VKUUMTECHNIKAI LABORATRIUMI GYAKORLATOK Bohtka Sndor s Langer Gbor
VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 6. TURBOMOLEKULÁRIS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT NAGYVÁKUUM-RENDSZER ÜZEMELTETÉSE TÁMOP-4. 1. 1. C-12/1/KONV-2012 -0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"
6. TURBÓMOLEKULÁRIS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT NAGYVÁKUUM-RENDSZER ÜZEMELTETÉSE A gyakorlat során turbómolekuláris szivattyúval szívott, vákuumrendszert kell bekapcsolni, üzemeltetni és kikapcsolni. A hallgatónak ellenőriznie kell a bekapcsolási feltételek meglétét, majd regisztrálnia kell a bekapcsolás utáni jelenségeket az idő függvényében. A feladatok közé tartozik a nagyvákuum-mérő megfelelő időpontban történő bekapcsolása, valamint a kikapcsolás után a turbómolekuláris szivattyú fellevegőzése. A gyakorlat leírása előtt áttekintjük a turbómolekuláris szivattyú működési elvét és a működtetésével kapcsolatos tudnivalókat.
6. 1. A TURBÓMOLEKULÁRIS SZIVATTYÚ MŰKÖDÉSI ELVE A turbómolekuláris szivattyú az adott irányú impulzus átadásával működő szivattyúk közé tartozik. Működési elvét Becker 1958 -ban dolgozta ki. A szivattyú turbinalapátokhoz hasonló álló- és forgórészből épül fel. A forgó- és álló részek (alumínium ötvözet) távolsága ~ 1 mm nagyságrendben van. A forgólapátok kerületi sebessége közel van a hangsebességhez. Az elszívandó molekulák a mozgó lapátokkal ütközve rövid ideig adszorbeálódnak annak felületén, majd deszorbeálódnak, miközben a lapátok kerületi sebessége hozzáadódik sebességükhöz. E folyamatban átadott impulzus olyan irányú, hogy a molekulák az elővákuum-oldal felé mozognak. A szívósebesség és kompresszió függ a lapátok által bezárt szögtől. 6. 1. 1. ábra. Turbómolekuláris szivattyú működési elve [P 2].
6. 1. 2. ábra. Turbómolekuláris szivattyú működését szemléltető ábra.
6. 1. 3. ábra. Egy kétrészes turbómolekuláris szivattyú rajza. 1: csapágy; 2: motor; 3: labirintus kamra; 4: rotor; 5: nagyvákuum-csatlakozás; 6: forgórész lapátjai; 7: állórész lemezei, 8. olajtartály; csapágy olajtáplálása; 10: olaj-visszafolyás; 11: elővákuum-csatorna; 12: kifűtés [P 2].
- A rotor fordulatszáma – átmérőtől függően - (15 – 90 ezer/perc). - A turbómolekuláris szivattyú csak a molekuláris áramlások tartományában működik. Elővákuum-szívásra van szüksége. Elővákuum-igénye: ≤ 0, 1 – 0, 5 mbar. - Kompressziója a kis molekulasúlyú gázokra lényegesen kisebb, mert azoknak a termikus átlagsebességük nagyobb. - A hagyományos csapággyal felfüggesztett rotorok csapágyát olajjal vagy zsírral kell kenni – olaj-visszaáramlás veszélye, ha leáll a forgás. - A kerámia csapágyak korróziónak ellenállóbbak. - Mágneses csapágyak: súrlódás- és olajmentes; nagyvákuum- ill. elővákuumoldalon is lehetséges; biztonsági golyóscsapágy tartja álló helyzetben. - A szivattyú felszerelési iránya függ a kenés és csapágyazás módjától. - Hűtést igényel (lég-, illetve vízhűtés). - Vibráció figyelhető meg, amely mágneses csapágyazással elhanyagolható szintre csökken.
