टर्बोमोलेक्युलर पंप

टर्बोमोलेक्युलर पंप एक प्रकार का खालीपन पंप होता है, जो सतही रूप से टर्बोपंप के समान होता है, जिसका उपयोग उच्च वैक्यूम प्राप्त करने और बनाए रखने के लिए किया जाता है। ये पंप इस सिद्धांत पर काम करते हैं कि किसी गतिमान ठोस सतह से बार-बार टकराने से गैस के अणुओं को वांछित दिशा में गति दी जा सकती है। एक टर्बोमोलेक्युलर पंप में, वैक्यूम बनाने या बनाए रखने के लिए तेजी से घूमने वाला यांत्रिक पंखा रोटर पंप के इनलेट से निकास की ओर गैस के अणुओं को 'हिट' करता है।

ऑपरेटिंग सिद्धांत
अधिकांश टर्बोमोलेक्युलर पंप कई चरणों को नियोजित करते हैं, जिनमें से प्रत्येक में तेजी से घूमने वाला रोटर (टर्बाइन) और स्थिर स्टेटर जोड़ी होती है। प्रणाली अक्षीय कंप्रेसर है जो टरबाइन के अतिरिक्त ऊर्जा को गैस में डालती है, जो रोटरी पावर बनाने के लिए गतिमान द्रव से ऊर्जा लेती है, इस प्रकार टर्बोमोलेक्युलर पंप मिथ्या नाम है। ऊपरी चरणों द्वारा पकड़ी गई गैस को निचले चरणों में धकेल दिया जाता है और क्रमिक रूप से अग्र-वैक्यूम (बैकिंग पंप) दबाव के स्तर तक संकुचित कर दिया जाता है।

जैसे ही गैस के अणु इनलेट के माध्यम से प्रवेश करते हैं, रोटर जिसमें कई कोण वाले ब्लेड होते हैं, अणुओं से टकराते हैं। इस प्रकार ब्लेड की यांत्रिक ऊर्जा गैस के अणुओं में स्थानांतरित हो जाती है। इस नए अधिग्रहीत संवेग के साथ, गैस अणु स्टेटर में गैस अंतरण छिद्रों में प्रवेश करते हैं। यह उन्हें अगले चरण में ले जाता है जहां वे फिर से रोटर की सतह से टकराते हैं, और यह प्रक्रिया जारी रहती है, अंत में उन्हें निकास के माध्यम से बाहर की ओर ले जाती है।

रोटर और स्टेटर की सापेक्ष गति के कारण, अणु अधिमानतः ब्लेड के निचले हिस्से से टकराते हैं। क्योंकि ब्लेड की सतह नीचे दिखती है, अधिकांश बिखरे हुए अणु इसे नीचे की ओर छोड़ देंगे। सतह खुरदरी है, इसलिए कोई प्रतिबिंब नहीं बनेगा। उच्च दबाव संचालन के लिए ब्लेड को मोटा और स्थिर होना चाहिए और जितना संभव हो उतना पतला और अधिकतम संपीड़न के लिए थोड़ा मुड़ा हुआ होना चाहिए। उच्च संपीड़न अनुपात के लिए आसन्न रोटर ब्लेड के बीच गला (जैसा कि छवि में दिखाया गया है) आगे की दिशा में जितना संभव हो उतना इंगित कर रहा है। उच्च प्रवाह दर के लिए ब्लेड 45° पर होते हैं और धुरी के करीब पहुंचते हैं।

