Como funciona uma bomba turbomolecular?
O princípio da bomba molecular, bem conhecida desde 1913, é que as partículas de gás a serem bombeadas recebem, através do impacto com as superfícies em movimento rápido de um rotor, um impulso em uma direção de fluxo necessária. As superfícies do rotor, geralmente em forma de disco, formam, com as superfícies estacionárias de um estator, espaços de intervenção nos quais o gás é transportado para a porta de apoio. Na bomba molecular de Gaede original e suas modificações, os espaços de intervenção (canais de transporte) eram muito estreitos, o que levou a dificuldades construtivas e a um elevado grau de suscetibilidade à contaminação mecânica.
Princípio operacional de uma bomba turbomolecular
No final dos anos 50, tornou-se possível - por um projeto semelhante a uma turbina e por modificação das ideias de Gaede - produzir uma bomba tecnicamente viável chamada de "bomba turbomolecular". Os espaços entre o estator e os discos do rotor foram feitos na ordem de milímetros, de modo que tolerâncias essencialmente maiores pudessem ser obtidas. Com isso, foi obtida uma maior segurança na operação. No entanto, um efeito de bombeamento de alguma significância só é obtido quando a velocidade circunferencial (no aro externo) das lâminas do rotor atinge a ordem de grandeza da velocidade térmica média das moléculas que devem ser bombeadas. A teoria do gás cinético fornece para c- o a equação 1.17:
em que está contida a dependência do tipo de gás em função da massa molar M. O cálculo envolvendo unidades cgs (onde R = 83,14 · 106 mbar · cm3/ mol · K) resulta na seguinte Tabela:
Tabela 2.4 c em função da massa molar M
Considerando que a dependência da velocidade de bombeamento do tipo de gás é bastante baixa
a dependência da compressão k0 com rendimento zero e, portanto, também a compressão k, porque
é maior, conforme mostrado pela relação experimentalmente determinada na Fig. 2.55.
Exemplo:
da teoria, segue que
Isso concorda bem, como esperado (ordem de magnitude), com o valor determinado experimentalmente para k0 (N2) = 2,0 · 108 da Fig. 2.55. Em vista das otimizações para os estágios individuais do rotor comuns hoje, essa consideração não é mais correta para toda a bomba. Os valores medidos para um moderno TURBOVAC 340 M são mostrados na Fig. 2.56.
Fig. 2.55 TURBOVAC 450 - compressão máxima k0 em função da massa molar M
Fig. 2.56 Compressão máxima k0 de uma bomba turbomolecular TURBOVAC 340 M para H2, He e N2 em função da pressão de apoio
Confira o vídeo abaixo para ver uma animação de bombeamento de uma bomba turbomolecular em ação
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Vantagens e desvantagens dos tipos de rolamento turbomolecular
Para atender à condição, é necessária uma velocidade circunferencial para o rotor da mesma ordem de grandeza que as altas velocidades de rotor c para bombas turbomoleculares. Eles variam de aproximadamente 36.000 rpm para bombas com um rotor de grande diâmetro (TURBOVAC 1000) a 72.000 rpm no caso de rotores de diâmetros menores (TURBOVAC 35 / 55). Essas altas velocidades naturalmente levantam questões sobre um conceito de rolamento confiável. A Leybold oferece três conceitos, cujas vantagens e desvantagens são detalhadas a seguir:
Lubrificação a óleo / rolamentos de esferas de aço
+ Boa compatibilidade com partículas por circulação de óleo lubrificante
- Só pode ser instalado verticalmente
+ Baixa manutenção
Lubrificação com graxa / rolamentos híbridos
+ Instalação em qualquer orientação
+ Adequado para sistemas móveis
± O resfriamento por ar serve para muitas aplicações
+ Lubrificado para toda a vida útil (dos rolamentos)
Isento de lubrificantes / suspensão magnética
+ Sem desgaste
+ Sem manutenção
+ Absolutamente livre de hidrocarbonetos
+ Baixos níveis de ruído e vibração
+ Instalação em qualquer orientação
Rolamentos de esferas de aço / rolamentos de esferas híbridos (rolamentos de esferas de cerâmica):
Mesmo um pequeno desgaste no fino filme lubrificante entre as esferas e as calhas pode, se o mesmo tipo de material for usado, resultar em microsoldagens nos pontos de contato. Isso reduz drasticamente a vida útil dos rolamentos. Ao usar materiais diferentes nos chamados rolamentos híbridos (calhas: aço, esferas: cerâmica), o efeito de microsoldagens é evitado.
