شکل 1 بلند کردن با کمک مکنده.

در این مقاله، ما قصد داریم یک قدم از پمپ‌ها و سیستم‌های خلاء فاصله بگیریم و در مورد برنامه‌های کاربردی کلی که در این فرآیند از خلاء استفاده می‌کنند، بنویسیم. ممکن است برخی از برنامه‌های کاربردی وجود داشته باشند که در مورد آنها شنیده‌اید و امیدوارم برخی برای شما جدید باشند. . هر گاه در فرآیندی از خلاء (فشاری کمتر از فشار اتمسفر اطراف) استفاده شود، به طور کلی در یکی از پنج دلیل اصلی استفاده از خلاء قرار می گیرد. در برخی موارد، یک فرآیند ممکن است به دو دلیل از پنج دلیل از خلاء استفاده کند. در این ماه اولین مورد از این دلایل را بدون ترتیب خاصی مطرح خواهم کرد.

1. برای تامین نیروی کار

ابتدا توضیح کوتاهی در مورد دو واحد اندازه گیری خلاء استفاده شده در این مقاله می پردازیم.

می دانیم که فشار اتمسفر استاندارد 14.7 پوند است. در ^-2 و اینکه فشار اتمسفر واقعی شما بسته به الف) شرایط آب و هوایی منطقه شما و ب) ارتفاع شما از سطح دریا چند درصد نسبت به استاندارد بالا و پایین تغییر می کند.

به یاد داشته باشید که فشار “کم” همان خلاء “بالا” است و برعکس خلاء “کم” همان فشار “بالا” است – اما هنوز در صنعت خلاء کمتر از فشار اتمسفر است. من تعداد کمی نوشته‌ام و مقالات فنی زیادی در مورد خلاء خوانده‌ام و اطمینان از سازگاری این اصطلاحات در کل بسیار دشوار است.

در مثال زیر همچنین باید درک کنیم که واحدهای اندازه گیری خلاء در جهت مخالف خوانده می شوند و ما باید یکی از آنها را تغییر دهیم. آیا این به نظر گیج کننده است؟ بله همینطور است.

شکل 2 فشار اتمسفر

فشار اتمسفر فشاری است که توسط مولکول های هوا که با یکدیگر برخورد می کنند، در یک ستون مربعی یک اینچی از هوا که از سطح دریا به بالا به آسمان می رسد، ایجاد می شود. روش دیگر نگاه کردن به آن، وزن مولکول های هوا است، 14.7 پوند، در همان ستون مربع یک اینچی، که 14.7 پوند بر فوت است. در ² . (شکل 2) در فشار اتمسفر، قرائت بر روی گیج خلاء حدود 14.7 psia است (پوند بر اینچ مربع مطلق راه دیگری برای نشان دادن lbsf در ² است و گاهی اوقات نوشتن آسان تر است) و با بهبود یا افزایش سطح خلاء، فشار به سمت 0 psia کاهش می یابد. هیچ سیستم خلاء تا به حال قادر به ایجاد دقیقا 0 psia – خلاء کامل – نبوده است، اما برخی از سیستم‌های خلاء علمی فشارهایی کمتر از فشار روی سطح ماه ایجاد کرده‌اند.

اینچ محدوده جیوه، که توسط توریچلی در فشارسنج جیوه ای خود استفاده می شود (شکل 3) دارای 30 اینچ ستون جیوه است که توسط فشار اتمسفر بر روی سطح جیوه در ظرف اصلی پشتیبانی می شود. این مقیاس از 0 اینچ جیوه در فشار اتمسفر شروع می شود و تا حدود 30 اینچ جیوه در چیزی که اغلب در برخی از صنایع مانند صنعت تبرید، خلاء کامل یا خلاء سخت نامیده می شود، افزایش می یابد. اگرچه فشار استاندارد جو معادل 14.7 psia و 29.92 اینچ است. این مقیاس ها دقیق نیستند و اعداد گرد شده اند. برای اینکه بتوانیم این دو مقیاس را با هم مقایسه کنیم، اندازه‌های جیوه را برمی‌گردانیم.

بیایید به مثال واقعی استفاده از خلاء برای انجام کار برگردیم.

اگر سیستم جاروبرقی شما تحت هر سطحی از خلاء باشد، اختلاف فشار بین داخل و خارج حجم تخلیه شده وجود دارد. از این دیفرانسیل فشار می توان برای انجام کار استفاده کرد. (عکس. 1)

شکل 3 فشارسنج جیوه Torricelli.

در این کاربرد، قاب بالابر دارای شش مکنده است و به نظر می رسد که یک ورق فولادی ضخیم در حال بلند شدن و جابجایی است. بیایید “اعداد” را انجام دهیم و ببینیم که ساکشن کاپ ها چقدر وزن می توانند بلند کنند. در محدوده “خلاء خشن” خوانش خلاء اغلب با استفاده از مقیاس 0 تا 30 اینچ جیوه بیان می شود. برای این نوع کاربرد از یک پمپ خلاء خشن استفاده می شود، یعنی یک پمپ خلاء که می تواند خلاء بین حدود 5 اینچ جیوه و حدود 29 اینچ جیوه تولید کند.

این طیف گسترده ای است، معادل از 635 Torr تا 25 Torr در گیج های خلاء که عموماً در صنعت عملیات حرارتی خلاء استفاده می شود، و تعدادی پمپ خلاء وجود دارد که می توانند خلاء را در این محدوده تولید کنند. با این حال، اگر پمپ خلاء انتخاب شده باید حداقل 26 اینچ جیوه خلاء ایجاد کند و همچنین سرعت پمپاژ مورد نیاز 10 cfm را داشته باشد، پمپ خلاء انتخابی ممکن است یک پمپ پیستونی رفت و برگشتی سبک صنعتی باشد که شبیه کمپرسور هوا است. این نوع پمپ خلاء طراحی مشابه کمپرسور هوای رفت و برگشتی دارد اما دریچه ها معکوس هستند. سرعت پمپاژ بر اساس تعداد مکنده های استفاده شده، تعداد قاب های بالابر استفاده شده در هر زمان و برای نشتی انتخاب می شود، به عنوان مثال، اگر زیر لبه مکنده زباله وجود داشته باشد.

اگر اندازه موثر، قطر داخلی جایی که سطح بالابر را لمس می کند، ساکشن کاپ 6 اینچ باشد، می توانیم سطح موثری را که برای بلند کردن محصول در دسترس است محاسبه کنیم. برای این مثال می‌توانیم اعدادی را که به‌عنوان ضریب ایمنی استفاده می‌شوند، در حین انجام محاسبات به کار ببریم.

یک دایره دارای مساحت pi r ² است. برای فنجان مکش قطر شش اینچ، این اندازه 3.142 x 3 x 3 = 28.278 اینچ مربع می شود. بیایید از 28 اینچ مربع، ضربدر 6 استفاده کنیم، که مساحت کل بالابری 168 اینچ مربع را نشان می دهد.

شکل 4 یک “انتخاب” خلاء برای بلند کردن وسایل کوچک.

اکنون باید اختلاف فشار بین فشار اتمسفر و سطح خلاء داخل مکنده را محاسبه کنیم. برای محاسبه این باید اینچ از سطح خلاء جیوه که در بالا ذکر شد را به psia تبدیل کنیم و نسبت آسانی بین آنها وجود دارد. یکی 15 به 0 و دیگری 0 به 30 است. این نسبت 2:1 است.

اگر پمپ خلاء بتواند مخزن ذخیره (گیرنده) خود را تا حدود 26 اینچ جیوه تخلیه کند، باید مقداری تلفات را در لوله‌کشی و شیلنگ‌های خلاء که گیرنده را به کاپ‌های مکنده متصل می‌کنند، فرض کنیم. فرض کنید کاهش 2 اینچ جیوه است. بنابراین مکنده موثر مکنده ما 24 اینچ جیوه است. اکنون باید خواندن را برگردانیم و آن را به psia تبدیل کنیم.

30 – 24 = 6 و سپس 6 تقسیم بر 2 = 3 psia.

فشار اتمسفر 15 psia است، بنابراین فشار تفاضلی که می توان برای بلند کردن استفاده کرد، در این مثال، 15 – 3 = 12 psia است.

اکنون به کل ناحیه بالابری که توسط شش مکنده تامین می شود برمی گردیم و آن را در فشار دیفرانسیل ضرب می کنیم. که موارد زیر را به دست می دهد:

168 x 12 = 2016 پوند. نیروی بالابر، کمی بیش از 1 تن.

در نهایت، ما باید یک ضریب ایمنی را برای آن عدد اعمال کنیم، زیرا نمی‌خواهیم آن صفحه فولادی روی انگشتان اپراتور بیفتد، حتی اگر کفش‌های او کلاهک فولادی داشته باشد! شاید برای این نوع محصول از ضریب ایمنی 60% استفاده شود که به قاب مکنده حداکثر ظرفیت بالابری حدود 1200 پوند می دهد. فاکتورهای ایمنی اعمال شده بسته به وزن، اندازه، شکل و پرداخت سطح قطعه ای که بلند می شود متفاوت خواهد بود.