क्योंकि प्रत्येक चरण का संपीड़न ≈10 है, आउटलेट के करीब प्रत्येक चरण पूर्ववर्ती इनलेट चरणों की तुलना में काफी छोटा है। इसके दो परिणाम होते हैं। ज्यामितीय प्रगति हमें बताती है कि अनंत चरण आदर्श रूप से परिमित अक्षीय लंबाई में फिट हो सकते हैं। इस स्थिति में परिमित लंबाई आवास की पूरी ऊंचाई है क्योंकि असर (यांत्रिक), मोटर, और नियंत्रक और कुछ कूलर अक्ष पर अंदर स्थापित किए जा सकते हैं। रेडियस रूप से, प्रवेश द्वार पर अधिक से अधिक पतली गैस को पकड़ने के लिए, इनलेट-साइड रोटर्स में आदर्श रूप से बड़ा दायरा होगा, और तदनुसार उच्च केन्द्रापसारक बल होगा; आदर्श ब्लेड अपनी युक्तियों की ओर तेजी से पतले हो जाएंगे और कार्बन फाइबर को एल्यूमीनियम ब्लेड को मजबूत करना चाहिए। चुकीं ब्लेड की औसत गति पम्पिंग को इतना अधिक प्रभावित करती है कि यह जहाँ व्यावहारिक हो वहाँ टिप के व्यास के अतिरिक्त जड़ के व्यास को बढ़ाकर किया जाता है।

टर्बोमोलेक्युलर पंप का प्रदर्शन रोटर की आवृत्ति से दृढ़ता से संबंधित है। जैसे ही आरपीएम बढ़ता है, रोटर ब्लेड अधिक विक्षेपित होते हैं। गति बढ़ाने और विरूपण को कम करने के लिए, कठोर सामग्री और विभिन्न ब्लेड डिजाइनों का सुझाव दिया गया है।

टर्बोमोलेक्युलर पंपों को बहुत तेज गति से काम करना चाहिए, और घर्षण ताप बिल्डअप डिजाइन सीमाओं को लागू करता है। कुछ टर्बोमोलेक्युलर पंप घर्षण और तेल संदूषण को कम करने के लिए चुंबकीय बीयरिंग का उपयोग करते हैं। क्योंकि चुंबकीय बीयरिंग और तापमान चक्र रोटर और स्टेटर के बीच केवल सीमित निकासी की अनुमति देते हैं, उच्च दबाव चरणों में ब्लेड कुछ सीमा तक एक पेचदार पन्नी में पतित होते हैं। पम्पिंग के लिए लामिनार प्रवाह का उपयोग नहीं किया जा सकता है, क्योंकि लामिनार टर्बाइन डिज़ाइन किए गए प्रवाह पर उपयोग नहीं किए जाने पर बंद हो जाते हैं। संपीड़न में सुधार के लिए पंप को ठंडा किया जा सकता है, लेकिन इतना ठंडा नहीं होना चाहिए कि ब्लेड पर बर्फ जम जाए।

जब टर्बोपंप बंद हो जाता है, तो बैकिंग वैक्यूम से तेल टर्बोपंप के माध्यम से बैकस्ट्रीम हो सकता है और कक्ष को दूषित कर सकता है। इसे रोकने का तरीका पंप के माध्यम से नाइट्रोजन का लामिना का प्रवाह शुरू करना है। निर्वात से नाइट्रोजन में संक्रमण और चल रहे टर्बोपंप से पंप को यांत्रिक तनाव से बचने और निकास पर अधिक दबाव से बचने के लिए सटीक रूप से सिंक्रनाइज़ किया जाना चाहिए। टर्बोपंप को अत्यधिक बैक प्रेशर से बचाने के लिए निकास पर पतली झिल्ली और वाल्व जोड़ा जाना चाहिए (उदाहरण के लिए बिजली की विफलता या बैकिंग वैक्यूम में रिसाव के बाद)।

