Qué es una bomba turbomolecular?

La bomba turbomolecular se inventó por primera vez en 1957 y empresas de varios países han puesto sus productos en el mercado y los han desarrollado y popularizado. El rango de aplicación de la bomba turbomolecular es el mismo que el de la bomba de difusión. Los dos tipos de bombas pueden expulsarse continuamente a la atmósfera mediante la bomba de respaldo. La presión de entrada está en el rango de 1 Pa~10-7 Pa y el bombeo no tiene opción para el tipo molecular. desde 70 l/s hasta 10.000 l/s. También existen bombas turbomoleculares de menor o mayor tamaño para fines especiales. Las bombas de difusión tienen productos de 60.000 l/s, y actualmente no existen bombas turbomoleculares de uso general superiores a 10.000 l/s.

Principio de funcionamiento de la bomba de vacío turbomolecular.

El gas entregado por la bomba molecular debe cumplir dos condiciones necesarias:

a. Las bombas de vacío turbomoleculares deben funcionar en condiciones de flujo molecular. Porque cuando se reduce la presión del gas contenido en un recipiente de cierto volumen, el recorrido libre medio de las moléculas de gas aumenta en consecuencia. A presión normal, el camino libre medio de las moléculas de aire es de sólo 0,06 μm, es decir, en promedio, una molécula de gas puede colisionar con una segunda molécula de gas siempre que se mueva 0,06 μm en el espacio. A 1,3 Pa, el camino libre medio entre moléculas puede alcanzar 4,4 mm. Si el camino libre medio aumenta para que sea mayor que la distancia entre las paredes del contenedor, la probabilidad de colisión de las moléculas de gas con la pared del contenedor será mayor que la probabilidad de colisión entre las moléculas de gas. En el rango de flujo molecular, la longitud media del camino libre de las moléculas de gas es mucho mayor que el espacio entre las paletas de la bomba molecular. Cuando la pared está compuesta por palas de estator estacionarias y palas de rotor en movimiento, más moléculas de gas se dispararán hacia el rotor y las palas del estator, sentando las bases para el movimiento direccional de las moléculas de gas.

b. Las palas del rotor de la bomba molecular deben tener una velocidad lineal cercana a la de las moléculas de gas. A una velocidad tan alta, las moléculas de gas pueden chocar con las aspas en movimiento y cambiar las características de dispersión aleatoria para realizar movimientos direccionales.

Cuanto mayor sea la velocidad de rotación de la bomba molecular, más favorable será aumentar la velocidad de bombeo de la bomba molecular. La práctica ha demostrado que cuanto mayor es la velocidad de las moléculas de gas de diferentes pesos moleculares, más difícil es bombearlas. Ejemplo: El H2 tiene un contenido muy alto en el aire, pero debido a que la molécula de H2 tiene una gran velocidad de movimiento (la velocidad más probable es 1557 m/s), es difícil para la bomba molecular bombear H2. Mediante el análisis del gas residual en el vacío final, se puede encontrar que la proporción de hidrógeno puede alcanzar el 85%, mientras que el peso molecular es relativamente grande y la proporción de moléculas de aceite con velocidad de movimiento lento es casi cero. Esta es la razón por la cual la bomba molecular tiene una alta relación de compresión para gases de alto peso molecular, como el vapor de aceite, y el efecto de succión es bueno.

   La bomba turbomolecular real está compuesta por palas de múltiples etapas en serie, es decir, están dispuestas alternativamente en el orden de pala móvil, pala fija y placa móvil,... La relación de compresión total de la bomba está determinada por el número de etapas de la fila de palas. En el diseño de la bomba turbomolecular se debe optimizar y adaptar la combinación de los impulsores multietapa. Generalmente, la forma y el tamaño de la pala con una velocidad de bombeo mayor deben seleccionarse cerca del lado de entrada de la bomba, y su relación de compresión puede ser relativamente pequeña. Después de varias etapas de compresión, la presión del gas aumenta y la velocidad de bombeo disminuye. En este momento, se debe seleccionar la forma de la pala con una alta relación de compresión y una baja velocidad de bombeo. Este diseño puede hacer que el rendimiento de bombeo de toda la bomba obtenga el resultado ideal de alta velocidad de bombeo, alta relación de compresión y pocas etapas.

