1. Nesprávné dimenzování vysokovakuových vedení


Vysokovakuová potrubí a ventily by měly být navrženy v souladu s nominální čerpací rychlostí vysokovakuové pumpy. Jinak dojde ke značným ztrátám efektivní čerpací rychlosti v důsledku nepříznivé vodivosti.

Pro ilustraci vlivu, který může mít nesprávně navržené vysokovakuové potrubí, uvádíme příklad s turbopumpou s nominální čerpací rychlostí 260 l/s, vzduchem jako čerpaným médiem a vakuovým potrubím o délce 250 mm:
Pokud se použije vakuové potrubí mnohem menší než průměr příruby turbočerpadla (DN 100 (100 mm)), efektivní čerpací rychlost se výrazně sníží. Vakuové potrubí DN 25 (25 mm) bude mít na konci potrubí průtok pouze kolem 7,4 l/s. Použitím stejného průměru jako u vstupu turbomolekulární pumpy se efektivní čerpací rychlost zvýší na 170 l/s.
Dokonce i turbočerpadlo s přírubou DN 320 (320 mm) a nominální čerpací rychlostí 3200 l/s by na konci vakuového potrubí o velikosti DN 25 nabízelo pouze přibližně 7,6 l/s. To znamená, že turbomolekulární vakuová pumpa, které je z hlediska nominální čerpací rychlosti dvanáctkrát výkonnější než v prvním příkladu, ve skutečnosti nepřináší prakticky žádný další užitek.

 

2. Pevné vakuové spoje

Většina aplikací vyžaduje pro bezpečnou a udržitelnou instalaci pevné spojení mezi vysokovakuovou přírubou turbopumpy a komorou. V takových případech je však důležité ponechat předvakuové spojení nebo spodní konec turbopumpy flexibilní. Pevné spojení znamená, že se těleso turbomolekulární vývěvy nemůže při vystavení teplu roztahovat. To způsobí materiálové napětí, které se hromadí na nepřípustné úrovně, jež mohou nakonec vést k poruchám v důsledku napětí.
Tuhý způsob montáže má další nevýhody: Rotor nemůže volně kmitat a existující minimální zbytková nevyváženost může časem vést k možnému selhání ložiska a poškození rotoru.

3. Nekontrolované vibrace z rezonančních frekvencí


Turbomolekulární vývěvy jsou vyváženy tak, aby byl zajištěn provoz s nízkými vibracemi a optimální životnost ložisek. Během normálního provozu se však všechny turbovývěvy pohybují v určitých rezonančních frekvencích. Pokud tyto frekvence dosáhnou rezonanční frekvence vakuové komory nebo celého systému, jejich amplituda se výrazně zvýší. Tento přirozeně se vyskytující jev způsobuje vibrace vývěvy a generování vyšších než obvyklých hladin hluku. Ačkoli je tento jev sám o sobě normální a není důsledkem žádného problému s turbovývěvou, je nejlepší se frekvencím, které ji spouštějí, vyhnout, aby se zabránilo jakémukoli poškození způsobenému vibracemi. Proto je vhodné určit vlastní frekvenci systému a prodiskutovat tyto hodnoty s výrobcem vývěvy, abyste zjistili, jak lze vibracím předejít. To by mohlo být provedeno pomocí výztuh, jako jsou tlumicí podložky nebo podložky mezi vývěvou a vakuovou komorou, přídavnými závažími, změnou jmenovitých otáček turbovývěvy nebo konstrukčními úpravami.

4. Nedostatečné spojení mezi vstupní přírubou a vakuovou komorou

Turbopumpy ukládají obrovské množství mechanické energie, srovnatelné s energií turbopumpy volně padajícího z výšky 300 m. V případě zadření rotoru se tato energie uvolní během několika milisekund a generuje značný točivý moment. Nesprávná konstrukce vakuové komory nebo nesprávné upevnění turbopumpy může vést k deformaci komory a v nejhorším případě ke zkroucení nebo dokonce k odtržení turbopumpy od příruby.
Testyukázaly, že přírubové spojení by ideálně mělo být navrženo v provedení ISO-F. Otáčení turbopumpy je v přírubě ISO-F zabráněno drážkovanými otvory a u ISO-CF otvory pro upevňovací šrouby. Výrobci nabízejí montážní sady, které obsahují odpovídající počet svorek nebo upevňovacích šroubů v požadované kvalitě materiálu a také vhodné středicí kroužky. Pouze tak lze zajistit, aby spojení v případě nárazu zůstalo neporušené a těsné. Hodnoty utahovacího momentu naleznete v návodu k obsluze turbočerpadla a musí být přísně dodržovány.

