Pompa turbomolekularna
Pompa turbomolekularna jest rodzajem pompy próżniowej , z pozoru przypominającej turbopompę , służącą do uzyskiwania i utrzymywania wysokiej próżni . Pompy te działają na zasadzie, że cząsteczkom gazu można nadać pęd w pożądanym kierunku poprzez powtarzające się zderzenia z poruszającą się stałą powierzchnią. W pompie turbomolekularnej szybko obracający się wentylatora „uderza” cząsteczki gazu od wlotu pompy w kierunku wylotu, aby wytworzyć lub utrzymać próżnię.
Zasady działania
Większość pomp turbomolekularnych wykorzystuje wiele etapów, z których każdy składa się z szybko obracającej się łopaty wirnika i pary nieruchomych łopatek stojana . System jest sprężarką osiową , która wprowadza energię do gazu, a nie turbiną , która pobiera energię z poruszającego się płynu w celu wytworzenia energii obrotowej, dlatego „pompa turbomolekularna” jest błędną nazwą. Gaz przechwycony przez górne stopnie jest wtłaczany do dolnych stopni i sukcesywnie sprężany do poziomu ciśnienia podciśnienia (pompy wstępnej). Jako gaz cząsteczki wchodzą przez wlot, wirnik, który ma kilka ustawionych pod kątem łopatek, uderza w cząsteczki. W ten sposób energia mechaniczna ostrzy jest przenoszona na cząsteczki gazu. Dzięki temu nowo nabytemu pędowi cząsteczki gazu wchodzą do otworów przenoszących gaz w stojanie. To prowadzi je do następnego etapu, w którym ponownie zderzają się z powierzchnią wirnika, a proces ten jest kontynuowany, ostatecznie wyprowadzając je na zewnątrz przez wydech.
Ze względu na względny ruch wirnika i stojana cząsteczki preferencyjnie uderzają w dolną stronę łopatek. Ponieważ powierzchnia ostrza jest skierowana w dół, większość rozproszonych cząsteczek opuści ją w dół. Powierzchnia jest szorstka, więc nie wystąpi odbicie. Łopata musi być wystarczająco gruba i stabilna do pracy przy wysokim ciśnieniu oraz możliwie najcieńsza i lekko wygięta, aby uzyskać maksymalny stopień ściśnięcia. W przypadku wysokich stopni sprężania gardziel między sąsiednimi łopatami wirnika (jak pokazano na rysunku) jest skierowana jak najbardziej do przodu. W przypadku dużych przepływów łopatki są ustawione pod kątem 45° i sięgają blisko osi.
Ponieważ kompresja każdego stopnia wynosi ≈10, każdy stopień bliżej wylotu jest znacznie mniejszy niż poprzednie stopnie wlotowe. Ma to dwie konsekwencje. Postęp geometryczny mówi nam, że nieskończone etapy mogłyby idealnie pasować do skończonej długości osiowej. Skończona długość w tym przypadku to pełna wysokość obudowy, ponieważ łożyska , silnik i sterownik oraz niektóre chłodnice można zainstalować wewnątrz osi. Promieniowo, aby uchwycić jak najwięcej rzadkiego gazu na wejściu, wirniki po stronie wlotu miałyby idealnie większy promień i odpowiednio większa siła odśrodkowa; idealne ostrza stawałyby się wykładniczo cieńsze w kierunku ich końcówek, a włókna węglowe powinny wzmacniać aluminiowe ostrza. Ponieważ jednak średnia prędkość ostrza wpływa tak bardzo na pompowanie, w miarę możliwości odbywa się to poprzez zwiększenie średnicy korzenia , a nie średnicy końcówki.
Wydajność pompy turbomolekularnej jest silnie związana z częstotliwością wirnika. Wraz ze wzrostem obrotów łopaty wirnika odchylają się bardziej. Aby zwiększyć prędkość i zmniejszyć odkształcenia, zaproponowano sztywniejsze materiały i różne konstrukcje łopatek.