Ventajas y desventajas de la bomba turbomolecular.

  a. Ventajas

  Porque las bombas turbomoleculares funcionan mejor que las bombas criogénicas, las bombas de iones y las bombas de difusión en algunos aspectos. Por lo tanto, en general, se suelen utilizar bombas turbomoleculares. Sus ventajas son:

• Limpio, sin reflujo de vapor de aceite
  La bomba turbomolecular puede proporcionar un ambiente de vacío extremadamente limpio para el recipiente bombeado sin trampas que funcionen de acuerdo con los procedimientos operativos y no contiene hidrocarburos. Dado que las bombas turbomoleculares modernas rara vez se lubrican con aceite, excepto las bombas grandes, los cojinetes lubricados con grasa a menudo se usan para bombas pequeñas y también se usan cojinetes de aire, pero los cojinetes de suspensión magnética se usan más.
  
  
• Fácil de usar
  En muchas aplicaciones, las bombas turbomoleculares se pueden utilizar sin válvulas de vacío altas o bruscas. Con solo presionar un botón, la bomba comienza a funcionar. Desde la presión atmosférica hasta la presión máxima. Este sistema puede ser bombeado en bruto mediante una bomba turbomolecular y puede acelerarse hasta la velocidad de funcionamiento. Esto elimina la necesidad de componentes de vacío como válvulas, tuberías, trampas, controladores de válvulas, etc. Al mismo tiempo, también se eliminan las fallas causadas por estos componentes. Por lo tanto, el espacio ocupado por el sistema de bomba turbomolecular es pequeño y la dirección de instalación de la bomba turbomolecular no está limitada y puede instalarse en cualquier dirección (excepto la bomba lubricada con aceite, que solo puede funcionar dentro del rango vertical de ± 5°). Esta función se puede utilizar donde la ubicación de instalación está restringida.
  
  
• Fuerte capacidad de suministro de gas
  La mayoría de las bombas turbomoleculares son muy capaces de transportar gases ligeros como el hidrógeno y el helio. Por lo tanto, es muy adecuado para la operación de procesos bajo vacío ultraalto. Para aquellos procesos ricos en hidrógeno, se pueden utilizar detectores de fugas de espectrómetro de masas de helio y otras ocasiones. Existen bombas turbomoleculares especialmente diseñadas para bombear gases corrosivos, adecuadas para grabado, grabado de iones reactivos, procesamiento de haces de iones, deposición química de vapor a baja presión, epitaxia, implantación de iones y otras operaciones de proceso. Durante estos procesos, el gas extraído corroerá la criobomba, la bomba de iones, el aceite de la bomba de difusión, etc. Incluso las bombas turbomoleculares estándar sin protección serán destruidas. Dado que la bomba turbomolecular es una bomba de transmisión, el gas bombeado puede pasar a través del orificio y no acumularse en la bomba. Por tanto, es adecuado para procesos con altas cargas de gas. Como pulverización catódica, grabado, etc.
  
  
• Adecuado para aplicaciones de vacío ultra alto
  Una bomba turbomolecular con buen sellado y desgasificación, combinada con una bomba de paletas rotativas de dos etapas con buen rendimiento (o una bomba de respaldo seco con el mismo rendimiento), el vacío final generalmente puede alcanzar 10-9 ~ 10-10 Torr. Si una bomba turbomolecular está conectada con otra bomba turbomolecular, y la bomba está sellada con metal y bien desgasificada, la presión máxima generalmente está entre 1×10-10～1×10-11 Torr. A diferencia de las bombas criogénicas o de iones, las bombas turbomoleculares funcionan a máxima velocidad de bombeo en condiciones de vacío ultraalto. Estas propiedades, junto con su buena limpieza (no se pueden detectar hidrocarburos), hacen obvio que los usuarios elegirán bombas turbomoleculares para espectrómetros de masas de alta resolución, equipos de epitaxia de haz molecular y equipos de análisis de vacío ultraalto.
  
  
• Buen rendimiento bajo alta presión.
  La presión de entrada de algunas bombas turbomoleculares puede funcionar entre 10-1 y 10-3 Torr. En este rango de presión, la bomba de iones no se puede utilizar y el funcionamiento de la bomba de difusión también se volverá inestable para la criobomba, lo que requiere estrangular la velocidad de bombeo o una regeneración frecuente.
  
