پمپ خلاء چیست و چگونه کار میکند؟

پمپ خلاء چیست و گونه کار میکند پمپ خلاء دستگاهی است که مولکولهای گاز و ذرات هوا را از یک حجم آب‌بندی شده حذف می‌کند تا به اختلاف فشار و ایجاد خلاء نسبی دست یابد.

پمپ های خلاء بر اساس نیازهای فشار و کاربرد آن در فناوری طراحی میشوند.

هنگام راه اندازی یک سیستم با پمپ خلاء، اندازه گیری پارامترهای صحیح برای دستیابی به راندمان بهینه بسیار مهم است.

پمپ خلاء چگونه کار می کند؟

خلاء فضای خالی از ماده است که در آن فشار گاز داخل این حجم کمتر از فشار اتمسفر است.

وظیفه اصلی پمپ خلاء تغییر فشار در یک فضای بسته برای ایجاد خلاء کامل یا نسبی از نظر مکانیکی یا شیمیایی است.

فشار همیشه سعی میکند در مناطق متصل به هم برابر شود زیرا مولکول های گاز از بالا به پایین جریان می یابند تا کل ناحیه آن حجم را پر کنند.

بنابراین، اگر یک فضای کم فشار جدید معرفی شود،گاز به طور طبیعی از منطقه پرفشار به منطقه جدید کم فشار جریان می یابد تا زمانی که فشار یکسانی داشته باشند.

توجه داشته باشید که این فرآیند خلاء نه با “مکیدن” گازها بلکه با فشار دادن مولکول ها ایجاد می شود.

پمپ‌های خلاء اساساً مولکول‌های گاز را از یک منطقه به منطقه دیگر حرکت می‌دهند تا با تغییر حالات‌ فشار بالا و پایین، خلاء را ایجاد کنند.

اصول کارکرد پمپ خلاء یا پمپ وکیوم 

با حذف مولکول ها از فضای خلاء، حذف مولکول های اضافی به طور تصاعدی سخت تر می شود، بنابراین قدرت خلاء مورد نیاز افزایش می یابد. محدوده فشار به چند گروه تقسیم می شود:

• پائین: ۱۰۰۰ تا ۱ میلی بار / ۷۶۰ تا ۰.۷۵ تور
• خوب/متوسط: ۱ تا ۱۰ ^-۳  میلی‌بار / ۰.۷۵ تا ۷.۵ ^-۳  Torr
• بالا: ۱۰ ^-۳  تا ۱۰ ^-۷  mbar / 7.5 ^-۳  تا ۷.۵ ^-۷  Torr
• فوق العاده بالا: ۱۰ ^-۷  تا ۱۰ ^-۱۱  mbar / 7.5 ^-۷  تا ۷.۵ ^-۱۱  Torr
• بسیار بالا: < ۱۰ ^-۱۱  mbar / < 7.5 ^-۱۱  Torr

پمپ های خلاء یا وکیوم بر اساس محدوده فشاری که می توانند به آن دست یابند طبقه بندی می شوند تا به تشخیص قابلیت هایشان کمک کنند. این طبقه بندی ها عبارتند از:

• پمپ های اولیه (پشتیبان) که محدوده فشار خلاء خشن و کم را کنترل می کنند.
• بوستر پمپ ها محدوده فشار کم و متوسط ​​را کنترل می کنند.
• پمپ های ثانویه (با خلاء بالا) محدوده فشار خلاء بالا، بسیار بالا و فوق العاده بالا را کنترل می کنند.

بسته به نیاز فشار و کاربرد عملیاتی، فناوری‌های پمپ خلاء مرطوب یا خشک در نظر گرفته می‌شوند.

پمپ‌های مرطوب از روغن یا آب برای روان‌کاری و آب‌بندی استفاده می‌کنند، در حالی که پمپ‌های خشک هیچ سیالی در فضای بین مکانیسم‌های دوار یا قطعات ساکن برای جداسازی و فشرده‌سازی مولکول‌های گاز ندارند.

