بیشتر با پمپ های توربومولکولار آشنا شویم

بیشتر با پمپ های توربومولکولار آشنا شویم

یکی از پمپ‌هایی که معمولا برای رسیدن فشار به محدوده خلاء بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد، پمپ توربومولکولار است. استفاده از این پمپ‌ها آسان است و نیاز به مراقبت و نگهداری کمتری نسبت به پمپ‌های دیفیوژنی دارند. ابعاد کوچک، عدم نیاز به خنک سازی با آب، سرعت رسیدن به خلاء مورد نظر و تمیزی بسیار زیاد این پمپ‌ها از مزایای دیگر آنها نسبت به پمپ‌های دیفیوژنی است. با استفاده از این پمپ‌ها می‌توان سرعت پمپاژ را با دقت خوبی ثابت نگه داشت (از معایب این پمپ‌ها باید به قیمت بالای آنها اشاره کرد). پمپ های توربومولکولار یا Turbomolecular Pumps در محدوده خلاء متوسط، خلاء بالا و خلاء فوق العاده بالا (UHV) با سرعت ثابت پمپاژ تا ۴۰۰۰ لیتر در ثانیه قابلیت استفاده دارند.

پمپ های توربومولکولار – Turbomolecular Pumps

پمپ های توربومولکولار، پمپ های خلاء جنبشی هستند که با استفاده از روتور چرخشی بسیار سریع (معمولا بین ۲۴۰۰۰ تا ۹۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخند) کار می‌کنند. یکی از مزایای استفاده از پمپ های توربومولکولار این است که موجب برگشت روغن و بخار روغن به محفظه خلاء نمی‌شوند. این مساله از نکات حیاتی در فرایندهایی است که به محیط خلاء کاملا تمیز، نیاز دارند. این ویژگی‌ها بدان معنی است که پمپ های توربومولکولار برای طیف گسترده‌ای از کاربران، از میکروسکوپ الکترونی گرفته تا پردازش نیمه‌هادی‌ها مناسب هستند. اکثر سیستم های لایه نشانی تحت خلاء ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار مجهز به پمپ توربومولکولار هستند که این امر موجب می‌شود این سیستم‌ها کاربردهای گسترده‌ای در صنعت میکروالکترونیک و نیمه هادی‌ها، اپتیک و لیزر، سلول‌های خورشیدی و … داشته باشند.

پمپ توربومولکولار در سال ۱۹۵۸ توسط دبلیو بکر، بر اساس پمپ‌های کشش مولکولی قدیمی که توسط ولفگانگ گاید در سال ۱۹۱۳ اختراع شده بود، اختراع گردید. پمپ های توبومولکولار بر اساس این اصل کار می‌کنند که با برخورد مکرر با یک تیغه فلزی در حال حرکت، می‌توان مولکول‌های گاز را در جهت مورد نظر هدایت کرد. در یک پمپ توربومولکولار، یک روتور فن که به سرعت چرخش می‌کند، برای ایجاد یا حفظ خلاء، به مولکول‌های گازی برخورد کرده و آنها را از ورودی پمپ به سمت خروجی پمپ هدایت می‌کند.

طرز کار پمپ های توربومولکولار

بیشتر پمپ های توربومولکولار دارای چندین مرحله هستند که هر مرحله شامل یک روتور که به سرعت در حال چرخش است و یک جفت استاتور که ثابت است، می‌باشند. این سیستم مانند یک کمپرسور کار می‌کند که به جای اینکه انرژی گاز را بگیرد، به گاز انرژی جنبشی می‌دهد. مولکول‌های گاز در جهت مورد نظر از مراحل فوقانی و دهانه پمپ توربومولکولار، به مراحل پایین و خروجی پمپ منتقل می‌شوند و تا سطح فشار خلاء پمپ پشتیبان فشرده می‌شوند. با ورود مولکول‌های گازی به داخل ورودی، روتور که تعدادی پره‌ زاویه‌دار دارد به مولکول‌ها برخورد می‌کند. بنابراین انرژی مکانیکی پره‌ها به مولکول‌های گازی منتقل می‌شود. با این انرژی تازه به‌دست آمده، مولکول‌های گازی وارد سوراخ‌های انتقال گاز در استاتور می‌شوند.

