در دنیای شگفت‌انگیز علم و صنعت، ابزارهای گوناگونی وجود دارند که هر کدام نقشی حیاتی در پیشرفت بشر ایفا می‌کنند. یکی از این ابزارها، پمپ وکیوم نام دارد که به‌عنوان پمپ خلا نیز شناخته می‌شود. این دستگاه شگفت‌انگیز با مکیدن هوا و گازها از یک محفظه، فشار را در آن به کمتر از فشار اتمسفر می‌رساند و به‌این‌ترتیب، دنیای خلاء را خلق می‌کند.
در این مقاله، سفری به دنیای پمپ‌های وکیوم خواهیم داشت و با فناوری، عملکرد و کاربردهای این دستگاه شگفت‌انگیز آشنا خواهیم شد.
پمپ وکیوم (خلاء) چیست؟
مخازن وکیوم، انواع شیرها، فشارسنج، اتصالات دائمی و غیردائمی، لوله‌های اتصال و یک یا چند پمپ وکیوم، اجزای اصلی سیستم خلا هستند. پمپ‌های وکیوم، جزو مهم‌ترین بخش سیستم وکیوم یا سیستم خلا به‌حساب می‌آیند. برای همین بهتر است با آنها آشنایی داشته و از عملکردشان در این سیستم اطلاع داشت. پمپ وکیوم (vacuum pump) وسیله‌ای است که مولکول‌های گاز یا ذرات هوا را از یک حجم مهروموم شده حذف می‌کند تا به اختلاف فشار و ایجاد خلاء جزئی دست یابد. برای درک بهتر این موضوع بهتر است یک تعریف از محیط فضای خلا داشته باشیم. زمانی که طبق روش خاصی فشار یک محیط را از فشار جو کمتر می‌کنیم، یعنی به وکیوم کردن فضا پرداخته‌ایم. این یعنی در یک محیط با فضای وکیوم شده، فشار محیط کمتر از فشار محیط بیرون است. به‌عبارت‌دیگر محیط وکیوم شده، خالی از ماده است و مولکول‌های هوا که خود عامل ایجاد فشار هستند نیز در آن وجود ندارد. فشار صفر مطلق در چنین فضاهایی تعریف می‌شود که در عمل کمی غیرقابل‌دسترسی به نظر می‌آید. چرا که همیشه تعدادی مولکول گاز در فضا وجود دارد که سبب ایجاد فشار می‌شود. بااین‌حال رسیدن به چنین محیط و فضایی دور از واقعیت و دسترس نیست و می‌توان با استفاده از سیستم وکیوم یا سیستم خلا، به این مورد دست پیدا کرد.
پمپ‌های وکیوم به زبان ساده دستگاه‌های مکانیکی هستند که امکان حذف مولکول‌های هوا و گاز از یک ناحیه‌ی درزبسته را به‌منظور ایجاد فضایی عاری از هوا و/یا گاز فراهم می‌آورند. به‌طورکلی، هدف آنها آب‌بندی و درزبندی است. پمپ‌های وکیوم بسته به نوع سیالی که از آنها عبور می‌کند، در انواع خشک و‌تر وجود دارند.