O conceito de rolamento mais elegante é o da suspensão magnética. Já em 1976, a Leybold forneceu bombas turbomoleculares magneticamente suspensas, as lendárias séries 550M e 560M. Naquela época, foi usada uma suspensão magnética puramente ativa (ou seja, com eletroímãs). Os avanços na eletrônica e o uso de ímãs permanentes (suspensão magnética passiva) baseados no "sistema KFA Jülich" permitiram que o conceito de suspensão magnética se espalhasse amplamente. Nesse sistema, o rotor é mantido em posição estável sem contato durante a operação, por forças magnéticas. Nenhum lubrificante é necessário. Os chamados rolamentos touch down são integrados para desligamento.
Diagrama esquemático de uma bomba turbomolecular
A Fig. 2.52 mostra um desenho seccional de uma bomba turbomolecular típica. A bomba é um compressor de fluxo axial de design vertical, cuja parte ativa ou de bombeamento consiste em um rotor (6) e um estator (2). As lâminas da turbina estão localizadas ao redor das circunferências do estator e do rotor. Cada par rotor - estator de fileiras de lâminas circulares forma um estágio, de modo que o conjunto é composto de vários estágios montados em série. O gás a ser bombeado chega diretamente pela abertura do flange de entrada (1), ou seja, sem qualquer perda de condutância, na área de bombeamento ativo das lâminas superiores do conjunto rotor – estator. Ele é equipado com lâminas de extensão radial, especialmente grande para permitir uma grande área de entrada anular. O gás capturado por esses estágios é transferido para os estágios inferiores de compressão, cujas lâminas possuem intervalos radiais mais curtos, onde o gás é comprimido até a pressão de apoio ou pressão de vácuo parcial. O rotor da turbina (6) é montado no eixo de acionamento, que é suportado por dois rolamentos de esferas de precisão (8 e 11), acomodados na carcaça do motor. O eixo do rotor é acionado diretamente por um motor de média frequência alojado no espaço de pré-vácuo dentro do rotor, de modo que não seja necessária nenhuma passagem de eixo rotativo para a atmosfera externa. Esse motor é alimentado e automaticamente controlado por um conversor de frequência externo, normalmente um conversor de frequência de estado sólido que garante um nível de ruído muito baixo. Para aplicações especiais, por exemplo, em áreas expostas à radiação, são usados conversores de frequência do gerador do motor.
Fig. 2.52 Diagrama esquemático de uma bomba turbomolecular TURBOVAC 151 lubrificada com graxa.
- Flange de entrada de alto vácuo
- Conjunto do estator
- Flange de ventilação
- Flange de pré-vácuo
- Proteção do divisor
- Rotor
- Carcaça da bomba
- Rolamentos de esferas
- Conexão da água de refrigeração
- motor trifásico
- Rolamentos de esferas
A configuração vertical do rotor - estator fornece condições ideais de fluxo do gás na entrada. Para garantir um funcionamento sem vibração em altas velocidades de rotação, a turbina é balanceada dinamicamente em dois níveis durante sua montagem.
Velocidade de bombeamento de bombas turbomoleculares
As características da velocidade de bombeamento (vazão de volume) das bombas turbomoleculares são mostradas na Fig. 2.53. A velocidade de bombeamento permanece constante em toda a faixa de pressão de trabalho. Diminui em pressões de entrada acima de 10-3 mbar, pois esse valor limite marca a transição da região de fluxo molecular para a região de fluxo viscoso laminar dos gases. A Fig. 2.54 mostra também que a velocidade de bombeamento depende do tipo de gás.
