دسته های پمپ های خلاء (بر اساس فشار عملیاتی)

پمپ‌های خلاء بر اساس محدوده فشار عملکردشان دسته‌بندی می‌شوند و به این ترتیب به پمپ‌های اولیه، بوستر پمپ یا پمپ‌های ثانویه طبقه‌بندی می‌شوند. در هر محدوده فشار، چندین نوع پمپ مختلف وجود دارد که هر کدام از فناوری های متفاوتی استفاده می کنند و هر کدام دارای مزایای منحصر به فردی از نظر ظرفیت فشار، سرعت جریان، هزینه و نیازهای تعمیر و نگهداری هستند.

صرف نظر از طراحی آنها، اصل اساسی عملیات یکسان است. عملکرد پمپ های خلاء با حذف مولکول های هوا و سایر گازها از محفظه خلاء (یا از سمت خروجی پمپ خلاء بالاتر در صورت اتصال سری) است.

در حالی که فشار در محفظه کاهش می یابد، حذف مولکول های اضافی به طور نمایان سخت تر می شود. در نتیجه، یک سیستم خلاء صنعتی (شکل 1) باید بتواند در بخشی از فشار فوق‌العاده بزرگ کار کند که معمولاً از 1 تا 10-6 Torr فشار متغیر است. در تحقیقات و کاربردهای علمی، این به 10-9 Torr یا کمتر افزایش می یابد.

به منظور انجام این امر، چندین سبک مختلف از پمپ ها در یک سیستم معمولی استفاده می شود که هر کدام بخشی از محدوده فشار را پوشش می دهند و در مواقعی به صورت سری کار می کنند.

سیستم های خلاء در گروه بندی گسترده ای از محدوده فشار زیر قرار می گیرند:

•  خشن/کم: > اتمسفر تا 1 تور
•  متوسط: 1 Torr تا 10 ^-3 Torr
•  بالا: 10 ^-3 Torr تا 10 ^-7 Torr
•  فوق العاده بالا: 10 ^-7 Torr تا 10 ^-11 Torr
•  بسیار زیاد: < 10 ^-11 Torr

انواع مختلف پمپ ها برای این محدوده خلاء را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:

• پمپ های اولیه (پشتیبان): محدوده فشار خلاء خشن و کم.
• بوستر پمپ: محدوده فشار خلاء خشن و کم.
• پمپ های ثانویه (با خلاء بالا): محدوده فشار خلاء بالا، بسیار بالا و فوق العاده بالا.

شکل 1 – سیستم خلاء صنعتی معمولی (تصویر با اجازه ادواردز)

واژه شناسی

دو فناوری مورد استفاده پمپ های خلاء عبارتند از انتقال گاز و جذب گاز (شکل 2).
پمپ‌های انتقال با انتقال مولکول‌های گاز با تبادل تکانه (عمل جنبشی) یا جابجایی مثبت عمل می‌کنند. همان تعداد مولکول گاز که وارد پمپ می شود از پمپ تخلیه می شود و گاز در هنگام خروج کمی بالاتر از فشار اتمسفر است. نسبت فشار اگزوز (خروجی) به کمترین فشار بدست آمده (ورودی) را نسبت تراکم می گویند.

پمپ های انتقال جنبشی بر اساس اصل انتقال مومنتوم کار می کنند و گاز را به سمت خروجی پمپ هدایت می کنند تا احتمال افزایش حرکت مولکول به سمت خروجی با استفاده از تیغه های با سرعت بالا یا بخار وارد شده را فراهم کنند. پمپ‌های جنبشی معمولاً حجم‌های آب‌بندی ندارند، اما می‌توانند در فشارهای پایین به نسبت تراکم بالایی دست یابند.

