Turbomoleküler pompa nasıl çalışır?
1913 yılından beri bilinen moleküler pompa prensibi, pompalanacak gaz partiküllerinin rotorun hızlı hareket eden yüzeyleriyle çarpışmasıyla gerekli akış yönünde bir darbe almasıdır. Rotorun yüzeyleri (genellikle disk şeklindedir) bir statörün sabit yüzeyleriyle birlikte, gazın destek bağlantı noktasına taşındığı müdahale boşlukları oluşturur. Orijinal Gaede moleküler pompada ve modifikasyonlarında, müdahale alanları (taşıma kanalları) çok dardı, bu da yapısal zorluklara ve mekanik kontaminasyona karşı yüksek derecede duyarlılığa yol açtı.
Turbomoleküler pompanın çalışma prensibi
Ellili yılların sonunda, türbin benzeri bir tasarım ve Gaede'nin fikirlerinin modifikasyonuyla "turbomoleküler pompa" adı verilen teknik olarak uygulanabilir bir pompa üretmek mümkün oldu. Statör ve rotor diskleri arasındaki boşluklar milimetrelerce düzenlendi, böylece esasen daha büyük toleranslar elde edilebildi. Bu sayede çalışma sırasında daha fazla güvenlik sağlandı. Ancak, herhangi bir anlamlı pompalama etkisine ancak rotor kanatlarının çevresel hızı (dış kenarda) pompalanacak moleküllerin ortalama termal hızının büyüklüğüne ulaştığında ulaşılır. c- o denklem 1,17 için kinetik gaz teorisi kaynakları:
M mol kütlesinin bir fonksiyonu olarak gaz türüne bağımlılığı içermektedir. cgs birimlerini içeren hesaplama (burada R = 83,14 · 106 mbar · cm3 / mol · K) aşağıdaki Tablo ile sonuçlanır:
M mol kütlesinin bir fonksiyonu olarak Tablo 2,4 c
Pompalama hızının gaz türüne bağımlılığı oldukça düşük olsa da
sıfır verimde sıkıştırma k 0'a ve dolayısıyla sıkıştırma k'ye bağımlılık,
Şekil 'de deneysel olarak belirlenen ilişki ile gösterildiği gibi daha büyüktür 2,55.
Örnek olarak:
Teorik olarak şöyledir:
Bu, beklendiği gibi (büyüklük sırası), k0 (N2 ) = 2,0 · 108 için deneysel olarak belirlenen Şekil 2,55. Günümüzde yaygın olan münferit rotor kademeleri için optimizasyonlar göz önünde bulundurulduğunda, bu husus artık tüm pompa için doğru değildir. Şekilde gösterilmiştir 2,56, modern bir TURBOVAC 340 M için ölçülen değerlerdir.
Şekil 2,55 TURBOVAC 450 - Molar kütle M'nin bir fonksiyonu olarak maksimum sıkıştırma k0
Şekil 2,56 H2, He ve N2 için bir turbomoleküler pompa TURBOVAC 340 M'nin destek basıncının bir fonksiyonu olarak maksimum sıkıştırma k0
Turbomoleküler pompanın pompalama animasyonunu izlemek için aşağıdaki videoyu izleyin
Working principle of the turbomolecular pump TURBOVAC from Leybold
Turbomoleküler rulman tiplerinin avantajları ve dezavantajları
Koşulu karşılamak için, turbomoleküler pompalar için c yüksek rotor hızları ile aynı büyüklükte bir rotor çevresel hızı gereklidir. Büyük çaplı rotora (TURBOVAC 1000) sahip pompalar için yaklaşık 36.000 rpm ile daha küçük rotor çapları (TURBOVAC 35 / 55) için 72.000 rpm arasında değişirler. Bu tür yüksek hızlar doğal olarak güvenilir bir rulman konsepti ile ilgili soruları ortaya çıkarır. Leybold, avantajları ve dezavantajları aşağıda ayrıntılı olarak açıklanan üç konsept sunar:
Yağlama / çelik bilyalı rulmanlar
+ Sirkülasyonlu yağlama yağı sayesinde partiküllerle iyi uyumluluk
- Sadece dikey olarak monte edilebilir
+ Az bakım gerektirir
Gresle yağlama / hibrit yataklar
+ Her yönde kurulum
+ Mobil sistemler için uygun
± Hava soğutma birçok uygulama için uygundur
+ Ömür boyu yağlanmış (yataklar)
Yağsız / manyetik süspansiyon
+ Aşınma yok
+ Bakım gerektirmez
+ Hidrokarbon içermez
+ Düşük gürültü ve titreşim seviyeleri
+ Her yönde kurulum
Çelik bilyalı rulmanlar / hibrit bilyalı rulmanlar (seramik bilyalı rulmanlar):
Bilyalar ve bilezikler arasındaki ince yağlama tabakasının kısa süreli yırtılması bile - aynı malzeme türü kullanılıyorsa - temas noktalarında mikro kaynaklamaya neden olabilir. Bu, yatakların kullanım ömrünü önemli ölçüde azaltır. Hibrit rulmanlarda (yarıklar: çelik, bilyalar: seramik) benzersiz malzemeler kullanılarak mikro kaynak etkisi önlenir.
