Turbomolekularne pompy próżniowe

Magnetycznie lewitujące turbopompy wykorzystują 5-osiowy układ łożyskowania magnetycznego, który utrzymuje wirnik w stałym zawieszeniu bez fizycznego kontaktu między wirnikiem a obudową pompy. Ta technika, znana również jako aktywne łożysko magnetyczne, wykorzystuje zalety elektromagnetyzmu: wykorzystuje siły elektromagnesów w połączeniu z czujnikami odległości do stabilizacji i uruchomienia wirnika. Cyfrowy elektroniczny system sterowania dostosowuje pole elektromagnetyczne za pośrednictwem obecnych magnesów w czasie rzeczywistym, aby utrzymać wirnik w centralnym i wyważonym położeniu. Ta aktywna stabilizacja kompensuje niewyważenie i minimalizuje drgania.

Ponieważ wirnik nigdy nie dotyka obudowy pompy, nie występuje tarcie mechaniczne, co eliminuje potrzebę smarowania i zapewnia bezolejową pracę wewnątrz pompy. Magnetycznie lewitujące turbopompy nadają się idealnie do zastosowań wymagających wysokiej i bardzo wysokiej próżni w produkcji półprzewodników, powlekaniu oraz badaniach i rozwoju.

Ta zaawansowana technologia łożysk magnetycznych oferuje kilka kluczowych korzyści.

Turbopompy z łożyskami hybrydowymi łączą dwie koncepcje łożysk w jednej pompie. Po stronie próżni wstępnej wirnik jest zabezpieczony przed drganiami zewnętrznymi przez ceramiczne łożysko kulkowe. Ten typ łożyska znajduje się również w mechanicznych turbopompach, takich jak HiPace 10 Neo, dzięki czemu jest to odporna opcja do takich zadań, jak mobilne eksperymenty z próżnią.

Po stronie wysokiej próżni trwałe łożysko magnetyczne utrzymuje wirnik w zawieszeniu bez kontaktu z obudową pompy, podobnie jak w przypadku turbopomp lewitujących magnetycznie. Ta kombinacja zapewnia odporny układ łożysk wirnika obsługujący ekstremalne prędkości obrotowe podczas wytwarzania bardzo wysokiej próżni do 10^-11 hPa (mbar). Chociaż łożysko kulkowe jest minimalnie smarowane, pompa wytwarza bezolejową próżnię, ponieważ łożysko kulkowe znajduje się po stronie próżni wstępnej i dlatego jest odizolowane od strony wysokiego podciśnienia pompy. Ta cecha konstrukcji i stopień sprężania turbowirnika pozwala zapobiec zanieczyszczeniu olejem w komorze próżniowej. Turbopompy z łożyskami hybrydowymi są niezawodnym rozwiązaniem do licznych procesów, w tym do zastosowań analitycznych, badań i rozwoju oraz symulacji kosmicznych.

Turbopompy z łożyskami hybrydowymi oferują szereg korzyści:

Turbopompy należą do grupy kinetycznych pomp próżniowych. Przemieszczają one pompowane medium, przyspieszając cząsteczki w kierunku pompowania. Turbomolekularna pompa próżniowa została zaprojektowana w celu osiągnięcia czegoś, co wcześniej uważano za prawie niemożliwe – próżni o tak niezrównanej czystości, że otwierałaby nowe granice w nauce i technologii. W 1958 r. dr Willi Becker, naukowiec z Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions, wynalazł pierwszą turbopompę do wytwarzania próżni. Dzięki przełomowej technologii te pompy próżniowe mogą osiągnąć wysokie, ultrawysokie, a nawet ekstremalnie wysokie podciśnienie do 10^-11 hPa (mbar).