A turbómolekuláris szivattyú teljesítményét és minőségét meghatározó legfontosabb paraméterek: szívósebesség, kompresszió, végvákuum, elővákuumigény, vibráció. Szívósebesség: arányos a szívónyílás keresztmetszetével (A) és a lapátok kerületi sebességével (v): (6. 1. 1. ) Az effektív szívósebesség ma > 20 tömegszámú gázokra: , ahol u: a molekulák termikus átlagsebessége, df: a turbó forgólapátok keresztmetszetén a szabad rész aránya a teljeshez (~0, 9). Kompresszió: függ a molekulák termikus átlagsebességétől, a móltömegtől és a kerületi sebességtől: (6. 1. 2. ) A kompresszió megszabja az adott gázra elérhető parciális nyomást a pev=kpsz összefüggéssel →a szükséges elővákuum nagysága meghatározó.
6. 1. 4. ábra. Egy turbómolekuláris szivattyú szívósebessége a szívott oldali nyomás függvényében – a tömegszámfüggés jól megfigyelhető. [P 2]
Turbómolekuláris szivattyú 6. 1. 5. ábra. Egy Turbovac 361 és egy Turbovac T 1600 típusú turbómolekuláris szivattyú fényképe (S = 400, illetve 1600 l/s szívósebesség, [L 3]).
Turbómolekuláris szivattyú Ha az elővákuum: 10 -1 mbar, az elérhető parc. nyomás: 1∙ 10 -10 mbar 1, 7∙ 10 -6 mbar 3, 3∙ 10 -5 mbar 6. 1. 1. táblázat. Egy turbómolekuláris szivattyú adatai (Turbovac 361 [L 2]).
Kombinált turbómolekuláris szivattyú Turbómolekuláris szivattyú és egy molekuláris szivattyú kombinációjából épül fel. (forgó henger oldalán spirál alakú vájattal ) Holweck típusú molekuláris szivattyú A kombinált turbómolekuláris szivattyú előnye: - nagyobb kompresszió, - rosszabb elővákuum is megengedett, - kisebb elővákuum-szivattyú is megfelel, - olcsóbb membránszivattyú is használható. 6. 1. 6. ábra. Egy mágneses csapágyú kombinált turbómolekuláris szivattyú [P 2].
A turbómolekuláris szivattyú elővákuum-tűrése és kompressziója növelhető egy molekuláris szivattyú beiktatásával az ürítő oldalon. Hagyományos Kombinált 6. 1. 7. ábra. Hagyományos (TPH 520) és kombinált turbómolekuláris (TMH 521) szivattyúk kompressziója [P 2].
Kifűtés: - a szivattyúházat korlátozottan (tipikusan 120 °C) ki lehet fűteni, amikor a vákuumrendszert is kikályházzuk. - kondenzálódó anyagok (pl. Al 2 Cl 6) szívásakor a szivattyú gázzal érintkező alkatrészeinek fűtése szükséges. Melegedés: - a gázrészecskék ütközése impulzus átadásával jár a turbina-lapátokon. Különösen a nehezebb nemesgázok a lapátok túlmelegedését okozhatják nagyobb gázmennyiség szívásakor. Mágneses tér: - néhány m. T-nál nagyobb mágneses térben az indukált áramok túlmelegítik a forgórészt; - érzékeny rendszerben a szivattyú mágneses terére is figyelni kell. Mechanikus szennyezés: ne sajnáljuk el a védőhálót a szivattyú torkából. TURBÓ Működési nyomástartomány: 5∙ 10 -2 – ≤ 10 -10 mbar; Szívósebesség: KOMBINÁLT TURBÓ 10 (20) – ≤ 5∙ 10 -10 mbar. 10 – ~ 6000 ℓ/s
Leszívás: - Ha szilárd részecskéket sodorhat be a leszívandó térből a kezdeti nagy gázáram, akkor elkerülő ág és szivattyú ajánlott a turbószivattyú védelmére. Leállítás: - száraz gázzal kell fellevegőzni a vákuumrendszert és a szivattyút az olajvisszaáramlás megakadályozása céljából; - fokozatosság: kis gázárammal, majd később növelhető; - a gázbeeresztés kb. 60%-ra csökkentett fordulatszámnál kezdhető, de legkésőbb az üzemi fordulatszám 20%-ánál el kell kezdeni. Korrozív gázok: - korrozív gázok külön felületkezelt vagy különleges anyagból készített rotorokkal szívhatók; - a csapágyakat, szivattyúházat száraz öblítőgázzal kell védeni - beengedése a turbófokozat alsó részén. Készenléti (standby) üzemmód: - az üzemi fordulatszám 67%-ával – illetve ha a tápegységen állítható a fordulatszám, akkor tetszőlegesen beállított csökkentett sebességgel – forgatható a rotor: kevesebb kopás, hosszabb élettartam, 67%-nál nem túl jelentős a szívósebesség-csökkenés.
