پمپ‌های وکیوم، دستگاه‌هایی شگفت‌انگیز هستند که با مکش هوا و گازها از یک محفظه، خلائی در آن ایجاد می‌کنند. این خلاء کاربردهای فراوانی در صنایع مختلف از جمله پزشکی، داروسازی، آزمایشگاهی، نیمه‌هادی، بسته بندی و… دارد. اما در دنیای پمپ های وکیوم، تنوع فراوانی وجود دارد و هر نوع از این پمپ‌ها با مکانیزم و عملکرد خاص خود، برای کاربردهای ویژه‌ای طراحی شده است.
در زمان طراحی یا راه‌اندازی یک سیستم وکیوم، درک عملکرد پمپ‌های وکیوم اهمیت اساسی دارد. در این متن، به بررسی متداول‌ترین انواع پمپ‌های وکیوم، اصول عملکرد آنها و جایگاهشان در سیستم می‌پردازیم.
دسته‌بندی پمپ‌ها (بر اساس فشار عملیاتی)
پمپ‌های وکیوم بر اساس محدوده فشار عملیاتی‌شان دسته‌بندی می‌شوند و به همین ترتیب به‌عنوان پمپ‌های اولیه، بوستر یا ثانویه طبقه‌بندی می‌گردند. در هر محدوده فشاری، انواع مختلفی از پمپ‌ها وجود دارند که هر کدام از آنها از فناوری متفاوتی بهره می‌گیرند و هر کدام مزایای منحصربه‌فردی از نظر ظرفیت فشار، سرعت جریان، هزینه و نیازهای نگهداری دارند.
صرف‌نظر از طراحی، اصل بنیادی عملکرد آنها یکسان است. پمپ وکیوم با حذف مولکول‌های هوا و سایر گازها از محفظه وکیوم (از خروجی یک پمپ وکیوم با فشار بالاتر در صورت اتصال سری) عمل می‌کند. با کاهش فشار در محفظه، حذف مولکول‌های اضافی به‌صورت تصاعدی سخت‌تر می‌شود. در نتیجه، یک سیستم وکیوم صنعتی باید بتواند در بخشی از یک محدوده فشار فوق‌العاده وسیع که معمولاً از ۱ تا ۱۰-۶ تور (Torr) متغیر است، عمل کند. در کاربردهای تحقیقاتی و علمی، این محدوده تا ۱۰-۹ تور یا پایین‌تر گسترش می‌یابد. برای دستیابی به این امر، از انواع مختلفی از پمپ‌ها در یک سیستم معمولی استفاده می‌شود که هر کدام بخشی از محدوده فشار را پوشش داده و گاهی اوقات به‌صورت سری کار می‌کنند.
به‌طورکلی سیستم‌های وکیوم در گروه‌های فشار زیر قرار می‌گیرند:
• خلأ درشت/پایین: > اتمسفر تا ۱ تور
• خلأ متوسط: ۱ تور تا ۱۰-۳ تور
• خلأ بالا: ۱۰-۳ تور تا ۱۰-۷ تور
• خلأ فوق بالا: ۱۰-۷ تور تا ۱۰-۱۱ تور
• خلأ فوق‌العاده بالا: < ۱۰-۱۱ تور
همچنین انواع مختلف پمپ‌ها برای این محدوده‌های فشار را می‌توان به دسته‌های زیر تقسیم کرد:
• پمپ‌های اولیه (پشتیبان): محدوده‌های فشار خلأ درشت و پایین
• پمپ‌های بوستر: محدوده‌های فشار خلأ درشت و پایین
• پمپ‌های ثانویه (خلأ بالا): محدوده‌های فشار خلأ بالا، خیلی بالا و فوق بالا
اصطلاحات تخصصی پمپ وکیوم
پمپ‌های وکیوم از دو تکنولوژی اصلی برای جابه‌جایی یا به دام انداختن گاز استفاده می‌کنند.
1. پمپ‌های انتقال‌دهنده (Transfer Pumps): این نوع پمپ‌ها با انتقال مولکول‌های گاز از طریق تبادل تکانه (اثر جنبشی) یا جابه‌جایی حجمی کار می‌کنند. تعداد مشابهی از مولکول‌های گاز که وارد پمپ می‌شوند از آن خارج شده و در زمان خروج، فشار کمی بالاتر از فشار اتمسفر دارند. نسبت فشار خروجی (اگزوز) به کمترین فشار به‌دست‌آمده (ورودی) به‌عنوان نسبت تراکم (Compression Ratio) شناخته می‌شود.
• پمپ‌های انتقال‌دهنده جنبشی (Kinetic Transfer Pumps): این پمپ‌ها بر اساس اصل انتقال تکانه کار می‌کنند و با استفاده از تیغه‌های پرسرعت یا بخار تزریق شده، گاز را به سمت خروجی پمپ هدایت می‌کنند تا احتمال حرکت مولکول‌ها به سمت خروجی افزایش یابد. پمپ‌های جنبشی معمولاً دارای حجم‌های درزگیری شده نیستند، اما می‌توانند در فشارهای پایین به نسبت‌های تراکم بالایی دست پیدا کنند.
• پمپ‌های انتقال‌دهنده با جابه‌جایی حجمی (Positive Displacement Transfer Pumps): این پمپ‌ها با به دام انداختن مکانیکی حجم مشخصی از گاز و حرکت آن در پمپ کار می‌کنند. آنها اغلب به‌صورت چندمرحله‌ای روی یک محور محرک مشترک طراحی می‌شوند. حجم جدا شده تا حجم کوچک‌تر با فشار بالاتر فشرده می‌شود و در نهایت، گاز فشرده شده به اتمسفر (به پمپ بعدی) تخلیه می‌شود. استفاده از دو پمپ انتقال‌دهنده به‌صورت سری برای دستیابی به وکیوم و سرعت جریان بالاتر رایج است. به‌عنوان‌مثال، یک پمپ توربو مولکولی (جنبشی) را می‌توان به‌صورت سری با یک پمپ اسکرول (جابه‌جایی حجمی) به‌عنوان یک سیستم بسته خریداری کرد.
2. پمپ‌های جذب: پمپ‌های جذب با به دام انداختن مولکول‌های گاز روی سطوح موجود در سیستم وکیوم کار می‌کنند. این پمپ‌ها نسبت به پمپ‌های انتقال، سرعت جریان پایین‌تری دارند، اما می‌توانند وکیوم بسیار بالایی (تا 10-12 تور) ایجاد کرده و خلائی عاری از روغن را تولید کنند. عملکرد پمپ‌های جذب بر اساس تراکم برودتی، واکنش یونی یا واکنش شیمیایی بوده و فاقد اجزای متحرک هستند.
انواع پمپ‌های وکیوم
فناوری‌های مختلف پمپ بر اساس اینکه آیا گاز در طی فرایند پمپاژ در معرض روغن یا آب قرار می‌گیرد یا خیر، به‌عنوان پمپ‌های نوع خشک یا تر دسته‌بندی می‌شوند. طرح‌های پمپ تر از روغن یا آب برای روان‌کاری و/یا آب‌بندی استفاده می‌کنند و این سیال می‌تواند گاز پمپ شده را آلوده کند. پمپ‌های خشک هیچ سیالی در حجم جاروب شده ندارند و بر اساس فواصل کم‌بین اجزای چرخشی و ثابت پمپ، درزگیرهای پلیمری خشک (PTFE) یا یک دیافراگم برای جداکردن مکانیزم پمپاژ از گاز جاروب شده عمل می‌کنند. اگرچه پمپ‌های خشک ممکن است از روغن یا گریس در چرخ‌دنده‌ها و یاتاقان‌های پمپ استفاده کنند، اما این مواد از گاز جاروب شده جدا هستند. پمپ‌های خشک در مقایسه با پمپ‌های‌تر، خطر آلودگی سیستم و دفع روغن را کاهش می‌دهند. سیستم‌های وکیوم به‌راحتی با صرفاً عوض‌کردن پمپ از نوع تر به خشک، از تر به خشک تبدیل نمی‌شوند. محفظه و لوله‌کشی می‌توانند توسط پمپ‌تر آلوده شوند و باید به طور کامل تمیز یا تعویض شوند، در غیر این صورت، در عملکردهای بعدی، گاز را آلوده خواهند کرد.
در ادامه، با معرفی رایج‌ترین انواع پمپ‌های وکیوم بر اساس عملکرد آنها همراه شما هستیم.
1. پمپ‌های وکیوم اولیه (PRIMARY (BACKING) PUMPS)
پمپ‌های وکیوم اولیه که به آنها پمپ‌های پشتیبان یا پمپ‌های خشن نیز می‌گویند، برای ایجاد خلأ اولیه در سیستم‌های وکیوم استفاده می‌شوند. آنها معمولاً می‌توانند به فشار حدود 100 تا 1000 میلی‌تور فشار اتمسفر (Torr) برسند.
انواع مختلفی از پمپ‌های وکیوم اولیه وجود دارد، اما متداول‌ترین آنها عبارت‌اند از:
• پمپ وکیوم روغنی تیغه‌ای دوار (حجمی، رطوبت) (Oil Sealed Rotary Vane Pump)
در پمپ وکیوم تیغه‌ای دوار، گاز از طریق درگاه ورودی وارد پمپ شده و توسط یک روتور با نصب خارج از مرکز محبوس می‌شود. این روتور گاز را فشرده کرده و آن را به سمت سوپاپ خروجی هدایت می‌کند. سوپاپ با فنر نگاه‌داشته شده و زمانی که فشار از فشار اتمسفر بیشتر شود، به گاز اجازه خروج می‌دهد. از روغن برای آب‌بندی و خنک کردن تیغه‌ها استفاده می‌شود.
فشار قابل‌دستیابی با یک پمپ دوار توسط تعداد طبقات استفاده شده و تلرانس‌های آنها تعیین می‌شود. یک طراحی دومرحله‌ای می‌تواند فشاری در حدود ۱×۱۰^-۳ میلی بار ایجاد کند. همچنین سرعت پمپاژ آن ۰.۷ تا ۲۷۵ مترمکعب بر ساعت (۰.۴ تا ۱۶۲ فوت مکعب بر دقیقه) است.
• پمپ حلقه مایع (حجمی، تر) (Liquid Ring Pump)
پمپ حلقه مایع یک پمپ با جابه‌جایی مثبت است که گاز را با چرخاندن یک چرخ پره (ایمپلر) پره‌دار که به‌صورت غیرعادی درون محفظه پمپ قرار گرفته است، متراکم می‌کند. مایع به درون پمپ تزریق می‌شود و بر اثر نیروی گریزازمرکز، حلقه استوانه‌ای متحرکی را در مقابل قسمت داخلی پوسته (کِیسینگ) تشکیل می‌دهد. این حلقه مایع مجموعه‌ای از آب‌بندی‌ها را در فضای بین پره‌های چرخ پره ایجاد می‌کند که محفظه‌های تراکم را تشکیل می‌دهند. خارج از مرکز بودن بین محور چرخش چرخ پره و محفظه پمپ باعث ایجاد تغییر دوره‌ای در حجم محصور شده توسط پره‌ها و حلقه می‌شود و در نتیجه گاز را متراکم کرده و آن را از طریق روزنه‌ای در انتهای محفظه تخلیه می‌کند.
