Turbomolekylära pumpar (turbopumpar)

Turbomolekylära pumpar eller ”turbopumpar” som de kallas till vardags är högvakuumpumpar som endast används i kombination med en förvakuumpump. Pumparna används generellt i applikationer som kräver en ren driftmiljö under högvakuum eller ultrahögvakuum. Funktionsprincipen för en turbopump är att en turbin med hög hastighet snurrar i ett pumphus där flertalet rotorsteg i turbinen är försedda med rotorblad. Mellan varje steg av rotorblad finns detstationära statorer som är vinklade i motsatt riktning jämte rotorbladen och bildar en ”V”-form mellan sig.

Med hjälp av rörelseenergin genom turbinens rotorblad slår rotorbladen gasmolekylerna i en axial riktning ned igenom pumpkroppen. För varje rotorsteg och statorsteg så slås molekylerna vidare igenom pumpen i riktning mot förvakuumflänsen.

Under molekylärt flöde (<10^-3 mbar) är den medelfria vägen (det avstånd som en molekyl färdas innan den kolliderar med en annan molekyl) för gasmolekyler större än avståndet mellan rotor- och statorblad (normalt några tiondelar av en millimeter). Detta innebär att molekylerna istället kolliderar med tätt sittande rotorbladen och medför en mycket effektiv pumphastighet.

På vissa modeller har man även ett extra kompressionssteg som har lite olika namn beroende på tillverkare och varianter av samma typ av lösning. Ibland heter det ”drag stage” ibland även ”Siegbahn stage”vi kallar det vanligen för ”Holweck stage” efter uppfinnaren. Detta extra kompressionssteg ger ytterligare en dimension till pumptypen avseende vid vilket tryck som pumpen kan startas. Med ett Holweck stage kan pumpen starta redan vid så höga tryck som 10-15 mbar (N₂).

En annan sak som för användarna brukar vara viktig är vilka typer av lager som den snabbt roterande turbinen använder sig av. De äldre modellerna hade vanliga fett- eller olje-smorda lager för att kunna hålla lång livslängd. Det blev med tiden allt mer viktigt för användare av pumparna att begränsa den potentiella risken för kontaminering av vakuumsystemet till följd av att kolväten ifrån fett och olja lyckades ta sig ifrån sin inkapsling igenom pumpen och leta sig in (mot flödesriktningen) in i vakuumsystemet och potentiellt förstöra produkter eller prover som fanns där inne.

För att komma till bukt med den problematiken så tog man fram alternativa lösningar på problemet. Magnetlagrade turbopumpar. De nya ”MAG”-pumparna hade magnetiska lager som inte naturligt har någon kontakt med den roterande turbinen, på detta sätt har man avgränsat potentiellt läckage. Enda gången som lagren utsätts for mekaniskt slitage i klassisk bemärkelse är när pumpen stoppas och då nedre delen av turbinen ”landar” emot lagerytan och där får kontakt. Detta är dock ett mindre slitage i sammanhanget och tekniken med magnetlagring klassas som ett stort framsteg vad gäller livslängd på turbopumpar.

På senare år har man börjat kombinera de två metoderna för att än mer kunna förlänga livslängd och minska stilleståndstider; historiskt sätt så har man alltid (oavsett fabrikat) när pumpen gått sönder behövt att sända den till en verkstad med rätt kompetens och rätt verktyg för att kunna reparera pumpen. Mindre åtgärder kunde dock fortfarande göras på plats, men för större haverier var detta enda lösningen.

Den moderna lösningen kallas för hybridpumpar där man tagit ett magnetlager som sitter i den övre delen av pumpen, och kompletterat detta med ett permanentsmort lager i den nedre delen av pumpen. Med erfarenheter ifrån användarna som tyckte det var krångligt och dyrt att skicka iväg pumparna på reparation till verkstäder, tog man till sig detta och löste även problematiken med de vanligaste haverierna så att dessa kunde åtgärdas på plats hos användarna istället. Numera så är den nya standarden på marknaden just hybridpumpar för deras mångsidighet vad gäller pumpförmåga och lång livslängd.