A turbómolekuláris szivattyúk használatával kapcsolatos megjegyzések Leszívás: - nem annyira drámaian érzékenyek az elővákuum meglétére, a turbómolekuláris szivattyú és az elővákuum szivattyúja általában egyszerre indítható (6. 1. 8. ábra). - amennyiben a vákuumedény térfogata nagy az elővákuum-szivattyú teljesítményéhez képest (6. 1. 8. ábra), célszerű azt először 1 mbar nyomásra leszívni, majd ezután indítani a turbómolekuláris szivattyút. Sok gyártmány rendelkezik védelemmel, amely megakadályozza, hogy a szivattyú nagy nyomáson felpörögjön üzemi fordulatszámra. Nagy nyomáson a súrlódás miatt a lapátrendszer túlmelegedhet (6. 1. 9. ábra) és nagy feszítő erők ébrednek a lapáton. 6. 1. 8. ábra. Egy konkrét turbómolekuláris szivattyú bekapcsolásához szükséges elővákuumot mutatja az ábra Sev/V függvényében. Sev: az elővákuum-szivattyú szívósebessége (m 3/h), V: a szívott térfogat (m 3) [L 2]. A turbó és elővákuum-szivattyúja egyszerre kapcsolható be, ha A turbó késleltetéssel kapcsolható be, ha (mbar)
6. 1. 9. ábra. Súrlódási teljesítmény a forgó és álló lemezek között a TMH 1601 szivattyúban Ar és N 2 gázra, a nyomás függvényében [P 3].
6. 2. TURBÓMOLEKULÁRIS SZIVATTYÚVAL SZÍVOTT VÁKUUMRENDSZER LEÍRÁSA A turbómolekuláris szivattyúval szívott vákuumrendszert a 6. 2. 1. – 6. 2. 6. ábra mutatja. II. Pirani vákuummérő TMU-521 turbómolekuláris szivattyú Elővákuum-vezeték II. Kézi elővákuum-szelep 6. 2. 1. ábra. Nagyvákuum-rendszer turbómolekuláris szivattyúval [DE-ATOMKI] I. Kézi elővákuum-szelep
Penning nagyvákuummérő II. Pirani vákuummérő I. Kézi elővákuum-szelep Kézi működtetésű zsilip 6. 2. 1. a. ábra. Turbómolekuláris szivattyúval szívott vákuumrendszer blokkvázlata TMU-521 turbómolekuláris szivattyú I. Pirani vákuummérő Pneumatikus elővákuumszelep II. Kézi elővákuum-szelep Elővákuum-szivattyú 2
TMU-521 turbómolekuláris szivattyú Fellevegőző szárazgáz csapja Sűrített levegő csapja I. Pirani vákuummérő Elővákuum-vezeték turbómolekuláris szivattyúhoz Elővákuum-vezeték vákuumkamrához 6. 2. 2. ábra. Nagyvákuum-rendszer turbómolekuláris szivattyúval [DE -ATOMKI] Pneumatikus elővákuum-szelep Elővákuum-szivattyú Hűtővíz csapja
Penning nagyvákuummérő Kézi működtetésű zsilip 6. 2. 3. ábra. Nagyvákuum rendszer turbómolekuláris szivattyúval [DE-ATOMKI]
Léptetés a kijelzőn megjelenő paraméterek között. Szivattyú indítása. (Főkapcsoló a tápegység hátoldalán található. ) 6. 2. 4. ábra. Turbómolekuláris szivattyú tápegysége. 6. 2. 5. ábra. Pneumatikus elővákuum-szelep kapcsolója.
