Turbomolekulární vývěvy

Turbomolekulární vývěvu vyvinul a patentoval Dr. W. Becker ve společnosti Pfeiffer Vacuum v roce 1958. Turbomolekulární vývěvy patří do kategorie kinetických vývěv. Jejich konstrukce je podobná konstrukci turbíny. V tělese se otáčí vícestupňový rotor s lopatkovými disky podobný turbíně. Lopatky turbíny nebo kompresoru se souhrnně označují jako lopatky. Zrcadlově obráceně mezi rotorovými disky jsou umístěny statorové disky s lopatkami podobné geometrie.

Princip činnosti turbomolekulární vývěvy je nejlépe patrný na videu:

Turbopumpa 

Vakuová technologie je nezbytná pro výrobu mnoha high-tech výrobků používaných v každodenním životě. Četné aplikace ve výzkumu a průmyslu totiž vyžadují vakuum s extrémně nízkým absolutním tlakem (vysoké vakuum). Turbomolekulární vývěvy neboli turbopumpy se celosvětově etablovaly jako technologický standard, který získal své jméno od svých příbuzných turbín. Vysokorychlostní rotory s až 90 000 otáčkami za minutu vytvářejí tlakové podmínky potřebné pro aplikaci. Díky tomu lze v oblasti vysokého a ultravysokého vakua dosáhnout tlaku až 10-11 mbar.

Turbomolekulární vývěvy splňující nejvyšší požadavky

Vakuové turbomolekulární vývěvy Pfeiffer jsou k dispozici v rozsahu čerpacích otáček od 10 do více než 3 000 litrů za sekundu. Tyto vývěvy si vás získají svou vysokou hospodárností a flexibilitou. Vakuová turbomolekulární vývěva Pfeiffer Vacuum s optimalizovanou spolehlivostí využívají osvědčené ložiskové systémy, které jsou k dispozici ve dvou různých variantách - hybridní ložiskový systém s kombinací keramického kuličkového ložiska na straně předního vakua a trvale magnetického radiálního ložiska na straně vysokého vakua a plně aktivní magnetický ložiskový systém, ve kterém rotor levituje bez jakéhokoli kontaktu nebo opotřebení.

 

Díky důmyslné konstrukci rotoru je dosahováno extrémně vysokých čerpacích otáček, kritických hodnot protitlaku a průtoku plynu, jakož i velmi dobrých hodnot komprese pro lehké plyny.

Vakuové turbopumpy Pfeiffer jsou zárukou bezpečnosti

Moderní turbomolekulární vývěvy dosahují obvodových rychlostí přes 400 metrů za sekundu. To znamená odpovídající vysokou kinetickou energii rotoru, která by se v případě dotyku rotoru a statoru během zlomku sekundy přenesla i na těleso a kotevní systém vývěvy. Stabilita vnějšího pláště vývěvy je proto životně důležitá a je testována jak teoreticky, tak experimentálně. Naše turbomolekulární vývěvy jsou certifikovány podle norem UL 61010 a/nebo Semi S2. Kromě mechanické bezpečnosti zahrnuje tato certifikace také protipožární ochranu a dvojnásobnou ochranu proti nadměrným otáčkám, kterou společnost Pfeiffer Vacuum vyvinula společně s TÜV Rheinland.

Hlavní výhody pro zákazníky

Vakuová technologie je často klíčovým faktorem pro úspěšné provádění výrobních procesů od začátku až do konce. Náklady vzniklé v důsledku vadných šarží nebo výpadků výroby mohou v závislosti na aplikaci snadno dosáhnout milionů eur. O to důležitější je používat komponenty, které poskytují maximální spolehlivost. V současné době není neobvyklé, že turbomolekulární vývěvy dosahují provozní životnosti více než 100 000 hodin. Během této doby by měla vývěva vést k co nejmenšímu počtu plánovaných přerušení z důvodu údržby nebo servisních prací. Ve spojení se skutečností, že výměnu oleje a ložisek lze provádět přímo na místě, to vede k maximální době provozuschopnosti. Integrovaná elektronická pohonná jednotka turbomolekulárních vývěv výrazně snižuje náklady na kabeláž. Nejmodernější technologie pohonu minimalizuje spotřebu energie a zároveň nabízí všestranné možnosti řízení. Díky konstrukci s krytím IP 54 jsou tyto vývěvy mimořádně vhodné do průmyslového prostředí. Jejich kompaktní konstrukce umožňuje snadnou integraci i tam, kde je nedostatek místa. Pro minimalizaci nákladů jsou pro každou velikost vývěvy na výběr různé elektronické pohonné jednotky. Dokonce i faktor hmotnosti byl podroben důkladné kontrole: turbomolekulární vývěvy s čerpací rychlostí 250 litrů za sekundu váží pouhých 6 kilogramů. Široká škála použití vakuových turbopump Pfeiffer zahrnuje nejen analytické, vakuové procesní a polovodičové technologie, ale také nátěrové, výzkumné a vývojové a průmyslové aplikace.