این مثال نشان می‌دهد که خلاء، یا به‌طور صحیح‌تر، اختلاف فشار ایجاد شده با استفاده از خلاء، می‌تواند یک وزنه سنگین را بلند کند. جاروبرقی در صنعت خودروسازی برای جابجایی شیشه های جلو در موقعیت، در صنعت چاپ برای جابجایی ورق های کاغذ، در صنایع غذایی برای جابجایی کیسه ها یا بسته های محصول و بسیاری از کاربردهای صنعتی و علمی دیگر برای جابجایی مواد استفاده می شود. همچنین کاربردهایی وجود دارد که در آنها از خلاء “برگزیده” (شکل 4) برای برداشتن و جابجایی محصولات بسیار سبک وزن مانند مدارهای مجتمع (تراشه های کامپیوتری) و قطعات الکترونیکی کوچک استفاده می شود.

2. برای حذف اجزای فعال و واکنشی

فرآیندهای خلاء چرخه ای

شکل 5. روکش کریستالی کوچک.

برای بسیاری از کاربردهای خلاء، فرآیند چرخه ای است. حجم کار در اتاقک قرار می گیرد، اتاق تخلیه می شود و فرآیند انجام می شود. سپس محفظه به فشار اتمسفر برگشت داده می شود و حجم کاری فرآیند حذف می شود. این چرخه‌ها می‌توانند در مورد پوشش دادن یک بلور ارتباطی کوچک (شکل 5) کوتاه باشند (شکل 5) تا فرکانس خاصی به آن داده شود، یا در مورد یک چرخه عملیات حرارتی که ممکن است شامل تخلیه باشد، می‌تواند چندین ساعت طول بکشد. گرمایش، خیساندن، سرمایش و در نهایت بازگشت به فشار اتمسفر. در این نوع چرخه، اصلی ترین “تشکیل دهنده” حذف شده “هوا” است.

با این حال، “هوا” کمی پیچیده تر از آن چیزی است که به نظر می رسد. بیایید ببینیم چه گازهای اصلی در هوای خشک وجود دارد، به شکل 6 مراجعه کنید. دو یا سه گاز کمیاب وجود دارد که شامل آنها نمی شود و مجموع آنها دقیقاً به 100٪ نمی رسد. در هوای معمولی که تنفس می کنیم، مقدار کمی بخار آب نیز وجود دارد. به دلیل رطوبت در هر مکان خاص متفاوت است و می تواند از کمتر از 0.01٪ تا بیش از 5٪ باشد. به طور متوسط، در دمای اتاق، ممکن است نزدیک به 1.57٪ باشد.

بخار آب از بسیاری از مولکول های هوا (نیتروژن و اکسیژن) سبک تر است و هوا می تواند تا زمانی که به فشار بخار اشباع خود برسد، درصدی از رطوبت را در خود داشته باشد، همچنین بسته به دما. اگر مقدار بخار آب از فشار بخار اشباع شده بیشتر شود، رطوبت اضافی به شکل باران یا برف خارج می شود. در داخل خانه خود، ممکن است بخار آب اضافی (رطوبت) را به صورت تراکم روی یک شیشه پنجره سرد مشاهده کنید.

در دنیای صنعتی یا علمی، پدیده های مشابهی در داخل سیستم خلاء وجود دارد. زمانی که یک فرآیند خلاء چرخه ای داریم و محفظه باز می شود تا هوا با فشار اتمسفر شامل گازهای خشک و بخار آب وارد محفظه شود. این مولکول های نامرئی بسیار کوچک با سرعت بسیار بالایی در حال حرکت هستند و به قدری متراکم در کنار هم قرار گرفته اند که در هر ثانیه چندین بار با یکدیگر و سطوح داخل محفظه خلاء برخورد می کنند. این برخوردها و نیروهای ناشی از آن هستند که فشار اتمسفر نزدیک به 14.7 psia (پوند بر اینچ مربع مطلق) ایجاد می کنند.

هنگامی که مولکول های هوای “خشک” با یک سطح برخورد می کنند، تمایل دارند برای مدت بسیار کوتاهی روی سطح بمانند و سپس در جهتی کاملا تصادفی از سطح خارج شوند. پیوند اتمی بین مولکول و سطح بسیار ضعیف است و مولکول به راحتی از سطح دور می شود. در فشارهای نزدیک به فشار اتمسفر (760 Torr) مولکول به دلیل چگالی هوا خیلی سریع با مولکول های دیگر برخورد می کند. این کمتر از یک ده هزارم اینچ خواهد بود. در این شرایط مولکول ها در شرایط جریان ویسکوز هستند.

در فشارهای حدود 0.01 Torr (10 میکرون)، مولکول ممکن است قبل از برخورد با مولکول دیگر حدود یک سوم اینچ حرکت کند. همانطور که فشار (و در نتیجه چگالی) در سیستم خلاء کاهش می‌یابد، مولکول‌ها به تدریج مسافت‌های طولانی‌تری را پیش از برخورد با مولکول‌های دیگر یا سطح دیگری طی می‌کنند. اگر فشار بیشتر کاهش یابد، احتمال برخورد مولکول گاز با سطح دیگری در داخل محفظه خلاء بیشتر می شود تا اینکه با مولکول دیگری برخورد کند. در این نقطه و در فشارهای پایین تر، مولکول های گاز در شرایط جریان مولکولی هستند.

بنابراین، با توجه به موارد فوق، بیشتر مولکول‌های گاز خشک وقتی می‌خواهیم یک سیستم خلاء را برای اجرای یک فرآیند تخلیه کنیم، مشکل چندانی ندارند. مولکول‌های سبک مانند هیدروژن و هلیوم می‌توانند آهسته‌تر از مولکول‌های سنگین‌تر تخلیه شوند، اما در هوا نادر هستند و معمولاً مشکل زیادی ایجاد نمی‌کنند. مولکول اصلی گاز خشک که نیاز به حذف از محفظه خلاء دارد، اکسیژن است. اکسیژن واکنش پذیر است، می تواند با مولکول های دیگر ترکیب شود و مهمتر از همه اگر فرآیند شامل گرما باشد، باعث سوختن می شود.

شکل 6. گازها در هوای خشک (%).

در صنعت عملیات حرارتی، اگر زمانی که محصول برای پردازش گرم شود، مولکول‌های اکسیژن زیادی وجود داشته باشد، ممکن است اکسید شوند. پمپ‌های خلاء برای کاهش درصد مولکول‌های اکسیژن به سطح پایینی که مشکلی ایجاد نمی‌کنند استفاده می‌شوند. من مطمئن هستم که بسیاری از اپراتورها دیده اند که قطعات اکسیده شده از کوره بیرون می آیند که مشکلی در پمپ پایین می رود. در صورت از دست دادن خلاء عمده، اکسیداسیون ممکن است در سراسر محصول باشد یا در صورت ایجاد نشتی کوچک در طول فرآیند، ممکن است به مناطق خاصی از محفظه محدود شود.

بخار آب دومین ماده تشکیل دهنده جو است که می تواند در فرآیند خلاء شما مشکل ایجاد کند. بخار آب پیوند اتمی قوی‌تری نسبت به گازهای خشک دارد و این باعث می‌شود که مولکول‌های بخار آب مدت‌ها قبل از رها شدن به سطوح داخلی سیستم بچسبند و بتوان آنها را تخلیه کرد. اگر آب را در کتری روی اجاق گاز در خانه بجوشانیم، قبل از اینکه مولکول های آب انرژی کافی برای رها شدن از مایع داشته باشند و خروجی کتری را به صورت بخار خارج کنند، باید با گرم کردن آن تا دمای 212 درجه فارنهایت، به آن انرژی بدهیم. این به دلیل فشار اتمسفر 14.7 پوند در هر اینچ مربع بر سطح آب است.

در سیستم خلاء، هنگامی که فشار توسط پمپ های خلاء به حدود 18 Torr کاهش می یابد، مولکول های آب در سطح داخلی محفظه در حدود 68 درجه فارنهایت (دمای اتاق) از سطح آزاد یا تبخیر می شوند و به دور پمپ می شوند. به همین دلیل است که در بسیاری از سیستم های خلاء بزرگ از بوسترهای Roots یا Roots Blowers در این ناحیه فشار استفاده می شود. در مدت زمان کوتاهی، با کاهش فشار در ناحیه 50 تا 5 Torr، حجم زیادی بخار آب از محفظه و سطوح محصول در داخل محفظه آزاد می‌شود و باید به سرعت تخلیه شود (پمپ زده شود). بوستر پمپ Roots برای کار در این ناحیه تحت فشار طراحی شده است و سرعت پمپاژ بالایی دارد. این می تواند حجم زیادی از بخار آب را تخلیه کرده و آن را به پمپ زبر منتقل کند تا به اتمسفر بازگردد.