Dziś turbopompy są wykorzystywane do badania granic wiedzy, od symulacji próżni w przestrzeni kosmicznej na potrzeby badań astrofizycznych po testy materiałów pod kątem ich osiągów w ekstremalnych środowiskach. W produkcji półprzewodników te specjalistyczne pompy próżniowe utrzymują ultraczyste, kontrolowane środowisko niezbędne do produkcji mikroczipów. Zastosowania turbopomp w różnych branżach są praktycznie nieograniczone.

Turbomolekularna pompa próżniowa działa na zasadzie przenoszenia energii kinetycznej. Konstrukcja jest podobna do turbiny: wielostopniowy wirnik z tarczami obraca się w obudowie. Między tarczami wirnika znajdują się odwrócone względem siebie łopatki stojana, tworzące serię poziomów, które sprężają i transportują cząsteczki gazu. Wirniki turbopompy obracają się z prędkością do 90 000 obrotów na minutę (obr./min). Jest to znacznie więcej niż silniki odrzutowców wielkogabarytowych, które obracają się z prędkością maksymalną zaledwie 30 000 obr./min.

Pompy turbomolekularne wymagają wydajnej pracy pompy wspomagającej. Chociaż turbopompa odpowiada za wytwarzanie wysokiej i bardzo wysokiej próżni, nie może wyprowadzać gazów wylotowych bezpośrednio do ciśnienia atmosferycznego. Zamiast tego polega na pompie wspomagającej, która utrzymuje wystarczająco niskie ciśnienie na wylocie, zapewniając stabilną i wydajną pracę.

Wytwarzanie próżni przez turbopompy w trzech krokach

Nowoczesne turbopompy mogą osiągać prędkości do 90 000 obr./min. W związku z tym energia kinetyczna jest odpowiednio wysoka, co w przypadku awarii powoduje oddziaływanie ekstremalnych sił na obudowę pompy i jej zakotwiczenie w ułamku sekundy. Aby zapewnić bezpieczeństwo procesów i sprzętu, firma Pfeiffer we współpracy z TÜV Rheinland opracowała certyfikat bezpieczeństwa, który obejmuje podwójną ochronę przed nadmierną prędkością obrotową, zapobiegającą awariom mechanicznym.

Ponadto, w ramach pozyskiwania certyfikatu, zewnętrzna obudowa turbopomp jest poddawana testom odporności na energię kinetyczną wirnika pompy. Turbopompy Pfeiffer mają również certyfikaty zgodności z normami UL 61010 i Semi S2, co gwarantuje, że sprzęt spełnia rygorystyczne wymagania dotyczące bezpieczeństwa i osiągów w laboratoriach i środowiskach przemysłowych, a także w fabrykach półprzewodników.

Turbomolekularne pompy próżniowe firmy Pfeiffer są dostępne w wersji z łożyskami hybrydowymi i mechanicznymi oraz w wersji z lewitacją magnetyczną, które oferują kilka zalet:

Ponad 40 lat temu firma Pfeiffer Vacuum+Fab Solutions wynalazła łożysko hybrydowe. Składa się ono z trwałego łożyska magnetycznego i ceramicznego łożyska kulkowego.

Po stronie wysokiego podciśnienia pompy łożysko magnetyczne zawiesza wirnik bez fizycznego kontaktu, minimalizując tarcie i eliminując zużycie. Po stronie próżni wstępnej ceramiczne łożyska kulkowe stabilizują wirnik zarówno w kierunku promieniowym, jak i osiowym, dzięki czemu jest on odporny na silne wstrząsy, takie jak odpowietrzenie atmosferyczne i drgania zewnętrzne. Chociaż łożysko kulkowe jest minimalnie smarowane, pompa wytwarza bezolejową próżnię, ponieważ łożysko kulkowe znajduje się po stronie próżni wstępnej i dlatego jest odizolowane od strony wysokiego podciśnienia pompy. Ta cecha konstrukcji i stopień sprężania turbowirnika pozwala zapobiec zanieczyszczeniu olejem w komorze próżniowej. Będący w obiegu smar absorbuje również ciepło wytwarzane przez łożyska kulkowe podczas pracy.

