Principe de fonctionnement de la pompe turbomoléculaire

Une pompe turbomoléculaire est un type de pompe à vide, superficiellement semblable à une turbopompe, permet d’obtenir et de maintenir un vide élevé. Ces pompes fonctionnent sur le principe que des molécules de gaz peuvent être données à élan dans une direction souhaitée par collision répétée avec une surface solide et mobile. Dans une pompe turbomoléculaire, une filature rapidement rotor fan « frappe » des molécules de gaz de l’entrée de la pompe vers l’échappement, afin de créer ou de maintenir un vide.

Principes de fonctionnement

La plupart des pompes turbomoléculaires emploient plusieurs stades, chacun consistant en une rapide rotation rotor lame stationnaire stator lame paire /. Le système fonctionne comme un compresseur qui met l’énergie dans le gaz, plutôt que de le prendre. Gaz, capturé par les étages supérieurs est poussé dans les niveaux inférieurs et successivement comprimé au niveau de la pression de vide primaire (pompe auxiliaire). Comme les molécules de gaz entrent par l’entrée, le rotor, qui a un certain nombre de lames angle, frappe les molécules. Ainsi, l’énergie mécanique des lames est transférée à des molécules de gaz. Avec cet élan nouvellement acquis, les molécules de gaz entrer dans les trous de transfert de gaz dans le stator. Cela les amène à l’étape suivante où encore une fois, ils entrent en collision avec la surface du rotor, et ce processus se poursuit, enfin les conduire vers l’extérieur par le biais de l’échappement.

En raison du mouvement relatif du rotor et du stator, molécules atteint préférentiellement le dessous des lames. Parce que la surface de la lame regarde vers le bas, la plupart des molécules éparses laisse vers le bas. La surface est rugueuse, donc aucune réflexion se produira. Une lame doit être épaisse et stable pendant le fonctionnement à haute pression et aussi mince que possible et légèrement courbé pour une compression maximale. Pour les taux de compression élevés la gorge entre les pales de rotor côté pointe autant que possible vers l’avant. Pour des débits élevés, les lames sont à 45° et atteint près de l’axe.

La compression de chaque étape étant ~ 10, chaque étape plus près à la sortie est considérablement plus petit que les étapes d’entrée précédente. Cela a deux conséquences. La progression géométrique nous dit que les stades infinies pourraient s’intégrer idéalement dans une longueur axiale finie. La longueur finie est dans ce cas toute la hauteur du boîtier comme les roulements, le moteur et le contrôleur, et certains d'entre les refroidisseurs peuvent être installés à l’intérieur sur l’axe. Radialement, pour saisir autant de gaz mince à l’entrée, les rotors d’aspiration idéalement aurait un rayon plus grand et la force centrifuge autant plus élevée ; les lames idéales obtiendrait exponentiellement plus minces vers leurs pointes et fibres de carbone devrait renforcer les lames en aluminium. Cependant, parce que la vitesse moyenne d’une lame affecte pompage tellement cela en augmentant le diamètre de la racine, et non au diamètre de bout lorsque c’est possible.

La performance d’une pompe turbomoléculaire est fortement liée à la fréquence du rotor. Comme t/mn augmente, les pales du rotor déformer plus. Pour augmenter la vitesse et réduire la déformation, matériaux plus rigides et des pales différentes ont été proposées.

Pompes turbomoléculaires doivent fonctionner à des vitesses très élevées, et l’accumulation de chaleur de frottement impose des limites de la conception. Certaines pompes turbomoléculaires utilisent paliers magnétiques pour réduire la contamination de friction et de l’huile. Car les paliers magnétiques et la température cycles permettent seulement un espace limité entre rotor et le stator, les lames aux stades de la haute pression sont quelque peu dégénérés en une seule hélice feuille chacun. Laminaire ne peut servir pour le pompage, parce que les turbines laminaires Caler si vous n’utilisez ne pas le débit conçu. La pompe peut être refroidie pour améliorer la compression, mais ne devrait pas être si froide quant à condenser la glace sur les lames. Lorsqu’une turbopompe est arrêtée, l’huile de l’aspirateur de soutien peut backstream par le biais de la turbopompe et contaminer la chambre. Une façon d’éviter cela consiste à introduire un écoulement laminaire de l’azote par l’intermédiaire de la pompe. La transition du vide à l’azote et une exécution d’une turbopompe encore doit être synchronisé avec précision afin d’éviter des contraintes mécaniques à la pompe et la surpression à l’échappement. Une fine membrane et une valve à l’échappement devraient être ajoutés pour protéger la turbopompe de contre-pression excessive (par exemple après une panne de courant ou de fuites dans le vide de soutien).