Fig. 2.53 Velocidade de bombeamento de ar de diferentes bombas turbomoleculares
Fig. 2.54 Curvas de velocidade de bombeamento de uma TURBOVAC 600 para H2, He, N2 e ar
Taxa de compressão de bombas turbomoleculares
A taxa de compressão (geralmente também denominada de compressão) das bombas turbomoleculares é a relação entre a pressão parcial de um componente de gás no flange de pré-vácuo da bomba e a pressão no flange de alto vácuo: a compressão máxima k0 deve ser encontrada em rendimento zero. Por razões físicas, a taxa de compressão das bombas turbomoleculares é muito alta para moléculas pesadas, mas consideravelmente menor para moléculas leves. A relação entre compressão e massa molecular é mostrada na Fig. 2.55. Na Fig. 2.56, são mostradas as curvas de compressão de uma TURBOVAC 340 M para N2, He e H2 em função da pressão de apoio. Devido à alta taxa de compressão para moléculas de hidrocarbonetos pesados, as bombas turbomoleculares podem ser diretamente ligadas a uma câmara de vácuo sem o auxílio de um ou mais defletores arrefecidos ou armadilhas e sem o risco de uma pressão parcial mensurável para os hidrocarbonetos na câmara de vácuo (vácuo isento de hidrocarbonetos! – consulte também a Fig. 2.57: espectro de gás residual acima de uma TURBOVAC 361). Como a pressão parcial de hidrogênio obtida pela bomba de apoio rotativa é muito baixa, a bomba turbomolecular é capaz de atingir pressões máximas na faixa de 10-11 mbar, apesar de sua compressão bastante moderada para H2. Para produzir pressões tão extremamente baixas, é claro que será necessário observar rigorosamente as regras gerais da tecnologia UHV: a câmara de vácuo e a parte superior da bomba turbomolecular devem ser aquecidas e vedações de metal devem ser usadas. Em pressões muito baixas, o gás residual é composto principalmente de H2, originado das paredes metálicas da câmara. O espectro na Fig. 2.57 mostra a composição do gás residual na frente da entrada de uma bomba turbomolecular a uma pressão máxima equivalente a nitrogênio de 7 · 10-10 mbar. Parece que a porção de H2 na quantidade total de gás é de aproximadamente 90 a 95%. A fração de moléculas "mais pesadas" é consideravelmente reduzida e massas maiores que 44 não foram detectadas. Um critério importante na avaliação da qualidade de um espectro de gás residual são os hidrocarbonetos mensuráveis dos lubrificantes usados no sistema de bomba de vácuo. Obviamente, um "vácuo absolutamente isento de hidrocarbonetos" só pode ser produzido com sistemas de bombas isentos de lubrificantes, por exemplo, com bombas turbomoleculares suspensas magneticamente e bombas de apoio de compressão a seco. Quando operado corretamente (ventilação em qualquer tipo de paralização), nenhum hidrocarboneto é detectável também no espectro de bombas turbomoleculares normais.
Fig. 2.57 Espectro acima de uma TURBOVAC 361.
M = número de massa = massa molar relativa a uma ionização 1
I = corrente de íons
Outros tipos de bombas turbomoleculares
Um desenvolvimento adicional da bomba turbomolecular é a bomba turbomolecular híbrida ou composta. Na verdade, são duas bombas em um eixo comum em uma única carcaça. O estágio de alto vácuo para a região de fluxo molecular é uma bomba turbomolecular clássica, a segunda bomba para a faixa de fluxo viscoso é uma bomba de arrasto molecular ou de fricção.
A Leybold fabrica bombas como a TURBOVAC 55 com um estágio Holweck integrado (compressor do tipo parafuso) e, por exemplo, a HY. CONE 60 ou HY. CONE 200 com um estágio Siegbahn integrado (compressor de espiral). Então, a pressão de apoio necessária é de alguns mbar para que a bomba de apoio seja necessária apenas para comprimir de cerca de 5 a 10 mbar até a pressão atmosférica. Uma vista seccional de uma HY CONE é mostrada na Fig. 2.52a.