Turbopompy z łożyskami hybrydowymi nadają się do licznych procesów, w tym do zastosowań analitycznych, badań i rozwoju oraz symulacji kosmicznych.

Magnetycznie lewitujące turbopompy wykorzystują 5-osiowy układ łożyskowania magnetycznego, który utrzymuje wirnik w stałym zawieszeniu bez fizycznego kontaktu między wirnikiem a obudową pompy. Ta technologia łożysk wykorzystuje zalety elektromagnetyzmu: wykorzystuje siły elektromagnesów w połączeniu z czujnikami odległości do stabilizacji i uruchomienia wirnika. Łożyska elektromagnetyczne są również nazywane „aktywnymi łożyskami magnetycznymi”, ponieważ pozycja wirnika jest monitorowana i stale regulowana. Dzięki automatycznej kompensacji niewyważenia zapewnia to pracę bez zużycia i z niskimi wibracjami. Pozwala to na eksploatację bez konserwacji i bez smarów przez cały okres użytkowania.

Dlatego łożyska magnetyczne nadają się w szczególności do zastosowań, w których wymagane są niskie zużycie, czyste i suche warunki oraz wysoka wydajność pompowania – na przykład w wytwarzaniu wysokiej i bardzo wysokiej próżni w produkcji półprzewodników, powlekaniu oraz badaniach i rozwoju.

Wirnik turbopompy obraca się z prędkością do 90 000 obrotów na minutę. Przy takich prędkościach nawet najmniejsze niewyważenie może mieć duży wpływ na działanie i bezpieczeństwo pompy. Precyzyjne wyważenie wirnika ma zatem znaczenie zarówno z punktu widzenia płynnego działania, jak i wieloletniej bezawaryjnej i bezpiecznej pracy turbopompy.

Aby temu zaradzić, firma Pfeiffer opracowała i opatentowała technologię wyważania laserowego, która umożliwia bardzo precyzyjne wyważanie wirnika. W przeciwieństwie do konwencjonalnych metod, które wymagają dodawania mas lub wiercenia otworów, wyważanie laserowe wykorzystuje ablację laserową do usuwania materiału z określonych obszarów wirnika.

Proces ten jest wykonywany podczas produkcji w zautomatyzowanym systemie wyważania, co poprawia dokładność i powtarzalność. Wyważanie laserowe poprawia jakość wyważania wirników turbopomp o 20% w porównaniu z tradycyjnymi metodami. Prowadzi to do zmniejszenia poziomu drgań i hałasu oraz poprawy ogólnych osiągów pompy. Korzyści te są szczególnie cenne w zastosowaniach wrażliwych na drgania, takich jak mikroskopia elektronowa.

Turbopompy z łożyskiem hybrydowym łączą łożysko kulkowe z łożyskiem magnetycznym. Dzięki bezstykowemu działaniu łożyska magnetycznego turbopompy z łożyskiem hybrydowym wymagają minimalnej konserwacji. Ta technologia łożyskowania zapewnia zawieszenie wirnika bez fizycznego kontaktu z jedną stroną pompy, minimalizując tarcie i zużycie. Jednak w każdej pompie próżniowej niektóre komponenty są narażone na wysokie obciążenia mechaniczne. W przypadku turbomolekularnych pomp próżniowych z łożyskami hybrydowymi płyny eksploatacyjne i łożyska kulkowe należy wymieniać co cztery do pięciu lat, w zależności od konstrukcji i rozmiaru pompy. Takie prace konserwacyjne zapobiegają konsekwencjom zaawansowanego zużycia i awarii lub nieodwracalnego uszkodzenia pompy.

Aby dowiedzieć się więcej o naszej ofercie serwisowania turbopomp, odwiedź naszą stronę serwisu.