پمپ های انتقال جابجایی مثبت با به دام انداختن مکانیکی حجمی از گاز و حرکت آن در پمپ کار می کنند. آنها اغلب در چند مرحله روی یک محور محرک مشترک طراحی می شوند. حجم جدا شده با فشار بیشتر به حجم کمتری فشرده می شود و در نهایت گاز فشرده شده به اتمسفر (یا به پمپ بعدی) خارج می شود. معمول است که از دو پمپ انتقال به صورت سری برای ایجاد خلاء و دبی بالاتر استفاده شود. به عنوان مثال، یک پمپ توربومولکولی (Kinetic) را می توان به صورت سری با یک پمپ اسکرول (جابه جایی مثبت) به عنوان یک سیستم بسته بندی شده خریداری کرد.

شکل 2 – انواع پمپ های خلاء (تصویر با اجازه ادواردز)

در پمپ پره ای دوار، گاز وارد درگاه ورودی می شود و توسط یک روتور غیرمرکز نصب شده که گاز را فشرده می کند و به دریچه خروجی انتقال می دهد، به دام می افتد (شکل 3). دریچه دارای بار فنری است و به گاز اجازه می دهد در صورت تجاوز از فشار اتمسفر تخلیه شود. از روغن برای آب بندی و خنک کردن پره ها استفاده می شود. فشار قابل دستیابی با پمپ دوار بر اساس تعداد مراحل استفاده شده و تحمل آنها تعیین می شود. یک طراحی دو مرحله ای می تواند فشار 1×10 ^-3 میلی بار را فراهم کند. سرعت پمپاژ آن 0.7 تا 275 متر ^بر ساعت (0.4 تا 162 فوت ^در دقیقه) است.

شکل 3 – مقطع یک پمپ مرطوب معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

شکل 4 – مقطع یک پمپ حلقه ای معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ دیافراگمی (خشک، جابجایی مثبت)

دیافراگم به سرعت توسط میله ای که بر روی بادامکی که توسط یک موتور می چرخد ​​خم می شود و باعث انتقال گاز در یک سوپاپ و خارج شدن از شیر دیگر می شود. جمع و جور و کم تعمیر است. طول عمر دیافراگم ها و شیرها معمولاً بیش از 10000 ساعت کار می باشد. پمپ دیافراگمی (شکل 5) برای پشتیبان پمپ های توربو مولکولی ترکیبی کوچک در کاربردهای تمیز و خلاء بالا استفاده می شود. این یک پمپ با ظرفیت کم است که به طور گسترده در آزمایشگاه های تحقیق و توسعه برای آماده سازی نمونه استفاده می شود. هنگامی که از پمپ دیافراگمی برای پشتیبان یک پمپ توربو مولکولی مرکب استفاده می شود، می توان فشار نهایی معمولی 5 x ^{10-8 mbar را به دست آورد.} محدوده سرعت پمپاژ آن 0.6 تا 10 متر ^بر ساعت (0.35 تا 5.9 فوت ³ در دقیقه) است.

شکل 5 – مقطع یک پمپ دیافرامی معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ اسکرول (خشک، جابجایی مثبت)

پمپ اسکرول (شکل 6) از دو طومار استفاده می‌کند که نمی‌چرخند، اما در جایی که طومار داخلی به دور حجمی از گاز می‌چرخد و آن را در حجمی رو به کاهش فشرده می‌کند. آن را فشرده کنید تا به حداقل حجم و حداکثر فشار در مرکز مارپیچ ها، جایی که خروجی قرار دارد، برسد. مهر و موم نوک پلیمری مارپیچی (PTFE) مهر و موم محوری بین دو طومار را بدون استفاده از روان کننده در جریان گاز جاروب شده فراهم می کند. فشار نهایی معمولی 1 × 10-2 ^mbar می تواند به دست آید. محدوده سرعت پمپاژ آن از 5.0 تا 46 متر بر ساعت (3.0 تا 27 فوت ^{بر دقیقه} در دقیقه) است.

