La pompe turbomoléculaire, telle que décrite pour la première fois en 1958 par Becker, est basée sur les pompes moléculaires
développées par Gaede en 1913, Holweck en 1923 et Siegbahn en 1944.
Elle constitue une solution alternative aux pompes à diffusion qui étaient, avant l'apparition des pompes turbomoléculaires, la seule solution pour atteindre un vide très poussé.
Les pompes turbomoléculaires sont, comme les turbocompresseurs axiaux, constituées d'un empilement de disques munis de pales,
disques alternativement en rotation (rotors) et fixes (stators).
Principe de fonctionnement
Dans les pompes turbomoléculaires (TMP) les molécules de gaz sont mises en mouvement dans une direction souhaitée,
de l'entrée de la pompe vers l'échappement, par des collisions répétées avec des pales en rotation à grande vitesse.
La pompe turbomoléculaire ne fonctionne efficacement qu'avec une pression de refoulement inférieure à 1 mbar.
Elle est associée à une pompe primaire qui assure le refoulement à pression atmosphérique.
Combinées avec une pompe primaire, les TMPs sont capables d’atteindre un vide très poussé jusqu'à 10E-10 Pa.
Une pompe turbomoléculaire ne fonctionne qu'en régime d'écoulement moléculaire et nécessite une pompe primaire de très grande capacité pour fonctionner efficacement.
Les pompes hybrides combinent une pompe turbomoléculaire (TMP pour Turbo Molecular Pump) avec une pompe moléculaire (MDP pour Molecular Drag Pump)de type Holweck ou Gaede, installée sur un même arbre.
L'utilisation de la DMP au refoulement de la TMP permet de réduire la taille de la pompe primaire.
Roulements à billes ou lévitation magnétique ?
Les vitesses de rotation très élevées des pompes turbo (certaines unités de petit diamètre fonctionnent à 60000 tr/min) exercent de fortes contraintes sur les roulements de l'arbre.
La plupart des fabricants proposent des roulements à billes en céramique légère, lubrifiés à la graisse, car cette combinaison est à la fois légère,
ce qui réduit le moment d'inertie du roulement, et présente une faible pression de vapeur du lubrifiant à la température de fonctionnement de la pompe.
Plus récemment, les fabricants ont commencé à proposer des roulements à lévitation magnétique, utilisant soit des aimants permanents pour les pompes de petite taille,
soit une combinaison de champs magnétiques permanents et dynamiques, maintenant l'arbre en suspension sans contact.
Les pompes à suspension magnétique intègrent des roulements sans contact, ce qui permet d'obtenir une pompe turbo sans aucun retour de vapeur d'huile, avec des roulements qui ne s'usent jamais.
L'utilisation de paliers magnétiques a permis d'augmenter la vitesse de rotation du rotor de 150 m/s en extrémité de pâles à plus de 500 m/s.