اگر سیستم خلاء از گرما به عنوان بخشی از فرآیند استفاده کند، محفظه را می توان از قبل گرم کرد تا به بخار آب انرژی بیشتری بدهد و آن را تشویق به رها شدن از سطوح کند. سطوح تمیز و صاف در داخل محفظه خلاء ترجیح داده می شود اما همیشه امکان پذیر نیست. از مواد متخلخل داخل محفظه باید اجتناب شود، این نوع مواد ممکن است به دلیل سوراخ های کوچکی که در آن وجود دارد سطح فوق العاده زیادی داشته باشد، وقتی محفظه باز است بخار آب را جذب می کند و بخار آب را به کندی آزاد می کند. برخی از مواد عایق ممکن است این نوع بافت را داشته باشند.

در هوای مرطوب، سیستم‌های پوشش خلاء بزرگ به ویژه مستعد جذب رطوبت هستند، مگر اینکه محفظه بسیار تمیز نگه داشته شود. این امر به ویژه برای سیستم‌هایی که آلومینیوم را بر روی فلزات پلاستیکی تبخیر می‌کنند و ممکن است یک چرخه کامل را هر ساعت یا بیشتر انجام دهند، صادق است. لایه به لایه مواد پوشش دهنده تمایل به جذب رطوبت دارد و باعث می شود که تخلیه برای رسیدن به خلاء فرآیند طولانی تر شود. استفاده از لاینرها در داخل دیواره‌های محفظه راهی برای کاهش این مشکل است، آنها بخش عمده‌ای از آلودگی را دریافت می‌کنند و پس از طولانی شدن زمان خاموشی پمپ، می‌توان آن‌ها را برای نمونه‌های تمیز تعویض کرد. آسترهای تمیز به پمپاژ سریعتر اجازه می دهند در حالی که آسترهای آلوده را می توان برای آماده شدن برای تعویض بعدی تمیز کرد.

برخی از سیستم های خلاء از تله های سرد برای جذب این بخار آب قبل از رسیدن به پمپ خلاء مهر و موم شده استفاده می کنند، زیرا در صورت متراکم شدن بخار آب در روغن، کمترین فشار قابل دستیابی توسط پمپ خلاء به خطر می افتد. تله‌های سرد به خوبی کار می‌کنند، اما برای از بین بردن رطوبت محبوس شده در هر چرخه یا شاید در پایان یک شیفت، به خدمات/نگهداری نیاز دارند. گزینه دیگری برای کاهش میزان متراکم شدن بخار آب در روغن پمپ خلاء، استفاده از شیر بالاست گاز در طول مدت زمانی است که بخار آب پمپ می شود و شاید بالاست گاز اضافی بین چرخه ها برای کمک به پاک نگه داشتن روغن از آلودگی بخار آب است.

در سیستم‌های خلاء که از محفظه‌های شیشه زنگوله استفاده می‌کنند، دیدن ابری از بخار آب برای چند میلی ثانیه در نقطه‌ای که بخار آب از سطوح داخلی تکامل می‌یابد، غیرعادی نیست.

در نتیجه گیری برای این بخش، سیستم های چرخه ای، “دشمنان” اصلی فرآیند اکسیژن و بخار آب هستند.

فرآیندهای خلاء مداوم

شکل 7. سیستم خلاء درون خطی.

این نوع سیستم در هنگام حذف اجزای فعال و واکنش پذیر مشکلات مختلفی دارد. برخی از سیستم‌ها می‌توانند سیستم‌های قفل بار درون خطی باشند و محفظه یا محفظه‌های مرکزی پس از راه‌اندازی کل سیستم در خلاء باقی می‌مانند. برخی دیگر ممکن است چندین محفظه قفل بار و پردازش با یک بازوی ربات خودکار مرکزی برای انتقال محصول از یک محفظه به محفظه دیگر داشته باشند. این نوع «ابزار خوشه‌ای» معمولاً برای پردازش ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌شود که در نهایت مدارهای مجتمع (تراشه‌های رایانه‌ای) زیادی روی آن‌ها ساخته می‌شوند.

در سیستم های فرآیند خلاء خطی

سیستم های درون خطی، شکل 7، دارای محفظه های قفل بار هستند که برای انتقال محصول در حال پردازش به داخل و خارج از محفظه های فرآیند استفاده می شود. آنها به روشی مشابه سیستم های چرخه ای بالا عمل می کنند اما چرخه های هوا به خلاء بسیار بیشتری را مشاهده می کنند. در واقع، پمپ‌های مورد نیاز برای عملکرد قفل بار باید با دقت انتخاب شوند، زیرا بارهای فشار بالا (فشار اتمسفر) مکرر را مشاهده می‌کنند و این باعث می‌شود که پمپ‌ها گرم‌تر از زمانی که عمدتاً در فشار پایین کار می‌کنند، کار کنند. این سیستم‌ها می‌توانند هر دو یا سه دقیقه یک بار نیاز به تخلیه از فشار اتمسفر به خلاء داشته باشند که برای پمپ‌های خلاء سخت است و به دلیل کاربرد دشوار، اغلب به تعمیر و نگهداری اضافی نیاز دارند. هر قفل بار و هر محفظه فرآیند دارای مجموعه پمپ های خلاء مخصوص به خود خواهند بود. در شکل

با این حال، خود اتاق‌های فرآیند پس از تخلیه به فشار عملیاتی و شروع فرآیند، جو را نمی‌بینند. این سیستم ها اغلب دارای گازهایی هستند که به عنوان بخشی از فرآیند وارد محفظه فرآیند می شوند. این گازها یک واکنش شیمیایی روی بستر ایجاد می‌کنند و سپس گازهای واکنش‌دهنده باید به سرعت توسط پمپ‌های خلاء آماده برای بار فرآیند بعدی که از طریق قفل بار وارد می‌شود، خارج شوند. سایر فرآیندها ممکن است پساب جامد را به شکل گرد و غبار ریز ایجاد کنند و این پساب به سمت پمپ های خلاء تخلیه می شود. مجموعه‌های پمپ روغن‌بند ممکن است از تله‌های ورودی برای گرفتن این آلاینده قبل از رسیدن به پمپ استفاده کنند یا ممکن است از پمپ‌های خشک استفاده شود و آلاینده‌ها پس از عبور از مکانیسم پمپ جذب شوند.

ابزارهای پردازش نیمه هادی

همانطور که در بالا گفته شد، ابزارهای خوشه ای شامل تعدادی محفظه فرآیند هستند که در اطراف یک محفظه خلاء مرکزی به نام محفظه انتقال نصب شده اند. هر محفظه پمپ های خلاء مخصوص به خود را دارد و بسته به فرآیند خاص ممکن است در سطوح خلاء مختلف کار کند. قفل های بار دارای یک دریچه گیت خلاء در ورودی از خارج هستند و دیگری برای ارسال بار به بازوی ربات در محفظه انتقال. یک بار ممکن است از یک نگهدارنده ویفر مخصوص به نام کاست تشکیل شده باشد که بیست و پنج ویفر سیلیکونی را در خود جای می دهد. کاست ممکن است در قفل بار بماند اما دریچه دروازه داخلی باز است تا به بازوی ربات اجازه دهد ویفری را انتخاب کند و آن را به محفظه پردازش اول منتقل کند.

شکل 8. “ابزار خوشه ای” نیمه هادی.

در شکل 8 مجموعه پمپ خشک بزرگتر/پمپ روتز نشان داده نشده است که در زیرزمین زیر ابزار قرار دارد. این ابزارها به پمپ های زیادی نیاز دارند که اغلب برای صرفه جویی در فضا، آنها را در دو ارتفاع روی هم قرار می دهند. در چند سال گذشته، سازندگان شروع به استفاده از درایوهای فرکانس متغیر کرده اند تا پمپ ها در صورت نیاز سریعتر کار کنند. این باعث می شود که ردپای پمپ ها کوچکتر شود و همچنین نیاز برق را کاهش می دهد. این نوع ابزار دارای کنترل های بسیار هوشمندانه ای است تا اطمینان حاصل شود که هر مرحله از فرآیند در هر اتاق به درستی انجام می شود. خدا را شکر برای کنترل کامپیوتر!

از داخل اتاق های تمیز، یک مرکز تولید نیمه هادی “فب” بسیار بکر به نظر می رسد. همه اپراتورها کت و شلوار اسم حیوان دست اموز، پوشش مو و چکمه پوشیده اند. اما، همانطور که فرآیندها روی ویفرها انجام می شود – تعدادی از مراحل پوشش و اچ کردن – مقدار زیادی پساب مخلوط گاز خطرناک توسط پمپ های خلاء تخلیه می شود. داخل محفظه های فرآیند، خطوط خلاء، پمپ های خلاء و حتی خطوط اگزوز پر از گازهایی هستند که ممکن است در صورت تنفس شما را بکشند، در صورت مشاهده اکسیژن ممکن است خود به خود احتراق شوند، می توانند به مواد جامد تبدیل شوند و خطوط لوله را مسدود کنند و احتمالاً خطوط لوله را مسدود کنند. چندین نتیجه ناخوشایند دیگر که ذکر نشده است.

