turbomoleküler pompa nedir?

  Turbomoleküler pompa ilk olarak 1957 yılında icat edilmiş ve çeşitli ülkelerdeki şirketler ürünlerini piyasaya sürerek geliştirip yaygınlaştırmıştır. Turbomoleküler pompanın uygulama aralığı temel olarak difüzyon pompasınınkiyle aynıdır. İki tip pompa, destek pompası tarafından sürekli olarak atmosfere boşaltılabilir. Giriş basıncı 1 Pa~10-7 Pa aralığındadır ve pompalamanın moleküler tip için seçeneği yoktur. 70 l/s'den 10.000 l/s'ye kadar pompa performansı. Özel amaçlara yönelik daha küçük veya daha büyük turbomoleküler pompalar da vardır. Difüzyon pompalarının ürünleri 60.000 l/s'dir ve şu anda 10.000 l/s'nin üzerinde genel amaçlı turbomoleküler pompa bulunmamaktadır.

Turbomoleküler vakum pompası çalışma prensibi

Moleküler pompa tarafından iletilen gaz iki gerekli koşulu karşılamalıdır:

A. Turbomoleküler vakum pompaları moleküler akış koşulları altında çalışmalıdır. Çünkü belli hacimdeki bir kapta bulunan gazın basıncı azaldığında, gaz moleküllerinin ortalama serbest yolu da buna bağlı olarak artar. Normal basınçta, hava moleküllerinin ortalama serbest yolu yalnızca 0,06 μm'dir; yani ortalama olarak bir gaz molekülü, uzayda 0,06 μm hareket ettiği sürece ikinci bir gaz molekülüyle çarpışabilir. 1,3 Pa'da moleküller arasındaki ortalama serbest yol 4,4 mm'ye ulaşabilir. Ortalama serbest yol, kabın duvarları arasındaki mesafeden daha büyük olacak şekilde arttırılırsa, gaz moleküllerinin kap duvarıyla çarpışma şansı, gaz molekülleri arasındaki çarpışma şansından daha büyük olacaktır. Moleküler akış aralığında, gaz moleküllerinin ortalama serbest yol uzunluğu, moleküler pompa kanatları arasındaki mesafeden çok daha büyüktür. Duvar sabit stator kanatlarından ve hareketli rotor kanatlarından oluştuğunda, daha fazla gaz molekülü rotora ve stator kanatlarına doğru fırlayacak ve gaz moleküllerinin yönsel hareketinin temelini oluşturacaktır.

B. Moleküler pompanın rotor kanatları, gaz moleküllerininkine yakın bir doğrusal hıza sahip olmalıdır. Bu kadar yüksek bir hızda, gaz molekülleri hareketli kanatlarla çarpışabilir ve rastgele saçılma özelliklerini değiştirerek yönsel hareketler yapabilir.

Moleküler pompanın dönme hızı ne kadar yüksek olursa, moleküler pompanın pompalama hızının arttırılması o kadar uygun olur. Uygulama, farklı molekül ağırlıklarına sahip gaz moleküllerinin hızı ne kadar yüksek olursa, dışarı pompalanmalarının da o kadar zor olduğunu göstermiştir. Örnek: H2 havada çok yüksek bir içeriğe sahiptir, ancak H2 molekülünün hareket hızı büyük olduğundan (en olası hız 1557 m/s'dir), moleküler pompanın H2'yi pompalaması zordur. Nihai vakumda kalan gazın analizi yoluyla, hidrojen oranının %85'e ulaşabileceği, moleküler ağırlığın nispeten büyük olduğu ve yavaş hareket eden hıza sahip yağ moleküllerinin oranının neredeyse sıfır olduğu bulunabilir. Moleküler pompanın, yağ buharı gibi yüksek molekül ağırlıklı gazlar için yüksek sıkıştırma oranına sahip olmasının ve emme etkisinin iyi olmasının nedeni budur.

  The actual turbomolecular pump is composed of multi-stage blades in series, that is, they are arranged alternately in the order of moving blade, fixed blade, and moving plate,... The total compression ratio of the pump is determined by the number of stages of the blade row. In the design of the turbomolecular pump, the combination of the multi-stage impellers should be optimized and matched. Generally, the shape and size of the blade with a larger pumping speed should be selected near the inlet side of the pump, and its compression ratio can be relatively small. After several stages of compression, the gas pressure increases and the pumping speed decreases. At this time, the blade shape with a high compression ratio and low pumping speed should be selected. This design can make the pumping performance of the whole pump obtain the ideal result of high pumping speed, high compression ratio, and few stages.

