Die Turbomolekularpumpe, wie sie erstmals 1958 von Willi Becker beschrieben wurde, basiert auf den Molekularpumpen,
die von Wolfgang Gaede im Jahr 1913, von Holweck 1923 und von Siegbahn 1944 entwickelt wurden.
Vor dem Aufkommen der Turbomolekularpumpen, waren Diffusionspumpen die einzige Möglichkeit ein Hochvakuum zu erreichen.
Turbomolekularpumpen bestehen, ähnlich wie axiale Turbokompressoren, aus einem Stapel von Scheiben mit Schaufeln,
wobei sich rotierende Scheiben (Rotoren) und feststehende Scheiben (Statoren) abwechseln.
Funktionsprinzip
In Turbomolekularpumpen (TMP) werden die Gasmoleküle durch wiederholte Kollisionen mit schnell rotierenden Schaufeln
in die gewünschte Richtung bewegt, vom Einlass der Pumpe zum Auslass.
Die Turbomolekularpumpe arbeitet nur dann effizient, wenn der Auslassdruck unter 1 mbar liegt.
Sie wird daher mit einer Vorpumpe kombiniert, die den Abtransport bis auf Atmosphärendruck gewährleistet.
In Kombination mit einer Vorpumpe sind TMPs in der Lage, ein Ultrahochvakuum bis zu 10E-10 Pa zu erreichen.
Eine Turbomolekularpumpe arbeitet nur im molekularen Strömungsbereich und benötigt eine Vorpumpe mit sehr großer Förderleistung, um effizient zu arbeiten.
Hybride Pumpen kombinieren, auf derselben Welle, eine Turbomolekularpumpe (TMP für Turbo Molecular Pump)
mit einer oder mehreren Molekularpumpstufen (DMP), die meist als Holweck-, sog. Dragstufen, ausgeführt sind.
Der Einsatz der MDP am Auslass der TMP ermöglicht es, die erforderliche Größe der Vorpumpe zu reduzieren.
Kugellager oder magnetische Levitation?
Die extrem hohe Rotordrehzahlen von bis zu 90.000 U/min der Turbopumpen führen zu starken mechanischen Belastungen, insbesondere an der Rotorbaugruppe, und auf die Wellenlager.
Um diesen mechanischen Belastungen standzuhalten und einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, werden verschiedene Lagerkonfigurationen angeboten: mechanische, magnetische und Hybridlager.
Die meisten Hersteller bieten leichte Keramik-Kugellager mit Fettschmierung an, da diese Kombination sowohl ein geringes Gewicht aufweist,
was das Trägheitsmoment des Lagers reduziert, als auch einen niedrigen Dampfdruck des Schmiermittels bei der Betriebstemperatur der Pumpe besitzt.
In jüngerer Zeit haben Hersteller begonnen, magnetisch gelagerte Systeme anzubieten, die entweder permanente Magnete für kleinere Pumpen
oder eine Kombination aus permanenten und dynamischen Magnetfeldern verwenden, um die Welle berührungslos zu tragen.
Magnetisch gelagerte Pumpen verfügen über berührungslose Lager, was zu einer Turbopumpe ohne jeglichen Rückstrom von Öldampf führt, mit Lagern, die keinem Verschleiß unterliegen.
Der Einsatz magnetischer Lager hat es ermöglicht, die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors an der Schaufelspitze von etwa 150 m/s auf über 500 m/s zu erhöhen.
Turbopumpen mit Hybridlagerung kombinieren diese zwei Lagerkonzepte:
Auf der Vorvakuumseite schützt ein Keramikkugellager den Rotor vor externen Schwingungen.
Auf der Hochvakuumseite hält eine Permanentmagnet-Lagerung den Rotor in Schwebe ohne Kontakt zum Pumpengehäuse, wie bei magnetisch gelagerten Turbopumpen.