Nguyên tắc hoạt động của máy bơm Turbomolecular

Một máy bơm turbomolecular là một loại máy bơm chân không, bề ngoài tương tự như một turbopump, được sử dụng để có được và duy trì máy hút cao. Các máy bơm làm việc theo nguyên tắc mà phân tử khí có thể được đưa ra Đà trong một hướng mong muốn bằng cách lặp đi lặp lại va chạm với một bề mặt rắn di chuyển. Trong một máy bơm turbomolecular, nhanh chóng quay cánh quạt fan 'chạm' phân tử khí từ các đầu vào của các máy bơm theo hướng ống xả để tạo hoặc duy trì một chân không.

Nguyên tắc hoạt động

Hầu hết các máy bơm turbomolecular sử dụng nhiều công đoạn, mỗi bao gồm một nhanh chóng quay cánh quạt lưỡi và văn phòng phẩm stator lưỡi đôi. Hệ thống này hoạt động như một máy nén khí đặt năng lượng vào khí, chứ không phải lấy nó ra. Khí bị bắt bởi các giai đoạn trên là đẩy vào giai đoạn thấp và liền nén đến mức độ áp lực fore-hút chân không (bơm ủng hộ). Khi các phân tử khí nhập vào thông qua các đầu vào, cánh quạt, trong đó có một số góc cạnh lưỡi, số truy cập các phân tử. Do đó năng lượng cơ học của lưỡi được chuyển giao cho các phân tử khí. Với đà này vừa được mua lại, các phân tử khí nhập vào khí chuyển lỗ trong stator. Điều này dẫn họ đến giai đoạn tiếp theo, mà họ lại va chạm với các bề mặt cánh quạt, và tiếp tục quá trình này, cuối cùng dẫn chúng ra ngoài thông qua các ống xả.

Do sự chuyển động tương đối của rotor và stator, phân tử hay nhấn phía bên dưới của lưỡi. Vì bề mặt lưỡi trông, hầu hết phân tán các phân tử sẽ rời khỏi nó xuống dưới. Bề mặt là thô, vì vậy không có sự phản ánh sẽ xảy ra. Một lưỡi dao phải dày và mỏng như có thể, và hơi cong cho tối đa nén và ổn định cho cao áp hoạt động. Đối với tỷ lệ nén cao cổ họng giữa lá cánh liền kề là chỉ càng nhiều càng tốt theo hướng về phía trước. Tỷ lệ lưu lượng cao các lưỡi là 45 ° và tiếp cận gần với các trục.

Bởi vì các nén mỗi giai đoạn là ~ 10, từng giai đoạn tiến gần hơn đến các cửa hàng là nhỏ hơn đáng kể so với giai đoạn đầu vào trước. Điều này có hai hậu quả. Geometric progression cho chúng ta vô hạn giai đoạn có thể vị trí lý tưởng phù hợp với một trục dài hữu hạn. Chiều dài hữu hạn trong trường hợp này là chiều cao đầy đủ của các nhà như các vòng bi, động cơ và bộ điều khiển và một số các máy làm mát có thể được cài đặt bên trong trên trục. Radially, để nắm bắt như nhiều khí mỏng ở lối vào, các cánh quạt hút gió bên nào lý tưởng có một bán kính lớn hơn và cao hơn tương ứng lực ly tâm; lý tưởng lưỡi sẽ nhận được theo cấp số nhân mỏng hơn đối với lời khuyên của họ và sợi carbon nên củng cố các cánh nhôm. Tuy nhiên, bởi vì tốc độ trung bình của một lưỡi ảnh hưởng đến bơm rất nhiều này được thực hiện bằng cách tăng đường kính gốc chứ không phải là đường kính mũi nơi thực hành.

Hiệu suất của một máy bơm turbomolecular đặc biệt là liên quan đến tần số của các cánh quạt. Khi rpm tăng lên, lưỡi cánh quạt xiên đi nhiều hơn nữa. Để tăng tốc độ và giảm biến dạng, stiffer vật liệu và kiểu dáng khác nhau lưỡi đã được đề nghị.

Máy bơm Turbomolecular phải hoạt động ở tốc độ rất cao, và sự tích tụ nhiệt độ ma sát áp đặt những giới hạn thiết kế. Một số máy bơm turbomolecular sử dụng từ tính vòng bi để giảm ma sát và dầu ô nhiễm. Bởi vì các vòng bi từ trường và nhiệt độ chu kỳ cho phép chỉ một giải phóng mặt bằng giới hạn giữa rotor và stator, lưỡi ở giai đoạn cao áp hơi nhâ vào một đơn xoắn lá mỗi. Laminar flow không thể được sử dụng cho bơm, bởi vì tầng ép tua bin chòng chành khi không sử dụng thiết kế Flow. Các máy bơm có thể được làm mát bằng nước để cải thiện nén, nhưng không phải là quá lạnh để ngưng tụ băng trên lưỡi. Khi một turbopump được dừng lại, dầu từ chân không ủng hộ có thể backstream thông qua turbopump và làm ô nhiễm trong buồng. Một cách để ngăn chặn điều này là để giới thiệu một dòng chảy bề mặt của nitơ qua máy bơm. Quá trình chuyển đổi từ chân không để nitơ và chạy đến turbopump vẫn có được đồng bộ chính xác để tránh căng thẳng cơ khí để bơm và overpressure lúc khí thải. Một màng mỏng và một van tại các khí thải nên được bổ sung để bảo vệ turbopump từ quá nhiều áp lực trở lại (ví dụ: sau khi một mất điện hay rò rỉ trong chân không ủng hộ).

