در این مقاله به معرفی انواع پمپ خلا و دسته بندی های موجود پرداخته خواهد شد. سعی شده است تکنولوژی های مورد استفاده در پمپ خلا و مزایا و معایب آن بصورت خلاصه بیان شود

دسته‌بندی پمپ خلا (بر اساس فشار عملیاتی)

یکی از روش های دسته بندی پمپ های خلا، دسته بندی آنها بر اساس محدوده فشار کاری می باشد. پمپ های خلا بر اساس فشار کاری به سه دسته پمپ های اولیه، پمپ های تقویت کننده و پمپ های ثانویه طبقه بندی می شوند. در هر محدوده فشار انواع مختلفی از پمپ های خلا وجود دارند که هر کدام از فناوری متفاوتی بهره می برند. هر کدام از تکنولوژی های مورد استفاده در پمپ های خلا از نظر میزان فشار و نرخ مکش، هزینه و الزامات نگهداری دارای مزایای و معایب منحصر به فرد خود می باشند.

صرف نظر از طراحی و تکنولوژی مورد استفاده، اصول عملکردی پمپ های خلا یکسان می باشد. پمپ خلا با خارج نمودن مولکول های هوا و یا سایر گازها از محفظه خلا (یا از خروجی پمپ خلا ثانویه و بوستر در صورت اتصال سری) ایجاد خلا می نماید. با کاهش فشار محفظه، خارج نمودن مولکول های بیشتر به طور فزاینده ای سخت تر می شود. بنابراین برای اینکه یک سیستم خلاء صنعتی (شکل 1) بتواند در بازه وسیعی از محدوده فشار خلا -که معمولاً بین 1 تا ^6- 10 تور – کار کند نیازمند استفاده از تکنولوژی های مختلف پمپ خلا خواهد بود.

در کاربردهای تحقیقاتی و علمی، میزان خلا مورد نیاز حتی می تواند به میزان ^9- 10 تور یا کمتر افزایش می یابد. برای تحقق این امر، معمولا چندین نوع مختلف پمپ خلا در یک سیستم خلا مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام از آنها قسمتی از محدوده فشار مورد نیاز را در بر می گیرند و گاهی به صورت سری مورد استفاده قرار می گیرند.

سیستم های خلا را با توجه به سطح خلا مورد نیاز میتوان به صورت زیر دسته بندی نمود

• خلا کم: کمتر از اتمسفر تا 1 تور
• خلاء متوسط: 1 Torr تا ^3-10
• خلا زیاد: ^3-10 تور تا ^7-10 تور
• خلاء بسیار زیاد: ^7-10 تور تا ^11-10 تور
• خلا فوق العاده زیاد : خلا های کمتر از ^11-10 تور

انواع مختلف پمپ خلا مورد استفاده برای محدوده های خلا ذکر شده را می توان به موارد زیر تقسیم کرد:

• پمپ های خلا اولیه (پشتیبان): محدوده فشار کم.
• پمپ های وکیوم بوستر (تقویت کننده): محدوده فشار کم.
• پمپ های خلا ثانویه (خلاء زیاد): محدوده فشار بالا، بسیار زیاد و فوق العاده بالا.

اساس کار پمپ های خلا

شکل 2، دو فناوری کلی مورد استفاده در پمپ های وکیوم که عبارتند از انتقال (جابجایی) گاز و جذب گاز را نشان می دهد. پمپ های وکیوم انتقالی با انتقال مولکول های گاز از طریق القا حرکت (نیروی جنبشی) یا جابجایی مثبت عمل می کنند. در پمپ های خلا جابجایی مثبت همان تعداد مولکول گاز که وارد مکانیزم پمپ می شود از آن تخلیه می گردد. گاز هنگام خارج شدن دارای فشار بالاتری نسبت به فشار اتمسفر می باشد. نسبت فشار خروجی (اگزاست) به فشار ورودی (فشار خلا نهایی) را نسبت تراکم می نامند.

در نوع دیگری از وکیوم پمپ‌های انتقالی ( پمپ های انتقالی جنبشی) برای هدایت و خارج نمودن گاز از محفظه خلا، از القا حرکت (مومنتوم) استفاده می گردد. در این پمپ ها با هدایت گاز به سمت خروجی پمپ، احتمال حرکت مولکول به سمت خروجی را با استفاده از پره های پرسرعت یا تزریق بخار افزایش می دهند. پمپ های وکیوم جنبشی می توانند در فشارهای پایین به نسبت تراکم بالایی دست یابند.