रोटर अपनी सभी छह स्वतंत्रता (यांत्रिकी) डिग्री में स्थिर है। एक डिग्री इलेक्ट्रिक मोटर द्वारा नियंत्रित होती है। कम से कम, इस डिग्री को इलेक्ट्रॉनिक रूप से स्थिर किया जाना चाहिए (या प्रति-चुंबकीय सामग्री द्वारा, जो सटीक पंप असर में उपयोग करने के लिए बहुत अस्थिर है)। दूसरा तरीका (उच्च आवृत्तियों पर चुंबकीय कोर में हानि को अनदेखा करना) इस असर को प्रत्येक छोर पर गोले के साथ एक धुरी के रूप में बनाना है। ये गोले खोखले स्थैतिक गोले के अंदर होते हैं। प्रत्येक क्षेत्र की सतह पर अंदर और बाहर जाने वाली चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं का चेकरबोर्ड नमूना होता है। जैसे ही स्थैतिक क्षेत्रों के चेकरबोर्ड पैटर्न को घुमाया जाता है, रोटर घूमता है। इस निर्माण में किसी अन्य अक्ष को अस्थिर करने की कीमत पर कोई अक्ष स्थिर नहीं किया जाता है, लेकिन सभी अक्ष तटस्थ हैं और इलेक्ट्रॉनिक विनियमन कम तनावग्रस्त है और अधिक गतिशील रूप से स्थिर होगा। हॉल इफेक्ट सेंसर का उपयोग घूर्णी स्थिति को समझने के लिए किया जा सकता है और स्वतंत्रता की अन्य डिग्री को कैपेसिटिव रूप से मापा जा सकता है।

अधिकतम दबाव
वायुमंडलीय दबाव पर, वायु का औसत मुक्त पथ लगभग 70 एनएम होता है। टर्बोमोलेक्युलर पंप तभी काम कर सकता है, जब चलते हुए ब्लेड से टकराने वाले अणु अपने रास्ते में अन्य अणुओं से टकराने से पहले स्थिर ब्लेड तक पहुँच जाते हैं। इसे प्राप्त करने के लिए, गतिमान ब्लेड और स्थिर ब्लेड के बीच का अंतर औसत मुक्त पथ के करीब या उससे कम होना चाहिए। एक व्यावहारिक निर्माण के दृष्टिकोण से, ब्लेड सेट के बीच व्यवहार्य अंतर लगभग 1 मिमी है, इसलिए टर्बोपंप बंद हो जाएगा (कोई नेट पंपिंग नहीं) यदि सीधे वातावरण में समाप्त हो जाता है। चूंकि औसत मुक्त पथ दबाव के व्युत्क्रमानुपाती होता है, टर्बोपंप तब पंप करेगा जब निकास दबाव लगभग से कम होगा 10पा(0.10 मिलीबार) जहां औसत मुक्त पथ लगभग 0.7 मिमी है।

अधिकतम बैकिंग प्रेशर (निकास दबाव) को लगभग 1-10 मिलीबार तक बढ़ाने के लिए अधिकांश टर्बोपंपों में उनके अंतिम चरण के रूप में होल्वेक पंप (या मॉलिक्यूलर ड्रैग पंप) होता है। सैद्धांतिक रूप से, केन्द्रापसारक पम्प, साइड चैनल पंप, या वैक्यूम पंप का उपयोग सीधे वायुमंडलीय दबाव पर वापस जाने के लिए किया जा सकता है, लेकिन वर्तमान में ऐसा कोई व्यावसायिक रूप से उपलब्ध टर्बोपम्प नहीं है जो सीधे वातावरण में निकास करता हो। अधिकतर स्थितियों में, निकास यांत्रिक बैकिंग पंप (सामन्यतया रफिंग पंप कहा जाता है) से जुड़ा होता है जो टर्बोमोलेक्युलर पंप के कुशलतापूर्वक काम करने के लिए पर्याप्त दबाव पैदा करता है। सामन्यतया, यह बैकिंग प्रेशर 0.1 मिलीबार से कम और सामन्यतया लगभग 0.01 मिलीबार होता है। बैकिंग प्रेशर कदाचित् ही कभी 10 से नीचे होता है −3 मिलीबार  (मुक्त पथ ≈ 70 मिमी) क्योंकि टर्बोपंप और रफिंग पंप के बीच वैक्यूम पाइप का प्रवाह प्रतिरोध महत्वपूर्ण हो जाता है।

टर्बोमोलेक्युलर पंप बहुत ही बहुमुखी पंप हो सकता है। यह मध्यवर्ती निर्वात (≈10-2 Pa) अति उच्च वैक्यूम तक | अल्ट्रा-हाई वैक्यूम लेवल (≈10−8 Pa)