گازهای خطرناکی که برای ایجاد واکنش های شیمیایی استفاده می شوند عبارتند از: سیلان، آرسین، فسفین، نیتروژن تری فلوراید و فلوراید تنگستن.

پمپ های خلاء باید مخلوط های نامطلوب گازهای راکتیو را گرفته و از طریق مکانیزم پمپ فشرده کرده و به تجهیزات کاهش اگزوز تخلیه کنند. در بسیاری از موارد، این پساب به قدری خطرناک است که قبل از تخلیه مجدد به اتمسفر، باید به گازهای ایمن واکنش شیمیایی داده و/یا سوزانده شود.

در مورد بخارات میعان، گاهی لازم است پمپ خلاء را در دمای مشخصی راه اندازی کرد و خطوط خلاء را گرم کرد تا از جامد شدن بخارات قابل چگالش جلوگیری شود. بسیاری از فرآیندهای نیمه‌رسانا که از واکنش‌های شیمیایی برای پوشاندن ویفرها استفاده می‌کنند و سپس مواد را در محفظه‌ای دیگر حکاکی می‌کنند، از تصفیه‌های نیتروژن بی‌اثر استفاده می‌کنند. نیتروژن با مخلوط های شیمیایی خطرناک واکنش نشان نمی دهد، اما از سطوح داخلی پمپ در برابر خوردگی محافظت می کند، به دمیدن آلاینده های جامد از طریق مکانیسم کمک می کند و گازها را به مخلوط های کم خطر رقیق می کند.

در نتیجه، برای فرآیندهای پیوسته، پمپ‌های خلاء گازهای فرآیند را از محفظه آماده برای مرحله فرآیند بعدی خارج می‌کنند و همچنین متناسب با مخلوط گاز خاصی که در حال واکنش است تنظیم می‌شوند.

شکل 9. کیسه های خلاء (برای کامپوزیت ها)

3. برای حذف گازهای به دام افتاده و محلول

گازهای به دام افتاده

در یک سیستم خلاء صنعتی معمولی، هنگام ساخت سیستم و هر بار تخلیه و بارگیری مجدد یک سیستم چرخه ای، می توان هوای اتمسفر را به دام انداخت. یک مثال، وسایلی است که به براکت‌های روی دیوار محفظه پیچ می‌شوند. اگر پیچ و مهره های ایمن در سوراخ های کور قرار داده شوند، گاز می تواند در پایین سوراخ گیر کند. با یک پیچ معمولی در یک سوراخ کور، تنها راه فرار برای مولکول‌های گاز در امتداد شکل نخ است که در آن فضایی در قسمت ریشه و تاج نخ وجود دارد. اگر سوراخ کور اجتناب ناپذیر باشد، پیچ و مهره هایی که دارای سوراخ هستند به هوا اجازه می دهند به راحتی در طول بخش تخلیه فرآیند خارج شود. شرکتی در آمریکا وجود دارد که در این نوع پیچ و مهره ها تخصص دارد. استفاده از سوراخ های کوبیده شده این مشکل را برطرف می کند.

شکل 10. یک سیستم گاز زدایی یورتان کوچک

اگر یک فیکسچر را با پیچ و مهره یا مهره و واشر در جای خود نگه دارید، هوا می تواند در فضای اطراف پیچ در سوراخ خلاصی حبس شود. مجدداً هوا در طول تخلیه به آرامی از بین می رود و زمان خاموشی پمپ را طولانی می کند. حتی سطوح جفت گیری می توانند هوا را در زیر خود به دام بیندازند که باعث تخلیه کندتر می شود زیرا هوای محبوس شده به آرامی آزاد می شود.

نمونه دیگری از گازهای به دام افتاده در صنعت عملیات حرارتی زمانی است که از مواد عایق متخلخل استفاده می شود. هوا با فشار اتمسفر به ماده متخلخل که دارای سطح داخلی بسیار بزرگی است جذب می شود و سپس در حین تخلیه به دلیل رسانایی کم گاز از فضاهای بسیار ریز در ماده به کندی آزاد می شود.

در صنعت تبرید و تهویه مطبوع، لوله‌های حفره کوچک دارای بخار آب در داخل لوله‌ها در حین ساخت یا زمانی که مجموعه‌هایی مانند کویل‌های خنک‌کننده در مغازه ذخیره می‌شوند، جذب می‌شوند. این بخار آب باید پس از مونتاژ و قبل از شارژ شدن مبرد به سیستم حذف شود. هر بخار آبی که حذف نشده باشد ممکن است برای یخ زدن در شیر انبساط کافی باشد و باعث توقف کار سیستم شود. در فرآیند انبساط مبرد از گرما استفاده می شود که باعث سرد شدن یخچال و یا خنک کردن هوای دمیده شده روی کویل های آن توسط تهویه مطبوع می شود. هر آبی در مبرد در نقطه ای که انبساط اتفاق می افتد منجمد می شود و جریان را مسدود می کند. هر بار که یک دستگاه تبرید سرویس می‌شود، قبل از افزودن مبرد جدید، باید آن را کم آب کرد.

شکل 11. سیستم گاززدایی با پروانه موتوری

گفته می شود که این بخار آب به دام افتاده است زیرا حذف آسان و سریع آن دشوار است. با تخلیه لوله، بخار آب به آرامی از سطوح داخلی خارج شده و پمپاژ می شود. فشار بخار آب در دمای اتاق حدود 18 تور است. این فرآیند به دلیل شرایط جریان کم (رسانایی کم) در داخل لوله سوراخ کوچک در فشار کم می تواند چندین ساعت طول بکشد.

فرآیندی به نام Vacuum Bagging برای حذف بخارات و حالت دادن به فایبرگلاس و سایر قالب‌گیری‌های مواد کامپوزیتی لایه‌ای استفاده می‌شود. لایه‌های مواد می‌توانند حباب‌های هوا را به دام بیندازند و بخار در حین خشک شدن از مواد مرطوب خارج می‌شود. از آن برای ساخت اقلام کامپوزیتی برای قایق، هواپیما، اتومبیل، دوچرخه و بسیاری از محصولات دیگر که به قطعات استحکام و وزن سبک نیاز است استفاده می شود. “لایه‌آپ” موادی که قرار است در کیسه‌های خلاء قرار گیرند با یک ماده متخلخل و سپس با یک پوشش لاستیکی یا پلاستیکی پوشانده می‌شود که در لبه‌ها مهر و موم شده است. مواد متخلخل به هوا و بخارات محبوس شده اجازه می دهد تا از طریق آن حرکت کنند تا به یک یا چند اتصال خلاء در کیسه انعطاف پذیر برسند و پمپ شوند. این فرآیند بسته به اندازه چیدمان و مواد مورد استفاده ممکن است چند روز طول بکشد. شکل 1 یک مقطع را از طریق یک کیسه خلاء معمولی نشان می دهد.

شکل 12. یک سیستم گاززدایی اورتان ساده شده

توجه داشته باشید که از وکیوم برای خشک کردن محصولاتی مانند اقلام پزشکی استریل شده، برخی غذاها و قطعات صنعتی پس از پردازش مرطوب نیز استفاده می شود. فرآیند خشک کردن دیگری به نام خشک کردن انجمادی برای خشک کردن محصولات حساس به دما مانند واکسن ها، گل ها و سایر مواد غذایی استفاده می شود. در این فرآیند، محصول از قبل منجمد شده و سپس در خلاء قرار می گیرد. در خلاء، یخ بدون عبور از فاز مایع، به بخار آب تبدیل می‌شود. بخار آب روی یک کندانسور سرد که بین محفظه اصلی و پمپ خلاء قرار دارد جمع آوری می شود. این فرآیندها همچنین ممکن است به عنوان “دلیل 2، حذف گازهای فعال و راکتیو” طبقه بندی شوند.

گازهای محلول در مایعات

گاز زدایی با خلاء

تعدادی از مایعات در صنعت برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند و عموماً باید خالص باشند و یا ممکن است فرآیند تحت تأثیر قرار گیرد. در طول عملیات اختلاط و ریختن گاز می تواند به صورت حباب های کوچک در مایع محبوس شود. برخی از حباب های گاز ممکن است قابل مشاهده باشند و برخی دیگر ممکن است در مایع حل شوند و با چشم غیرمسلح نامرئی باشند.

شکل 13. خشک کن و گاززدایی روغن ترانسفورماتور

یورتان‌ها اغلب برای محصولات قالب‌گیری شده کوچک مانند شاخه‌ها، درپوش‌ها، درپوش‌ها، ضربه‌گیرها و حتی لاستیک‌های لیفتراک استفاده می‌شوند. حباب های گاز در چهار مورد اول باعث می شود که آنها بی کیفیت به نظر برسند. حباب های موجود در لاستیک های لیفتراک ممکن است باعث فرسودگی سریع و عمر کوتاه تر شود.