این امر آنها را به مرحله بعدی سوق می‌دهد که مجددا با سطح روتور برخورد می‌کنند و این روند ادامه دارد و در نهایت مولکول‌های گازی از طریق خروجی پمپ توربومولکولار به بیرون هدایت می‌شوند. به دلیل حرکت نسبی روتور و استاتور و زوایای خاص تعبیه شده در آنها، مولکول‌ها ترجیحا به طرف پایین پره‌ها اصابت می‌کنند. یک پره در پمپ های توربومولکولار – Turbomolecular Pumps برای عملکرد فشار بالا باید محکم، پایدار و تا حد امکان نازک باشد، که برای فشرده‌سازی حداکثری، کمی خم شود. از آنجا که فشرده‌سازی هر مرحله تقریبا از مرتبه ۱۰ است، هر مرحله نزدیک به خروجی، به طور قابل توجهی کوچکتر از مراحل ورودی قبلی است.

عملکرد پمپ توربومولکولار به شدت با فرکانس روتور مرتبط است. با افزایش سرعت، پره‌های روتور بیشتر منحرف می‌شوند. برای افزایش سرعت و کاهش تغییر شکل، مواد محکم‌تر و طرح‌های مختلف برای پره‌ها در نظر گرفته می‌شود.

بلبرینگ مکانیکی

بعضی از مدل‌های پمپ های خلاء توربومولکولار از روتورهای بلبرینگ مکانیکی استفاده می‌کنند (به طور معمول در یک طرح به اصطلاح طناب‌دار با بلبرینگ در انتهای پایین شافت و در ناحیه روتورهای مراحل پایین). Turbomolecular Pumps باید با سرعت بسیار بالایی کار کنند و گرمای ایجاد شده در اثر اصطکاک موجب محدودیت در طراحی می‌شود. سرعت چرخش زیاد پمپ توربو (برخی از پمپ‌ها با قطر کوچک با سرعت ۶۰۰۰۰ دور در دقیقه کار می‌کنند) فشار جدی به بلبرینگ‌های شافت وارد می‌کند. پمپ های توربومولکولار دربرگیرنده این روش، به روغن کاری نیاز دارند و طول عمر پمپ، بستگی به طول عمر بلبرینگ دارد و از آنجا که تعویض بلبرینگ یک کار تخصصی است، این کار باید با باز کردن پمپ و ارسال به کارخانه انجام شود.

گریس و روان‌کننده مورد استفاده در این روش نباید در فشار کاری پمپ بخار شود و موجب اختلال در خلاء ایجاد شده، بشود. علاوه‌بر‌این، بلبرینگ‌های مکانیکی باعث پویایی کمتر روتور نسبت به سایر انواع بلبرینگ می‌شوند. با تمام مشکلات مطرح شده بلبرینگ‌های مکانیکی از مقاومت بالایی در برابر شوک‌های خارجی یا تهویه ناگهانی برخوردار هستند و همچنین فضای کمتری را اشغال می‌کنند.

بلبرینگ مغناطیسی

یکی از جایگزین‌ها برای بلبرینگ‌های مکانیکی در پمپ های توربومولکولار، بلبرینگ‌های مغناطیسی فعال پنج محوره (۲X, 2Y, Z) واقع در هر دو انتهای شافت روتور با سنسور‌های موقعیت و کنترل میدان مغناطیسی متغیر هستند (Magnetic Levitated). در این بلبرینگ‌های مغناطیسی که یا از آهنربای دائمی برای پمپ‌های کوچک یا از ترکیبی از میدان‌های مغناطیسی دائمی و پویا استفاده می‌کنند، شافت بدون تماس است. پمپ‌های مغناطیسی شامل بلبرینگ‌های غیر تماسی هستند که بخار روغن در آنها صفر است و بلبرینگ‌ها فرسوده نمی‌شوند. این پمپ‌ها در مقایسه با بلبرینگ‌های مکانیکی نیازی به روغن کاری ندارند، فرایندی عاری از هیدروکربن را موجب می‌شوند، طول عمر پمپ محدود به فرسایش بلیرینگ نمی‌شود و لرزش بسیار کمی دارند.