  
• Tiempo de ciclo corto
  Para la mayoría de las bombas turbomoleculares, especialmente las más pequeñas, normalmente se necesitan de 1 a 3 minutos para alcanzar la velocidad de funcionamiento normal. Y puede cerrarse inmediatamente y exponerse a la atmósfera. Esta característica de ciclo rápido es útil en sistemas de entrada de muestras, especialmente detectores de fugas de helio portátiles.
  
  
• Operación larga
  En algunas aplicaciones, el tiempo de actividad de las bombas turbomoleculares es superior al de otras bombas. En el caso de una gran carga de gas y fugas en la válvula, la criobomba se regenerará con frecuencia o la bomba de iones se reparará con frecuencia, y el uso de la bomba turbomolecular también puede eliminar la contaminación de la cámara de vacío debido al aceite de la bomba.
  

  b. Desventajas

• Alto costo del equipo.
  La inversión en equipo de una bomba turbomolecular con una velocidad de bombeo superior a 1000 L/s es mayor que la de una bomba de difusión y la criobomba. Sin embargo, las bombas turbomoleculares son útiles en aplicaciones especiales donde las bombas de difusión y las bombas criogénicas no se pueden utilizar debido a gases de proceso u otras razones. Las bombas turbomoleculares pequeñas son bastante caras en comparación con las bombas de difusión pequeñas o medianas. Sin embargo, considerando que el sistema de bomba de difusión requiere válvulas, deflectores, trampas, tuberías controladores de válvulas, etc., se calcula el costo total y la diferencia entre los dos no es mucha. En algunos casos, las bombas turbomoleculares siguen siendo opciones más económicas.
  
  
• Sensible a partículas o sedimentos.
  Si objetos (tornillos, fragmentos de vidrio, filamentos o chips de silicio) caen dentro de una bomba turbomolecular en funcionamiento, la turbina se dañará y, a menudo, será necesario devolverla a la fábrica para su reparación. En caso de accidente, los daños son graves. Las reparaciones y los repuestos son caros. Por motivos de seguridad laboral, se instala un filtro con orificios finos en la entrada de la bomba para proteger el funcionamiento normal de la bomba. Esta medida tiene una gran pérdida en la velocidad de bombeo efectiva de la bomba. Los depósitos gruesos en las palas pueden provocar desgaste y bloqueo de las palas, y también afectar al desequilibrio del rotor. Si algunas partículas entran en el rodamiento y provocan desgaste, puede reducir la vida útil de la bomba. Por tanto, en algunas aplicaciones, es necesario instalar medidas de protección.
  
  
• Ruido y vibración
  Según la experiencia de uso, la bomba tendrá problemas de vibración y ruido, la mayoría de los cuales son causados por daños en los rodamientos y un equilibrio deficiente. En trabajo normal, la bomba está en un estado silencioso y la amplitud máxima está entre 0,1 y 0,001 μm (es decir, 100 a 1 nm). Se utiliza en algunos equipos de precisión.
  
  
• problema roto
  Algunos usuarios tienen miedo de utilizar la bomba turbomolecular porque temen que se rompan las palas del rotor. El aplastamiento ocurre cuando el impulsor es repentinamente aspirado por objetos extraños o los cojinetes se desgastan cuando la bomba está funcionando normalmente. Generalmente existen medidas de protección, como añadir filtros en la entrada, y normalmente se puede evitar la fragmentación.
  
  
• La exposición a la atmósfera puede provocar accidentes.
  Cualquier bomba de alto vacío sufrirá este tipo de accidentes durante su funcionamiento. Si el manómetro está roto, los problemas con las tuberías, válvulas y sellos en la entrada pueden exponer repentinamente la entrada de la bomba de vacío a la presión atmosférica. Los diferentes tipos de bombas turbomoleculares tienen diferente resistencia al choque de presión atmosférica. Algunas bombas se dañarán debido a la flexión resonante de las aspas, pero otras no se dañarán por el impacto de la atmósfera. La mejor manera es que los fabricantes obtengan los resultados mediante experimentos. Las bombas de difusión y las bombas criogénicas también tienen más problemas de sufrir accidentes repentinos en su trabajo y son menos resistentes que las bombas turbomoleculares. Por ejemplo, la oxidación del aceite de la bomba de difusión contaminará rápidamente la cámara de vacío y las criobombas requieren regeneración.