Le rotor est stabilisé dans l’ensemble de ses six degrés de liberté. Un degré est régi par le moteur électrique. Au minimum, ce niveau doit être stabilisé électroniquement (ou par un matériau diamagnétique, qui est trop instable pour être utilisé dans un coussinet de précision). Une autre façon (sans tenir compte des pertes dans les noyaux magnétiques à haute fréquence) est de construire ce roulement comme un axe avec une sphère à chaque extrémité. Ces sphères sont à l’intérieur de sphères creuses de statiques. Sur la surface de chaque sphère est un motif en damier des lignes de champ magnétique vers l’intérieur et l’extérieur. Comme le motif en damier des sphères statiques est tourné, le rotor tourne. Dans cette construction aucun axe est fait stable sur le coût de fabrication d’un autre axe instable, mais tous les axes sont neutres et la régulation électronique est inférieur a souligné et sera plus dynamiquement stable. Capteurs à effet Hall peuvent être utilisés pour détecter la position de rotation et les autres degrés de liberté peuvent être mesurés capacitif.

Pression de service maximale

À la pression atmosphérique, le libre parcours moyen de l’air est environ de 70 nm. Une pompe turbomoléculaire peut fonctionner seulement si ces molécules frappés par les lames mobiles atteignent les lames fixes avant la collision avec d’autres molécules sur leur chemin. Pour y parvenir, l’écart entre les lames mobiles et fixes doit être proches ou moins que le libre parcours moyen. D’un point de vue construction pratique, un écart possible entre les ensembles de la lame est de l’ordre de 1 mm, donc une turbopompe décrochera (pas de pompage net) si épuisé directement dans l’atmosphère. Le libre parcours moyen étant inversement proportionnel à la pression, une turbopompe pomperont quand la pression d’échappement est inférieure à environ 10 Pa (0,10 mbar) où le libre parcours moyen est d’environ 0,7 mm.

La plupart des turbopompes ont une pompe Holweck (ou pompe moléculaire drag) comme leur dernier stade afin d’augmenter le maximum de soutien de pression (pression d’échappement) à environ 1 à 10 mbar. Théoriquement, une pompe centrifuge, une pompe à canal latéral ou une pompe régénératrice pourrait servir à soutenir directement à la pression atmosphérique, mais il n’existe actuellement aucune turbopompe disponible dans le commerce qui épuise directement dans l’atmosphère. Dans la plupart des cas, le gaz d’échappement est reliée à une pompe de soutien mécanique (habituellement appelée pompe ébauche) qui produit une pression suffisamment bas pour que la pompe turbomoléculaire de travailler efficacement. En règle générale, cette pression de refoulement est inférieure à 0,1 mbar et couramment sur 0,01 mbar. La pression de refoulement est rarement inférieure à 10−3 mbar (signifie libre parcours ≈ 70 mm) car la résistance à l’écoulement du vide tuyau entre la pompe et la pompe ébauche devient significative.

La pompe turbomoléculaire peut être une pompe très polyvalente. Il peut générer plusieurs degrés de dépression du vide intermédiaire (~ 10−2 Pa) jusqu'à des niveaux de vide extrêmement élevées (~ 10−8 Pa).

Plusieurs pompes turbomoléculaires dans un laboratoire ou d’usine peuvent être connectés par tubes à une pompe de petit support. Robinets à commande automatiques et pompe de diffusion comme l’injection dans une mémoire tampon-tube large en face de la pompe primaire empêche toute surpression d’une pompe à caler une autre pompe.