این پمپ به دلیل اینکه تنها محور و چرخ پره اجزای متحرک آن هستند، از طراحی ساده و مستحکمی برخوردار است. این پمپ در برابر اختلالات فرایندی بسیار مقاوم بوده و از گستره ظرفیت وسیعی برخوردار است. با استفاده از آب با دمای ۱۵ درجه سانتیگراد (۵۹ درجه فارنهایت) می‌تواند فشاری معادل ۳۰ میلی بار ایجاد کند و با سایر مایعات می‌توان به فشارهای پایین‌تری دست‌یافت. دامنه سرعت پمپاژ آن ۲۵ تا ۳۰۰۰۰ مترمکعب بر ساعت (۱۵ تا ۱۷۷۰۰ فوت مکعب بر دقیقه) است.
• پمپ دیافراگمی (خشک، جابه‌جایی مثبت) (Diaphram Pump)
پمپ دیافراگمی یک پمپ با ظرفیت کم است که به طور گسترده در آزمایشگاه‌های تحقیق و توسعه برای آماده‌سازی نمونه استفاده می‌شود. این پمپ برای پشتیبان‌گیری از پمپ‌های توربو مولکولی مرکب کوچک در کاربردهای خلاصه بالا با هوای تمیز استفاده می‌شود. هنگام استفاده از پمپ دیافراگمی برای پشتیبان‌گیری از پمپ توربو مولکولی مرکب، می‌توان به فشار نهایی 5 در 10 به توان -8 میلی بار دست یافت. این پمپ دارای محدوده سرعت پمپاژ 0.6 تا 10 متر مکعب در ساعت (0.35 تا 5.9 فوت مکعب در دقیقه) است.
• پمپ وکیوم اسکرول (خشک، با جابه‌جایی مثبت) (Scroll Pump)
پمپ وکیوم اسکرول، از دو اسکرول (حلزون) تشکیل شده است که چرخش ندارند، بلکه اسکرول داخلی حول اسکرول خارجی حرکت کرده و حجم گازی را به دام می‌اندازد و آن را در فضایی دائماً در حال کاهش، فشرده می‌کند. این فرایند تا رسیدن به حداقل حجم و حداکثر فشار در مرکز حلزون‌ها، جایی که خروجی قرار دارد، ادامه می‌یابد. درزگیر نوک اسکرول از جنس پلیمر مارپیچ (PTFE) بدون استفاده از روانکار در جریان گاز جاروب شده، آب‌بندی محوری بین دو اسکرول را فراهم می‌کند. این پمپ‌ها می‌توانند به فشار نهاییِ معمول ۱ در ۱۰^-۲ میلی بار دست یابند. همچنین، سرعت پمپاژ آنها در محدوده ۵.۰ تا ۴۶ مترمکعب بر ساعت (۳.۰ تا ۲۷ فوت مکعب بر دقیقه) قرار دارد.
2. پمپ‌های بوستر (BOOSTER PUMPS)
پمپ‌های وکیوم بوستر نوعی پمپ مکنده جابه‌جایی مثبت هستند که برای ایجاد خلأ در محدوده فشار بالا استفاده می‌شوند. آنها معمولاً در ترکیب با پمپ‌های وکیوم دیگر، مانند پمپ‌های روتاری روغنی یا پمپ‌های خشک، برای رسیدن به سطوح عمیق‌تر خلأ استفاده می‌شوند. از انواع پمپ‌های بوستر می‌توان به موارد زیر اشاره نمود:
• پمپ روتس (خشک، جابه‌جایی مثبت) (Roots Pump)
پمپ روتس عمدتاً به‌عنوان بوستر وکیوم مورداستفاده قرار می‌گیرد و برای حذف حجم زیادی از گاز طراحی شده است. دو لوب بدون تماس با یکدیگر در جهت مخالف چرخش می‌کنند تا گاز را به طور مداوم در یک‌جهت از طریق پمپ منتقل کنند. این پمپ عملکرد پمپ اولیه/ پشتیبان را تقویت می‌کند، سرعت پمپاژ را تقریباً 7: 1 افزایش می‌دهد و فشار نهایی را تقریباً 10: 1 بهبود می‌بخشد. پمپ‌های روتس می‌توانند دو لوب یا بیشتر داشته باشند. با ترکیب با پمپ‌های اولیه، می‌توان به فشار نهایی کمتر از 10-3 تور (Torr) دست‌یافت. این پمپ می‌تواند به سرعت‌های پمپاژ در حدود 100000 مترمکعب بر ساعت (58860 فوت مکعب بر دقیقه) برسد.