Firma Pfeiffer jest uznawana za jednego z wiodących producentów turbomolekularnych pomp próżniowych ze względu na kilka kluczowych czynników:

1. Pionierska innowacja: firma Pfeiffer wynalazła i opatentowała pierwszą turbomolekularną pompę próżniową w 1958 roku.

2. Kompleksowe portfolio produktów: Pfeiffer oferuje pełną gamę turbomolekularnych pomp próżniowych, w tym pompy lewitacyjne mechaniczne i turbopompy z łożyskami hybrydowymi. Kompleksowa oferta zapewnia dostępność odpowiedniego rozwiązania do różnych zastosowań i branż.

3. Wysokiej jakości inżynieria: firma Pfeiffer, znana z doskonałości inżynieryjnej, dba o to, aby wszystkie jej produkty spełniały najwyższe standardy jakości i niezawodności. Nasze turbopompy zostały zaprojektowane z myślą o wydajnym przetwarzaniu wysokich prędkości i energii kinetycznej, zapewniając doskonałe osiągi i długą żywotność.

4. Podejście zorientowane na klienta: Pfeiffer angażuje się w zapewnianie wyjątkowej obsługi klienta i wsparcia. Oferujemy kompleksowe szkolenia dla operatorów i usługi związane z produktami wraz z konserwacją dostosowaną do technologii turbopomp, aby zapewnić naszym klientom najlepsze możliwe rozwiązania próżniowe i wsparcie.

Pompa wspomagająca, zwana również pompą ciśnienia wstępnego, to specjalny typ pompy próżniowej używany w połączeniu z pompą wysokiego podciśnienia, taką jak turbomolekularna pompa próżniowa. Zmniejsza ciśnienie w systemie, aby pompa wysokiego podciśnienia mogła pracować i może być postrzegana jako „pomoc rozruchowa” pompy głównej.

Pompa wspomagająca jest pierwszym poziomem systemu próżniowego. Odpowiada za opróżnianie systemu i komory próżniowej z ciśnienia atmosferycznego do poziomu wystarczająco niskiego, aby umożliwić skuteczną pracę pompy wysokiego podciśnienia.

Ważne jest, aby wydajność pompowania pompy wspomagającej była wystarczająca do spełnienia wymagań pompy wysokiego podciśnienia. Typowe pompy wspomagające to na przykład rotacyjne pompy łopatkowe, membranowe lub spiralne pompy próżniowe. Opcjonalnie możliwe jest zintegrowanie wzmacniaczy próżniowych z systemem próżniowym w celu uzyskania wyższej wydajności pompowania.

Dlaczego turbopompy wymagają pompy wspomagającej?
Turbomolekularne pompy próżniowe należą do kategorii kinetycznych pomp próżniowych, które przenoszą cząsteczki gazu z wlotu do wylotu przez przenoszenie momentu. Są to wysokowydajne urządzenia, które wytwarzają bardzo niskie ciśnienia, tj. wysoką, a nawet bardzo wysoką próżnię. Aby zapobiec przepływowi powrotnemu przenoszonych gazów z układu wylotowego turbopompy do komory próżniowej, potrzebna jest pompa wspomagająca, która pomaga jej w odprowadzeniu cząsteczek przez przewód próżni wstępnej.

Pompa wspomagająca i turbopompa są zwykle uruchamiane jednocześnie i opróżniają system próżniowy razem. Gdy turbopompa jest zainstalowana bezpośrednio na komorze próżniowej (patrz rysunek), pompa wspomagająca opróżnia system przez turbopompę.

Po osiągnięciu określonego ciśnienia wspomagania pompa turbomolekularna zaczyna pracować z pełną prędkością, wytwarzając wysoką lub bardzo wysoką próżnię. Nawet wtedy pompa wspomagająca nadal pracuje i usuwa cząsteczki gazu pompowane przez pompę wysokiego podciśnienia. Zapewnia to utrzymanie ciśnienia roboczego turbopompy i zapobiega jej przegrzaniu.

Pompa wspomagająca wykonuje jednocześnie kilka ważnych zadań: