Cursus Vacuümtechniek Week 11 Turbomoleculairpompen Cursus Vacuümtechniek 1
Restgasspectrum niet-uitgestookt systeem Cursus Vacuümtechniek 2
Kraakspectrum (met dank aan VG) Cursus Vacuümtechniek 3
Vacuümpompen transportpompen opslagpompen membraanpomp draaischuifpomp vloeistofringpomp klauwpomp Rootspomp verdringingspompen impulsoverdrachtpompen diffusiepomp turbomoleculairpomp sorptiepompen kryopompen getterpompen getterionenpompen Cursus Vacuümtechniek 4
Transportpompen Overzicht vacuumpompen Natte rotatiepompen vloeistofringpomp draaischuifpomp schottenpomp draaizuigerpomp Oscillatiepompen zuigerpomp membraanpomp Droge rotatiepompen droge schottenpomp scrollpomp klauwpomp slotpomp schroefpomp rootspomp Vloeistofstraalpompen Dampstroompompen stoomstraalpomp boosterpomp diffusiepomp Moleculairpompen turbomoleculairpomp moleculaire dragpomp hybride moleculairpomp Sorptiepompen geactiveerd kool silica-gel zeolieten (aluminiumsilicaat) titanium/barium Getter-ionenpompen verstuivingsgetterionenpomp verdampingsgetterionenpom p ionenbaffle Kryogeenpompen kryopomp Cursus Vacuümtechniek 5 Opslagpompen
Vacuümopstelling met turbopompen Cursus Vacuümtechniek 6
Kennismakingsopdracht Probeer opgave H.18 uit de NEVAC-Vraagstukkenbundel te maken Maak daarbij geen gebruik van het boek Geef aan waar je problemen mee hebt, schrijf die op Overleg met je buurman om samen tot een goede vragen te komen Aan het eind van deze sessie inventariseren we de vragen Cursus Vacuümtechniek 7
Moleculairpompen Moleculairpompen zijn evenals dampstroompompen gebaseerd op het principe van de impulsoverdracht. In dit geval is het echter niet een snelle dampstraal maar een snel bewegende wand, die deze gerichte impulsoverdracht bewerkstelligt. Cursus Vacuümtechniek 8
Moleculair dragpomp compressieverhouding N 2 1x10 9 He 2x10 4 H 2 1x10 3 Recente ontwikkeling, met het oog op olievrij verpompen tot hoog-vacuüm van aggressieve gassen. Wand is hier een cylindrische bus, draait tussen buiten- en binnen-wand met schroefvormige groeven, één met linkse en één met rechtse spoed. Cursus Vacuümtechniek 9
*Afleiding pompsnelheid MDP* Veronderstellen we moleculaire omstandigheden in het kanaal, dan zal op ieder willekeurig moment de helft van alle gasdeeltjes in het kanaal (na botsing met het bewegende oppervlak) een macroscopische snelheid v (=snelheid rotor in kanaalrichting) hebben en de andere helft (na botsing met het stilstaande oppervlak) een macroscopische snelheid nul. De gemiddelde macroscopische snelheid van het gas tussen de rotor en de stilstaande cilinder in de draairichting bedraagt dus v/2. Hierbij is volledige snelheids-accommodatie verondersteld; bij slechts gedeeltelijke snelheidsaccommodatie geldt in goede benadering hetzelfde wanneer de accommodatiecoëfficiënten van beide oppervlakken gelijk zijn. Cursus Vacuümtechniek 10
*Afleiding pompsnelheid MDP* Vermenigvuldiging van de gemiddelde macroscopische snelheid v/2 met het oppervlak ab van de dwarsdoorsnede van het kanaal levert het gasvolume dat per tijdseenheid passeert: serieschakeling: Cursus Vacuümtechniek 11
Praktijk Voor de in de handel verkrijgbare MDP's bedraagt het toerental ca. 500 omw/s en de trommeldiameter 0,1 m. Hieruit valt een omwentelingssnelheid v = 150 m/s te berekenen. Dit is beduidend kleiner dan de thermische snelheden van de normaal in een geëvacueerde ruimte aanwezige restgassen (bijv. v(h 2 ) = 1750 m/s en v(n 2 ) = 500 m/s bij 20 0 C). Pas bij massagetal M = 274 is v gedaald tot een waarde gelijk aan v! Praktijk: Cursus Vacuümtechniek 12