• پمپ چنگالی (خشک، جابه‌جایی مثبت) (Claw Pump)
پمپ چنگالی دارای دو چنگال ضد چرخش بوده و مشابه پمپ رتس عمل می‌کند، با این تفاوت که گاز به‌صورت محوری و نه از بالابه‌پایین منتقل می‌شود. این پمپ اغلب به همراه پمپ رتس به کار می‌رود که به آن ترکیب پمپ اولیه رتس – چنگالی می‌گویند، جایی که چندین مرحله رتس و چنگالی روی یک محور مشترک قرار دارند. این پمپ برای محیط‌های صنعتی سخت طراحی شده و دبی حجمی بالایی ارائه می‌دهد. فشار نهایی قابل‌دستیابی با این پمپ معمولاً ۱ در ۱۰⁻³ میلی بار است. همچنین، محدوده سرعت پمپاژ آن بین ۱۰۰ تا ۸۰۰ مترمکعب بر ساعت (۵۹ تا ۴۷۲ فوت مکعب بر دقیقه) می‌باشد.
3. پمپ‌های ثانویه (SECONDARY PUMPS)
پمپ‌های وکیوم ثانویه که به‌عنوان پمپ‌های پشتیبان نیز شناخته می‌شوند، برای دستیابی به سطوح وکیوم بالا (فشار پایین) در کنار پمپ‌های وکیوم اولیه استفاده می‌شوند. آنها قادر به عملکرد مستقل نیستند و برای تخلیه گاز از محفظه وکیوم به پمپ اولیه نیاز دارند.
انواع مختلفی از پمپ‌های وکیوم ثانویه وجود دارد، از جمله:
• پمپ‌های توربو مولکولی (خشک، انتقال جنبشی) (Turbomolecular Pumps)
پمپ‌های توربو مولکولی با انتقال انرژی جنبشی به مولکول‌های گاز با استفاده از تیغه‌های زاویه‌دار با سرعت چرخش بالا که گاز را با سرعت زیاد به جلو می‌رانند، کار می‌کنند: سرعت نوک تیغه به طور معمول ۲۵۰-۳۰۰ متر بر ثانیه (۶۷۰ مایل بر ساعت) است. آنها با انتقال تکانه از تیغه‌های چرخان به گاز، احتمال بیشتری برای حرکت مولکول‌ها به سمت خروجی فراهم می‌کنند. این پمپ‌ها فشارهای پایین و سرعت‌های انتقال کم را ارائه می‌دهند. یک فشار نهایی معمولی کمتر از ۷.۵ × ۱۰⁻¹¹ تور قابل‌دستیابی است. آنها دارای محدوده سرعت پمپاژ ۵۰ تا ۵۰۰۰ لیتر بر ثانیه هستند. طبقات پمپاژ تیغه‌ای اغلب با طبقات درگ (کشش) ترکیب می‌شوند که به پمپ‌های توربو مولکولی اجازه می‌دهد تا در فشارهای بالاتر (> 1 تور) تخلیه شوند.
• پمپ‌های وکیوم دیفیوژن بخار (انتقال جنبشی‌تر) (Vapor Diffusion Pumps)
پمپ‌های وکیوم دیفیوژن بخار با استفاده از جریان روغن داغ با سرعت بالا که گاز را از ورودی به خروجی “می‌کشد”، انرژی جنبشی را به مولکول‌های گاز منتقل می‌کنند و در نتیجه فشار را در ورودی کاهش می‌دهند. این پمپ‌ها از یک تکنولوژی قدیمی‌تر استفاده می‌کنند که تا حد زیادی توسط پمپ‌های تورومولکولی خشک جایگزین شده‌اند. آنها فاقد قطعات متحرک بوده و با هزینه کم، قابلیت اطمینان بالایی را ارائه می‌دهند. با استفاده از این پمپ‌ها می‌توان به فشار نهایی کمتر از ۷.۵ × ۱۰-۱۱ تور رسیده و سرعت پمپاژ آنها نیز در محدوده ۱۰ تا ۵۰۰۰۰ لیتر بر ثانیه قرار دارد.
