VAKUM TEKNOLOJİSİNDE KULLANILAN VAKUM POMPALARI

  Bu yazımızda  vakum teknolojisi alanında  önemli bir yeri olan vakum pompalarını inceleyeceğiz. Bir vakum pompası, vakumu oluşturan ve vakum düzeyinin sürdürülebilmesini sağlayan bir araçtır.Genelde, vakum ortamına ihtiyaç duyan vakum düzeneklerinde vakum düzeyleri 10^-1 mbar ile 10^-12 mbar’a kadar çok geniş bir aralıkta yer alır.

Vakum Pompaları ve Özellikleri Nelerdir ?

Vakum teknolojisinde yaygın olarak kullanılan vakum pompaları ise şunlardır;

  • Kök (roots) Pompası : Kök pompası düşük ve orta seviye vakum aralığında kullanılır ve büyük hacimdeki gaz akışını sağlamak için kullanılır. Bu pompanın çıkışı ise direk atmosfer ortamına açılmaz çıkışına mutlaka bir döner pompa bağlanılarak atmosferik ortama açılır. Kök pompası , dönüşleri eş zamanlı olan fakat birbirine göre zıt yönde ve çakışmadan döndürülen sekiz şekline benzer iki adet rotordan meydana gelir (Şekil 1a). Rotorlar birbiri ile uyumlu olup döndükçe gaz girişten çıkışa doğru aktarılır (Şekil 1b, c, d ve e). Bu pompa türü ile vakum kazanın vakum seviyesi 10^-4 mbar seviyesine indirilebilir.
kuru pompa genel
Şekil 1 : (a) Kök pompa ile kuru pompa bağlantı şeması.(b), (c), (d), (e), (f) kök pompasının çalışma aşamalarını göstermektedir.
  • Döner Pompa (Rotary Pump) : Vakum teknolojisinde en çok kullanılan pompa türüdür ve vakum düzeneğinde  birinci basamak pompa olarak kullanılmaktadır.Şekil 2’de görüleceği üzere  pompa, silindirik bir yatak (stator) içerisinde silindirin ekseni ile çakışık olmayan ve doğrudan bu kısma bağlı bir motor ile döndürülen rotordan oluşur.Rotor üzerinde pompanın yatak duvarlarını yay desteği ile basarak bu yüzeyleri süpürecek şekilde kanat yerleştirilmiştir.Yatağın  içerisinde ise ısı aktarımını sağlayan ve aynı zamanda kanatlar ile yatağın arasında sızdırmazlığı sağlayan özel bir yağ kullanılır. Bu pompa ile şekil 2’de görüleceği üzere sahip olduğu mekanik tasarım sayesinde vakum düzeneğinde bulunan havayı (yada gaz) sıkıştırarak  pompanın yağı kapağından atılımı gerçekleştirilir. Bu pompa ile vakum düzeneğinin  vakum seviyesi 10^-3 Torr mertebesine düşürülebilir.
Mekanik yağlı pompa
Şekil 2: Kanatlı döner pompaya (Rotary Pump) ait şematik.
  • Difüzyon Pompası(Diffusion Pump) : Difüzyon pompasına ait kesitin şematik çizimi şekil 3’de gösterilmektedir.Şekil 3’de görüleceği üzere difüzyon pompasının en alt kısmında ısıtıcı bulunur.Bu ısıtıcı ile pompa sıvısı (pompa yağı) buharlaştırılır. Buhar bacasına yükselen buhar, üst kısımdan aşağıya doğru yansıtılır ve ince deliklerden oluşmuş bu kanallardan(nozzle) geçirilerek ses ötesi hızlarda buhar jetine dönüştürülür. Yüksek hızlardaki bu buhar molekülleri pompa içerisinde rastgele hareket edip difüzyon pompasına giren gaz moleküllerine çarparak momentum aktarırlar. Momentum aktarılan bu gaz molekülleri çıkış borusuna doğru aktarılır.Bunu yanında