شکل 6 – مقطع یک پمپ اسکرول معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ های تقویت کننده

روتس (خشک، جابجایی مثبت)

Roots (شکل 7) در درجه اول به عنوان یک تقویت کننده خلاء استفاده می شود و برای حذف حجم زیادی از گاز طراحی شده است. دو لوب بدون دست زدن و چرخش معکوس مشبک شده تا گاز را به طور مداوم در یک جهت از طریق پمپ منتقل کند. عملکرد پمپ اصلی/پشتیبان را افزایش می دهد، سرعت پمپاژ را تقریباً 7:1 افزایش می دهد و فشار نهایی را تقریباً 10:1 بهبود می بخشد. پمپ های ریشه می توانند دو یا چند لوب داشته باشند. فشار نهایی معمولی کمتر از ^10-3 Torr را می توان به دست آورد (در ترکیب با پمپ های اولیه). این می تواند به سرعت پمپاژ در حدود 100000 متر بر ساعت (58860 فوت ^3 در دقیقه) برسد.

شکل 7 – مقطع یک پمپ معمولی روتز ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ پنجه ای (خشک، جابجایی مثبت)

پمپ پنجه ای (شکل 8) دارای دو پنجه ضد چرخش است و مشابه پمپ Roots عمل می کند، با این تفاوت که گاز به جای انتقال از بالا به پایین، به صورت محوری انجام می شود. اغلب در ترکیب با پمپ ریشه استفاده می شود که یک ترکیب پمپ اولیه Roots-claw است که در آن یک سری مراحل ریشه و پنجه روی یک شفت مشترک وجود دارد. برای محیط های صنعتی خشن طراحی شده است و سرعت جریان بالایی را فراهم می کند. فشار نهایی معمولی 1 × 10 ^-3 میلی‌بار می‌تواند به دست آید. محدوده سرعت پمپاژ آن 100 تا 800 متر مکعب ^در ساعت (59 تا 472 فوت ^در دقیقه) است.

شکل 8 2  –  سطح مقطع پمپ پنجه ای معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز )

پمپ پیچ (خشک، جابجایی مثبت)

پمپ پیچ (شکل 9) از دو پیچ چرخان، یکی چپ و دیگری راست دست استفاده می کند که بدون دست زدن به آن مشبک می شود. چرخش گاز را از یک سر به سر دیگر منتقل می کند. پیچ ها به گونه ای طراحی شده اند که فضای بین آنها با عبور گاز کاهش می یابد و فشرده می شود و باعث کاهش فشار در انتهای ورودی می شود. این پمپ دارای ظرفیت بازده بالا، حمل و نقل خوب مایعات است و گرد و غبار و محیط های خشن را تحمل می کند. فشار نهایی معمولی تقریباً 1 x 10 ^-2 Torr را می توان به دست آورد. محدوده سرعت پمپاژ آن تا 750 متر بر ساعت (440 فوت ^3 در دقیقه) است.

شکل 9 – مقطع یک پمپ پیچ معمولی  ( تصویر  با اجازه ادواردز )

پمپ های ثانویه

پمپ های توربومولکولی (خشک، انتقال جنبشی)

پمپ‌های توربومولکولی (شکل 9) با انتقال انرژی جنبشی به مولکول‌های گاز با استفاده از پره‌های چرخشی و زاویه‌دار با سرعت بالا که گاز را با سرعت بالا به حرکت در می‌آورند، کار می‌کنند: سرعت نوک تیغه معمولاً 250 تا 300 متر بر ثانیه (670 مایل در ساعت) است. با انتقال تکانه از پره های دوار به گاز، احتمال حرکت مولکول ها به سمت خروجی بیشتر می شود. آنها فشار کم و سرعت انتقال پایینی دارند. فشار نهایی معمولی کمتر از 7.5 x 10 ^-11 Torr را می توان به دست آورد. محدوده سرعت پمپاژ 50 تا 5000 لیتر در ثانیه است. مراحل پمپاژ تیغه ای اغلب با مراحل درگ ترکیب می شوند که پمپ های توربومولکولی را قادر می سازد تا فشارهای بالاتر (> 1 Torr) تخلیه شوند.