بدون روانکاری، پمپ های خشک تحمل بسیار تنگی دارند تا بدون سایش به طور موثر کار کنند. اجازه دهید برخی از روش های مورد استفاده در پمپ خلاء را بررسی کنیم.

پمپ های جذب

پمپ‌های کپچر که به آن‌ها پمپ‌های محبوس نیز گفته می‌شود، فاقد قطعات متحرک هستند و برای کاربردهایی که نیاز به فشار خلاء بسیار بالا دارند استفاده می‌شوند.

بدون قطعات متحرک، پمپ های کپچر می توانند با استفاده از دو روش مختلف یک محیط خلاء ایجاد کنند. 

 Cryopump (خشک، ثانویه): فشار 7.5 x 10 ^-۱۰ Torr، سرعت پمپاژ 1200 – 4200 I/s

یکی از روش‌هایی که توسط پمپ‌های جذب استفاده می‌شود، به دام انداختن مولکول‌های گاز از طریق کرایوژنیک برای به دام انداختن مولکول‌های گاز است.

کرایوپمپ ها از فناوری برودتی برای منجمد کردن یا به دام انداختن گاز در سطح بسیار سرد استفاده می کنند. آنها با استفاده از دماهای بسیار سرد، مولکول ها را به سمت داخل می کشند تا خلاء ایجاد کنند.

پمپ‌های یون اسپاتر (خشک، ثانویه): فشار 7.5 x 10 ^-۱۲ Torr، سرعت پمپاژ 1000 I/s

پمپ های Sputter Ion از میدان های مغناطیسی بسیار بالا و یونیزاسیون مولکول های گاز برای رسانایی الکتریکی آنها به عنوان روشی برای به دام انداختن استفاده می کنند.

میدان مغناطیسی ابری از یون های الکترومثبت را ایجاد می کند که روی کاتد تیتانیوم رسوب می کنند. در این فرآیند، مواد فعال شیمیایی با مولکول‌های گاز ترکیب می‌شوند تا آنها را به داخل بکشند و خلاء ایجاد کنند.

پمپ های انتقال

پمپهای انتقال می توانند با استفاده از دو روش کار کنند. انرژی جنبشی یا جابجایی مثبت.

برخلاف پمپ‌های کپچر، پمپ‌های انتقالی مولکول‌های گاز را از طریق سیستم به خارج از فضا می‌برند. وجه مشترک آنها این است که همه آنها از روشی برای فشار مکانیکی گاز و هوا در سیستم در فواصل مختلف سیستم استفاده می کنند.

رایج است که پمپ های انتقال چندگانه با هم به صورت موازی برای ایجاد خلاء و سرعت جریان بالاتر استفاده می شوند.

همچنین استفاده از پمپ های انتقال چندگانه در یک سیستم برای ایجاد افزونگی در صورت خرابی پمپ، رایج است.

پمپ های جنبشی

از اصل تکانه از طریق پروانه ها (پره ها) یا وارد کردن بخار برای فشار دادن گاز به سمت خروجی استفاده می کنند.

پمپ توربومولکولی (خشک، ثانویه): فشار 7.5 x 10 ^-۱۱ Torr، سرعت پمپاژ 10 – 50000 I/s.

تمام پمپ های سینتیک پمپ های ثانویه هستند زیرا برای کاربردهای فشار بالا استفاده می شوند.

یکی از روش‌های خشک، پمپ توربومولکولی است که از پره‌های دوار با سرعت بالا در داخل محفظه استفاده می‌کند که مولکول‌های گاز را به حرکت در می‌آورد.

انتقال تکانه از پره های دوار به مولکول های گاز باعث افزایش سرعت حرکت آنها به سمت خروجی می شود. این پمپ ها فشار کم و سرعت انتقال پایینی دارند.

پمپ انتشار بخار (مرطوب، ثانویه): فشار 7.5 x 10 ^-۱۱ Torr، سرعت پمپاژ 10 – 50000 I/s.