وکیوم پمپ انتقالی از نوع جابجایی مثبت با به دام انداختن حجم مشخصی از گاز بصورت مکانیکی و انتقال آن از طریق پمپ کار می کنند. آنها اغلب بصورت چند مرحله ای و روی یک محور طراحی می شوند. حجم محبوس شده با فشار پایینتر به حجم کوچکتر فشرده شده و در نهایت با افزایش فشار، گاز فشرده شده به جو (یا به پمپ بعدی) تخلیه می گردد. معمولا برای ایجاد خلا بالاتر و دبی یالاتر از دو پمپ وکیوم به صورت سری استفاده شود. به عنوان مثال، یک پمپ توربومولکولی (جنبشی) را می توان به صورت سری با پمپ اسکرول (جابجایی مثبت) به صورت یک سیستم یکپارچه خریداری نمود.

پمپ‌های خلا جذب کننده گاز با جذب مولکول های گاز بر روی سطوح داخل سیستم وکیوم عمل می کنند. پمپ های وکیوم جذبی با دبی کمتری نسبت به پمپ های انتقالی کار می کنند اما می توانند خلاء بسیار بالا ، تا ^12- 10 تور را ایجاد نمایند. پمپ های با استفاده از تراکم کرایوژنیک، واکنش یونی یا واکنش شیمیایی عمل کرده و هیچ قسمت متحرکی ندارند.

انواع پمپ ها – یک مرور کلی

فناوری ها مختلف پمپ خلا بسته به اینکه آیا گاز در طول فرآیند عبور از پمپ خلا در معرض روغن یا آب قرار می گیرد یا خیر، به دو دسته کلی پمپ های خشک یا مرطوب تقسیم می شوند. در طراحی پمپ های مرطوب از روغن یا آب برای روانکاری و/یا آب بندی استفاده می شود بنابراین این مایع می تواند گاز جمع آوری شده (پمپ شده) را آلوده نماید.

پمپ‌های خلا خشک فاقد سیال آلاینده در محفظه عبوری گاز بوده و بین قسمتهای دوار و استاتیک پمپ با استفاده از نشت بندهایی از جنس پلیمری های خشک (PTFE) یا دیافراگم جدا سازی اتفاق می افتد تا مکانیسم مورد استفاده برای پمپاژ را از گاز پمپ شده جدا گردد. اگرچه ممکن است در پمپ های خشک از روغن یا گریس در چرخ دنده ها و یاتاقان پمپ استفاده شود، اما  گاز پمپ شده تماسی با آنها نخواهد داشت. پمپ های خشک خطر آلودگی سیستم تحت خلا و دفع روغن را در مقایسه با پمپ های مرطوب کاهش می دهد.

در یک سیستم خلا در صورت تغییر پمپ خلا از مرطوب به خشک باید محفظه و لوله کشی ها کاملا تمیز گردند زیرا ممکن است توسط پمپ مرطوب آلوده شده باشند. در صورت عدم رعایت این موضوع آلودگی های سیستم می تواند در آینده حین کار سیستم، گاز را آلوده کنند. در ادامه متداول ترین انواع پمپ خلاء بر اساس عملکرد معرفی می شود.

پمپ های خلا اولیه (پشتیبان)

در ادامه تکنولوژی های مورد استفاده در پمپ های اولیه یا پشتیبان مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت. برای مشاهده محصولات قابل ارائه توسط شرکت در زمینه وکیوم پمپ های اولیه کلیک نمایید.

پمپ روتاری روغنی ( از نوع مرطوب و جابجایی مثبت)

مطابق شکل 3 در پمپ خلا روتاری (پره ای) ، گاز وارد پورت ورودی شده و بین پرده های یک روتور که به صورت خارج از مرکز نصب شده است محبوس می شود. با چرخش روتور حجم بین پره های به دلیل خارج از مرکز بودن روتور کاهش یافته و با افزایش فشار گاز محبوس شده، گاز را به سمت سوپاپ خروجی منتقل می کند. این سوپاپ دارای فنر بوده و در صورتی که فشار گاز محبوس شده از فشار اتمسفر بیشتر شود اجازه تخلیه گاز به اتمسفر را می دهد.