Pompy turbomolekularne muszą działać z bardzo dużymi prędkościami, a gromadzenie się ciepła tarcia narzuca ograniczenia projektowe. Niektóre pompy turbomolekularne wykorzystują łożyska magnetyczne w celu zmniejszenia tarcia i zanieczyszczenia olejem. Ponieważ łożyska magnetyczne i cykle temperatur pozwalają na jedynie ograniczony prześwit między wirnikiem a stojanem, łopatki na stopniach wysokiego ciśnienia są nieco zdegenerowane do postaci pojedynczej spiralnej folii. Przepływ laminarny nie może być używany do pompowania, ponieważ turbiny laminarne zatrzymują się, gdy nie są używane z zaprojektowanym przepływem. Pompę można schłodzić, aby poprawić kompresję, ale nie powinna być tak zimna, aby na łopatkach skraplał się lód. Gdy turbopompa jest zatrzymana, olej z podciśnienia może przepływać wstecznie przez turbopompę i zanieczyszczać komorę. Jednym ze sposobów zapobiegania temu jest wprowadzenie przepływu laminarnego azot przez pompę. Przejście z próżni do azotu i z pracującej do nieruchomej turbopompy musi być precyzyjnie zsynchronizowane, aby uniknąć naprężeń mechanicznych w pompie i nadciśnienia na wylocie. Należy dodać cienką membranę i zawór na wylocie, aby chronić turbopompę przed nadmiernym przeciwciśnieniem (np.
Wirnik jest stabilizowany we wszystkich sześciu stopniach swobody . Jeden stopień jest regulowany przez silnik elektryczny. Minimalnie stopień ten musi być stabilizowany elektronicznie (lub za pomocą diamagnetycznego , który jest zbyt niestabilny, aby można go było zastosować w precyzyjnym łożysku pompy). Innym sposobem (pomijając straty w rdzeniach magnetycznych przy wysokich częstotliwościach) jest skonstruowanie tego łożyska jako osi z kulą na każdym końcu. Kule te znajdują się wewnątrz wydrążonych sfer statycznych. Na powierzchni każdej kuli znajduje się wzór szachownicy skierowanych do wewnątrz i na zewnątrz linii pola magnetycznego. wzór szachownicy statycznych kul obraca się, obraca się wirnik. W tej konstrukcji żadna oś nie jest stabilna kosztem spowodowania niestabilności innej osi, ale wszystkie osie są neutralne, a regulacja elektroniczna jest mniej obciążona i będzie bardziej stabilna dynamicznie. Czujniki z efektem Halla mogą być używane do wykrywania pozycji obrotowej, a inne stopnie swobody mogą być mierzone pojemnościowo.
Maksymalne ciśnienie
Przy ciśnieniu atmosferycznym średnia droga swobodna powietrza wynosi około 70 nm. Pompa turbomolekularna może działać tylko wtedy, gdy cząsteczki uderzane przez poruszające się łopatki dotrą do nieruchomych łopatek, zanim zderzą się z innymi cząsteczkami na swojej drodze. Aby to osiągnąć, odstęp między ruchomymi i nieruchomymi ostrzami musi być bliski lub mniejszy niż średnia swobodna ścieżka. Z praktycznego punktu widzenia konstrukcji, możliwa szczelina między zestawami łopatek jest rzędu 1 mm, więc turbopompa utknie (brak pompowania netto), jeśli zostanie wydmuchana bezpośrednio do atmosfery. Ponieważ średnia droga swobodna jest odwrotnie proporcjonalna do ciśnienia, turbopompa będzie pompować, gdy ciśnienie spalin jest mniejsze niż około 10 Pa (0,10 mbar), gdzie średnia droga swobodna wynosi około 0,7 mm.
