یکی از پمپ هایی که که معمولا برای رسیدن فشار به محدوده خلاء بالا مورد استفاده قرار می گیرد پمپ توربومولکولار است. استفاده از این پمپ ها آسان است و نیاز به مراقبت و نگهداری کمتری نسبت به پمپ های دیفیوژنی دارند. ابعاد کوچک، عدم نیاز به خنک سازی با آب، سرعت رسیدن به خلاء مورد نظر و تمیزی بسیار زیاد این پمپ ها از مزایای دیگر آنها نسبت به پمپ های دیفیوژنی است. با استفاده از این پمپ ها می توان سرعت پمپاژ را با دقت خوبی ثابت نگه داشت(از معایب این پمپ ها باید به قیمت بالای آنها اشاره کرد). پمپ های توربومولکولار در محدوده خلاء متوسط، خلاء بالا و خلاء فوق العاده بالا(UHV) با سرعت ثابت پمپاژ تا ۴۰۰۰ لیتر در ثانیه قابلیت استفاده دارند.
پمپ های توربومولکولار، پمپ های خلاء جنبشی هستند که با استفاده از روتور چرخشی بسیار سریع(معمولاً بین ۲۴۰۰۰ تا ۹۰۰۰۰ دور در دقیقه می چرخند) کار می کنند. یکی از مزایای استفاده از پمپ های توربومولکولار این است که موجب برگشت روغن و بخار روغن به محفظه خلاء نمی شوند. این مساله از نکات حیاتی در فرایندهایی است که به محیط خلاء کاملا تمیز نیاز دارند. این ویژگی ها بدان معنی است که پمپ های توربومولکولار برای طیف گسترده ای کاربرها از میکروسکوپ الکترونی گرفته تا پردازش نیمه هادی ها مناسب هستند. اکثر سیستم های لایه نشانی تحت خلاء ساخت شرکت پوشش های نانو ساختار مجهز به پمپ توربومولکولار هستند که این امر موجب می شود این سیستم ها کاربردهای گسترده ای در صنعت میکروالکترونیک و نیمه هادی ها، اپتیک و لیزر، سلول های خورشیدی و … داشته باشند.
پمپ توربومولکولار در سال ۱۹۵۸ توسط دبلیو بکر بر اساس پمپ های کشش مولکولی قدیمی که توسط ولفگانگ گاید در سال ۱۹۱۳ اختراع شده بود، اختراع گردید. پمپ های توبومولکولار بر اساس این اصل کار می کنند که با برخورد مکرر با یک تیغه فلزی در حال حرکت، می توان مولکول های گاز را در جهت مورد نظر هدایت کرد. در یک پمپ توربومولکولار، یک روتور فن که به سرعت چرخش می کند، برای ایجاد یا حفظ خلاء، به مولکول های گازی برخورد کرده و آن ها را از ورودی پمپ به سمت خروجی پمپ هدایت می کند.
بیشتر پمپ های توربومولکولار دارای چندین مرحله هستند که هر مرحله شامل یک روتور که به سرعت در حال چرخش است و یک جفت استاتور که ثابت است، می باشند. این سیستم مانند یک کمپرسور کار می کند که به جای اینکه انرژی گاز را بگیرد، به گاز انرژی جنبشی می دهد. مولکول های گاز در جهت مورد نظر از مراحل فوقانی و دهانه پمپ توربومولکولار، به مراحل پایین و خروجی پمپ منتقل می شوند تا سطح فشار خلاء پمپ پشتیبان فشرده می شوند. با ورود مولکول های گازی به داخل ورودی، روتور که تعدادی پره زاویه دار دارد به مولکول ها برخورد می کند. بنابراین انرژی مکانیکی پره ها به مولکول های گازی منتقل می شود. با این انرژی تازه به دست آمده، مولکول های گازی وارد سوراخ های انتقال گاز در استاتور می شوند.
این امر آنها را به مرحله بعدی سوق می دهد که مجددا با سطح روتور برخورد می کنند و این روند ادامه دارد و در نهایت مولکول های گازی از طریق خروجی پمپ توربومولکولار به بیرون هدایت می شوند. به دلیل حرکت نسبی روتور و استاتور و زوایای خاص تعبیه شده در آنها، مولکول ها ترجیحا به طرف پایین پره ها اصابت می کنند. یک پره در پمپ های توربومولکولار برای عملکرد فشار بالا باید محکم، پایدار و تا حد امکان نازک باشد، که برای فشرده سازی حداکثری، کمی خم شود. از آنجا که فشرده سازی هر مرحله تقریبا از مرتبه ۱۰ است، هر مرحله نزدیک به خروجی، به طور قابل توجهی کوچکتر از مراحل ورودی قبلی است.