در این نوع پمپ خلا روغن برای آب بندی بین پره و بدنه پمپ و همچنین خنک کاری مورد استفاده قرار می گرد. فشار نهایی قابل دستیابی با یک پمپ خلا روتاری با توجه به تعداد مراحل مورد استفاده و دقت ساخت آن مشخص می گردد. پمپ های خلا دو مرحله ای می تواند فشار ^3-10*1 را ایجاد کرده و دارای دبی 0.7 تا 275 متر مکعب در ساعت (0.4 تا 162 فوت در دقیقه) می باشد.

پمپ خلا رینگ مایع ( از نوع مرطوب و جابجایی مثبت)

مطابق شکل 4 پمپ رینگ مایع با چرخاندن روتور پره ای که در محفظه پمپ قرار دارد، گاز را فشرده می کند. مایع به پمپ وارد شده و با شتاب گریز از مرکز، یک حلقه استوانه ای متحرک را در داخل محفظه تشکیل می دهد. این حلقه مایع باعث نشت بندی بین پره های می شود. محفظه شکل گرفته بین پرده ها که توسط مایه نشت بندی شده اند، محفظه های فشرده سازی را تشکیل می دهند. نیروی گریز از مرکز حاصل از چرخش پره ها باعث تغییر حجم محصور بین رینگ مایع و پره های می گردد. تغییر حجم محصور بین پره ها و رینگ مایع  باعث فشرده سازی گاز و خروج آن از طریق درگاهی خروجی می شود.

پمپ رینگ آبی دارای طراحی ساده و مستحکم می باشد زیرا تنها اجزای متحرک آن شافت و پره ها می باشد. در برابر تغییرات پارامتر های فرآیند بسیار تحمل پذیر بوده و دارای محدوده دبی بالایی می باشد. پمپ های رینگ مایع می توانند با استفاده از آب 15 درجه سانتی گراد فشار 30 میلی بار را ایجاد کنند. برای دستیابی به فشارهای خلا بالاتر باید از سیالات دیگر استفاده نمود.  دبی پمپ های خلا رینگ مایع از 25 تا 30،000 متر مکعب در ساعت (15 تا 17،700 فوت 3 در دقیقه) متغیر می باشد.

پمپ وکیوم دیافراگمی ( از نوع خشک و جابجایی مثبت)

مطابق شکل 5 دیافراگم مورد استفاده در این پمپ دیافراگمی بوسیله یک میله ای که بر روی یک بادامک سوار شده است با سرعت بالا به حرکت در می آید. نیروی دورانی موتور توسط بادامک و میله سوار بر آن به حرکت رفت و برگشتی تبدیل شده و باعث ایجاد خمش در دیافراگم می شود. با خمش دیافراگم محفظه بین دیافراگم و بدنه پمپ تغییر کرده و توسط دو عدد شیر یک طرفه نصب شده در ورودی و خروجی پمپ وکیوم عمل مکش و تخلیه گاز صورت می پذیرد. این پمپ ها دارای طراحی جمع و جور بوده و نیاز به نگهداری کمی دارند. طول عمر دیافراگم ها و شیرهای یک طرفه معمولاً بیش از 10،000 ساعت کارکرد می باشد.

پمپ وکیوم دیافراگمی در سیسیتم های خلا کوچک بعنوان پمپ پشتیبان پمپ های خلا توربو مولکولار در کاربردهای خلا بالا و بدون آلودگی مورد استفاده قرار میگیرد. پمپ های دیافراگمی یک پمپ با ظرفیت کوچک می باشد که به طور گسترده در آزمایشگاه های تحقیق و توسعه ای استفاده می شود. در صورت استفاده از پمپ خلا دیافراگمی بعنوان پمپ پشتیبان برای یک پمپ توربو مولکولار، معمولا می توان به فشار نهایی ^8-10*5 میلی بار دست یافت. دبی پمپاژ پمپ دیافراگمی 0.6 تا 10 متر مکعب در ساعت (0.35 تا 5.9 فوت مکعب در دقیقه) می باشد.