Compressieverhouding (definitie) Onder de maximale compressieverhouding K0 van een transportpomp verstaan we de verhouding van de druk aan de uitlaatzijde van de pomp en de einddruk. K 0 is dus de maximaal bereikbare drukverhouding tussen de pompuitlaat en -inlaat bij een gasaanbod nul vanuit de vacuümruimte. In formule: waarin p u = druk aan uitlaatzijde, p e = einddruk. We merken op dat bij hoog- en ultrahoogvacuümpompen de voor de pomp geldende compressie- verhouding doorgaans niet wordt bereikt, omdat het gasaanbod vanuit de vacuümruimte eindig blijft vanwege de niet te verwaarlozen desorptiegasstroom. Cursus Vacuümtechniek 13
Compressieverhouding MDP De maximale compressieverhouding van een MDP wordt bepaald door de teruglek van uitlaat naar inlaat. Zolang in het gehele pompkanaal moleculaire condities gelden ( λ << d), dan is de geleiding laag en drukonafhankelijk. Dit levert een hoge en constante compressieverhouding op. Aangezien de geleiding en dus ook de teruglek het grootste is voor lichte gassen, is de compressieverhouding voor die lichte gassen het kleinst en neemt toe met toenemende massa. He H 2 N 2 Cursus Vacuümtechniek 14
*Massa-afhankelijkheid K* De sterke massa-afhankelijkheid van K 0 is analytisch te onderbouwen aan de hand van een eenvoudig model, waarin we de terugstroming per tijdseenheid door een willekeurige dwarsdoorsnede van het pompkanaal Q t noemen. Beschouw nu een elementje dx ter plaatse x van het pompkanaal en stel het drukverschil hierover dp. Voor Q t kunnen we dan onder gebruikmaking van formule (3.113) voor het moleculair geleidingsvermogen van een buis met rechthoekige doorsnede schrijven: x Cursus Vacuümtechniek 15 dx
*Afleiding kompressieverhouding MDP* N 2 He H 2 Cursus Vacuümtechniek 16
"Kleine" pompsnelheid MDP De kleine afmetingen van de ingang van het pompkanaal maken dat de MDP een veel kleinere pompsnelheid bezit dan de diameter van de aansluitflens doet vermoeden. Zo blijkt de maximale pompsnelheid van een MDP met een aansluitflens met een inwendige diameter van 10 cm niet meer dan 30 l/s (ca. 100 m 3 /h) te bedragen. Dit impliceert dat slechts 3 a 4% van alle gasdeeltjes die de pompmond passeren, ook daadwerkelijk wordt afgevoerd. Cursus Vacuümtechniek 17
Vergelijking Rootspomp en MDP Voor een Rootspomp werkend in het drukgebied 10-1 - 10 Pa mag de voordruk niet hoger zijn dan 10 tot 100 Pa. Dit betekent dat: het werkgebied van de toe te passen voorpomp, waarmee het gas vanuit de Rootspomp tot atmosferische druk wordt gecomprimeerd, zich een factor tien tot honderd verder naar lagere druk moet uitstrekken, de pompsnelheid van de voorpomp voor de MDP tien tot honderd maal kleiner mag zijn dan die voor de Rootspomp. Een en ander maakt dat afpompen van een MDP met een tweetraps membraanpomp mogelijk wordt. Hiermee is dan een strict olievrije combinatie verkregen voor procesvoering onder hoogvacuüm omstandigheden. Cursus Vacuümtechniek 18
Turbomoleculairpomp (horizontale) Cursus Vacuümtechniek 19
Turbomoleculair pomp verticale horizontale Cursus Vacuümtechniek 20