رزین ها برای ریخته گری قطعات و فیگورهای تزئینی و همچنین برای گلدان سازی قطعات الکترونیکی کوچک استفاده می شود. شرکتی که زمانی از آن بازدید کردم، مجسمه‌های Dungeon و Dragon را قالب‌گیری می‌کرد.

پمپ های خلاء پره ای دوار تک مرحله ای اغلب برای گاز زدایی یورتان و سایر مایعات تا حدی چسبناک قبل از ریختن آنها در قالب استفاده می شود. بسته به ویسکوزیته مایع، زمانی که خلاء به زیر نیم اتمسفر (380 Torr) رسید، گاز زدایی می شود. مقدار مایعی که در یک زمان گاز زدایی می‌شود بسته به محصول می‌تواند از چند اونس تا چندین گالن متفاوت باشد، اما فرآیند کاملاً مشابه است.

شکل 14. جاروبرقی بزرگ/پرس. Impreg. سیستم

یک سیستم قالب گیری کوچک در شکل 10 نشان داده شده است. در این سیستم، یک ظرف با اورتان در آن در محفظه خلاء قرار می گیرد و درب اکریلیک در بالای آن قرار می گیرد. درب شفاف به اپراتور این امکان را می دهد که فرآیند را تماشا کرده و سرعت گاز زدایی آن را کنترل کند. گاز زدایی از رزین، لاک و اورتان می تواند باعث ایجاد کف زیاد شود. همانطور که حباب های گاز در مایع به سمت بالای مایع حرکت می کنند، منبسط می شوند و می ترکند، گاز محبوس شده را به داخل محفظه رها می کنند، جایی که توسط پمپ خلاء تخلیه می شود. برای کاهش کف کردن، نرخ افت فشار توسط یک دریچه مانند یک شیر توپی در خط خلاء خارج از محفظه کنترل می شود. به دلیل کف کردن، ظرف نگهدارنده مایع اغلب دارای نسبت عمق به قطر بالایی است تا کف از آن بیرون نریزد.

در سیستم‌های بزرگ‌تر با گالن‌های مایع به گاززدایی، یک مکانیسم همزن اغلب به محفظه اضافه می‌شود تا مایع را به آرامی از پایین محفظه به سمت بالا حرکت دهد. حباب های گاز زمانی که در نزدیکی بالای مایع قرار گیرند و وزن کمتری از مایع بر روی آنها فشار داده شود، راحت تر از مایع خارج می شوند. محفظه نشان داده شده در شکل 11 دارای یک درام 55 گالنی است که در آن بارگذاری شده است و یک همزن موتوری که از طریق درب آن نصب شده است. شکل 12 یک مقطع رسم خطی را از طریق یک سیستم معمولی گاز زدایی یورتان نشان می دهد.

شکل 15. یک سیستم اشباع خلاء ساده شده

برای جلوگیری از ایجاد قوس، روغن مخصوصی که در ترانسفورماتورهای الکتریکی استفاده می شود، گاز زدایی می شود تا هوای وارد شده و رطوبت جذب شده قبل از اینکه برای پر کردن محفظه ترانسفورماتور استفاده شود، خارج می شود. (شکل 13) این سیستم روغن را به طور یکنواخت گرم می کند تا به تبخیر رطوبت کمک کند و سپس آن را روی یک سری صفحات فلزی نازک در محفظه اسپری می کند تا گاز زدایی شود. روغن در یک لایه نازک روی صفحات می گذرد که کارایی گاز زدایی را بهبود می بخشد.

اشباع خلاء و فشار (VPI)

لاک و رزین برای گلدان و همچنین برای عایق کاری مواردی مانند سیم پیچی موتور برق و ترانسفورماتور استفاده می شود. مایع گاز زدایی می شود و سپس در یک واحد دو محفظه ای به نام سیستم اشباع استفاده می شود (شکل 14). سیم پیچ ها در یک محفظه خلاء قرار می گیرند و در زیر خلاء قرار می گیرند. مولکول‌های هوا بین لایه‌های سیم مسی محبوس می‌شوند و مدتی طول می‌کشد تا این هوا از فضاهای کوچک خارج شده و پمپاژ شود. هنگامی که هوا خارج شد، مایع از یک ظرف ذخیره به محفظه خلاء وارد می شود. با حذف مولکول های هوا، مایع می تواند به هر فضای کوچک بین سیم پیچ ها نفوذ کند و یک لایه عایق ایجاد کند. یک فشار مثبت به بالای مایع اعمال می شود تا به فشار مایع به داخل حفره های کوچک کمک کند. شکل 7 یک سیستم VPI معمولی را نشان می دهد.

بسیاری از ریخته‌گری‌های فلزی معمولاً هنگام جامد شدن دارای حفره‌هایی هستند. این ریخته‌گری‌ها اغلب با رزین مایع آغشته می‌شوند تا هرگونه تخلخل و نقص را ببندند. هنگامی که قالب ریخته گری آغشته شد، برای سخت شدن رزین حرارت داده می شود. این فرآیند مشابه VPI است که در بالا توضیح داده شد و به ویژه در صنعت موتور خودرو برای آب بندی ریخته گری آلومینیوم اهمیت دارد.

4. خلاء مورد استفاده برای کاهش انتقال حرارتی

شکل 16 چگالی مولکولی در فشارهای مختلف.

اگر با ماشین به محل کار می روید و رانندگی شما یک ساعت یا بیشتر طول می کشد، ممکن است در راه یک قهوه یا یک نوشیدنی گرم یا سرد دیگر را در ظرف شخصی خود بنوشید. اغلب این نوع ظرف یک فنجان عایق خلاء با درب است. یک پله بالاتر از آن، اگر برای مثال در یک محل کار کار می کنید، ظرفی است که چندین فنجان مایع را برای استفاده در تمام طول روز در خود نگه می دارد. ممکن است این فلاسک‌ها را با نام قمقمه یا فلاسک علاءالدین بشناسید که دو نام تجاری ظروف عایق خلاء هستند.

بیایید ترمودینامیک مخازن عایق خلاء را مورد بحث قرار دهیم و سپس به کاربردهای دیگر آنها نگاه کنیم.

مولکول های گاز

هوا در فشار اتمسفر، 760 Torr یا 1013 mbar، حاوی حدود 25 میلیون، میلیون، میلیون مولکول در هر سانتی متر مکعب حجم است (شکل 16). این حجم را می توان شبیه به حجم یک حبه قند یا قالب تجسم کرد. این مولکول ها معمولاً در خطوط مستقیم حرکت می کنند تا زمانی که یا با یکدیگر یا با یک سطح برخورد کنند. آنها با سرعتی در حدود 1000 مایل در ساعت حرکت می کنند. در فشارهای بالاتر مانند فشار اتمسفر، احتمال برخورد آنها با مولکول دیگری بیشتر است و تا برخورد بعدی در جهت دیگری حرکت خواهند کرد. هر مولکول بین برخوردها در فشار اتمسفر تنها حدود 2.5 میلیونم اینچ را طی خواهد کرد. (شکل 17)

اگر مولکول ها در داخل یک محفظه با فشار اتمسفر قرار گیرند، برخی از مولکول ها با سطح داخلی محفظه و هر نگهدارنده یا فیکسچری برخورد می کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، مولکول معمولاً برای کسری از ثانیه روی سطح می‌ماند و سپس آزاد می‌شود و در جهتی کاملاً تصادفی از سطح دور می‌شود.

اگر دیوار محفظه گرم یا سرد شود، نتایج متفاوتی حاصل خواهد شد. اگر یک مولکول به سطح خنک‌تری برخورد کند، مقداری از گرمای خود را به آن سطح از دست می‌دهد و ممکن است انرژی کمتری برای رها شدن از سطح داشته باشد. در برخی موارد، اگر بیشتر انرژی خود را از دست بدهد، ممکن است روی سطح جذب شود. از طرف دیگر، اگر سطح گرمتر باشد، انرژی می گیرد و با افزایش انرژی آزاد می شود.

شکل 17. MFP در فشارهای مختلف.

بنابراین، از آنجایی که این مولکول‌های گاز به‌طور تصادفی در اطراف محفظه خلاء حرکت می‌کنند، بسته به اینکه با مولکول داغ‌تر یا خنک‌تر سطح برخورد کنند، می‌توانند دائماً انرژی بگیرند یا از دست بدهند. از آن، می توان گفت که “گرما با برخورد مولکولی منتقل می شود”.

چگالی مولکولی

اگر به آخرین جمله فکر کنیم، می‌توان نتیجه گرفت که اگر مولکول‌های کمتری در ظرف بسته وجود داشته باشد، به دلیل برخوردهای مولکولی کمتر، گرمای کمتری منتقل می‌شود.

