۱۶
۱۲
سیستم لایه‌نشانی در خلأ
۱۰۹,۰۳۹۲
۸
۱۳
سیستم اسپاترینگ
۱۰۸,۳۷۴۸
۹
۱۴
کوره خلأ پایین
۱۱۱,۵۱۲۴
۳
۱۵
کوره خلأ بالا
۱۰۷,۴۷۲۴
۱۲
۱۶
نشت یاب
۱۱۰,۴۱۲۱
۴
پیشینه پژوهش
تاکنون کوشش‌های فراوانی هم در زمینه آزمایشات تجربی و هم در زمینه شبیه‌سازی پمپ‌های توربومولکولی محوری توسط محققان انجام شده است. اگرچه اختراع پمپ توربومولکولی منسوب به بکر[۳۰] است[۸]، اما نخستین بار عملکرد پمپ توربومولکولی در جریان آزاد مولکولی به صورت آزمایشگاهی و تحلیل توسط کروگر[۳۱] و شاپیرو[۳۲]، انجام شده است[۹,۱۰].
در سال ۱۹۵۸ هبلانین[۳۳] نتایج آزمایشات خود را با یک توربو شارژ ۱۰ مرحله‌ای را ارائه کرد [۱۱] نتایج به دست آمده از آزمایشات او حکایت از آن داشت که با فرض ثابت نگه داشتن سرعت پره‌های پمپ، نسبت تراکم به دست آمده در شرایط فشار پایین حداقل ۱۰ برابر بیشتر از نسبت فشار در شرایط فشار اتمسفریک است. همچنین در طی سال‌های ۱۹۵۷ تا ۱۹۵۸ یک کمپانی آلمانی به نام Arthur Pefiffer GmbH Wetzlar، یک کمپرسور توربومولکولی را که دارای ۱۹ طبقه پره مسطح ثابت و متحرک بود، طراحی و به عنوان اختراع ثبت کرد. بر طبق ادعای این کمپانی، این کمپرسور قادر به ایجاد نسبت تراکم به میزان ۱۰۷×۵ و توانایی رسیدن به فشارmm Hg ۱۰-۱۰ با سرعت پره‌ای در حدود m/s144 را دارا بود[۱۲].
در سال ۱۹۵۸ فینول[۳۴] در دانشکده مکانیک دانشگاه MIT تحت عنوان پایان نامه کارشناسی ارشد روشی را برای محاسبه نسبت تراکم یک طبقه پره‌های متحرک با در نظر گرفتن جریان آزاد مولکولی ارائه کرد[۱۳]. در سال ۱۹۶۰ در همان دانشکده کروگر نتایج به دست آمده از حل دقیق و شبیه‌سازی مونت کارلو را برای جریان دو بعدی آزاد مولکولی به هنگام عبور از یک و چند طبقه پره‌های مسطح ثابت و متحرک با ارتفاع نامتناهی در پایان‌نامه خود و نیز در دومین کنفرانس بین‌المللی دینامیک گاز رقیق ارائه کرد.
در طی سال‌های ۱۹۷۱ تا ۱۹۷۳ ساوادا[۳۵] و همکاران با در نظر گرفتن اثر ارتفاع پره‌های پمپ، یک روش انتگرالی برای شبیه‌سازی جریان آزاد مولکولی در یک روتور ارائه کردند. نتایج به دست آمده از این شبیه‌سازی، تطابق خوبی با نتایج آزمایش نشان می‌داد[۱۴]. همچنین ساوادا با توسعه روش خود، نتایج شبیه‌سازی یک طبقه روتور- استاتور و یک پمپ با چندین طبقه روتور- استاتور را ارائه کرد.[۱۵] سپس در سال ۱۹۷۹ عملکرد یک روتور را به صورت تئوری و با حل معادلات ناویر- استوکس مورد برسی قرار دادند[۱۶].
در سال ۱۹۷۴ ایدا[۳۶] و کیمورا[۳۷] در ادامه کارهای تانیگوچی[۳۸] و همکاران، نتایج حل تحلیلی خود را در مورد اثر پره‌های غیر موازی بر روی عملکرد پمپ توربومولکولی محوری مورد بررسی قرار داد[۱۷].