En zarif rulman konsepti manyetik süspansiyondur. 1976 yılında Leybold manyetik süspansiyonlu turbomoleküler pompalar - efsanevi 550M ve 560M serisi - teslim etti. O zamanlar salt aktif bir manyetik süspansiyon (yani elektromıknatıslı) kullanıldı. Elektronikteki gelişmeler ve "KFA Jülich sistemine" dayanan kalıcı mıknatısların (pasif manyetik askı) kullanımı, manyetik askı konseptinin yaygınlaşmasına olanak tanıdı. Bu sistemde rotor, manyetik kuvvetler sayesinde çalışma sırasında temas olmadan sabit bir konumda tutulur. Kesinlikle yağlama maddesi gerekmez. Kapatma için temas yatakları entegre edilmiştir.
Turbomoleküler pompanın şematik diyagramı
Şekil 2,52'de tipik bir turbomoleküler pompanın kesit çizimi gösterilmektedir. Pompa, aktif veya pompalama kısmı bir rotor (6) ve bir statörden (2) oluşan dikey tasarımlı bir eksenel akış kompresörüdür. Türbin kanatları statörün ve rotorun çevresinde bulunur. Dairesel kanat sıralarının her bir rotor-stator çifti bir kademe oluşturur, böylece montaj sırayla monte edilmiş çok sayıda kademeden oluşur. Pompalanacak gaz doğrudan giriş flanşının (1) açıklığından, yani herhangi bir iletkenlik kaybı olmadan rotor - statör tertibatının üst kanatlarının aktif pompalama alanına ulaşır. Bu, büyük bir dairesel giriş alanına izin vermek için özellikle büyük radyal açıklığa sahip bıçaklarla donatılmıştır. Bu kademeler tarafından yakalanan gaz, kanatları daha kısa radyal aralıklara sahip olan alt sıkıştırma kademelerine aktarılır ve burada gaz, destek basıncına veya kaba vakum basıncına sıkıştırılır. Türbin çarkı (6), motor gövdesine yerleştirilmiş iki hassas bilyalı rulman (8 ve 11) tarafından desteklenen tahrik miline monte edilmiştir. Rotor mili, rotorun içindeki ön vakum alanına yerleştirilmiş bir orta frekanslı motor tarafından doğrudan tahrik edilir, böylece dış atmosfere döner mil geçişi gerekmez. Bu motora harici bir frekans dönüştürücü (normalde çok düşük gürültü seviyesi sağlayan katı hal frekans dönüştürücü) tarafından güç verilir ve otomatik olarak kontrol edilir. Örneğin radyasyona maruz kalan alanlar gibi özel uygulamalar için motor jeneratörü frekans dönüştürücüleri kullanılır.
Şekil 2,52 Gresle yağlanan bir TURBOVAC 151 turbomoleküler pompanın şematik şeması.
- Yüksek vakum giriş flanşı
- Stator paketi
- Hava tahliyesi flanşı
- Ön vakum flanşı
- Parçacık koruması
- Rotor
- Pompa muhafazası
- Bilyeli rulman
- Soğutma suyu bağlantısı
- 3 fazlı motor
- Bilyeli rulman
Dikey rotor - stator yapılandırması, girişte optimum gaz akışı koşulları sağlar. Yüksek devir sayılarında titreşimsiz çalışmayı sağlamak için türbin, montaj sırasında iki seviyede dinamik olarak dengelenir.