کاربردهای پمپ وکیوم
پمپ‌های وکیوم در طیف گسترده‌ای از صنایع و کاربردها برای حذف مولکول‌های هوا و گاز از فرایند، قابل‌استفاده هستند. این صنایع شامل مواد غذایی و آشامیدنی، نیمه‌هادی و صنعت الکترونیک، خمیر و کاغذ، پزشکی، پلاستیک و چوب‌بری شده که تنها چند نمونه از موارد پرشمار به‌کارگیری پمپ‌های وکیوم می‌باشند. برخی از نمونه‌های رایج کاربرد پمپ‌های وکیوم عبارت‌اند از:
• فرایند تولید نیمه‌رسانا (صنعت میکروالکترونیک): ایجاد خلاء برای رسوب‌دهی لایه‌های نازک روی ویفرهای سیلیکونی و سایر مراحل ساخت قطعات الکترونیکی
• قالب‌گیری کامپوزیت: خارج‌کردن هوا از رزین و الیاف برای ایجاد یک اتصال قوی و بدون حباب هوا
• غنی‌سازی اورانیوم (برای تولید برق هسته‌ای): جداکردن ایزوتوپ‌های اورانیوم 235 با جرم کمتر، که برای شکافت هسته‌ای مناسب‌تر هستند
• پالایش نفت: حذف ناخالصی‌ها و گازهای غیر هیدروکربنی از نفت خام برای تولید محصولات نفتی با کیفیت بالاتر
• پمپ وکیوم پزشکی: ایجاد مکش برای کاربردهای مختلف مانند جراحی، رادیوتراپی و لیپوساکشن
پمپ‌های خلا صنعتی همچنین نقش مهمی در عملکرد برخی از تجهیزات تولیدی ایفا می‌کنند، از جمله:
• لامپ‌های الکتریکی
• دستگاه‌های رادیوتراپی
• میکروسکوپ‌های الکترونی، طیف‌سنج‌ها (برای آنالیز شیمیایی) و سایر تجهیزات تحلیلی مشابه
• سیستم‌های تهویه‌مطبوع
• تجهیزات لبنی
• ژیروسکوپ‌های ابزارآلات پرواز
• موتورهای خودرو (برای تقویت ترمز و افزایش بازده سوخت)
سنجش عملکرد پمپ‌های وکیوم (سرعت/نرخ پمپاژ)
سرعت پمپاژ، یعنی سرعت خارج‌کردن گاز و هوا از یک حجم، مهم‌ترین عامل تعیین‌کننده عملکرد پمپ وکیوم است. به عبارت دقیق‌تر، سرعت پمپاژ به سرعت جریان حجمی پمپ در ورودی آن اشاره دارد که اغلب بر حسب حجم بر واحد زمان اندازه‌گیری می‌شود.
مهم است که توجه داشته باشید سرعت پمپاژ به ترکیب شیمیایی گازی که پمپاژ می‌شود و همچنین نوع پمپی که استفاده می‌شود بستگی دارد. به‌عنوان‌مثال، پمپ‌های انتقال حرکت و به دام اندازی نسبت به برخی گازها نسبت به سایرین کارآمدتر هستند.
راندمان حجمی پمپ وکیوم
راندمان حجمی معیاری دیگر برای سنجش عملکرد پمپ وکیوم است. این پارامتر سرعت پمپاژ را در فشار گاز ورودی ضرب می‌کند تا تعداد مولکول‌های خارج‌شده در واحد زمان در دمای ثابت را محاسبه کند.
راندمان حجمی همچنین در ارزیابی نشتی سیستم کاربرد دارد. این قابلیت اندازه‌گیری سرعت نشتی حجمی ضربدر فشار در سمت خلا نشتی را فراهم می‌کند. از این طریق، می‌توان راندمان حجمی نشتی را با راندمان حجمی پمپ مقایسه کرد.
علاوه بر این، پمپ‌های انتقال حرکت و جابه‌جایی مثبت، سرعت پمپاژ ثابتی را حفظ می‌کنند. بااین‌حال، با کاهش فشار محفظه و کاهش جرم درون آن، راندمان حجمی و سرعت جریان جرمی به طور تصاعدی کاهش می‌یابد، درحالی‌که سرعت پمپاژ ثابت باقی می‌ماند. در همین حال، نرخ نشتی، تبخیر، تصعید و بازگشت گاز، همچنان یک راندمان حجمی ثابت را در سیستم ایجاد می‌کنند.
هزینه طول عمر یک پمپ خلأ چقدر است؟
هزینه انرژی مهم‌ترین بخش هزینه طول عمر یک پمپ وکیوم است. در واقع، مصرف انرژی یک پمپ وکیوم در طول عمر آن، به طور معمول پنج برابر قیمت خرید اولیه آن است، درحالی‌که هزینه نگهداری حدود 30 درصد است.
تقسیم‌بندی تقریبی هزینه طول عمر:
• قیمت خرید اولیه: 10 درصد
• هزینه نگهداری: 30 درصد
• مصرف انرژی برای راه‌اندازی پمپ وکیوم: 50 درصد
• هزینه‌های جانبی: 10 درصد
کلید مسئله انتخاب سیستم با بالاترین بازدهی انرژی و قابلیت اطمینان است که به شما امکان می‌دهد کل هزینه مالکیت (TCO) را به طور چشمگیری کاهش دهید.