Turbo moleküler pompanın avantajları ve dezavantajları

  A. Avantajları

 Çünkü turbomoleküler pompalar bazı açılardan kriyo pompalardan, iyon pompalarından ve difüzyon pompalarından daha iyi performans gösterir. Bu nedenle genel olarak turbomoleküler pompalar sıklıkla kullanılır. Avantajları şunlardır:

•  Temiz, yağ buharı geri akışı yok
  
  Turbomoleküler pompa, çalışma prosedürlerine göre çalışan herhangi bir tuzak olmadan, pompalanan kap için son derece temiz bir vakum ortamı sağlayabilir ve hiçbir hidrokarbon içermez. Modern turbomoleküler pompalar, büyük pompalar dışında nadiren yağla yağlandığından, küçük pompalarda sıklıkla gresle yağlanan yataklar kullanılır, havalı yataklar da kullanılır, ancak manyetik süspansiyonlu yataklar daha çok kullanılır.
  
  
• Kullanımı kolay
  
  Birçok uygulamada turbomoleküler pompalar, yüksek veya kaba vakum valfleri olmadan kullanılabilir. Basit bir düğmeye basıldığında pompa çalışmaya başlar. Atmosfer basıncından nihai basınca kadar. Bu sistem bir turbomoleküler pompa tarafından kabaca pompalanabilir ve çalışma hızına kadar hızlandırılabilir. Bu sayede vana, boru, trap, vana kontrolörleri vb. vakum bileşenlerine olan ihtiyaç ortadan kalkar. Aynı zamanda bu bileşenlerin neden olduğu arızalar da ortadan kaldırılır. Bu nedenle, turbomoleküler pompa sisteminin kapladığı alan küçüktür ve turbomoleküler pompanın kurulum yönü sınırlı değildir ve herhangi bir yöne monte edilebilir (sadece dikey aralıkta çalışabilen yağlamalı pompa hariç  ± 5°). Bu özellik kurulum konumunun kısıtlı olduğu yerlerde kullanılabilir.
  
  
• Güçlü gaz dağıtım kapasitesi
  
  Çoğu turbomoleküler pompa, hidrojen ve helyum gibi hafif gazları taşıma kapasitesine sahiptir. Bu nedenle ultra yüksek vakum altında proses çalışması için çok uygundur. Hidrojen açısından zengin prosesler için helyum kütle spektrometresi sızıntı dedektörleri ve diğer durumlar kullanılabilir. Aşındırıcı gazları dışarı pompalamak için özel olarak tasarlanmış, aşındırma, reaktif iyon aşındırma, iyon ışın işleme, düşük basınçlı kimyasal buhar biriktirme, epitaksi, iyon implantasyonu ve diğer işlem işlemlerine uygun turbomoleküler pompalar vardır. Bu işlemler sırasında çıkarılan gaz, kriyopompayı, iyon pompasını, difüzyon pompası yağını vb. korozyona uğratacaktır. Standart korumasız turbomoleküler pompalar bile tahrip olacaktır. Turbomoleküler pompa şanzıman tipi bir pompa olduğundan, pompalanan gaz delikten geçebilir ve pompada birikmez. Bu nedenle yüksek gaz yükü olan prosesler için uygundur. Püskürtme, gravür vb. gibi.
  
  
• Ultra yüksek vakum uygulamaları için uygundur
  
  İyi sızdırmazlık ve gaz giderme özelliğine sahip bir turbomoleküler pompa, iyi performansa sahip iki kademeli döner kanatlı bir pompa (veya aynı performansa sahip kuru bir destek pompası) ile eşleştirildiğinde, nihai vakum genellikle 10-9 ~ 10-10 Torr'a ulaşabilir. Bir turbomoleküler pompa başka bir turbomoleküler pompaya bağlanırsa ve pompa metalle kapatılırsa ve gazı iyice giderilirse, nihai basınç genellikle 1×10-10～1×10-11 Torr arasındadır. Kriyo pompalardan veya iyon pompalarından farklı olarak turbomoleküler pompalar, ultra yüksek vakum koşulları altında tam pompalama hızında çalışır. Bu özellikler, iyi temizlik (hiçbir hidrokarbonun tespit edilememesi) ile birleştiğinde, kullanıcıların yüksek çözünürlüklü kütle spektrometreleri için turbomoleküler pompaları, moleküler ışın epitaksi ekipmanlarını ve ultra yüksek vakum analiz ekipmanlarını seçeceklerini açıkça ortaya koymaktadır.
  
  
• Yüksek basınç altında iyi performans
  
  Bazı turbomoleküler pompaların giriş basıncı 10-1 ila 10-3 Torr arasında çalıştırılabilir. Bu basınç aralığında iyon pompası kullanılamaz ve difüzyon pompasının çalışması da kriyopompa için dengesiz hale gelecektir, bu da pompalama hızının kısılmasını veya sık sık rejenerasyon yapılmasını gerektirir.
  