Eigenschappen turbomoleculairpomp De hoogvacuümaansluiting bevindt zich ter hoogte van het midden van de as. Op de as zijn twee in tegengestelde richting werkende schijvenpakketten geplaatst, die het gas vanaf de hoogvacuüm-aansluiting naar de as-uiteinden verpompen. Het gecomprimeerde gas wordt aan beide kanten door de voorvacuümpomp afgevoerd. De oliegesmeerde lagers zijn geplaatst op de uiteinden van de as aan de voorvacuümzijde van de pomp. Voordelen van deze opzet zijn: Geen koolwaterstofvervuiling door het smeermiddel in de hoogvacuümruimte mruimte, De lagers zijn gemakkelijk toegankelijk voor smering en vervanging, De balancering is relatief eenvoudig. Cursus Vacuümtechniek 21
Enkele gegevens turbomoleculairpomp Cursus Vacuümtechniek 22
Doorsnede turbomoleculairpomp Cursus Vacuümtechniek 23
Doorsnede turbomoleculairpomp Cursus Vacuümtechniek 24
Pompsnelheidskrommes Cursus Vacuümtechniek 25
Doorsnede turbomoleculairpomp Cursus Vacuümtechniek 26
Detailaanzicht turbopomp Cursus Vacuümtechniek 27
Turbopompopstelling Cursus Vacuümtechniek 28
Calibratie opstelling Cursus Vacuümtechniek 29
Maak opgave 4.7 Opdracht 1 Bekijk ook artikel "VUV refl flective coatings on thin concave float glass substrates with a perimeter of 86 cm to be used as provisional HADES RICH mirror segments" Cursus Vacuümtechniek 30
Adsorptieval ("trap") Cursus Vacuümtechniek 31
Afmetingen adsorptieval, opdracht 2 Controleer onderstaande geleidingsvermogens voor het geval er een pijpverbinding (met bocht!) tussen de beide flenzen aanwezig was Cursus Vacuümtechniek 32
Turbopomp-opstelling Cursus Vacuümtechniek 33
Opdracht 3: Controleer deze grafiek Cursus Vacuümtechniek 34
Pompsnelheidskrommes turbopomp Een snel draaiende propeller in een vrij-moleculair gas geeft de moleculen bij botsing een extra snelheidscomponent in de bewegingsrichting boven op de snelheidsverdeling van de verstrooiïng. Tussendoor botsen de moleculen met een stilstaande wand: de stator. Cursus Vacuümtechniek 35
Pompsnelheidscurves voor lucht van een TMP Pompsnelheidscurves voor lucht van een TMP in combinatie met verschillende voorvacuümpompen als functie van de inlaatdruk Cursus Vacuümtechniek 36
Hybride moleculairpomp propeller Propeller comprimeert gas in buitenste tussenruimte. Het gas, al enigszins visceus, wordt door spiraalgroef naar bodem geschroefd, daarna binnen de rotor omhoog; gas, hier visceus, wordt door voorpomp afgevoerd. Gecombineerde turbomoleculairpomp en molecular dragpomp. Meer dan 100x grotere compressieverhouding en dus ook voor-vacuümbestendigheid. Gecombineerd met droge tweetrapsmembraanpomp is dit een olievrij en dus corrosie-bestendige pompcom-binatie, mits de motor met stikstof gespoeld wordt. Cursus Vacuümtechniek 37
Magnetisch gelagerde hybride MP 1 - hoogvacuümaansluitfens, 2 - rotor van het turbogedeelte, 3 - stator van het turbogedeelte, 4 -concentrische trommels van het MDP gedeelte, 5 - vaste cilinders van het MDP gedeelte met spiraalvormige pompkanalen, 6 - permanent magneetlager, 7 - actief radiaallager, 8 - voorvacuümaansluiting, 9 - elektrische aansluiting, 10 - begrenzingslagers, 11 - positiesensoren, 12 - actief axiaallager. Cursus Vacuümtechniek 38
Schema hybride moleculairpomp A - inlaatzijde B - rotor van het turbogedeelte C - stator van het turbogedeelte D - kanaal van turbogedeelte naar de 1ste Gaede-tussenruimte E - Gaedeschijf F - obstructie G - uitlaatzijde H - schijf-mdp J - schijvenpakket van het TMP gedeelte K - rotatierichting Cursus Vacuümtechniek 39
Trillingsproblemen TMP Cursus Vacuümtechniek 40