شکل 9 – مقطع یک پمپ توربومولکولی معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ های انتشار بخار (تر، انتقال جنبشی)

پمپ‌های انتشار بخار (شکل 10) انرژی جنبشی را با استفاده از جریان روغن گرم شده با سرعت بالا به مولکول‌های گاز منتقل می‌کنند که گاز را از ورودی به خروجی می‌کشد و فشار کمتری را در ورودی ایجاد می‌کند. این پمپ ها دارای فناوری قدیمی تری هستند که عمدتاً توسط پمپ های توربومولکولی خشک جایگزین شده است. آنها قطعات متحرک ندارند و با هزینه کم قابلیت اطمینان بالایی را ارائه می دهند. فشار نهایی معمولی کمتر از 7.5 x 10 ^-11 Torr را می توان به دست آورد. محدوده سرعت پمپاژ 10 تا 50000 لیتر در ثانیه دارد.

شکل 10 – مقطع یک پمپ انتشار معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

Cryopump (خشک، گیر افتادن)

Cryopump (شکل 11) با جذب و ذخیره گازها و بخارات به جای انتقال آنها از طریق پمپ عمل می کند. آنها از فناوری برودتی برای منجمد کردن یا به دام انداختن گاز در یک سطح بسیار سرد (کریوتراکم یا جذب انجماد) در دمای 10 درجه کلوین تا 20 درجه کلوین (منهای 260 درجه سانتیگراد) استفاده می کنند. این پمپ ها بسیار موثر هستند اما ظرفیت ذخیره سازی گاز محدودی دارند. گازها/بخارهای جمع آوری شده باید به صورت دوره ای با گرم کردن سطح و پمپاژ آن از طریق پمپ خلاء دیگری (معروف به بازسازی) از پمپ خارج شوند. کرایوپمپ ها برای خنک کردن سطوح نیاز به کمپرسور تبرید دارند. این پمپ ها می توانند به فشار 7.5 x 10 ^-10 Torr دست یابند و دارای محدوده سرعت پمپاژ 1200 تا 4200 لیتر بر ثانیه هستند.

شکل 11 – مقطع یک Cryopump معمولی ( تصویر  با اجازه ادواردز)

پمپ های یونی پراکنده (خشک، گیرافتاده)

پمپ یون کندوپاش (شکل 12) گازها را با استفاده از اصول گرفتن (که به موجب آن مواد فعال شیمیایی با گازها ترکیب می شوند تا آنها را حذف کنند) و یونیزاسیون (مولکول های گاز رسانای الکتریکی ساخته می شوند و جذب می شوند) به دام می اندازد. یک میدان مغناطیسی بالا همراه با یک ولتاژ بالا (4 تا 7 کیلو ولت)، ابری از یون های الکترون مثبت (پلاسما) را ایجاد می کند که بر روی یک کاتد تیتانیوم و گاهی اوقات یک کاتد اضافی ثانویه متشکل از تانتالیوم رسوب می کند. کاتد گازها را می گیرد و در نتیجه یک فیلم گیرنده ایجاد می شود. این پدیده به عنوان کندوپاش نامیده می شود. کاتد باید به صورت دوره ای تعویض شود. این پمپ ها فاقد قطعات متحرک هستند، تعمیر و نگهداری پایینی دارند و می توانند فشاری به اندازه 7.5 x 10 ^-12 Torr داشته باشند. حداکثر پمپاژ آنها 1000 لیتر در ثانیه است.

شکل 12 3 – مقطع یک پمپ یونی معمولی

به طور خلاصه…

انواع مختلف پمپ‌های خلاء در اینجا به اختصار توضیح داده شده‌اند، اما برای درک کامل مزایا و محدودیت‌های هر فناوری، به بحث دقیق‌تری در مورد هر یک نیاز است.

پمپ‌های خلاء یکی از مهم‌ترین مجموعه‌هایی هستند که در کوره‌های خلاء عرضه می‌شوند. فرآیندهایی که اجرا می کنیم و کیفیتی که به دست می آوریم تابعی از عملکرد این سیستم ها است.