6. 2. 6. ábra. Nagyvákuum-rendszer vákuummérője. 6. 3. A GYAKORLAT MENETE - Helyezzük feszültség alá a berendezést! Kapcsoljuk fel a 16, 17 és 18 -as biztosítékot! A forgólapátos szivattyú automatikusan elindul. Nyissuk ki a sűrített levegő, a száraz gáz és a hűtővíz csapját (6. 2. 2. ábra)! - Ellenőrizzük az I. kézi szelep nyitott állapotát és óvatosan nyissuk ki a II. kézi szelepet! A forgólapátos szivattyú hangja megváltozik (6. 2. 1. ábra). - A sensor gomb megnyomásával állítsuk a vákuummérőt a 2. csatornára (6. 2. 6. ábra)! A vákuumedényen lévő II. Pirani vákuummérő jelét mérjük. (6. 2. 1. ábra). - Várjuk meg, amíg a nyomás a vákuumedényben a 2. csatornán 1 mbar alá csökken, majd zárjuk el az I. kézi szelepet! (6. 2. 1. ábra)
- Kapcsoljuk be a 6. 2. 2. ábrán látható pneumatikus elővákuum-szelepet a 6. 2. 5. ábrán mutatott kapcsolóval! A forgólapátos szivattyú hangja megváltozik. Kapcsoljuk be a turbómolekuláris szivattyút (6. 2. 4. ábra. szivattyú indítása gomb)! Kapcsoljuk a vákuummérőt az 1. -es csatornára (sensor gomb, 6. 2. 6. ábra)! Az eddig villogó zöld led folyamatosan világít. A vákuummérő 10 -1 mbar körüli értéket mutat. A turbómolekuláris szivattyú tápegységén levő léptetés a paraméterek között gomb segítségével keressük ki az aktuális forgási sebesség nevű paramétert (act rotspd. , 6. 2. 4. ábra)! Amennyiben az act rotspd. eléri a a 400 -as értéket, óvatosan két fordulatot nyissuk ki a kézi működtetésű zsilipet. (6. 2. 3. ábra) A vákuummérő 2. csatornáján mutatott érték lassan csökkeni kezd. Ha a vákuumérték a vákuumérő 2. csatornáján 10 -1 mbar alatt van, nyissunk további 1 fordulatot a kézi működtetésű zsilipen! Ha a vákuum nagysága a 2. csatornán 10 -2 mbar körül van, nyissuk ki teljesen a zsilipet! Figyeljük a vákuum értékét a 2. csatornán. Ha 5∙ 10 -4 mbar-t mutat, állítsuk át a vákuummérőt a 3. csatornára és nyomjuk meg a sensor on gombot! A Penning nagyvákuum-mérő bekapcsol (6. 2. 3. ábra). Ellenőrizzük folyamatosan a vákuumérték változását! A készülék kikapcsolásához először kapcsoljuk ki a Penning nagyvákuummérőt: Vákuummérő 3. csatorna sensor off gomb.
- Zárjuk el a zsilipet! - Nyomjuk meg a szivattyú indítása gombot! Zöld led villog. (6. 2. 4. ) - Várjuk meg, amíg a turbómolekuláris szivattyú automatikusan fellevegőzi magát (körülbelül 8 -10 perc)! - Zárjuk el a pneumatikus elővákuum szelepet (6. 2. 5. ábra. ) - Zárjuk el a sűrített levegő, száraz gáz és a hűtővíz csapját!(6. 2. 2 ábra) - Feszültségmentesítsük a berendezést! Kapcsoljuk le a a 16, 17 és 18 biztosítékokat!
- Slides: 24