در سال ۱۹۷۶ دبیری با در نظر گرفتن لقی بین پوسته و روتور، اثر نشتی را بر روی نسبت تراکم پمپ مورد بررسی قرار داد[۱۸].
چو[۳۹] و هیوا[۴۰] با ارائه یک روش مبتنی بر مکانیک آماری، یک سری روابط تحلیلی برای بررسی عملکرد پمپ ارائه کردند[۱۹].
در سال ۱۹۸۲ کاتسیمیچاس[۴۱] و همکاران، جریان آزاد مولکولی را در یک پره سه بعدی با دیواره‌های مسطح و در دستگاه مختصات غیر اینرسی با بهره گرفتن از روش مونت کارلو حل کردند. آن‌ها در شبیه‌سازی خود از لقی بین پره و پوسته صرف نظر کردند و با بهره گرفتن از دستگاه مختصات غیر اینرسی، دیواره‌های پره ثابت و حرکت پوسته پمپ را با سرعتی خلاف جهت دوران پمپ در نظر گرفتند. در این دستگاه به دلیل وجود شتاب‌های کریولیس و جانب مرکز، خط سیر مولکول به صورت خط راست نمی‌باشد. نتایج به دست آمده از حل سه بعدی کاتسیمیچاز نشان می‌داد که اختلاف بین شبیه‌سازی دو بعدی و سه بعدی در سرعت دورانی پایین، ناچیز است ولی این اختلاف در سرعت‌های دورانی بالا و یا وقتی پمپ در مقابل گازهای سنگین کار می‌کند، زیاد می‌شود[۲۰].
در سال ۱۹۸۸ چنیدر[۴۲] و همکاران، عملکرد یک طبقه پمپ توربومولکولی را در جریان آزاد مولکولی با چند روش عددی و تحلیلی مورد بررسی قرار دادند[۲۱].
در سال ۲۰۰۰، هیو[۴۳] و ونگ[۴۴] عملکرد پمپ توربومولکولی را در هر ناحیه رژیم جریان مولکولی و انتقالی با بهره گرفتن از حل عددی معادلات بولتزمان که از روش مستقیم مونت کارلو[۴۵] به دست آمده است، پیش بینی کردند[۲۲]. در همان سال اسکوورودکو[۴۶] با حل جریان آزاد مولکولی به روش مونت کارلو در چندین طبقه روتور- استاتور، عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار داد. در شبیه‌سازی اسکوورودکو شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته و نیز فاصله میان روتور و استاتور در نظر گرفته شده است. او محاسبات خود را در دستگاه مختصات اینرسی انجام داد. به گونه‌ای که خط سیر مولکول به صورت خط راست بوده و دیوارهای روتور با سرعت دورانی پمپ، دوران می‌کنند. در شبیه‌سازی اسکوورودکو از اثرات ضخامت دیواره‌های پره صرف نظر شده است[۲۳].
در سال ۲۰۰۱ چنگ[۴۷] و جو[۴۸]، مشخصه های عملکردی پمپاژ یک طبقه روتور سه بعدی کامل را برای جریان مولکولی و انتقالی با روش مستقیم مونت کارلو محاسبه کردند[۲۴].
در سال ۲۰۰۴ آملی، ابراهیمی و حسینعلیپور، با حل جریان آزاد مولکولی به روش مونت کارلو در یک طبقه روتور- استاتور عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار دادند[۲۵] . آن‌ها شبیه‌سازی خود را برای چندین طبقه روتور- استاتور نیز تعمیم دادند. در این شبیه‌سازی شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته پمپ و نیز فاصله میان روتور و استاتور و اثرات ضخامت دیواره‌های پره‌ها در نظر گرفته شده است. آن‌ها محاسبات خود را در دستگاه مختصات اینرسی انجام دادند. به گونه‌ای که خط سیر مولکول به صورت خط راست می‌باشد. در همان سال،آملی، ابراهیمی و حسینعلیپور یک مدل پیوسته برای جریان یک بعدی در پمپ‌های توربومولکولی برای رژیم‌های مختلف جریان از جریان مولکولی تا انتقالی ولغزشی ارائه دادند[۲۶].