• پمپ کرایو (خشک، به دام اندازنده) (Cryopump)
پمپ کرایو به‌جای انتقال‌دادن گازها و بخارات از طریق پمپ، با به دام انداختن و ذخیره‌کردن آنها عمل می‌کند. این پمپ‌ها از فناوری برودتی (cryogenic) برای فریز یا به دام انداختن گاز روی سطحی بسیار سرد (تطبیق‌پذیری یا جذب سطحی در دمای پایین) در محدوده دمایی ۱۰ تا ۲۰ درجه کلوین (حدود منفی ۲۶۰ درجه سانتیگراد) استفاده می‌کنند. این پمپ‌ها بسیار مؤثر هستند، اما ظرفیت ذخیره‌سازی گاز آنها محدود است. گازها و بخارهای جمع‌آوری شده باید به‌صورت دوره‌ای با گرم‌کردن سطح و پمپاژ آنها با استفاده از پمپ خلائی دیگر (که به بازسازی معروف است) از پمپ خارج شوند. پمپ‌های کرایو برای خنک‌کردن سطوح به کمپرسور تبرید نیاز دارند. این پمپ‌ها می‌توانند به فشاری در حدود ۷.۵ ضرب در ۱۰ به توان ۱۰- تور (Torr) دست یابند و دامنه سرعت پمپاژ آنها بین ۱۲۰۰ تا ۴۲۰۰ لیتر بر ثانیه است.
• پمپ‌های یون پاششی (خشک، به‌دام‌اندازی) (Sputter Ion Pumps)
پمپ‌های یون پاششی با استفاده از اصول گیرنده‌سازی (جذب گازها توسط مواد شیمیایی فعال) و یونیزاسیون (تبدیل مولکول‌های گاز به ذرات رسانا و به دام انداختن آنها) گازها را به دام می‌اندازند.
فرایند به این صورت است که میدان مغناطیسی قوی همراه با ولتاژ بالا (۴ تا ۷ کیلوولت) ابری از الکترون‌ها و یون‌های مثبت (پلاسما) ایجاد می‌کند که روی یک کاتد تیتانیوم و گاهی اوقات یک کاتد ثانویه اضافی ساخته‌شده از تانتالوم رسوب داده می‌شوند. کاتد گازها را جذب کرده و در نتیجه یک فیلم گیرنده (گِتر) تشکیل می‌دهد. این پدیده پاشش نامیده می‌شود. کاتد باید به طور دوره‌ای تعویض شود.
این پمپ‌ها فاقد اجزای متحرک هستند، نیاز به نگهداری کمی دارند و می‌توانند به فشار پایینی در حدود ۷.۵ × ۱۰⁻¹² تور رسیده و حداکثر دمش ۱۰۰۰ لیتر بر ثانیه را داشته باشند.
جمع‌بندی
در این بخش، انواع مختلف پمپ‌های وکیوم به‌صورت خلاصه شرح داده شد، اما برای درک کامل مزایا و محدودیت‌های هر فناوری، بحث دقیق‌تری در مورد هر کدام موردنیاز است.
پمپ‌های وکیوم، یکی از مهم‌ترین اجزای به‌کاررفته در فرایند وکیوم، و اگر نگوییم مهم‌ترین، هستند. فرایندهایی که اجرا می‌کنیم و کیفیتی که به دست می‌آوریم تابعی از عملکرد این سیستم‌ها است.
