Principio de funcionamiento de la bomba Turbomolecular

- Dec 27, 2017-

Una bomba turbomolecular es un tipo de bomba de vacío, superficial similar a una turbobomba, utilizado para obtener y mantener el alto vacío. Estas bombas funcionan en el principio que las moléculas de gas pueden darse impulso en una dirección deseada por la colisión repetida con una superficie sólida móvil. En una bomba turbomolecular, rápidamente spinning rotor de ventilador 'golpea' las moléculas de gas de la entrada de la bomba hacia el tubo de escape con el fin de crear o mantener un vacío.

 

Principios de funcionamiento

 

Mayoría de las bombas turbomolecular emplea múltiples etapas, cada una constituida por una rápida rotación rotor blade y estacionario estator hoja. El sistema funciona como un compresor que pone energía en el gas, en lugar de tomar hacia fuera. Capturado por las etapas superiores el gas es empujado en las etapas más bajas y sucesivamente comprimido al nivel de la presión delantera-vacío (bomba de respaldo). Como las moléculas del gas entran a través de la entrada, el rotor, que tiene un número de láminas angulosas, golpea las moléculas. Así la energía mecánica de las cuchillas se transfiere a las moléculas del gas. Con este impulso recién adquirido, las moléculas del gas entran en los orificios de transferencia de gas en el estator. Esto les lleva a la siguiente etapa donde otra vez chocan con la superficie del rotor, y este proceso se continúa, finalmente conduciéndolos hacia fuera a través de los gases de escape.

 

Debido al movimiento relativo del rotor y del estator, las moléculas preferencial golpearon la parte inferior de las hojas. Porque mira la superficie de la lámina, la mayoría de las moléculas dispersas dejará hacia abajo. La superficie es rugosa, por lo que no se producirá ningún reflejo. Una hoja debe ser gruesa y estable para la operación de alta presión y lo más finas posible y ligeramente flexionados para máxima compresión. Para relaciones de compresión altas la garganta entre las palas del rotor adyacente apunta lo más posible en la dirección de avance. Para caudales altos las cuchillas estén a 45° y llegar cerca del eje.

 

Debido a la compresión de cada etapa es ~ 10, cada etapa más cercano a la salida es considerablemente menor que las anteriores etapas de entrada. Esto tiene dos consecuencias. La progresión geométrica nos dice que infinitas etapas podrían encajan perfectamente en una longitud axial finita. La longitud finita en este caso es la altura total de la vivienda como los cojinetes, el motor y el controlador y algunos de los refrigeradores pueden instalarse dentro del eje. Radialmente, para comprender tanto el delgado gas a la entrada, los rotores del lado de la entrada ideal tendría un radio mayor y correspondientemente más alta fuerza centrífuga; hojas ideal tendría exponencialmente más delgadas hacia los extremos y fibras de carbono debería reforzar las láminas de aluminio. Sin embargo, porque la media de la velocidad de una hoja afecta bombeo tanto esto se hace aumentando el diámetro de la raíz, más que el diámetro de la punta donde sea práctico.

 

El rendimiento de una bomba turbomolecular está fuertemente relacionado con la frecuencia del rotor. Como rpm aumenta, las láminas de rotor más desvían. Para aumentar la velocidad y reducir la deformación, se han sugerido hoja diferentes diseños y materiales más rígidos.

 

Bombas turbomoleculares deben operar a velocidades muy altas, y la acumulación de calor de fricción impone limitaciones de diseño. Algunas bombas turbomolecular utilizan cojinetes magnéticos para reducir la contaminación de la fricción y el aceite. Porque los cojinetes magnéticos y la temperatura permiten ciclos para sólo un espacio limitado entre el rotor y el estator, las hojas en las etapas de alta presión son algo degeneradas en un simple helicoidal del papel de cada uno. Flujo laminar no puede utilizarse para el bombeo, porque turbinas laminares puesto cuando no se utiliza en el flujo diseñado. La bomba puede ser enfriada para mejorar la compresión, pero no debe ser tan fría para condensar el hielo en las hojas. Cuando se detiene una turbobomba, el aceite de la aspiradora de respaldo puede backstream a través de la turbobomba y contaminar la cámara. Una manera de prevenir esto es introducir un flujo laminar de nitrógeno a través de la bomba. La transición de vacío, para nitrógeno y de un funcionamiento a una turbobomba todavía tiene que sincronizarse precisamente para evitar la tensión mecánica a la bomba y la sobrepresión en el escape. Una membrana delgada y una válvula en el tubo de escape deben añadirse para proteger la turbobomba de contrapresión excesiva (por ejemplo, después de una falla de energía o fugas en el vacío de respaldo).