Turbomoleküler pompaların pompalama hızı
Turbomoleküler pompaların pompalama hızı (hacimsel akış hızı) özellikleri Şekil 2,53. Pompalama hızı tüm çalışma basıncı aralığında sabit kalır. Bu eşik değeri, moleküler akış bölgesinden gazların laminar viskoz akış bölgesine geçişi işaretlediğinden, 10-3 mbar üzerindeki giriş basınçlarında azalır. Şekil 2,54 ayrıca pompalama hızının gaz türüne bağlı olduğunu göstermektedir.
Şekil 2,53 Farklı turbomoleküler pompaların hava pompalama hızı
Şekil 2,54 H2, He, N2 ve Ar için TURBOVAC 600 pompalama hızı eğrileri
Turbomoleküler pompaların sıkıştırma oranı
Turbomoleküler pompaların sıkıştırma oranı (genellikle sıkıştırma olarak da adlandırılır), pompanın ön vakum flanşındaki bir gaz bileşeninin kısmi basıncı ile yüksek vakum flanşındaki kısmi basınç arasındaki orandır: maksimum sıkıştırma k0 sıfır debide bulunmalıdır. Fiziksel nedenlerden dolayı, turbomoleküler pompaların sıkıştırma oranı ağır moleküller için çok yüksek, hafif moleküller için ise önemli ölçüde daha düşüktür. Sıkıştırma ve moleküler kütle arasındaki ilişki Şekil 2,55. Şekilde gösterilmiştir 2,56, N2, He ve H2 için bir TURBOVAC 340 M'nin destek basıncının bir fonksiyonu olarak sıkıştırma eğrileridir. Ağır hidrokarbon moleküllerinin yüksek sıkıştırma oranı nedeniyle turbomoleküler pompalar, bir veya daha fazla soğutulmuş bölme veya kapan yardımı olmadan ve vakum odasında hidrokarbonlar için ölçülebilir kısmi basınç riski olmadan doğrudan bir vakum odasına bağlanabilir (hidrokarbonsuz vakum! - ayrıca bkz. Şekil 2,57: TURBOVAC 361 üzerindeki artık gaz spektrumu). Döner destek pompası tarafından elde edilen hidrojen kısmi basıncı çok düşük olduğundan, turbomoleküler pompa, H2 için oldukça orta dereceli sıkıştırmasına rağmen 10 -11 mbar aralığındaki en yüksek basınçlara ulaşabilir. Bu tür son derece düşük basınçları üretmek için elbette UHV teknolojisinin genel kurallarına kesinlikle uyulması gerekir: vakum haznesi ve turbomoleküler pompanın üst kısmı fırınlanmalı ve metal contalar kullanılmalıdır. Çok düşük basınçlarda artık gaz, haznenin metal duvarlarından gelen H 2'den oluşur. Şekildeki spektrum 2,57, 7 · 10 -10 mbar nitrojen eşdeğeri en yüksek basınçta bir turbomoleküler pompanın girişinin önündeki artık gaz bileşimini gösterir. Toplam gaz miktarındaki H2 oranının yaklaşık %90 ila 95 olduğu görülmektedir. "Ağır" moleküllerin oranı önemli ölçüde azaltılmıştır ve 44'ten büyük kütleler tespit edilmemiştir. Artık gaz spektrumunun kalitesinin değerlendirilmesinde önemli bir kriter, vakum pompası sisteminde kullanılan yağlayıcıların ölçülebilir hidrokarbonlarıdır. Elbette, "kesinlikle hidrokarbonsuz vakum" yalnızca manyetik süspansiyonlu turbomoleküler pompalar ve kuru sıkıştırmalı destek pompaları gibi yağlayıcı içermeyen pompa sistemleri ile üretilebilir. Doğru çalıştırıldığında (herhangi bir duruşta havalandırma), normal turbomoleküler pompaların spektrumunda dahi hidrokarbon tespit edilemez.
Şekil 2,57 TURBOVAC 361 üzerindeki spektrum.
M = Kütle sayısı = İyonizasyonda bağıl molar kütle 1
I = İyon akımı
Diğer turbomoleküler pompa türleri
Turbomoleküler pompanın bir diğer gelişimi hibrit veya bileşik turbomoleküler pompadır. Bu aslında tek bir muhafazada ortak bir mil üzerinde iki pompadır. Moleküler akış bölgesi için yüksek vakum kademesi klasik bir turbomoleküler pompadır, viskoz akış aralığı için ikinci pompa ise moleküler sürtünme veya sürtünme pompasıdır.