پمپ انتشار بخار از بخار روغن گرم شده با سرعت بالا استفاده می کند که از انرژی جنبشی برای کشیدن مولکول های گاز از ورودی به خروجی استفاده می کند. هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد و فشار کمتری در ورودی وجود دارد.

پمپ های جابجایی مثبت

شکل دیگر نوع انتقال، جابجایی مثبت است.

اصل اساسی پمپ جابجایی مثبت این است که حجم اصلی را به داخل محفظه منبسط می‌کند که حجم‌های کوچک و جدا شده گاز را در مراحل مختلف منتقل می‌کند، به حجم کمتری فشرده می‌کند و با فشار بالاتری که به بیرون رانده می‌شود.

این پمپ ها در محدوده فشار کمتری کار می کنند و در دسته پمپ های اولیه یا بوستر دسته بندی می شوند و فناوری های مرطوب یا خشک را در خود جای می دهند.

در اینجا انواع مختلف پمپ های خلاء اولیه با جابجایی مثبت آورده شده است:

پمپ پره دوار روغنی مهر و موم شده (مرطوب، اولیه): فشار 1 x 10 ^-۳ mbar، سرعت پمپاژ 0.7 – 275 m ^۳ / h (0.4 – 162 ft ^۳ /min)

پمپ های روتاری پره ای مهر و موم شده با روغن، گازها را با یک روتور غیرمرکز نصب شده فشرده می کند که مجموعه ای از پره ها را می چرخاند.

به دلیل نیروی گریز از مرکز، این پره ها به بیرون می لغزند و محفظه هایی را بین خود و محفظه تشکیل می دهند.

محیط پمپ شده در داخل این محفظه ها به دام افتاده است. در طول چرخش بیشتر، حجم آنها به طور مداوم کاهش می یابد.

بدین ترتیب، محیط پمپ شده فشرده شده و به خروجی منتقل می شود. پمپ های وکیوم پره ای دوار در انواع تک مرحله ای و دو مرحله ای موجود می باشند.

پمپ حلقه مایع (مرطوب، اولیه): فشار 30 mbar، سرعت پمپاژ 25 تا 30000 متر ^بر ساعت (۱۵ تا ۱۷۷۰۰ فوت ^۳ در دقیقه)

این پمپ ها دارای یک پروانه خارج از مرکز با پره های خم شده به سمت چرخش هستند که یک حلقه استوانه ای متحرک از مایع را در اطراف بدنه از شتاب گریز از مرکز تشکیل می دهند.

پره ها هنگام چرخش فضاهای هلالی شکل با اندازه های مختلف ایجاد می کنند و توسط حلقه مایع مهر و موم می شوند.

در نزدیکی مکش یا ورودی، حجم بزرگتر می شود و باعث می شود فشار در هر یک کاهش یابد و گاز وارد شود.

با چرخش، حجم بین هر پره به دلیل شکل گیری پروانه غیرمرکز و حلقه مایع کاهش می یابد. این گاز را در حین تخلیه فشرده می کند و جریانی پیوسته ایجاد می کند.

پمپ دیافراگمی (خشک، اولیه): فشار 5 x 10 ^-۸ mbar، سرعت پمپاژ 0.6 – 10 m ^۳ / h (0.35 – 5.9 ft ^۳ /min)

پمپ های دیافراگمی پمپ های خلاء یا پمپ وکیوم  با جابجایی مثبت روش خشک هستند.

یک دیافراگم روی میله قرار میگیرد که از طریق میل لنگ متصل شده است که دیافراگم را در حین چرخش به صورت عمودی حرکت می دهد.

هنگامی که دیافراگم در موقعیت پایین است، حجم در محفظه افزایش می‌یابد، فشار را کاهش می‌دهد و مولکول‌های هوا را به داخل می‌کشد.