این ما را به بررسی چگالی مولکولی سوق می دهد. چند مولکول در واحد حجم در فشارهای کمتر از شرایط جوی وجود دارد؟ چند نمونه در شکل 16 نشان داده شده است که با 2.48 x 1019 ^مولکول در هر سی سی (یعنی 25 میلیون، میلیون، میلیون) در فشار اتمسفر 760 Torr شروع می شود. این بچه ها خیلی ریز هستند

در فشار معمولی کوره خلاء بین ^10-5 و ^10-6 Torr هنوز حدود 33 هزار تا 330 هزار میلیون مولکول گاز در هر سی سی حجم وجود دارد. تا زمانی که فشار به حدود 10-10 Torr، خلاء فوق‌العاده بالا کاهش یابد ^، تعداد مولکول‌ها به محدوده 3 میلیون در سی‌سی کاهش نمی‌یابد.

فشار روی سطح ماه حدود 10 تا ¹² تور است و با این فشار، هنوز حدود 33000 مولکول در هر سی سی وجود خواهد داشت. حتی در فضای بیرونی ( ^10-22 Torr)، و ما از علم نشان می‌دهیم که ابرهای گازی وجود دارد، فیزیکدانان تخمین می‌زنند که در هر متر مکعب حجم، حدود 4 مولکول گاز وجود دارد.

همانطور که چگالی مولکول ها با کاهش فشار کاهش می یابد، فاصله بین مولکول ها افزایش می یابد. مولکول های کمتری در حجم وجود دارد، بنابراین قبل از برخورد با مولکول دیگری باید مسافت بیشتری را طی کنند. این فاصله متفاوت خواهد بود، بنابراین فیزیکدانان اصطلاح دیگری به معنای مسیر آزاد برای میانگین فاصله ها برای مقایسه دارند.

مسیر آزاد متوسط

شکل 18. فلاسک های قمقمه برای مایعات گرم یا سرد.

میانگین مسیر آزاد میانگین فاصله ای است که یک مولکول گاز قبل از برخورد با مولکول دیگر در یک فشار معین حرکت می کند. من مطمئن نیستم که چگونه این کار با مولکول های کوچکی که قابل مشاهده نیستند انجام می شود. (این بخش دیگری از شگفتی های علم است که به آرامی در طی چند صد سال اخیر کشف شده است.) شکل 17 را ببینید.

در فشارهای بالاتر، مسیر آزاد متوسط ​​بسیار کوتاه است و مولکول‌ها اغلب با هم برخورد می‌کنند. MFP 2.5 میلیونم اینچ در 760 Torr است. با کاهش فشار به 1 Torr، MFP به حدود 2 هزارم اینچ افزایش یافته است، حرکتی که می توانیم در مهندسی با آن ارتباط برقرار کنیم. با کاهش فشار به سطحی که ترکیبی از پمپ خلاء پیستونی دوار مهر و موم شده روغن و تقویت کننده Roots می تواند به (0.001 Torr یا 1 میکرون) برسد، MFP به حدود 2 اینچ افزایش یافته است.

اگر آن مولکول ها در قسمتی از سیستم با قطر بزرگتر از حدود 6 اینچ باشند، همچنان در یک جریان چسبناک حرکت می کنند. به این معنی که احتمال برخورد آنها با مولکول دیگری بیشتر از دیواره رگ است. با این حال، اگر مولکول ها در لوله های پمپ نگهدارنده (معمولاً یک خط 25 میلی متری) باشند، در جریان مولکولی حرکت خواهند کرد. به این معنی که احتمال برخورد آنها با دیواره داخلی لوله‌کشی بیشتر از مولکول‌های دیگر است.

با کاهش فشار به حدود 10-5 ^Torr ، MFP تا حدود 16 فوت افزایش یافته است. برای اکثر کوره‌های خلاء با اندازه متوسط، این بدان معناست که مولکول‌های گاز در داخل محفظه خلاء بسیار بیشتر از مولکول‌های گاز دیگر با سطح داخلی محفظه برخورد می‌کنند.

اکنون فیزیک توضیح داده شده است، بیایید در مورد کاربرد، خلاء به عنوان یک عایق صحبت کنیم.

مخازن عایق خلاء.

این نوع ظرف می‌تواند از فلاسک‌های کوچک قهوه عایق‌شده با فناوری پایین تا مخازن بزرگ ذخیره نیتروژن مایع و تریلرهایی که مایع عمده را به آنها می‌رسانند متفاوت باشد. در این بین اشکال و اندازه‌های مختلفی از ظروف عایق خلاء وجود دارد که برخی از آنها Dewars نامیده می‌شوند و همچنین سیستم‌هایی نصب شده‌اند که خطوط لوله اتصال نیز باید عایق خلاء شوند.

فلاسک های معمولی عایق شده برای مایعات سرد و گرم شبیه به چیزی است که در شکل 18 نشان داده شده است. اگرچه سر جیمز دوار چیزی را اختراع کرد که به عنوان فلاسک Dewar شناخته می شود، اما هرگز آن را ثبت نکرد. دو آلمانی استفاده از آن را برای مقاصد تجاری کشف کردند و نام ترموس را در سال 1904 به ثبت رساندند. شرکت ترموس هنوز هم وجود دارد اگرچه آنها رقبای زیادی دارند.

شکل 19. Dewars به ​​اندازه آزمایشگاه و بیمارستان.

از عایق خلاء استفاده می شود زیرا به خوبی کار می کند و تا زمانی که نشتی نداشته باشد، این مورد سال ها دوام می آورد. عمدتاً در مواردی استفاده می شود که اختلاف دمای بیرون و داخل ظرف زیاد است و بسیاری از کاربردهای علمی و صنعتی شامل مایعات برودتی می شوند.

یکی از محبوب ترین مایعات برودتی، گازهای مایع، نیتروژن مایع است. معمولاً به صورت LN ₂ نوشته می شود . نیتروژن مایع دارای نقطه جوش 196- درجه سانتیگراد (77 درجه کلوین) یا -321 درجه فارنهایت است. هنگام استفاده از مایعات برودتی باید اقدامات احتیاطی را رعایت کرد. آنها پوست را می سوزانند و به چشمان شما آسیب می رسانند. در صورت انتقال مایع برودتی به داخل یا خارج از فلاسک باز Dewar یا سایر ظروف مناسب، دستکش و ماسک صورت لازم است.

اولین محفظه Dewar از فلز ساخته شده بود، اما دو ظرف شیشه ای که به هم متصل شده و تحت خلاء مهر و موم شده بودند، پیشرفت بسیار موثری بود. بدیهی است که ظروف شیشه ای شکننده هستند و شیشه استفاده شده کاملاً نازک است، بنابراین باید مراقب بود که آن ها نیفتند یا کوبیده نشوند که ممکن است شیشه را بشکند. خلاء بین دو ظرف شیشه ای باعث کاهش رسانش گرما و همرفت می شود و شیشه برای کاهش تابش حرارتی “نقره ای” می شود. سطح نقره ای گرما را منعکس می کند و اغلب پوششی از آلومینیوم تبخیر شده است. (یک فرآیند خلاء دیگر!)

Dewars به ​​اندازه آزمایشگاه، شکل 19، معمولاً با استفاده از شیشه ضخیم تر و لایه های عایق اضافی در داخل ظرف فلزی یا پلاستیکی ساخته می شوند. اینها را می توان با دست یا روی یک گاری کوچک حمل کرد. Dewar های کوچک نشان داده شده معمولاً توسط کاربر نهایی خریداری می شوند و در داخل خانه از یک ظرف بزرگتر مانند سیلندر بزرگتر نشان داده شده پر می شوند. سیلندر بزرگتر به دلیل وزن و ارزش آن فقط توسط یک تکنسین ماهر اداره می شود. این کشتی‌ها با استفاده از سیستم‌های پمپ توربو یا دیفیوژن به منطقه 10-5 Torr تخلیه می‌شوند و سپس برای 48 ساعت دیگر برای پمپ کردن رها می‌شوند (مرجع 3) ^. جریان گاز از طریق لایه های عایق کند است و مدتی طول می کشد تا به سطح خلاء مورد نیاز در کل فضای میانی برسد.

اگرچه شرکت‌های بزرگ گاز مانند Air Products، Linde و Air Liquide این مایعات برودتی را تولید می‌کنند، اما عمدتاً اجازه داده‌اند که توزیع این حجم‌های کوچک‌تر توسط شرکت‌هایی مانند AirGas و سایر توزیع‌کنندگان کوچک‌تر محلی انجام شود. آنها برنامه منظمی برای تحویل دارند تا آزمایشگاه ها و بیمارستان ها هرگز بدون محصول نباشند.

شکل 20. مخزن ذخیره بزرگ و تریلر جاده ای.

