven in Afb. 2,53. De pompsnelheid blijft constant over het gehele werkdrukbereik. Bij inlaatdrukken boven 10-3 mbar neemt deze af, omdat deze drempelwaarde de overgang markeert van het gebied van moleculaire stroom naar het gebied van laminaire viskeuze stroom van gassen. Afb. 2,54 toont ook dat de pompsnelheid afhankelijk is van het type gas. 

De compressieverhouding (vaak ook eenvoudig compressie genoemd) van turbomoleculaire pompen is de verhouding tussen de partiële druk van een gascomponent bij de voorvacuümflens van de pomp en die bij de hoogvacuümflens: maximale compressie k₀ is te vinden bij nuldoorvoer. Om fysische redenen is de compressieverhouding van turbomoleculaire pompen zeer hoog voor zware moleculen, maar aanzienlijk lager voor lichte moleculen. De relatie tussen compressie en moleculaire massa wordt weergegeven in Afb. 2,55. Afgebeeld in Fig. 2,56 zijn de compressiecurven van een TURBOVAC 340 M voor N₂, He en H₂ als functie van de tegendruk. Vanwege de hoge compressieverhouding voor zware koolwaterstofmoleculen kunnen turbomoleculaire pompen rechtstreeks op een vacuümkamer worden aangesloten zonder de hulp van een of meer gekoelde baffles of afscheiders en zonder het risico van een meetbare deeldruk voor koolwaterstoffen in de vacuümkamer (koolwaterstofvrij vacuüm! - zie ook Fig. 2,57: restgasspectrum boven een TURBOVAC 361). Aangezien de door de roterende hulppomp bereikte deeldruk van waterstof zeer laag is, kan de turbomoleculaire pomp einddrukken in het bereik van 10 ^-11 mbar bereiken, ondanks de eerder matige compressie voor H₂. Om dergelijke extreem lage drukwaarden te produceren, moeten uiteraard de algemene regels van de UHV-technologie strikt worden nageleefd: de vacuümkamer en het bovenste deel van de turbomoleculaire pomp moeten worden uitgebakken en er moeten metalen afdichtingen worden gebruikt. Bij zeer lage drukken bestaat het restgas hoofdzakelijk uit H₂ afkomstig van de metalen wanden van de kamer. Het spectrum in Fig. 2,57 toont de restgassamenstelling vóór de inlaat van een turbomoleculaire pomp bij een einddruk van 7 · 10 ^-10 mbar stikstofequivalent. Blijkbaar bedraagt het aandeel H₂ in de totale hoeveelheid gas ongeveer 90 tot 95%. De fractie van 'zwaardere' moleculen is aanzienlijk gereduceerd en massa's groter dan 44 werden niet gedetecteerd. Een belangrijk criterium bij de beoordeling van de kwaliteit van een restgasspectrum zijn de meetbare koolwaterstoffen uit de smeermiddelen die in het vacuümpompsysteem worden gebruikt. Uiteraard kan een 'absoluut koolwaterstofvrij vacuüm' alleen worden geproduceerd met pompsystemen die vrij zijn van smeermiddelen, bijvoorbeeld met magnetisch opgehangen turbomoleculaire pompen en droge compressiehulppompen. Bij correct gebruik (ontluchting bij elke vorm van stilstand) zijn er geen koolwaterstoffen detecteerbaar, ook niet in het spectrum van normale turbomoleculaire pompen. 

Een verdere ontwikkeling van de turbomoleculaire pomp is de hybride of compound turbomoleculaire pomp. Dit zijn eigenlijk twee pompen op een gemeenschappelijke as in één enkele behuizing. De hoogvacuümtrap voor het moleculaire debietbereik is een klassieke turbomoleculaire pomp, de tweede pomp voor het viskeuze debietbereik is een moleculaire drag- of wrijvingspomp. 

Leybold produceert pompen zoals de TURBOVAC 55 met een geïntegreerde Holweck-trap (schroefcompressor) en bijvoorbeeld de HY. CONE 60 of HY. CONE 200 met een geïntegreerde Siegbahn-trap (spiraalcompressor). De vereiste hulpdruk bedraagt dan enkele mbar, zodat de hulppomp alleen nodig is om van ongeveer 5 tot 10 mbar tot atmosferische druk te comprimeren. Een doorsnede van een HY. CONE is te zien in Afb. 2.52a.  

Over het algemeen moeten turbomoleculaire pompen samen met de hulppomp worden gestart om de terugstroming van olie van de hulppomp naar de vacuümkamer te beperken. Een vertraagde start van de turbomoleculaire pomp is zinvol bij eerder kleine hulppompsets en grote vacuümkamers. Bij een bekende pompsnelheid voor de hulppomp S_V (m³ /h) en een bekend volume voor de vacuümkamer (m³ ) kan de inschakeldruk voor de turbomoleculaire pomp worden geschat: 

Gelijktijdige start wanneer
2,24 a 
en vertraagde start wanneer 
2,24 b 
bij een inschakeldruk van: 
2,24 c

Gelijktijdige start wanneer

en vertraagde start wanneer

bij een inschakeldruk van:

Bij het evacueren van grotere volumes kan de inschakeldruk voor turbomoleculaire pompen ook worden bepaald met behulp van het diagram van Fig. 2,58. 

Na het uitschakelen of in geval van stroomuitval moeten turbomoleculaire pompen altijd worden ontlucht om terugdiffusie van koolwaterstoffen van de voorvacuümzijde in de vacuümkamer te voorkomen. Na het uitschakelen van de pomp moet ook de koelwatertoevoer worden uitgeschakeld om mogelijke condensatie van waterdamp te voorkomen. Om de rotor te beschermen, wordt aanbevolen om de (minimale) ontluchtingstijden in acht te nemen die in de bedieningshandleiding worden vermeld. De pomp moet worden ontlucht (behalve bij werking met een barrièregas) via de ontluchtingsflens die al een smoorklep van gesinterd metaal bevat, zodat de ontluchting kan worden uitgevoerd met een normale klep of een ontluchtingsklep bij stroomuitval.  

Werking met barrièregas

Bij pompen die zijn uitgerust met een barrièregasvoorziening kan inert gas – zoals droge stikstof – worden toegevoerd via een speciale flens om de motorruimte en de lagers te beschermen tegen agressieve media. Een speciale barrièregas- en ontluchtingsklep meet de benodigde hoeveelheid barrièregas en kan ook als ontluchtingsklep dienen.

Ontkoppeling van trillingen

TURBOVAC-pompen zijn nauwkeurig gebalanceerd en kunnen over het algemeen rechtstreeks op het apparaat worden aangesloten. Alleen bij zeer gevoelige instrumenten, zoals elektronenmicroscopen, wordt aanbevolen om trillingsdempers te installeren die de aanwezige trillingen tot een minimum beperken. Voor magnetisch opgehangen pompen is een directe aansluiting op het vacuümapparaat gewoonlijk nodig vanwege de extreem lage trillingen die door dergelijke pompen worden geproduceerd.

Voor speciale toepassingen, zoals gebruik in sterke magnetische velden, stralingsgevaarlijke gebieden of in een tritiumatmosfeer, kunt u contact opnemen met onze verkoopafdeling, die over de nodige ervaring beschikt en altijd voor u beschikbaar is.