به دلیل عدم وجود بلبرینگ‌های مکانیکی، در محیط‌هایی که توسط پمپ های توربومولکولار استفاده می‌شود، می‌توان از گازهای خورنده‌ای استفاده کرد که به طور معمول بلبرینگ‌های روغنی را در مدت زمان کوتاهی از بین می‌برد. در مقایسه با پمپ های توربومولکولاری که دارای بلبرینگ‌های مکانیکی هستند، پمپ‌هایی که از بلبرینگ مغناطیسی استفاده می‌کنند، آسیب‌پذیری بیشتری در برابر شوک‌های خارجی دارند. علاوه‌بر‌این، ابعاد بزرگ‌تری داشته و گران‌تر از پمپ‌هایی هستند که انواع دیگر بلبرینگ‌ها را به کار می‌برند.

بلبرینگ هیبریدی

یکی دیگر از انواع بلبرینگ‌های مورد استفاده در پمپ های توربومولکولار، بلبرینگ‌های هیبریدی هستند. بلبرینگ‌های هیبریدی دارای بلبرینگ مکانیکی واقع در انتهای پایین شافت روتور و یک جفت بلبرینگ مغناطیسی غیرفعال واقع در انتهای بالای شافت هستند. برخلاف سیستم‌های دارای دو بلبرینگ مکانیکی، طول عمر این واحدها عمدتا فقط با عمر یک بلبرینگ مکانیکی محدود می‌شود و همچنین به دلیل نبود بلبرینگ مکانیکی دوم، دارای لرزش کمتری هستند. مانند پمپ های توربومولکولار با بلبرینگ تمام مغناطیسی، پمپ‌های دارای بلبرینگ هیبریدی تحمل کمتری نسبت به شوک های‌خارجی داشته و ابعاد آنها کمی بزرگ‌تر از سیستم‌های دارای دو بلبرینگ مکانیکی است.

طراحی بلبرینگ هیبریدی به گونه‌ای است که موجب پویایی مطلوب روتور می‌شود و امکان تعویض بلبرینگ در محل را نیز فراهم می‌کند. در صورت تمایل به مطالعه بیشتر به لینک‌های زیر مراجعه نمایید. دستگاه‌های لایه نشانی در خلاء ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار غالبا مجهز به پمپ های توربومولکولار – Turbomolecular Pumps هستند که از جمله آنها ‌می‌توان به دستگاه اسپاترینگ و لایه نشان کربن خلاء بالا – DSCT، لایه نشان کربن خلاء بالا – DCT و دستگاه اسپاترینگ خلاء بالا – DST1 اشاره کرد.

• منابع

• https://www.vacuumscienceworld.com/blog/working-with-turbomulecular-vacuum-pumps
• John F. O’Hanlon (4 March 2005). A User’s Guide to Vacuum Technology. John Wiley & Sons. pp. ۳۸۵–. ISBN ۹۷۸-۰-۴۷۱-۴۶۷۱۵-۱.
•  Marton, Kati (18 January 1980). Vacuum Physics and Technology. Academic Press. pp. ۲۴۷–. ISBN ۹۷۸-۰-۰۸-۰۸۵۹۹۵-۸.
• “Iqbal and Abdul Wasy et. al., NIMA-A, 2012 Design modification in rotor blade of turbo molecular pump”. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. ۶۷۸: ۸۸–۹۰.
• https://www.vacuum-guide.com/english/equipment/hw-turbomolecular.htm