 

El rotor se estabiliza en todas sus seis grados de libertad. Un grado se rige por el motor eléctrico. Como mínimo, este grado debe ser estabilizado electrónicamente (o por un material diamagnético, que es demasiado inestable para ser usado en un cojinete de la bomba de precisión). Otra forma (ignorando las pérdidas en el núcleo magnético a altas frecuencias) es a construir esta teniendo como eje con una esfera en cada extremo. Estas esferas son interior hueco esferas estáticas. En la superficie de cada esfera es un patrón de tablero de ajedrez de hacia adentro y hacia afuera van las líneas de campo magnético. Como el patrón de tablero de ajedrez de las esferas estáticas se gira, el rotor gira. En esta construcción no es hecho estable en el coste de hacer otro eje inestable, pero los ejes son neutrales y la regulación electrónica es menos tensionado y será más dinámicamente estable. Sensores de efecto Hall pueden usarse para detectar la posición de rotación y los otros grados de libertad se puede medir capacitively.

 

Presión máxima de

 

A presión atmosférica, la trayectoria libre media de aire es de aproximadamente 70 nm. Una bomba turbomolecular puede funcionar solamente si las moléculas por las cuchillas móviles llega a las cuchillas fijas antes de chocar con otras moléculas en su camino. Para ello, la brecha entre las hojas móviles y cuchillas fijas debe estar cerca o menos que la trayectoria libre media. Desde un punto de vista práctico de la construcción, un espacio factible entre los conjuntos de la hoja es del orden de 1 mm, así que una turbobomba estancará (sin bombeo neto) si agotado directamente a la atmósfera. Puesto que la trayectoria libre media es inversamente proporcional a la presión, la una turbobomba bomba cuando la presión de escape es inferior a 10 Pa (0,10 mbar) donde la trayectoria libre media es de unos 0,7 mm.

 

Turbopumps la mayoría tienen un Holweck bomba (o bomba de arrastre molecular) como su última etapa incrementar la máxima presión (presión de escape) del forro a cerca 1 – 10 mbar. En teoría, una bomba centrífuga, una bomba de canal lateral o una bomba regenerativa podría utilizarse para volver directamente a la presión atmosférica, pero actualmente no hay ninguna disponible comercialmente turbobomba que agota directamente a la atmósfera. En la mayoría de los casos, el escape está conectado a una bomba de respaldo mecánico (generalmente llamada desbaste bomba) que produce una baja de presión suficiente para la bomba turbomolecular trabajar eficientemente. Por lo general, esta presión de respaldo es por debajo de 0,1 mbar y comúnmente 0.01 mbar. La presión de respaldo es raramente debajo de 10−3 mbar (significa vía libre ≈ 70 m m) porque la resistencia del flujo de la tubería de vacío entre la turbobomba y la bomba de desbaste se convierte en significativa.

 

La bomba turbomolecular puede ser una bomba muy versátil. Puede generar muchos grados de vacío de vacío intermedio (~ 10−2 Pa) hasta niveles de vacío ultra altos (~ 10−8 Pa).

 

Bombas turbomolecular múltiples en un laboratorio o planta de fabricación pueden ser conectadas por tubos a una bomba de respaldo pequeño. Válvulas automáticas y bomba de difusión como la inyección en un gran tubo de tampón frente a la bomba de respaldo previene cualquier sobrepresión de una bomba a otra bomba se atasque.