Leybold, entegre Holweck kademeli (vidalı tip kompresör) TURBOVAC 55 ve entegre Siegbahn kademeli (spiral tip kompresör) HY. CONE 60 veya HY. CONE 200 gibi pompalar üretmektedir. Ardından gerekli destek basıncı birkaç mbar'dır, böylece destek pompasının sadece yaklaşık 5 ila 10 mbar'dan atmosferik basınca kadar sıkıştırılması gerekir. Bir HY. CONE'un kesit görünümü Şekil 2.52a.
Şekil 2.52a HY.CONE turbomoleküler pompanın kesiti.
- Vakum bağlantısı
- Yüksek vakum flanşı
- Rotor
- Stator
- Yatak
- Motor
- Fanın
- Yatak
Turbomoleküler pompalar bir destek pompasıyla nasıl çalıştırılır?
Kural olarak, turbomoleküler pompalar genellikle destek pompasından vakum haznesine yağ geri akışını azaltmak için destek pompasıyla birlikte çalıştırılmalıdır. Turbomoleküler pompanın gecikmeli olarak başlatılması, oldukça küçük destek pompa setleri ve büyük vakum hazneleri için mantıklıdır. Destek pompası SV (m3 /sa) için bilinen bir pompalama hızında ve vakum haznesi (m3 ) için bilinen bir hacimde, turbomoleküler pompanın devreye girme basıncını tahmin etmek mümkündür:
Eş zamanlı başlatma
2,24 a
ve gecikmeli başlatma
2,24 b
devreye girme basıncında:
2,24 c
Eş zamanlı başlatma
ve gecikmeli başlatma
devreye girme basıncında:
(2,24)
Daha büyük hacimleri tahliye ederken turbomoleküler pompalar için devreye girme basıncı da Şekil 2,58.
Şekil 2,58 Büyük kapları boşaltırken turbomoleküler pompalar için devreye girme basıncının belirlenmesi
Havalandırma yoluyla turbomoleküler pompalarda geri difüzyonu önleme
Kapattıktan sonra veya elektrik kesintisi durumunda, hidrokarbonların ön vakum tarafından vakum haznesine geri difüzyonunu önlemek için turbomoleküler pompalar her zaman havalandırılmalıdır. Pompa kapatıldıktan sonra, su buharının olası yoğuşmasını önlemek için soğutma suyu kaynağı da kapatılmalıdır. Rotoru korumak için çalıştırma talimatlarında belirtilen (minimum) havalandırma sürelerine uyulması önerilir. Pompanın havalandırılması (bariyer gazı ile çalışma durumu hariç) zaten bir sinterlenmiş metal kısma parçası içeren havalandırma flanşı üzerinden yapılmalıdır, böylece havalandırma normal bir valf veya bir elektrik kesintisi havalandırma valfi kullanılarak gerçekleştirilebilir.
Bariyer gazı işletimi
Bariyer gazı tesisatı ile donatılmış pompalarda, motor alanını ve rulmanları agresif ortamlara karşı korumak için özel bir flanş aracılığıyla kuru azot gibi soy gaz uygulanabilir. Özel bir bariyer gazı ve havalandırma valfi gerekli bariyer gazı miktarını ölçer ve havalandırma valfi olarak da kullanılabilir.
Titreşimin azaltılması
TURBOVAC pompaları hassas bir şekilde dengelenmiştir ve genellikle doğrudan cihaza bağlanabilir. Yalnızca elektron mikroskopları gibi çok hassas cihazlarda mevcut titreşimleri en aza indiren titreşim sönümleyicilerin takılması önerilir. Manyetik olarak askıya alınmış pompalarda, bu tür pompaların ürettiği son derece düşük titreşimler nedeniyle genellikle vakum cihazına doğrudan bağlantı yapılır.
Güçlü manyetik alanlarda, radyasyon tehlikesi olan alanlarda veya trityum atmosferinde çalışma gibi özel uygulamalar için lütfen gerekli deneyime sahip ve her zaman hizmetinizde olan satış departmanımıza başvurun.
Vakum Teknolojisinin Temelleri
Vakum pompası temellerini ve proseslerini keşfetmek için "Vakum Teknolojisinin Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin.
Referanslar
- Vakum sembolleri
- Terimler Sözlüğü
- Referanslar ve kaynaklar
Vakum sembolleri
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