پمپ خلا مارپیچی (از نوع جابجایی مثبت و خشک)

مطابق شکل 6 پمپ اسکرو  از دو مارپیچ تشکیل شده است. مارپیچ ها امکان چرخش ندارند ولی مارپیچ داخلی با حرکت اوربیتالی حجم گاز را به دام انداخته و با هدایت گاز محبوس شده به مرکز مارپیچ باعث افزایش فشار آن می شود. فشرده سازی گاز تا رسیدن به حداقل حجم و حداکثر فشار در مرکز مارپیچها ادامه یافته و گاز از خروجی تعبیه شده در مرکز مارپیچ خارج می شود. استفاده از  نشت بند مارپیچی از جنس پلیمر (PTFE)،  آب بندی محوری مورد نیاز بین دو مارپیچ را بدون استفاده از سیال روان کننده فراهم می کند.

معمولا فشار نهایی  ^2-10 میلی بارتوسط پمپ خلا مارپیچی قابل دستیابی می باشد. رنج دبی پمپاژ از 5 تا 46 مترمکعبت بر ساعت می باشد.

پمپ های بوستر (تقویت کننده)

در ادامه انواع تکنولاوژی های مورد استفاده در وکیوم پمپ های بوستر توضیح داده خواهد شد. برای مشاهده محصولات قابل ارائه توسط شرکت در زمینه پمپ‌های بوستر کلیک نمایید.

پمپ خلا روتس ( از نوع خشک و جابجایی مثبت)

پمپ های خلا  Roots نشان داده شده در شکل 7 بعنوان گزینه اول در استفاده بعنوان پمپ خلا تقویتی (بوستر) مطرح می باشد. پمپ های روتس برای خروج حجم زیاد گاز طراحی شده است. دو گوشواره بدون به هم در با حرکت در جهت عکس هم برای ایجاد جریان مداومی از گاز در کنار هم قرار می گیرند. پمپ های روتس عملکرد پمپ اولیه/پشتیبان را افزایش می دهد و با 7 برابر نمودن سرعت پمپاژ توان بهبود 10 برابری فشار نهایی را دارند. پمپ های روتس می توانند دو یا چند گوشواره داشته باشند.

معمولا فشار نهایی کمتر از ^3-10 تور (در ترکیب با پمپ های پشتیبان) قابل دستیابی می باشد. ابا پمپ های خلا روتس می توان سرعت پمپاژ تا حدود 100000 متر مکعب در ساعت (58.860 فوت 3 در دقیقه)  را بدست آورد.

پمپ خلا پنجه ای ( از نوع جابجایی خشک و جابجایی مثبت)

مطابق شکل 8 پمپ خلا پنجه ای از دو پنجه که در جهت عکس هم دوران می کنند تشکلی شده و عملکردی مشابه پمپ روتس دارد. پمپ پنجه ای اغلب در ترکیب با پمپ روتش مورد استفاده قرار می گیرد. در این حالت یک پمپ روتس و پنجه ای بصورت سری بر روی یک شافت قرار داده می شود. پمپ های خلا پنجه ای برای برای محیط های سخت صنعتی طراحی شده است و میزان جریان بالایی را ارائه می دهد. فشار نهایی معمولا ^3-10میلی بار می باشد. رنج دبی در دسترس در پمپ های خلا پنجه ای 100 تا 800 متر مکعب در ساعت (59 تا 472 فوت 3 در دقیقه) می باشد.

پمپ خلا پیچی ( از نوع خشک و جابجایی مثبت)

پمپ اسکرو (شکل 9) از دو پیچ دوار که یکی چپ گرد و دیگری راست گرد می باشد تشکیل شده است.  با چرخش این پیچ ها گاز از ورودی پمپ خلا به سمت خروجی آن منتقل می شود. پیچ ها طوری طراحی شده اند که با حرکت گاز به سمت خروجی از فاصله بین آنها کاسته شده و گاز فشرده می شود. پمپ های خلا پیچی دارای ظرفیت خروجی بالا بوده و گرد و غبار و محیط های سخت را تحمل می کند. فشار نهایی تقریباً 10 بتوان -2 تور معمولا در این پمپ ها قابل دستیابی می باشد. ماکزیمم دبی این پمپ ها به 750 مترمکعب در ساعت می رسد.  

پمپ های ثانویه

برای مشاهده محصولات قابل ارائه توسط شرکت در زمینه پمپ‌های خلا ثانویه کلیک نمایید.