5. Nedostatečná ochrana před cizími předměty

Cizí předměty padající do rotoru mohou způsobit nenapravitelné škody. Aby se tomu zabránilo, doporučuje se namontovat do vstupní příruby turbopumpy ochranný štít nebo ochrannou clonu.  To způsobuje snížení rychlosti čerpání – až o 30 % v závislosti na typu plynu. Dalším řešením je, pokud je to možné, umístit turbopumpu dnem vzhůru na komoru, protože cizí předměty budou padat v důsledku gravitace.  Pokud tento typ instalace není možný, lze vakuové čerpadlo namontovat na T-kus pod úhlem 90° do strany. Zadní otvor by měl směřovat dolů.

6. Vyhřívání (bake-out) vakuové pumpy při nadměrných teplotách

V některých aplikacích musí být systém a turbopumpa vyhřívány aby se dosáhlo optimálních procesních parametrů, včetně zlepšené opakovatelnosti, sníženého množství zbytkového plynu a vyšší účinnosti vakuové pumpy. . Při vypalování turbočerpadla je důležité dodržovat maximální teploty vstupní příruby, které jsou stanoveny výrobcem. Ty se obvykle pohybují mezi 100 a 120 °C. Překročení povolené teploty způsobí přehřátí vakuové pumpy a může vést k poškození ložisek nebo rotorů. Během vypalování je nutné vodní chlazení. Doba vypékaní by měla být alespoň 6 hodin.

7. Překročení maximálního povoleného zpětného tlaku


Turbopumpa, která mají vedle turbostupňů další vysokotlaké stupně, zvládnou zpětný tlak přes 30 hPa (mbar). Čistě turbostupňová vakuové  pumpy s pouze jedním turbomolekulárním kompresním stupněm však obvykle tolerují pouze 2–3 hPa (mbar). Limity se liší v závislosti na čerpaném médiu. Překročení těchto hodnot může vést k přehřátí rotoru, což vede k poškození nebo dokonce úplnému selhání v důsledku nadměrného tření plynu a nedostatečného odvodu tepla.
Turbočerpadlo nemůže pracovat proti atmosférickému tlaku, a proto je vždy provozováno v kombinaci s předběžným čerpadlem na jeho výfuku. Předvakuová vývěva – obvykle rotační vývěva nebo suchá vývěva – snižuje předběžný tlak z atmosférického na hrubé nebo střední vakuum. Pokud předvakuová vývěva nefunguje správně a není vybavena pojistným ventilem pro vysoké vakuum, turbopumpa bude zpětně odvětrávat výfukovým potrubím. To může vést ke kontaminaci turbopumpy a připojeného systému olejovými částicemi z předběžného čerpadla. Kromě toho může vyvíjet mechanické namáhání na rychle se rotující rotor. Pokud je k turbočerpadlu připojena větší vakuová komora, může průnik vzduchu výfukovým potrubím způsobit zvednutí rotoru – jev nazývaný „vrtulníkový efekt“ – a spustit havárii rotoru. Aby se tomu zabránilo, výrobci nabízejí pojistné ventily, buď integrované do příslušných předčerpávacích čerpadel, nebo jako samostatná řešení, která izolují turbočerpadlo a komoru v případě poruchy předčerpávacího čerpadla. Tyto ventily se v případě poruchy uzavřou během milisekund a mohou být spuštěny tlakovým senzorem nebo signálem poruchy vakuového čerpadla.

8. Neodvzdušnění nebo nesprávné odvzdušnění vakuového čerpadla a systému
Turbomolekulární vývěvy generují velmi čisté vakuum bez uhlovodíků díky své vynikající kompresi a jedinečným konstrukčním vlastnostem. Po vypnutí turbopumpy nebo celého vakuového systému však může vyrovnání tlaku ze strany předvakuové vývěvy na stranu vysokého vakua způsobit zpětnou migraci kontaminantů a olejových částic do turbočerpadla. Pokud na straně vysokého vakua není instalován žádný ventil nebo uzávěr, bude tato kontaminace pokračovat do zařízení. Jedním ze způsobů, jak tomu zabránit, je zavzdušnění pumpy suchým plynem, jako je dusík nebo vzduch bez oleje, čímž se vytvoří pozitivní tlakový gradient. od strany vysokého vakua směrem k zadní straně. Tento řízený gradient zabraňuje vtahování kontaminantů proti proudu během vyrovnávání tlaku a také ředí veškeré zbytkové páry, čímž snižuje jejich parciální tlaky, aby nemohly migrovat do turbopumpy.
Pro další snížení rizika kontaminace nebo dokonce potenciálního poškození je nutný pojistný ventil vysokého vakua k předvakuové vývěvě, který zabraňuje vniknutí vzduchu z výfuku, když je zadní čerpadlo zastaveno, jak je uvedeno v bodě 7. Elektronika pohonu turbopumpy nabízí inteligentní režimy pro bezpečné zavzdušnění při určité rychlosti v kombinaci s vhodným zavzdušňovacím ventilem. Vzhledem k tomu, že kompresní poměr turbopumpy závisí také na rychlosti, je optimální okamžik pro zahájení zavzdušňování, když rychlost turbopumpy klesne na přibližně 50 % jmenovité hodnoty. V nestabilních sítích s častými výpadky napájení se doporučuje použít zavzdušňovací ventil při výpadku napájení, který automaticky zavzdušní vývěvu a v případě výpadku napájení ji řádně zastaví.