Các cánh quạt được ổn định trong tất cả các 6 bậc tự do. Một văn bằng được quản lý bởi động cơ điện. Tối thiểu, mức độ này phải được ổn định điện tử (hay bằng một vật liệu diamagnetic, quá không ổn định sẽ được sử dụng trong một máy bơm chính xác mang). Một cách khác (bỏ qua các tổn thất trong lõi từ ở tần số cao) là để xây dựng này mang như một trục với một hình cầu tại mỗi đầu. Các lĩnh vực bên trong rỗng các lĩnh vực tĩnh. Trên bề mặt của mỗi mặt cầu là một mô hình bàn cờ vào và outwards đi từ trường dòng. Như các mô hình bàn cờ của các quả cầu tĩnh là xoay, các cánh quạt quay. Trong xây dựng này không có trục là thực hiện ổn định về chi phí của việc một trục không ổn định, nhưng tất cả các trục trung lập và quy định điện tử là ít căng thẳng và sẽ thêm tự động ổn định. Hiệu ứng Hall cảm biến có thể được sử dụng để cảm nhận vị trí Luân phiên và các các bậc tự do có thể đo được capacitively.

Áp lực tối đa

Áp suất khí quyển, có nghĩa là đường dẫn miễn phí của máy là khoảng 70 nm. Một máy bơm turbomolecular có thể làm việc chỉ khi những phân tử đánh trúng lưỡi di chuyển đến các cánh tuabin tĩnh trước khi va chạm với các phân tử khác trên đường. Để đạt điều đó, khoảng cách giữa các chuyển động lưỡi và cánh cố định phải đóng để hoặc ít hơn có nghĩa là đường dẫn miễn phí. Từ một quan điểm thực tiễn xây dựng, một khoảng cách khả thi giữa bộ lưỡi là trên thứ tự của 1 mm, do đó, một turbopump sẽ ngừng chạy (không có net bơm) nếu cạn kiệt trực tiếp vào bầu khí quyển. Kể từ khi con đường miễn phí có nghĩa là tỷ lệ nghịch với áp lực, một turbopump sẽ bơm khi áp lực xả là ít hơn khoảng 10 Pa (0,10 mbar) nơi đường dẫn miễn phí trung bình là khoảng cách 0.7 mm.

Hầu hết turbopumps có một máy bơm Holweck (hoặc máy bơm phân tử kéo) như là của giai đoạn cuối cùng để tăng tối đa sao áp lực (ống xả áp lực) vào khoảng 1-10 mbar. Về lý thuyết, một máy bơm ly tâm, một bên kênh bơm, hoặc bơm tái tạo có thể được sử dụng để trở lại trực tiếp áp suất khí quyển, nhưng hiện nay còn không có turbopump thương mại có sẵn mà lỏng trực tiếp vào bầu khí quyển. Trong hầu hết trường hợp, các khí thải được kết nối với một máy bơm cơ học đệm (tiếng Anh thường gọi là bơm roughing) tạo ra một áp suất thấp đủ cho bơm turbomolecular để làm việc hiệu quả. Thông thường, điều này áp lực ủng hộ là dưới 0.1 mbar và thường khoảng 0,01 mbar. Áp lực ủng hộ là hiếm khi dưới 10−3 mbar (có nghĩa là con đường miễn phí ≈ 70 mm) bởi vì kháng dòng chảy của ống chân không giữa turbopump và các máy bơm roughing trở nên quan trọng.

Máy bơm turbomolecular có thể là một máy bơm rất linh hoạt. Nó có thể tạo ra nhiều độ của chân không từ Trung cấp máy hút (~ 10−2 Pa) đến siêu cao cấp hút chân không (~ 10−8 Pa).

Nhiều máy bơm turbomolecular trong một phòng thí nghiệm hoặc nhà máy sản xuất có thể được kết nối bằng ống với một máy bơm nhỏ ủng hộ. Tự động van và máy bơm khuếch tán như tiêm vào một bộ đệm lớn ống ở phía trước của máy bơm đệm ngăn cản bất kỳ overpressure từ một máy bơm để stall một máy bơm.