عملکرد پمپ توربومولکولار به شدت با فرکانس روتور مرتبط است. با افزایش سرعت، پره های روتور بیشتر منحرف می شوند. برای افزایش سرعت و کاهش تغییر شکل، مواد محکم تر و طرح های مختلف برای پره ها در نظر گرفته می شود.
بعضی از مدل های پمپ های خلاء توربومولکولار از روتورهای بلبرینگ مکانیکی استفاده می کنند(به طور معمول در یک طرح به اصطلاح طناب دار با بلبرینگ در انتهای پایین شافت و در ناحیه روتورهای مراحل پایین). پمپ های توربومولکولار باید با سرعت بسیار بالایی کار کنند و گرمای ایجاد شده در اثر اصطکاک موجب محدودیت در طراحی می شود. سرعت چرخش زیاد پمپ توربو(برخی از پمپ ها با قطر کوچک با سرعت ۶۰۰۰۰ دور در دقیقه کار می کنند) فشار جدی به بلبرینگ های شافت وارد می کند. پمپ های توربومولکولار دربرگیرنده این روش به روغن کاری نیاز دارند، و طول عمر پمپ بستگی به طول عمر بلبرینگ دارد و از آنجا که تعویض بلبرینگ یک کار تخصصی است، این کار باید با باز کردن پمپ و ارسال به کارخانه انجام شود.
گریس و روان کننده مورد استفاده در این روش نباید در فشار کاری پمپ بخار شود و موجب اختلال در خلاء ایجاد شده بشود. علاوه بر این، بلبرینگ های مکانیکی باعث پویایی کمتر روتور نسبت به سایر انواع بلبرینگ می شوند. با تمام مشکلات مطرح شده بلبرینگ های مکانیکی از مقاومت بالایی در برابر شوک های خارجی یا تهویه ناگهانی برخوردار هستند و همچنین فضای کمتری را اشغال می کنند.
یکی از جایگزین ها برای بلبرینگ های مکانیکی در پمپ های توربومولکولار ، بلبرینگ های مغناطیسی فعال پنج محوره(۲X, 2Y, Z) واقع در هر دو انتهای شافت روتور با سنسورهای موقعیت و کنترل میدان مغناطیسی متغیر هستند(Magnetic Levitated). در این بلبرینگ های مغناطیسی که یا از آهنربای دائمی برای پمپ های کوچک یا از ترکیبی از میدان های مغناطیسی دائمی و پویا استفاده می کنند، شافت بدون تماس است. پمپ های مغناطیسی شامل بلبرینگ های غیر تماسی هستند که بخار روغن در آن ها صفر است و بلبرینگ ها فرسوده نمی شوند. این پمپ ها در مقایسه با بلبرینگ های مکانیکی نیازی به روغن کاری ندارند، فرایندی عاری از هیدروکربن را موجب می شوند، طول عمر پمپ محدود به فرسایش بلیرینگ نمی شود، و لرزش بسیار کمی دارند.
به دلیل عدم وجود بلبرینگ های مکانیکی، در محیط هایی که توسط پمپ های توربومولکولار استفاده می شود، می توان از گازهای خورنده‌ای استفاده کرد که به طور معمول بلبرینگ های روغنی را در مدت زمان کوتاهی از بین می برد. در مقایسه با پمپ های توربومولکولاری که دارای بلبرینگ های مکانیکی هستند، پمپ هایی که از بلبرینگ مغناطیسی استفاده می کنند، آسیب پذیری بیشتری در برابر شوک های خارجی دارند. علاوه بر این، ابعاد بزرگ تری داشته و گران تر از پمپ هایی هستند که انواع دیگر بلبرینگ ها را به کار می برند.
یکی دیگر از انواع بلبرینگ های مورد استفاده در پمپ های توربومولکولار، بلبرینگ های هیبریدی هستند. بلبرینگ های هیبریدی دارای بلبرینگ مکانیکی واقع در انتهای “پایین” شافت روتور و یک جفت بلبرینگ مغناطیسی غیرفعال واقع در انتهای “بالای” شافت هستند. برخلاف سیستم های دارای دو بلبرینگ مکانیکی، طول عمر این واحدها عمدتا فقط با عمر یک بلبرینگ مکانیکی محدود می شود و همچنین به دلیل نبود بلبرینگ مکانیکی دوم، دارای لرزش کمتری هستند. مانند پمپ های توربومولکولار با بلبرینگ تمام مغناطیسی، پمپ های دارای بلبرینگ هیبریدی تحمل کمتری نسبت به شوک های خارجی داشته و ابعاد آن ها کمی بزرگتر از سیستم های دارای دو بلبرینگ مکانیکی است. طراحی بلبرینگ هیبریدی به گونه‌ای است که موجب پویایی مطلوب روتور می شود و امکان تعویض بلبرینگ در محل را نیز فراهم می کند.