شرکت‌های بزرگ گاز از مخازن ذخیره‌سازی حجم زیادی که باید توسط بارهای تریلر محصول پر شوند، مراقبت می‌کنند. و فاصله صحیح حجم خلاء حلقوی با لایه هایی از مواد آلومینیومی و همچنین پرلیت پر شده است. پرلیت ماده ای مشابه شیشه طبیعی است. هنگامی که گرم می شود بین 4 تا 20 برابر حجم اصلی خود با تعداد زیادی حفره در ساختار خود منبسط می شود. عایق خوبی است و در برابر له شدن مقاومت می کند. ادبیات نشان می دهد که پرلیت می تواند ته نشین شود، به ویژه در کشتی هایی مانند تانکر جاده ای که در مدت طولانی در معرض ارتعاش است. این مشکل می تواند باعث انتقال حرارت بیشتر به سمت بالای تریلر شود و ممکن است منجر به نرخ جوش بالاتر LN شود.₂ یا مایع برودتی دیگر در تانکر. اگر مقدار زیادی محصول در اثر جوشیدن از بین برود، این هزینه اضافی برای شرکت گاز است و ممکن است تریلر باید سرویس شود.

در شکل 20 می بینید که تانکر جاده دارای یک منطقه بسته در عقب تریلر است. این جایی است که شیرها و لوله کشی اجازه می دهد تا به مخزن ذخیره مشتری که دوباره پر می شود متصل شود. در این قسمت همچنین یک سر گیج خلاء روی اتصال سر گیج قرار می گیرد تا فشار بین فضا در صورت نیاز بررسی شود. گیج خلاء که معمولاً برای این مورد استفاده می شود، گیج ترموکوپل با باتری است. این گیج در واقع دمای یک رشته داغ را در حسگر گیج می خواند، اما به جای خواندن آن بر حسب درجه حرارت، آن را به عنوان قرائت خلاء معادل می خواند.

فیلامنت داغ با تغییر سطح خلاء دما را تغییر می دهد. هنگامی که فشار در حسگر کاهش می یابد، مولکول های گاز کمتری وجود دارد که گرما را از رشته جدا می کند، بنابراین داغ تر می شود. این تغییر را می توان برای نشان دادن فشار کالیبره کرد. وقتی این تریلرهای تانک بزرگ را در بزرگراه می بینید، لطفاً به آنها فضای زیادی بدهید. آنها محموله ای گرانبها و با ارزش را حمل می کنند. شرکت های گاز فقط به بهترین راننده/اپراتور خود اجازه می دهند مایعات برودتی را تحویل دهند.

شکل 21. MFP در فشارهای مختلف

5. افزایش میانگین مسیر آزاد به بعد مفید

حالت گاز

مقاله چاپ شده در ژانویه امسال در مورد حالت جامد، مایع و گاز ماده صحبت می کرد. در زیر گزیده ای کوتاه از آن مقاله است.

شکل 2 2. جریان مولکول ها

در یک گاز، اتم‌ها و مولکول‌ها معمولاً از هم دورتر از جامدات و مایعات هستند. در هوای تحت فشار اتمسفر و دمای اتاق، فضای واقعی اشغال شده توسط اتم ها و مولکول ها حدود 0.01 درصد یا یک ده هزارم حجم است. معادل مس جامد حدود 74 درصد یا نزدیک به سه چهارم است. (تا حدی که “جامد” نامیده می شود).

در هوا، مولکول‌ها در حرکت تصادفی ثابت هستند، معمولاً در یک خط مستقیم، و نیروهای بین اتمی به دلیل فضای بین مولکول‌ها تأثیر کمی دارند. مولکول های متحرک دائماً با مولکول های دیگر برخورد می کنند و سپس در جهت دیگری دور می شوند. این برخوردها حدود 10،000،000،000 بار در ثانیه در فشار اتمسفر رخ می دهد.

فشار اتمسفر همیشه نقطه شروع هر فرآیند خلاء است و ما می دانیم که می توانیم این فشار را در یک محفظه خلاء بسته با استفاده از یک یا چند پمپ خلاء کاهش دهیم تا به فشار کمتری (خلاء) برای این فرآیند برسیم.

شکل 2 3. رسانایی در لوله ها

در گزیده بالا آمده است که مولکول های موجود در محفظه دائماً با مولکول های دیگر برخورد می کنند و جهت خود را تغییر می دهند. مولکول‌های گازی که با دیواره داخلی محفظه، یا سطح هر اتصال، نگهدارنده یا محصولی در آن محفظه برخورد می‌کنند، برای کسری از ثانیه روی آن سطح می‌مانند و سپس در جهتی کاملاً تصادفی از سطح خارج می‌شوند.

مسیر آزاد متوسط

اصطلاح «مسیر آزاد متوسط» میانگین مسافتی است که یک مولکول قبل از برخورد با مولکول دیگر حرکت می‌کند که بر حسب اینچ یا متر اندازه‌گیری می‌شود و به فشار و چگالی مولکول‌های گاز در محفظه مربوط می‌شود. ما معمولاً مسیر آزاد متوسط ​​را در یک فشار معین نشان می‌دهیم، زیرا به این ترتیب سطح خلاء را با استفاده از نوعی گیج خلاء اندازه‌گیری می‌کنیم (شکل 21). چگالی به فشار مربوط می شود اما بندرت به عنوان شاخصی برای فرآیندهای خلاء استفاده می شود.

از شکل 21 می‌توانیم ببینیم که با کاهش فشار در سیستم خلاء، مسیر آزاد متوسط ​​طولانی‌تر می‌شود. مولکول‌های گاز توسط پمپ‌ها تخلیه می‌شوند، چگالی گاز کاهش می‌یابد و مولکول‌ها باید قبل از برخورد با مولکول دیگر بیشتر حرکت کنند. من از کلمه “see” در بالا استفاده کردم، اما این یکی از دشوارترین چیزها در مورد درک آنچه در یک محفظه خلاء اتفاق می افتد است، شما در واقع نمی توانید مولکول ها را “دیدن” کنید.

بررسی سریع هدایت

شکل 2 4. پوشش تبخیر خلاء

افزایش میانگین مسیر آزاد مولکول‌های گاز پس از رسیدن به چندین اینچ شروع به مفید شدن می‌کند، اما درست قبل از آن نقطه، یک اتفاق جالب دیگر وجود دارد. این انتقال جریان مولکول ها در لوله کشی سیستم خلاء از جریان چسبناک یا پیوسته به جریان مولکولی است (شکل 22). این نقاشی سعی می‌کند تغییرات جریان مولکول‌هایی را که به سمت پایین خط لوله حرکت می‌کنند، با کاهش فشار نشان دهد. ساده شده است و تغییرات جریان را در دیواره لوله نشان نمی دهد، با این حال، خواننده این تفاوت های اصلی را خواهد دید.

وقتی کلاس‌های فناوری خلاء را برای ادواردز برگزار کردم، تغییرات را به جمعیتی که در پایان یک بازی فوتبال از استادیوم خارج می‌شوند تشبیه کردم. (فرض بر این است که بازی جمعیت را تا پایان روی صندلی های خود نگه داشت!)

جریان چسبناک، متلاطم: هنگامی که سوت پایان به صدا در می‌آید، بیشتر جمعیت تلاش می‌کنند به سمت خروجی‌ها حرکت کنند و حرکت تصادفی زیادی وجود دارد، زیرا جمعیت در اطراف حرکت می‌کنند و سعی می‌کنند به هر فضای باز که ممکن است منجر به خروج سریع‌تر شود، حرکت کنند.

جریان چسبناک، آرام: پس از چند دقیقه راش بزرگ دور شد و بقیه جمعیت فضای بیشتری برای حرکت منظم به سمت خروجی ها دارند.

شکل 2 5. تفنگ پرتو الکترونی

جریان مولکولی: کمی بعد بیشتر جمعیت رفته اند و تعداد معدودی باقی مانده می توانند در سراسر مسیرهای پیاده رو پیچ و تاب بخورند که در جهات مختلف حرکت می کنند بدون اینکه توسط شخص دیگری تکان بخورند.

با بازگشت به مولکول ها، تغییر بزرگ در همه اینها بین جریان آرام و جریان مولکولی رخ می دهد، زمانی که میانگین مسیر آزاد طولانی تر از قطر داخلی لوله می شود. در آن نقطه و بعد از آن، مولکول های گاز بیشتر احتمال دارد با دیواره های خط لوله (یا محفظه) برخورد کنند تا با مولکول دیگری.

این تغییر بر رسانایی در خط لوله نیز تأثیر می گذارد. رسانایی اندازه گیری جرم گازی است که در فشار متوسط ​​در هر متر طول لوله جریان دارد. بر حسب لیتر در ثانیه، بر متر اندازه گیری می شود (شکل 23.). این نمودار نشان می دهد که چگونه رسانایی در تعدادی از قطرهای مختلف لوله با تغییر فشار تغییر می کند. نکته جالب توجه این است که با کاهش فشار، رسانایی نیز کاهش می یابد تا زمانی که جریان گاز به جریان مولکولی تبدیل شود. هنگامی که مولکول ها در جریان مولکولی قرار می گیرند رسانایی ثابت می شود.