پمپ های توربومولکولار ( از نوع خشک و القا حرکت )

پمپهای توربومولکولار (شکل 9) با انتقال انرژی جنبشی به مولکولهای گاز توسط پره های چرخشی و زاویه دار که با سرعت بالا چرخش می کرده و گاز را با سرعت بالا به حرکت در می آورند کار می کنند. سرعت نوک تیغه معمولاً 250-300 متر بر ثانیه (670 مایل در ساعت) است. سرعت حرکت نوک پره ها باید بیشتر از سرکت مولکولی گاز باشد تا با انتقال حرکت از پره های چرخان به گاز احتمال حرکت مولکول ها به سمت خروجی افزایش یابد. پمپ های خلا مولکولار فشارهای پایینی را ارائه داده و دارای دبی پایینی می باشند.

فشار نهایی کمتر از ^11-10*7.5 تور توسط این پمپ ها در دسترس می باشد. در این پمپ ها رنج دبی 50 – 5000 لیتر در ثانیه است.

پمپ های خلا دیفیوژن (از نوع مرطوب و القا حرکت)

مطابق شکل 10 پمپهای دیفیوژن با استفاده از یک جریان روغن گرم شده با سرعت بالا  انرژی جنبشی را به مولکولهای گاز منتقل می کند. نیروی درگ حاصل از تزریق روغن گاز را از ورودی به خروجی هدایت نموده و باعث کاهش فشار در ورودی می شود. این پمپ ها دارای فناوری قدیمی تری هستند که عمدتاً با پمپ های توربومولکولار خشک جایگزین می شوند. پمپ های خلا دیفیوژن قطعات متحرک نداشته بنابراین قابلیت اطمینان بالایی را با هزینه کم ارائه می دهند.

فشار نهایی کمتر از ^11-10*7.5 تور توسط این پمپ ها در دسترس می باشد. رنج پمپاژ این پمپ 10 – 50،000 لیتر در ثانیه می باشد.

پمپ خلا کرایژونیک (از نوع خشک و جذب مولکولی)

پمپ کرایژونیک (شکل 11) به جای انتقال گاز با جذب و ذخیره گازها و بخارات عمل می کند. وکیوم پمپ های کرایژونیک با استفاده از فناوری کرایزونیک برای یخ زدگی و یا به دام انداختن گاز در سطحی بسیار سرد در دمای 10 تا 20 درجه كلوین (منهای 260 درجه سانتی گراد) استفاده می كند. این پمپ ها بسیار کارا بوده ولی ظرفیت ذخیره گاز محدودی دارند. گازها یا بخارهای جمع آوری شده باید به صورت دوره ای با گرم کردن سطح و پمپاژ آن از طریق پمپ خلا دیگر (فرایند بازسازی) از پمپ خارج شوند.

پمپ های کرایژونیک برای خنک کردن سطوح به کمپرسور تبرید نیاز دارند. این پمپ ها می توانند به فشار ^11-10*7.5 برسند و دارای رنج پمپاژ 1200 تا 4200 لیتر در ثانیه هستند.

پمپ های خلا یونی (از نوع خشک و جذب مولکولی)

پمپ یون پاشنده (شکل 12) گازها را با استفاده از اصول جذب (که مواد شیمیایی فعال با گازها برای حذف آنها از محفظه ترکیب می شود) و یونیزاسیون (مولکول های گاز با ولتاژ بالا یونیزه شده و جذب الکترود می شوند) به دام می اندازد. یک میدان مغناطیسی بالا همراه با ولتاژ بالا (4 تا 7 کیلو ولت) ، ابری از یونهای مثبت الکترون (پلاسما) ایجاد می کند که بر روی کاتد تیتانیوم و گاهی اوقات یک کاتد اضافی ثانویه متشکل از تانتالوم ایجاد می شود.

از این پدیده به عنوان پاشیدن یاد می شود. کاتد باید به صورت دوره ای تعویض شود. این پمپ ها هیچ قطعه متحرکی ندارند ، تعمیر و نگهداری کمی دارند و می توانند به فشار ^12-10*7.5 برسند. حداکثر پمپاژ آنها 1000 لیتر در ثانیه است.

برگرفته از مقاله مقدمه ای بر پمپ های خلا.