Aplikace

Při výrobě mnoha výrobků každodenního života a v mnoha oblastech technického výzkumu hraje vakuová technologie rozhodující roli. Zde má turbomolekulární vývěva rozhodující význam při zajišťování extrémně čistých procesních podmínek.

Příklady aplikací lze nalézt v mnoha různých oblastech:

  • Analytika (hmotnostní spektrometrie, elektronová mikroskopie)
  • polovodičový průmysl (elektronické součástky, integrované obvody (IC), solární články).
  • optický/sklářský průmysl (tepelná ochrana, antireflexe, reflexe, povlaky optických filtrů)
  • Povlakovací technologie (ochrana povrchu, dekorativní povlaky, displeje, obrazovky)
  • Vakuová metalurgie (vakuové pájení, vakuové spékání, vakuové slitiny, vakuové pece)
  • Detekce netěsností (vakuové systémy, palivové nádrže vozidel, kazety airbagů, obaly)
  • Výzkumná zařízení (fyzika jaderných částic, výzkum jaderné fúze, laserové aplikace)
  • Lampový průmysl (výroba lamp)

Ložiska

Montáž hřídele rotoru turbopumpy pomocí dvou kuličkových ložisek vyžaduje kvůli mazivům v ložiskách uspořádání obou ložisek na předvakuové straně. Výsledkem je jednostranné (konzolové) uložení rotoru s jeho velkou hmotností.

Hybridní ložiskové uložení nabízí v tomto ohledu výhody s ohledem na dynamiku rotoru. Hybridní ložisko označuje použití dvou koncepcí ložisek v jedné vývěvě. V tomto případě je na konci hřídele na straně před vakua namontováno kuličkové ložisko mazané olejem a strana vysokého vakua je vybavena bezúdržbovým a neopotřebitelným permanentním magnetickým ložiskem, které radiálně centruje rotor. Olej pro mazání ložiska na straně předního vakua je obsažen v zásobníku provozní kapaliny. Malé suché bezpečnostní ložisko je umístěno ve statoru magnetického ložiska. Za normálního provozu se v tomto ložisku volně otáčí čep. V případě silných radiálních rázů bezpečnostní ložisko stabilizuje rotor a otáčí se jen krátce. Pokud je rotor nevyvážený, ložiska na obou koncích hřídele vytvářejí podstatně menší síly vibrací namáhající ložisko než v případě plovoucího ložiska. Magnetické ložisko na straně vysokého vakua je na vibrace zcela necitlivé. V důsledku toho se na pouzdro přenášejí jen velmi malé vibrační síly. Navíc tím odpadá potřeba většího ze dvou ložisek v konzolové koncepci, jehož velikost omezuje rychlost otáčení.

Velké vývěvy od průměru příruby 100 mm alternativně používají ložiska známá jako pětiosá magnetická ložiska . Rotor je levitován pomocí digitálního elektronického řízení prostřednictvím snímačů vzdálenosti a elektromagnetů. Stupně volnosti pohybu turborotoru jsou nepřetržitě monitorovány a v reálném čase přenastavovány. Absence mechanického kontaktu mezi rotorem a krytem udržuje nízké vibrace generované čerpadlem. Rotor se otáčí kolem své vlastní osy setrvačnosti. Jakákoli nerovnováha způsobená jednostranným povlakem nebo erozí (např. při plazmovém leptání) je v širokých mezích vyrovnávána.

Kromě absence oleje  je další výhodou absence opotřebení a bezúdržbový provoz. V případě výpadku proudu jsou magnetická ložiska zásobována elektrickou energií prostřednictvím rotační energie vývěvy. Díky tomu lze výpadky napájení snadno překlenout na několik minut. Pokud by výpadek napájení trval déle, rotor se bezpečně zastaví při velmi nízkých otáčkách díky použití integrovaného bezpečnostního ložiska. Při poruše systému bezpečnostní ložisko vypne rotor, aby nedošlo k poškození vývěvy.

Motory / pohony

K pohonu rotorů se používají bezkartáčové stejnosměrné motory, které umožňují rotační frekvenci až 1 500 Hz (90 000 ot./min.). To umožňuje dosahovat rychlostí lopatek, které jsou nezbytné pro čerpání plynů.

Dnes jsou pohony obvykle připojeny přímo k vývěvám. Napájení je stejnosměrným proudem 24, 48 nebo 72 V, který je generován externími napájecími zdroji nebo zdroji integrovanými v elektronické jednotce vývěvy.