سطح وکیوم پمپ‌های وکیوم صنعتی چیست؟
هنگام انتخاب پمپ وکیوم، یکی از عوامل تعیین‌کننده، کیفیت و سطح وکیوم موردنظر پمپ است. سه نوع وکیوم وجود دارد:
خلاء درشت یا پایین (Rough or Low Vacuum): در این ناحیه، فشار نسبتا بالا است (حدود ۱ اتمسفر تا ۱ تور) و تعداد مولکول‌های گاز در هر سانتی‌متر مکعب زیاد است.
خلاء بالا (High Vacuum): در این ناحیه، فشار به میزان قابل‌توجهی کاهش‌یافته است (حدود ۱۰^-۱ تا ۱۰^-۴ تور) و تعداد مولکول‌های گاز به طور قابل‌توجهی کمتر است.
خلاء فوق بالا (Ultrahigh Vacuum): در این ناحیه، فشار به مقادیر بسیار پائینی رسیده است (کمتر از ۱۰^-۷ پاسکال) و تعداد مولکول‌های گاز در هر سانتی‌متر مکعب بسیار کم است.
پمپ‌های وکیوم صنعتی در دسته‌ی پمپ‌های وکیوم فوق بالا (UHV) قرار می‌گیرند. مشخصه‌ی پمپ‌های UHV، دستیابی به فشارهایی پایین‌تر از ۱۰^-۷ پاسکال (۱۰^-۹ تور) است. این پمپ‌ها معمولا از نوع دومرحله‌ای هستند.
پمپ وکیوم دومرحله‌ای چیست؟
در کاربردهای صنعتی، زمانی که هدف دستیابی به سطوح خلأ UHV (فوق‌العاده بالا) با ظرفیت پمپاژ بالا باشد، عموماً از طراحی پمپ وکیوم دومرحله‌ای استفاده می‌شود.
این طراحی شامل دو مجموعه روتور و تیغه است که به پمپ اجازه می‌دهد از یک مرحله خلأ پایین (فشار بالا) و یک مرحله خلأ بالا (فشار پایین) استفاده کند. مرحله خلأ بالا، گاز فرایند را گرفته و آن را به مرحله دوم خلأ پایین منتقل می‌کند. مرحله خلأ پایین وظیفه تراکم گاز به فشار اتمسفر را بر عهده دارد و در نتیجه عملکرد خلأ پمپ را بهبود می‌بخشد.
بنابراین، اگر نیاز به فشار پایین‌تر با عملکرد بهتر سطح خلأ دارید، پمپ وکیوم دومرحله‌ای راه‌حل مناسب‌تری خواهد بود.
انواع پمپ‌های وکیوم (به‌صورت خلاصه)
پمپ‌های وکیوم را می‌توان بر اساس نوع روغن‌کاری به دودسته خشک (بدون روغن) و تر (روغن‌کاری شده) تقسیم‌بندی کرد. این دسته‌بندی صرفا به این موضوع اشاره دارد که آیا در طی فرایند تراکم، گاز با روغن روان‌کننده در تماس قرار می‌گیرد یا خیر. پمپ‌های خشک به دلیل کاهش ریسک آلودگی گاز، مفید هستند درحالی‌که پمپ‌های تر به علت روانکاری و درزبندی مؤثرشان، مزیت دارند.
انواع مختلفی از این پمپ‌ها وجود دارد که هر کدام برای کاربردهای متفاوتی مناسب‌تر هستند. این انواع شامل موارد زیر می‌شوند:
• پمپ وین دوار (پره‌ای)
• پمپ پیستونی
• پمپ رینگ مایع
• پمپ کانال جانبی
• پمپ‌های حجمی (جابه‌جایی مثبت)
بااین‌حال، چهار نوع اصلی پمپ خلاصه عبارت‌اند از:
1. پمپ‌های خلأ با جابه‌جایی مثبت
این مدل‌ها ترکیبی از یک محفظه گسترنده در نقطه مکش با یک محفظه کاهش یابنده در نقطه خروجی هستند. این امر امکان ایجاد جریان مکش مداوم و با شدت متوسط را فراهم می‌کند. در نتیجه، آنها برای عملیات پمپاژی که به‌سرعت ثابت نیاز دارند، ایده‌آل هستند.
2. پمپ‌های خلأ انتقال حرکت
پمپ‌های انتقال حرکت که همچنین به نام پمپ‌های جنبشی شناخته می‌شوند، دارای یک جزء چرخشی هستند که هوا یا گاز را از ورودی به خروجی خود هدایت می‌کند. این عمل باعث ایجاد ناحیه‌ای با فشار کم می‌شود که در زمان رسیدن به خلاء توسط یک شیر قدرتمند بسته می‌گردد. برخی از مدل‌ها همچنین از جت‌های پر سرعت سیال استفاده می‌کنند.