çıkış kısmında yığılan pompa sıvısı ise mekanik pompa ile atılır. Buhar jeti ise yüzeyi su boruları ile soğutulan çeperlere çarparak yoğunlaşır ve tekrar sıvı hale gelerek sıvı kazanına geri dönerler. Bu pompa ile vakum düzeneğinin vakum seviyesi 10^-6 Torr mertebesine indirilebilir.Burada dikkat edilecek husus ise difüzyon pompasının mekanik pompa ile birlikte kullanılmasıdır.Eğer mekanik pompa kullanılmaz ise difüzyon pompasına giren gaz molekülleri pompa sıvısının bozulmasını ve dolayısıyla düfüzyon pompasının bozulmasına neden olunur.
Difüzyon pompası
Şekil 3: Difüzyon pompasının şematik çizimi.
  • Turbo Moleküler Pompa(Turbo Moleculer Pump) : Turbo moleküler pompa şekil 4’de görüldüğü gibi 20 000 rpm ile 60 000 rpm hızlarda devir yapabilen çok iyi yataklanmış ,dayanıklı ve hafif alaşımdan üretilmiş bir stator ve rotordan oluşur.Rotor, kanatları uygun şekilde bükülmüş pervanelerden oluşmuştur.Stator da kanatlı bir yapıdadır ve bu yapılar rotorlar ile eş eksenli olacak şekilde eş eksenli olacak şekilde yerleştirilmiştir. Turbo moleküler pompa da kanat bükümü ile rotor pervane kanat bükümü birbirine paralel olacak şekilde tasarlanmıştır. Yüksek devirlerde dönen bu pervaneler turbo moleküler pompaya giriş yapan moleküllere çarparak bu moleküllere momentum kazandırarak kinetik enerji kazandırır. Kinetik enerji kazanan bu moleküller ise çıkışa yönlendirilir. Turbo moleküler pompa ile vakum düzeneğinin vakum seviyesi 10^-6 ile 10^-8 seviyeleri arasındaki mertebelere düşürülebilir.Fakat bu pompa ile Hidrojen gazı pompalanamaz bunun nedeni ise hidrojen hazının sahip olduğu moleküler hareket hızı pervanelerinin dönüş hızından büyük olmasıdır.
Photo_TechNote_TurboDrag
Şekil 4 : Turbo moleküler pompa şematik.
  • Derin Soğurma Pompası (Cryo Pump) :Cryo pompa, içine giren gaz molekülleri içerdeki soğuk yüzeylerde yoğuşması ve o yüzeylerde tutulması felsefesine dayanır.Bu pompada yağ kullanılmadığı için temiz bir pompadır.Pompanın iç yüzeyi ise sıvı helyum ile soğutulur.Sıvı helyum haznesi ise sıvı azot ile desteklenir. Cryo pompa çalışma koşullarında en düşük sıcaklık 20 kelvin gibi değerlere kadar inmektedir. Düşük sıcaklıklara sahip bu bölmelere haznede bulunan moleküller çarparak yoğunlaşırlar. Yoğunlaşan  bu moleküller eksoz kısmındaki düşük vakum pompası yardımı ile dışarı atılırlar. Kriyojenik pompalar genellikle proses sonucu kirlilik üreten sistemlerde kullanılmaktadır. Cryo pompa ise mekanik ve turbo moleküler pompa ile birlikte kullanırlar.
cryo pump
Şekil 5: Cryo pompanın şematik gösterimi.

Yararlanılan Kaynaklar

  • Introduction to the princibles of vacuum physics ( Niels Marquardı)
  • Handbook of vacuum science and technology  (Bawa Singh, John H. Thomas,Doroty M. Hoffman)
  • Fundemantals of vacuum technology (Dr. Walter Umrath)
  • Basics and applications of cryopumps (C.Day)
  • Cryogenic Engineering (Prof. Milind D.Atrey)