در سال ۶ -۲۰۰۵ شنگ‌ونگ[۴۹] و همکاران، در آزمایشگاه تحقیقاتی رآکتور هسته‌ای دانشگاه صنعتی توکیو با حل جریان مولکولی به روش مونت کارلو در یک طبقه روتور پمپ توربومولکولی، عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار دادند. در این شبیه‌سازی شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته پمپ و اثرات ضخامت دیواره‌های پره در نظر گرفته شده است. آن‌ها مقادیر حداکثر نسبت فشار و حداکثر فاکتور سرعت پمپ را بر حسب پارامترهای هندسی مختلف ارائه دادند. در این شبیه‌سازی، برخورد بین مولکول با فرض مدل، کره نرم متغیر به روش مستقیم مونت کارلو (DSMC) در نظر گرفته شده است[۲۷]. سپس در سال ۲۰۰۹ با فرض مدل کره نرم تعمیم یافته به روش DSMC، توزیع چگالی مولکولی و توزیع دمایی در یک طبقه روتور پمپ توربومولکولی را به دست آورند[۲۸].
در سال ۲۰۰۷ شکوهمند و همکاران روش ذره نمونه را برای مطالعه جریان مولکولی آزاد در یک ردیف پره مسطح روتور پمپ توربومولکولی محوری در حالت کاملا سه بعدی، با در نظر گرفتن اثرات لقی بین روتور و پوسته پمپ و صرف نظر از ضخامت پره‌های روتور به کار بردند. در این شبیه‌سازی به علاوه تحلیل جریان، اثر ضریب تطبیق گرمایی (به عنوان عامل کم اثر) و عدم تعادل گرمایی یعنی اختلاف دمای متوسط جریان و دمای دیواره (به عنوان یک عامل موثر) بر حداکثر نسبت تراکم و حداکثر دبی بی بعد عبوری پمپ توربومولکولی بررسی شده است[۲۹].
در سال ۲۰۰۹ ورسلویس و همکاران دیدگاه جدیدی را برای شبیه‌سازی عددی پمپ توربومولکولی با بهره گرفتن از روش آماری مونت کارلو (DSMC) ارائه دادند. آن‌ها به منظور مدل کردن تاثیر روتور و استاتور بر روی جریان گاز، سطوح متحرکی را نسبت به مش به کار بردند. آن‌ها به کمک این روش مقادیر نسبت فشار را بر حسب متوسط فشار ورودی و خروجی به دست آوردند. همچنین ونگ و همکاران فضای بین دو پره روتور را به همراه لقی موجود در این فضا را با روش مونت کارلو شبیه‌سازی کردند[۳۰].
در سال ۲۰۱۰ تقوی و همکاران جریان مولکولی آزاد را با روش آماری ذره نمونه مونت کارلو در یک ردیف روتور پمپ توربومولکولی محوری با پره‌های مسطح و ناموازی در حالت کاملا سه بعدی با در نظر گرفتن اثرات لقی بین روتور و پوسته پمپ و صرف نظر از ضخامت پره‌های روتور شبیه‌سازی و بررسی کردند. در این شبیه‌سازی به علاوه تحلیل جریان، اثرات تعیین ابعاد، اثرات مهم زاویه پره و اثرات تغییر زاویه گوه روی خواص اساسی پمپ توربومولکولی نیز بررسی شده است[۳۱].
در سال ۲۰۱۱ ماستیانی و همکاران فضای بین دو پره روتور را با روش (DSMC) و مدل برخورد VHS شبیه‌سازی کردند. دو فاکتور مهم تعیین عملکرد پمپ شامل حداکثر نسبت فشار و حداکثر فاکتور سرعت پمپ و تاثیر پارامترهای هندسی مانند زاویه پره و نسبت فاصله بین دو پره به طول پره مورد بررسی قرار گرفت[۳۲].
در سال ۲۰۱۱ سنجیل[۵۰] و ادیس[۵۱]، جریان مولکولی را در یک پمپ توربومولکولی چند طبقه به روش مستقیم مونت کارلو (DSMC) شبیه‌سازی کردند. در این شبیه‌سازی نواحی محاسباتی به صورت شبکه‌های دو بعدی چهار ضلعی شبکه بندی شده است[۳۳].