  
• Kısa çevrim süresi
  
  Çoğu turbomoleküler pompanın, özellikle de küçük olanlarının, normal çalışma hızına ulaşması genellikle 1 ila 3 dakika sürer. Ve hemen kapatılıp atmosfere maruz bırakılabilir. Bu hızlı döngü özelliği, örnek giriş sistemlerinde, özellikle de taşınabilir helyum sızıntısı dedektörlerinde kullanışlıdır.
  
  
• Uzun çalışma
  
  Bazı uygulamalarda turbomoleküler pompaların çalışma süresi diğer pompalardan daha üstündür. Ağır gaz yükü ve valf sızıntısı durumunda, kriyopompa sık sık rejenere edilecek veya iyon pompası sık sık onarılacak ve turbomoleküler pompanın kullanılması, vakum odasının pompa yağından kaynaklanan kirlenmesini de ortadan kaldırabilir.
  

  B. Dezavantajları

• Yüksek ekipman maliyeti
  
  Pompalama hızı 1000 L/s'nin üzerinde olan bir turbomoleküler pompanın ekipman yatırımı, bir difüzyon pompası ve kriyopompanınkinden daha fazladır. Ancak turbomoleküler pompalar, difüzyon pompalarının ve kriyo pompaların proses gazları veya diğer nedenlerden dolayı kullanılamadığı özel uygulamalarda kullanışlıdır. Küçük turbomoleküler pompalar, küçük veya orta büyüklükteki difüzyon pompalarıyla karşılaştırıldığında oldukça pahalıdır. Ancak difüzyon pompası sisteminin vana, saptırma plakası, tuzak, vana kontrolörleri ve borular vb. gerektirdiği göz önüne alındığında toplam maliyet hesaplanır ve ikisi arasındaki fark çok fazla değildir. Bazı durumlarda turbomoleküler pompalar hâlâ daha ucuz seçeneklerdir.
  
  
• Partikül madde veya tortuya karşı hassas
  
  Çalışan bir turbomoleküler pompaya nesneler (vidalar, cam parçaları, filamanlar veya silikon çipler) düşerse türbin hasar görür ve genellikle onarım için fabrikaya geri gönderilmesi gerekir. Kaza durumunda hasar ciddidir. Onarımlar ve yedek parçalar pahalıdır. İş güvenliği açısından pompanın normal çalışmasını korumak amacıyla pompa girişine ince delikli filtre takılmıştır. Bu önlem, pompanın etkin pompalama hızında büyük bir kayba neden olur. Kanatlardaki kalın tortular kanatların aşınmasına ve tıkanmasına neden olabileceği gibi rotorun dengesizliğini de etkileyebilir. Bazı parçacıkların yatağa girerek aşınmaya neden olması pompanın çalışma ömrünü kısaltabilir. Bu nedenle bazı uygulamalarda koruyucu önlemlerin alınması gerekmektedir.
  
  
• Gürültü ve titreşim
  
  Kullanım deneyimine göre pompada, çoğu yatak hasarı ve zayıf dengeden kaynaklanan titreşim ve gürültü sorunları yaşanacaktır. Normal çalışmada pompa sessiz durumdadır ve maksimum genlik 0,1 ila 0,001 μm (yani 100 ila 1 nm) arasındadır. Bazı hassas ekipmanlarda kullanılır.
  
  
• Kırık sorun
  
  Bazı kullanıcılar rotor kanatlarının kırılmasından korktukları için turbomoleküler pompayı kullanmaktan çekinmektedirler. Ezilme, pervanenin aniden yabancı cisimler tarafından emilmesi veya pompa normal çalışırken yatakların aşınması sonucu meydana gelir. Genellikle girişe filtre eklenmesi gibi koruyucu önlemler vardır ve parçalanma genellikle önlenebilir.
  
  
• Atmosfere maruz kalmak kazalara neden olabilir
  
  Herhangi bir yüksek vakum pompası, çalışma sırasında bu tür bir kazayla karşılaşacaktır. Göstergenin kırılması halinde girişteki borular, vanalar ve contalarla ilgili sorunlar, vakum pompası girişini aniden atmosfer basıncına maruz bırakabilir. Farklı türdeki turbomoleküler pompaların atmosferik basınç şokuna karşı farklı direnci vardır. Bazı pompalar kanatların rezonans bükülmesinden dolayı hasar görecek, ancak bazı pompalar atmosferin etkisinden zarar görmeyecektir. Üreticiler için en iyi yol deneyler yoluyla sonuçlara ulaşmaktır. Difüzyon pompaları ve kriyo pompaları da çalışmalarında bu tür ani kazalarla karşılaşma konusunda daha zahmetli olup, turbomoleküler pompalara göre daha az dayanıklıdır. Örneğin, difüzyon pompası yağının oksidasyonu vakum odasını hızla kirletir ve kriyopompaların yenilenmesi gerekir.