همانطور که دیافراگم به سمت بالا حرکت می‌کند، حجم کاهش می‌یابد و مولکول‌های گاز در حین جریان به سمت خروجی فشرده می‌شوند.

هر دو دریچه ورودی و خروجی دارای بار فنری هستند تا به تغییرات فشار واکنش نشان دهند.

پمپ اسکرول (خشک، اولیه): فشار 1 x 10 ^-۲ mbar، سرعت پمپاژ 5.0 – 46 m ^۳ / h (3.0 – 27 ft ^۳ /min)

پمپ های اسکرول از دو طومار غیر چرخشی در یک طرح مارپیچی استفاده می کنند که در آن طومار داخلی به دور خود می چرخد ​​و گاز را در فضای حجمی بیرونی به دام می اندازد.

زمانی که به دور خود می چرخد، حجم گاز کمتر می شود، آن را فشرده می کنیم تا به حداقل حجم و حداکثر فشار مجاز برسد و از خروجی واقع در مرکز مارپیچ خارج شود.

پمپ‌های Roots Style (خشک، تقویت کننده): فشار کمتر از 10 ^-۳ Torr، سرعت پمپاژ 100000 متر بر ساعت (58860 فوت ^۳ در دقیقه)

پمپ های روتس بلوئر گاز را در یک جهت از طریق دو لوب که بدون لمس کردن در هنگام چرخش شمارنده مشبک می شوند، فشار می دهند.

این چرخش شمارنده حداکثر سرعت جریان را ایجاد می کند زیرا حجم در ورودی افزایش می یابد و همزمان در خروجی فشار کاهش می یابد.

این پمپ ها برای کاربردهایی که نیاز به حذف حجم زیادی از گاز دارد طراحی شده اند.

پمپ های پنجه ای (خشک، تقویت کننده): فشار 1 x 10 ^-۳ mbar، سرعت پمپاژ 100 – 800 m ^۳ / h (59 – 472 ft ^۳ /min)

پمپ های پنجه ای دارای دو پنجه چرخان هستند که چرخش مخالف دارند. آنها بسیار کارآمد، قابل اعتماد و نگهداری کم هستند و اغلب در محیط های صنعتی خشن استفاده می شوند.

پنجه ها در 2/1000 اینچ از یکدیگر قرار می گیرند، اما در واقع هرگز لمس نمی شوند. این فاصله حداقلی بین Claws و محفظه محفظه، مهر و موم داخلی را بهینه می کند، سایش و نیاز به روان کننده یا روغن را از بین می برد.

پمپ های پیچ (خشک، تقویت کننده): فشار 1 x 10 ^-۲ Torr، سرعت پمپاژ 750 متر مکعب در ساعت (440 فوت ^۳ / دقیقه)

پمپ های اسکرو از دو پیچ چرخان استفاده می کنند که به صورت افقی در امتداد داخل یک محفظه قرار می گیرند، یکی چپ و دیگری سمت راست، که بدون تماس نیز مشبک می شوند.

مولکول‌های گاز در یک انتها بین دو پیچ محبوس می‌شوند که با گردش آنها در جهت مخالف، گاز کم حجم رانده شده و در بخش خروجی آن را فشرده می‌کند که باعث کاهش فشار می‌شود.

نتیجه

همانطور که می بینید، تعیین اینکه چه پمپ خلاء ممکن است برای فرآیند حذف گاز خود نیاز داشته باشید می تواند بر اساس عوامل زیادی متفاوت باشد.

اینها شامل محدوده فشار و سرعت پمپاژ، سرعت جریان، نوع کاربرد گاز، اندازه حجم، طول عمر و مکان سیستم شما می باشد.

این می تواند یک کار دلهره آور باشد که اگر درست انتخاب نشود می تواند زمان بر و پرهزینه باشد.

اگر شما به یک راه حل سفارشی نیاز داشته باشید، تجهیزوک می تواند با مجموعه وسیعی از پمپها و تجهیزات، فرآیند انتخاب را ساده کند.