دو نوع پمپ انتقال حرکت وجود دارد: گریزازمرکز و احیاکننده. نوع اول از نیروی گریزازمرکز برای به حرکت درآوردن سیال در دستگاه استفاده می‌کند. در همین حال، پمپ‌های احیاکننده (همچنین به نام پمپ‌های توربین یا محیطی) برای افزایش فشار نهایی، سیال را مجدداً به گردش در می‌آورند. این پمپ‌ها، پمپ‌های خلأ فشارقوی هستند که برای ایجاد خلاء‌های قدرتمند ایده‌آل می‌باشند.
3. پمپ‌های خلأ دیافراگمی
این پمپ‌ها بر اساس حرکت رفت و برگشتی یک جفت دیافراگم مکانیکی عمل می‌کنند که باعث افزایش و کاهش فشار می‌شود. برای جلوگیری از برگشت مایع، از یک شیر استفاده می‌شود. پمپ‌های دیافراگمی به دلیل دقت بالای خود شناخته شده‌اند و به طور گسترده در محیط‌های صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند.
4. پمپ‌های وکیوم گیر
پمپ‌های خلا تله‌ای (همچنین به نام پمپ‌های گیرنده یا تله‌زن شناخته می‌شوند) دستگاه‌های سردکننده‌ای هستند که با خنک‌کردن درون یک فضای محدود، تراکم مولکول‌های هوا را القا می‌کنند. مایع حاصل سپس خارج می‌شود. برخی از پمپ‌های تله‌ای – که به آنها پمپ‌های یونی گفته می‌شود – از میدان‌های الکتریکی برای القای تراکم استفاده می‌کنند. این نوع پمپ‌ها برای ذخیره گاز جهت آزادسازی بعدی ایده‌آل هستند.
نکات ایمنی هنگام پمپ وکیوم
این تجهیزات قدرتمند بوده و استفاده نادرست از آنها می‌تواند خطرناک باشد. ریسک‌های بالقوه شامل موارد زیر است:
• ریختن روغن آلوده پمپ در اثر کاربری نادرست
• آسیب‌دیدگی ناشی از برخورد اتفاقی با اجزای متحرک
• برق‌گرفتگی به دلیل سیم‌کشی معیوب
• آتش‌سوزی ناشی از گرم‌شدن بیش از حد یا خرابی‌های دیگر
• بخارات سمی ناشی از تهویه نامناسب
ایمنی همیشه باید اولویت اصلی شما باشد. نکات کلیدی ایمنی و بهداشت که باید در نظر بگیرید عبارت‌اند از:
• پیش از راه‌اندازی با دستگاه آشنا شوید.
• سطح روغن را کنترل کنید و برای تعویض روغن آمادگی داشته باشید.
• روغن را به روش ایمن و مناسب دور بریزید.
• هرگز خروجی اگزوز یا پمپ را مسدود نکنید.
• از تجهیزات ایمنی فردی (PPE) مناسب استفاده کنید.
• از راه‌اندازی پمپ در مکان‌های با تهویه محدود یا بدون تهویه خودداری کنید.
• در صورت امکان از کابینت تهویه استفاده کنید.
• از وجود محافظ تسمه اطمینان حاصل کنید.
• از سینی نشتی برای جمع‌آوری هرگونه نشتی در صورت خرابی استفاده کنید.
• از مطابقت کامل لوله‌ها با پمپ و مناسب‌بودن آنها برای استفاده اطمینان حاصل کنید.
• محیط اطراف را برای هرگونه مواد قابل‌اشتعال بررسی کنید.
• کلیدها و کابل‌کشی را از نظر خرابی‌های احتمالی بررسی کنید.
جمع‌بندی
پمپ‌های وکیوم ابزارهای ضروری در دنیای مدرن هستند. آنها در طیف وسیعی از صنایع و فرایندها استفاده می‌شوند و برای دستیابی به سطوح پایین فشار ضروری هستند. با پیشرفت فناوری، پمپ‌های وکیوم به طور فزاینده‌ای پیچیده و کارآمدتر می‌شوند و تقاضا برای آنها در سال‌های آینده همچنان افزایش خواهد یافت.