Fig. 2.52a Seção transversal de uma bomba turbomolecular HY.CONE.
- Porta de vácuo
- Flange de alto vácuo
- Rotor
- Estator
- Rolamento
- Motor
- Ventilador
- Rolamento
Como operar bombas turbomoleculares com uma bomba de apoio
Como regra geral, bombas turbomoleculares devem ser iniciadas junto com a bomba de apoio para reduzir qualquer refluxo de óleo da bomba de apoio para a câmara de vácuo. Um início retardado da bomba turbomolecular faz sentido no caso de conjuntos de bombas de apoio pequenos e grandes câmaras de vácuo. Em uma velocidade de bombeamento conhecida para a bomba de apoio SV (m3/h) e um volume conhecido para a câmara de vácuo (m3), é possível estimar a pressão de corte para a bomba turbomolecular:
Iniciar simultaneamente quando
2.24 a
e início retardado quando
2.24 b
a uma pressão de corte de:
2.24 c
Iniciar simultaneamente quando
e início retardado quando
a uma pressão de corte de:
(2,24)
Ao evacuar volumes maiores, a pressão de corte para bombas turbomoleculares também pode ser determinada com o auxílio do diagrama da Fig. 2.58.
Fig. 2.58 Determinação da pressão de corte para bombas turbomoleculares ao evacuar grandes reservatórios
Evitando a retrodifusão em bombas turbomoleculares através de ventilação
Depois de desligar ou em caso de falha de energia, bombas turbomoleculares sempre devem ser ventiladas para evitar qualquer retrodifusão de hidrocarbonetos do lado do pré-vácuo para a câmara de vácuo. Depois de desligar a bomba, o fornecimento de água de refrigeração também deve ser desligado para evitar a possível condensação de vapor de água. Para proteger o rotor, recomenda-se cumprir os tempos (mínimos) de ventilação indicados nas instruções de operação. A bomba deve ser ventilada (exceto no caso de operação com um gás de barreira) através do flange de ventilação que já contém uma borboleta de metal sinterizado, de modo que a ventilação possa ser realizada usando uma válvula normal ou uma válvula de ventilação de falha de energia.
Operação de gás de barreira
No caso de bombas equipadas com instalação de gás de barreira, gás inerte, como nitrogênio seco, pode ser aplicado através de um flange especial para proteger o espaço do motor e os rolamentos contra meios agressivos. Um gás de barreira especial e uma válvula de ventilação mede a quantidade necessária de gás de barreira e também pode servir como válvula de ventilação.
Desacoplamento de vibrações
As bombas TURBOVAC são balanceadas com precisão e geralmente podem ser conectadas diretamente ao equipamento. Somente no caso de instrumentos altamente sensíveis, como os microscópios de elétrons, é recomendável a instalação de amortecedores de vibração que reduzam ao mínimo as vibrações presentes. Para bombas suspensas magneticamente, geralmente é feita uma conexão direta com o aparelho de vácuo por causa das vibrações extremamente baixas produzidas por essas bombas.
Para aplicações especiais, como operação em campos magnéticos fortes, áreas de risco de radiação ou em uma atmosfera de trítio, entre em contato com nosso Departamento de Vendas, que tem a experiência necessária e está disponível a qualquer momento.
Fundamentos da tecnologia de vácuo
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Referências
- Símbolos de vácuo
- Glossário de unidades
- Referências e fontes
Símbolos de vácuo
Um glossário de símbolos normalmente usados em diagramas de tecnologia de vácuo como uma representação visual dos tipos de bomba e peças em sistemas de bombeamento
Glossário de unidades
Uma visão geral das unidades de medida usadas na tecnologia de vácuo e o que os símbolos significam, bem como os equivalentes modernos das unidades históricas
Referências e fontes
Referências, fontes e leitura adicional relacionadas aos conhecimentos fundamentais da tecnologia de vácuo