9. Nedostatečná ochrana před magnetickými poli, zářením a nadměrnými zdroji tepla
Magnetická pole generují vířivé proudy v rotoru běžící turbopumpy. které působí proti jeho otáčení. Energie, kterou tento efekt vyžaduje, způsobuje, že motor odebírá z elektrického připojení více proudu. To může způsobit rychlé přehřátí rotoru. Maximální přípustná magnetická pole jsou uvedena v návodu k obsluze v militesla (mT). Pokud jsou tyto hodnoty překročeny, musí být turbopumpa stíněna vhodnými kryty nebo, pokud je známo rozložení magnetického pole, musí být uspořádáno jinak.

V urychlovačích částic se vyskytuje neutronové a gama záření různé intenzity a trvání. Toto záření ničí výkonové tranzistory, diody a elektronické součástky, které jsou obvykle základními prvky elektroniky pohonu.

Aby se tomu zabránilo, je nutné elektronické součástky odstranit z postižené oblasti, což vyžaduje instalaci elektroniky dálkového pohonu v bezpečné vzdálenosti od záření pomocí propojovacího kabelu.
Za vakua se teplo přenáší převážně tepelným zářením. V případech, kdy aplikace vyžaduje horké nebo velmi horké povrchy, například u některých procesů nanášení povlaků pro ochranu proti opotřebení, potřebuje rotor turbočerpadla vizuální ochranu před těmito horkými povrchy, například ochrannou clonou. Jinak toto indukované teplo nebude dostatečně rozptýleno a může způsobit přehřátí rotoru. Proto je nutné řádné stínění, protože to může způsobit vážné poškození.


10. Nedodržení bezpečnostních opatření pro daný proces
Je nezbytné vybrat turbopumpy vhodné pro daný proces a zajistit jejich správnou přípravu. Například u korozivních procesů – zejména v polovodičovém průmyslu – je třeba přijmout několik opatření k ochraně turbopump.

K ochraně motoru a ložisek by měl být použit bariérový plyn, například dusík. Tím se vytvoří čisté, přetlakové těsnění mezi procesní stranou čerpadla a citlivými vnitřními součástmi, které zabrání difuzi korozivních plynů do turbočerpadla. Je však nutné dodržet tlak bariérového plynu uvedený v návodu k obsluze. Dále je nutné při návrhu předvakuové vývěvy a zohlednit dodatečné zatížení plynem. Použití vhodného syntetického maziva pro turbopumpy s kuličkovými ložisky zabraňuje oxidaci. Kromě toho je rozumné použít na rotorech materiály odolné proti korozi, jako je nikl nebo keramické povlaky.

Některé procesy, jako je chemické nanášení par (CVD), jsou náchylné k usazeninám. Ty mohou vést k nevyváženosti a vibracím nebo ucpávání v důsledku kondenzace uvnitř vakuové vývěvy, což může způsobit poruchy nebo dokonce havárii rotoru. Pokud je to možné, mělo by být turbopumpa instalováno dnem vzhůru, aby se do něj prach nemohl tak snadno dostat. Dává také smysl instalovat přepážku, která zabrání přímému pádu prachu do běžícího vakuového čerpadla. Úprava turbopumpy systémy řízení teploty zabraňuje nebo minimalizuje ucpávání a nabízí lepší provozuschopnost.

Závěr
Vyhnout se nejčastějším chybám při používání turbomolekulárních vakuových vývěv je nezbytné pro zajištění bezpečného, ​​efektivního a dlouhodobého provozu. Mnoha těmto problémům lze předejít pouhým dodržováním doporučení výrobce, zajištěním správné instalace a použitím vhodného příslušenství. Z pohledu zákazníka je téměř vždy v centru pozornosti ideální vakuové řešení za nejlepší cenu. To však často s sebou nese riziko výběru neoptimálního nastavení vakuové vývěvy z cenových důvodů, což vede k delším prostojům a vyšším nákladům na údržbu později. Výběr spolehlivých turbopump a vhodného příslušenství v kombinaci s pečlivým provozem a monitorováním se z dlouhodobého hlediska vyplatí. Aby bylo zajištěno, že turbopumpa a její nastavení jsou plně vhodné pro daný proces, je nezbytná podrobná konzultace s výrobcem, která potvrdí, že systém může efektivně plnit svůj úkol – a to po mnoho dalších let.

 

Nabídku dalších nových i repasovaných turbomolekulární vývěv naleznete zde