Większość turbopomp ma pompę Holweck (lub pompę molekularną) jako ostatni etap zwiększania maksymalnego ciśnienia tłoczenia (ciśnienia wydechu) do około 1–10 mbar. Teoretycznie pompa odśrodkowa, pompa bocznokanałowa lub pompa regeneracyjna mogłyby być użyte do bezpośredniego powrotu do ciśnienia atmosferycznego, ale obecnie nie ma dostępnej na rynku turbopompy, która odprowadzałaby powietrze bezpośrednio do atmosfery. W większości przypadków wydech jest podłączony do mechanicznej pompy wstępnej (zwykle nazywanej pompą wstępną ), który wytwarza ciśnienie wystarczająco niskie, aby pompa turbomolekularna mogła wydajnie działać. Zazwyczaj to ciśnienie oporowe wynosi poniżej 0,1 mbara, a zwykle około 0,01 mbara. Ciśnienie tłoczenia rzadko spada poniżej 10-3 mbar (średnia droga swobodna ≈ 70 mm), ponieważ opór przepływu rury próżniowej między turbopompą a wstępną pompą staje się znaczny.
Pompa turbomolekularna może być bardzo wszechstronną pompą. Może generować wiele stopni próżni, od próżni pośredniej (≈10-2 Pa ) do bardzo wysokich poziomów próżni (≈10-8 Pa ).
Wiele pomp turbomolekularnych w laboratorium lub zakładzie produkcyjnym można połączyć przewodami z małą pompą wspomagającą. Automatyczne zawory i pompa dyfuzyjna, podobnie jak wtrysk do dużej rury buforowej przed pompą wstępną, zapobiegają nadciśnieniu z jednej pompy, które mogłoby zatrzymać inną pompę.
Względy praktyczne
Prawa dynamiki płynów nie zapewniają dobrych przybliżeń zachowania pojedynczych, wysoce oddzielonych, nieoddziałujących cząsteczek gazu, takich jak te występujące w środowiskach o wysokiej próżni . Maksymalne sprężanie zmienia się liniowo wraz z prędkością obwodową wirnika. Aby uzyskać bardzo niskie ciśnienie do 1 mikropaskala , często konieczne są prędkości obrotowe od 20 000 do 90 000 obrotów na minutę. Niestety stopień sprężania zmienia się wykładniczo wraz z pierwiastkiem kwadratowym masy cząsteczkowej gazu. W ten sposób ciężkie cząsteczki są pompowane znacznie wydajniej niż cząsteczki lekkie . Większość gazów jest wystarczająco ciężka, aby można je było dobrze pompować, ale wydajne pompowanie wodoru i helu jest trudne .
Dodatkowa wada wynika z dużej prędkości wirnika tego typu pomp: wymagane są łożyska bardzo wysokiej jakości , co zwiększa koszty.
Ponieważ pompy turbomolekularne działają tylko w warunkach przepływu molekularnego, czysta pompa turbomolekularna będzie wymagała bardzo dużej pompy wspomagającej, aby skutecznie działać. Tak więc wiele nowoczesnych pomp ma etap oporu molekularnego, taki jak Holweck lub Gaede w pobliżu wylotu, aby zmniejszyć wymagany rozmiar pompy wspomagającej.
Wiele ostatnich prac rozwojowych nad pompą turbosprężarką skupiało się na poprawie efektywności etapów oporu. Gdy gaz jest usuwany z pompowanej przestrzeni, lżejsze gazy, wodór i hel, stają się większą częścią pozostałego ładunku gazu. W ostatnich latach wykazano, że precyzyjne zaprojektowanie geometrii powierzchni stopni oporu może mieć znaczący wpływ na pompowanie tych lekkich gazów, poprawiając stopień sprężania nawet o dwa rzędy wielkości dla danej objętości pompowania. [ potrzebne źródło ] W rezultacie możliwe jest stosowanie znacznie mniejszych pomp wspomagających niż byłoby to wymagane w przypadku czystych pomp turbomolekularnych i/lub zaprojektowanie bardziej zwartych pomp turbomolekularnych.
Historia
Pompa turbomolekularna została wynaleziona w 1958 roku przez W. Beckera na podstawie starszych pomp molekularnych opracowanych przez Wolfganga Gaede w 1913 roku, Fernanda Holwecka w 1923 roku i Manne Siegbahna w 1944 roku.