برای مثال، به منحنی شکل 23 برای یک خط لوله با قطر 100 میلی متر نگاه کنید. در فشار حدود 1 Torr رسانایی 10000 لیتر در ثانیه است و با کاهش فشار به طور پیوسته کاهش می یابد. با این حال، در حدود 0.002 Torr (2 x 10 ^-3 Torr) رسانایی در حدود 100 لیتر در ثانیه ثابت می شود و با کاهش فشار به زیر آن مقدار تغییر نمی کند.

برنامه های خلاء به دلیل MFP طولانی

شکل 2 6. فرآیند پوشش اسپاتر

با بازگشت به بحث “مسیر آزاد متوسط” تعدادی فرآیند وجود دارد که زمانی که MFP بیشتر از چند اینچ شود قابل اجرا می شوند. دلیل آن این است که وقتی MFP نسبتاً طولانی است، سایر اجسام کوچک می توانند در سراسر سیستم خلاء حرکت کنند و شانس خوبی برای عدم برخورد با مولکول گاز دارند. برای مثال، اگر فشار محفظه خلاء در حدود 0.00001 Torr (1 x 10 ^-5 Torr) باشد، MFP حدود 190 اینچ یا 16 فوت خواهد بود. اگر قطر محفظه خلاء فقط 5 فوت باشد، بعید است که یک مولکول گاز هنگام حرکت در سراسر محفظه به مولکولی دیگر برخورد کند.

این به سیستم هایی مانند پوشش دهنده های خلاء، میکروسکوپ های الکترونی، طیف سنج های جرمی، ابزارهای علوم سطح و شتاب دهنده های ذرات اجازه می دهد تا با موفقیت کار کنند. بیایید ببینیم که هر یک از اینها در شرایط کم فشار چگونه کار می کنند.

پوشش خلاء

پوشش خلاء یا رسوب در خلاء روشی برای تولید یک پوشش نهایی بر روی یک بستر است. بستر ممکن است کاغذ، فلز، پلاستیک، شیشه یا برخی از مواد فانتزی مورد استفاده در ساخت مدارهای مجتمع (تراشه های کامپیوتری) باشد. فرآیند رسوب گذاری واقعی بسته به مواد بستر، مواد در حال رسوب گذاری، ضخامت و پرداخت سطحی پوشش و اینکه آیا بستر سفت یا انعطاف پذیر است انتخاب می شود. آنها فقط فرآیندهای موفقیت آمیزی هستند زیرا ماده ای که رسوب می کند می تواند بدون برخورد با یک مولکول گاز در سراسر فضا حرکت کند.

فرآیندهای رسوب گذاری معمولی عبارتند از:

شکل 27. میکروسکوپ پرتوی الکترونی

تبخیر توسط یک رشته داغ (شکل 24)

در این فرآیند فلز از یک رشته زخم داغ یا رشته قایق تبخیر می شود. فیلامنت زخمی برای فلزات جامد استفاده می شود که در آن بخش های کوچکی از سیم روی حلقه های رشته قرار می گیرد. قایق زمانی استفاده می شود که فلز به صورت پودر باشد. در هر دو مورد، بخار فلز در خطوط مستقیم تبخیر می شود و در اولین سطحی که لمس می کند متراکم می شود. اقلام تحت پوشش (سوبسترا) در فاصله مناسبی از رشته قرار می گیرد تا پوشش به اندازه نیاز یکنواخت باشد. اگر چندین قسمت روکش شوند، در یک نگهدارنده کار قرار می گیرند. این فرآیند تمایل دارد تمام سطوح داخلی محفظه را در راستای محل با مواد تبخیر آلوده کند. سپرها اغلب به گونه‌ای استفاده می‌شوند که وقتی آلودگی ایجاد می‌شود و چرخه پمپاژ را طولانی‌تر می‌کند، بتوان آن‌ها را جایگزین یا تمیز کرد.

تبخیر با استفاده از تفنگ پرتو الکترونی (شکل 25)

همچنین این سیستم برای پوشش فلزات استفاده می شود، اما مواد توسط پرتوهای پرقدرت الکترون های ساطع شده از رشته ذوب می شوند. این اغلب یک فرآیند طولانی است و رشته با قرار دادن آن در زیر بوته خنک شده با آب که حاوی مواد در حال تبخیر است از آلودگی محافظت می شود. یک میدان مغناطیسی پرتو الکترون ها را با 270 درجه دما روی ماده خم می کند. پرتو را می توان متمرکز کرد همچنین روی فلز در بوته حرکت داد تا به طور یکنواخت ذوب شود.

شکل 28. تصویر از یک میکروسکوپ پرتو الکترونی

پوشش پاششی با استفاده از پلاسما (شکل 26)

درک پوشش Sputter فرآیندی دشوارتر است. در این فرآیند، مواد در حال پاشش و بستر به صورت کاتد و آند مرتب می شوند. گاز آرگون وارد محفظه خلاء می شود و برای تولید پلاسما بین دو الکترود یونیزه می شود. یون‌های آرگون به داخل ماده کاتدی که هدف نامیده می‌شود، شتاب می‌گیرند و ذرات ماده هدف را از جای خود خارج می‌کنند. سپس مواد جابجا شده به سمت آندی که زیرلایه به آن متصل است جذب می شود و پوششی روی بستر ایجاد می کند.

میکروسکوپ های پرتوی الکترونی (شکل 27)

از این ابزارها برای مشاهده اقلام و سطوح با بزرگنمایی بسیار بالا استفاده می شود. الکترون ها از یک تفنگ الکترونی شلیک می شوند و یا بر روی سطح مورد اسکن می شوند یا از طریق سطح منتقل می شوند. لطفاً برای اطلاع از تفاوت ها با یک متخصص مشورت کنید، من فقط دانش ساده ای از این ابزارها دارم زیرا این پمپ های خلاء هستند که دغدغه من هستند. شکل 27 یک میکروسکوپ الکترونی را نشان می دهد و می توانید ستون عمودی سفید رنگ را در مرکز مشاهده کنید که مجموعه پرتو الکترونی است. تفنگ الکترونی در بالا و موردی که باید مشاهده شود در محفظه مکعبی شکل زیر آن قرار دارد. ستون سفید باید تا فشاری کم تخلیه شود که میانگین مسیر آزاد مولکول های گاز باقیمانده به طور قابل ملاحظه ای طولانی تر از ارتفاع ستون باشد. این معمولاً یک پمپ توربومولکولی و پمپ مکانیکی است. تصویر در شکل

شکل 29. طیف سنج جرمی

طیف سنج های جرمی (شکل 29)

پیدا کردن یک تصویر ساده از نحوه عملکرد یک طیف سنج جرمی دشوار بود. دستگاهی است برای تعیین (تجزیه و تحلیل) از چه گاز یا جامد با یونیزاسیون یک نمونه کوچک. دو نوع اصلی طیف سنج جرمی وجود دارد. یکی که از کروماتوگرافی گازی استفاده می کند، یک GC-MS، و دیگری که از کروماتوگرافی مایع استفاده می کند، یک LC-MS. باز هم، این حوزه تخصص من نیست. برای اطلاعات بیشتر با یک متخصص مشورت کنید هر دو نوع طیف جرمی نمونه را یونیزه می کنند و یون ها را با مغناطیس جدا می کنند تا آشکارساز بتواند اجزای تشکیل دهنده را تعیین کند. اجزای مختلف بر اساس عدد جرمی نمایش داده می شوند. کل سیستم تشخیص در خلاء است و فقط به این دلیل کار می کند که یون ها با هیچ مولکول گازی در محفظه تحت خلاء برخورد نمی کنند.

برنامه های کاربردی دیگر

کاربردهای دیگری نیز وجود دارد که از شرایط فشار کم استفاده می کنند تا به یون ها، الکترون ها و سایر ذرات کوچک اجازه دهند بدون برخورد با مولکول های گاز در یک سیستم حرکت کنند. سیستم‌های علوم سطحی یکی از این سیستم‌ها هستند و سیستم‌های بزرگ فیزیکی مانند شتاب‌دهنده‌های ذرات را شامل می‌شوند. شتاب دهنده سرن در اروپا دارای یک محفظه خلاء دایره ای است که قطر مقطع آن حدود یک متر در یک تونل مدور زیرزمینی است. این دایره حدود 9 کیلومتر عرض دارد.

منابع

1. نمودار شکل 5 برگرفته از “روش مدرن خلاء” است که بوسیله نایجل هریس در بریتانیا منتشر شده است.
2. نمایش سه بعدی یک ابزار خوشه در شکل 8 از یک اسلاید در ارائه BOC Edwards اصلاح شد. (BOC Edwards اکنون Edwards Vacuum، بخشی از Atlas Copco است.
3. برایان الیور، کرایوتک، شرکت، ایندیاناپولیس، IN.