लैब या मैन्युफैक्चरिंग-प्लांट में मल्टीपल टर्बोमोलेक्युलर पंप को ट्यूब द्वारा छोटे बैकिंग पंप से जोड़ा जा सकता है। बैकिंग पंप के सामने बड़े बफर-ट्यूब में इंजेक्शन जैसे स्वचालित वाल्व और प्रसार पंप पंप से दूसरे पंप को रोकने के लिए किसी भी अधिक दबाव को रोकता है।

व्यावहारिक विचार
द्रव गतिकी के नियम व्यक्तिगत, अत्यधिक पृथक, गैर-अंतःक्रियात्मक गैस अणुओं के व्यवहार के लिए अच्छा सन्निकटन प्रदान नहीं करते हैं, जैसे कि निर्वात वातावरण में पाए जाते हैं। अधिकतम संपीड़न परिधीय रोटर गति के साथ रैखिक रूप से भिन्न होता है। 1 पास्कल (यूनिट) तक बहुत कम दबाव प्राप्त करने के लिए, प्रति मिनट 20,000 से 90,000 चक्कर लगाने की रोटेशन दर अधिकतर आवश्यक होती है। दुर्भाग्य से, संपीड़न अनुपात गैस के आणविक भार के वर्गमूल के साथ घातीय रूप से भिन्न होता है। इस प्रकार, भारी अणुओं को हल्के अणुओं की तुलना में अधिक कुशलता से पंप किया जाता है। अधिकांश गैसें अच्छी तरह से पंप करने के लिए काफी भारी होती हैं लेकिन हाइड्रोजन और हीलियम को कुशलतापूर्वक पंप करना मुश्किल होता है।

इस प्रकार के पंप की उच्च रोटर गति से अतिरिक्त दोष उत्पन्न होता है: बहुत चुंबकीय असर (यांत्रिक) की आवश्यकता होती है, जो लागत में वृद्धि करती है। क्योंकि टर्बोमोलेक्युलर पंप केवल आणविक प्रवाह की स्थिति में काम करते हैं, शुद्ध टर्बोमोलेक्युलर पंप को प्रभावी ढंग से काम करने के लिए बहुत बड़े बैकिंग पंप की आवश्यकता होगी। इस प्रकार, कई आधुनिक पंपों में आणविक ड्रैग चरण होता है जैसे कि आवश्यक बैकिंग पंप के आकार को कम करने के लिए निकास के पास होल्वेक पंप तंत्र।

जल्द ही के अधिकांश टर्बो पंप विकास को ड्रैग चरणों की प्रभावशीलता में सुधार पर केंद्रित किया गया है। चूंकि गैस को पंप किए गए स्थान से हटा दिया जाता है, हल्की गैसें हाइड्रोजन और हीलियम शेष गैस भार का बड़ा हिस्सा बन जाती हैं। जल्द ही के वर्षों में यह प्रदर्शित किया गया है कि ड्रैग चरणों की सतह ज्यामिति के सटीक डिजाइन का इन प्रकाश गैसों के पंपिंग पर उल्लेखनीय प्रभाव हो सकता है, दिए गए पंपिंग वॉल्यूम के लिए परिमाण के दो आदेशों तक संपीड़न अनुपात में सुधार कर सकता है। परिणाम स्वरुप, शुद्ध टर्बोमोलेक्युलर पंपों और या अधिक कॉम्पैक्ट टर्बोमोलेक्युलर पंपों की आवश्यकता के खिलाफ बहुत छोटे बैकिंग पंपों का उपयोग करना संभव है।

इतिहास
टर्बोमोलेक्युलर पंप का आविष्कार 1958 में डब्ल्यू बेकर ने किया था1913 में वोल्फगैंग जीएई, 1923 में फर्नांड होल्वेक और 1944 में माने सीगबैन द्वारा विकसित पुराने आणविक ड्रैग पंपों पर आधारित है।

बाहरी कड़ियाँ

 * Some practical guidelines