پمپ وکیوم روتاری روغنی، در اکثر سیستم های خلاء بعنوان انتخاب اول و پمپ اولیه در سیستم های خلا مطرح می باشند. وقتی پمپ روتاری با یک پمپ وکیوم بوستر (تقویت کننده) یا پمپ های ثانویه ( پمپ های سطح خلا بالا) کوپل گردد . به آنها پمپ های وکیوم پشتیبان یا اولیه گفته‌میشود.
از پمپ وکیوم روتاری روغنی زمانی که نیاز به سطح خلا بالایی نباشد. و یا نرخ مکش بالا در سیستم خلا مورد نیاز نباشد می توان به تنهایی استفاده نمود. البته شایان ذکر است این پمپ ها به دلیل استفاده از روغن برای خنک کاری و آب بندی بین پره و بدنه، در مسیر پمپاژ گاز از درون پمپ وکیوم دارای بخارات روغن بوده.و مناسب استفاده در سیستم های خلا تمیز نخواهد بود.
پمپ وکیوم روتاری دو مرحله نیز دارای طراحی شبیه پمپ وکیوم روتاری تک مرحله ای بوده. و در آنها از دو روتور به صورت سری در داخل پمپ استفاده می گردد. پمپ های تک مرحله ای توان دستیابی به سطح خلا 2-10*3 تور ( 2-10*4 میلی بار) را دارا می‌باشند. و در انواع دو مرحله ای می توانند به سطح خلا 3-10*3 (3-10*4 میلی بار) دست یابند.
شکل 1: نمایی از پمپ وکیوم روتاری برگرفته از (Nigel S. Harris M. Sc, C. Phys., author “Modern Vacuum Practice “, 3rd Revised Edition, Kurt J. Lesker Company, 2007)
با توجه به رواج و همه گیری استفاده از پمپ وکیوم روتاری. درک مناسب از عملکرد و نحوه کارکرد، این پمپ ها برای طراحان و کاربران تجهیزات خلاء صنعتی مهم می باشد.
در این مقاله اصول عملکرد پمپ، طراحی پمپ، نقش روغن پمپ وکیوم مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای مطالعه در مورد طراحی پمپ تک مرحله ای و دو مرحله، آلودگی و بالاست گاز (دستی و اتوماتیک). لوازم جانبی متداول، کاربردها، عیب یابی و تعمیر و نگهداری پمپ به مقاله پمپ وکیوم روتاری و اجزای جانبی سیستم خلا مراجعه نمایید.
اصول عملکرد پمپ وکیوم روتاری
با توجه به مطالب موجود در مقاله انوع پمپ خلا، پمپ وکیوم روتاری ، جزو پمپهای مرطوب و جابجایی مثبت در نظر گرفته‌می‌شوند. به دلیل اینکه در پمپ وکیوم روتاری روغنی گاز فرآیند، در معرض روغن -که به عنوان روانکار و همچنین کمک کننده به تامین آب بندی پمپ مورد استفاده قرار می گیرد- قرار دارد، به این پمپ ها اغلب پمپ های “مرطوب” گفته می‌شوند.
به همین دلیل، انتخاب روغن وکیوم مناسب برای استفاده در پمپ وکیوم روتاری بسیار حائز اهمیت می باشد. زیرا عملکرد مناسب ( رسیدن به سطح خلا طراحی) و خنک‌کاری مناسب، پمپ منوط به بهره‌گیری از روغن وکیوم مناسب در آنها می‌باشد. پمپ وکیوم روتاری با به دام انداختن مکانیکی حجمی از گاز و فشرده‌سازی آن بواسطه کاهش حجم فضای محصور کار مینماید. بنابراین این پمپ ها از نوع جابجایی مثبت خواهند بود.
طراحی پمپ خلا روغنی
مطابق شکل 1 پمپ وکیوم روتاری به گونه‌ای طراحی شده‌است که استاتور پمپ در روغن غوطه‌ور باشد. غوطه‌وری استاتور در روغن به انتقال حرارت از استاتور به روغن و خروج حرارت از پمپ کمک مینماید. بدین ترتیب وظیفه خنک‌کاری پمپ بر عهده روغن وکیوم خواهد بود. لازم بذکر است در پمپهای با مکش بالاتر که امکان خنک‌کاری توسط فرآیند هوا خنک نمی‌باشد. از خنک کاری توسط جریان آب استفاده میگردد.
در پمپ وکیوم روتاری روتور پمپ بصورت غیرعادی و خارج از مرکز نصب گردیده است. روتور شامل دو blade که در شیارهایی مخالف (اختلاف زاویه 180 درجه ای) هم قرار گرفته‌اند می‌باشد. و امکان لغرش داخل روتور را داشته و همراه روتور در داخل استاتور خواهد چرخید. نیرو لازم برای حرکت پره به سمت بیرون را می‌توان با استفاده از فنر تامین نمود. در صورت عدم استفاده از فنر، نیروی گریز از مرکز وظیفه هدایت پره‌ها به سمت بیرون و فشردن بر بدنه استاتور را بر عهده خواهد داشت. بنابراین با چرخش روتور، نوک تیغه ها همیشه با دیواره استاتور در تماس خواهند بود.
پمپ وکیوم روتاری با تلورانس های بالا ماشینکاری و مونتاژ می‌شود. به طوری که شکاف بین بالای روتور و دیواره استاتور (که بعنوان آب بند Dou شناخته می شود) تقریباً 0.025 میلیمتر می‌باشد. مطابق شکل 1 این فضای آب‌بند مملو از روغن وکیوم گردیده و مانع از بروز نشتی بین دو پورت ورودی و خروجی پمپ وکیوم روتاری میگردد. و اصطلاحا باعث شکل گیری نشت بند (آب بند) در آن ناحیه می گردد. روغن وکیوم از مخزن روغن به داخل پمپ گردش می‌یابد و همراه با گاز پمپ‌شده از طریق دریچه خروجی (اگزاست) پمپ تخلیه می شود.
خلا نهایی در وکیوم پمپ
فشار وکیوم نهایی قابل دستیابی توسط پمپ وکیوم پره ای با نشتی برگشتی ( نشت گاز از خروجی پمپ به ورودی) از طریق نشت بند Duo و عدم عملکرد مناسب روغن خلا محدود می شود. فشار خروجی از پمپ می تواند تا 1000 میلی بار (750 Torr) و ورودی تا 0.01 میلی بار (0.0075 Torr) باشد.بدین معنی که اختلاف فشار در بخش آب بند تقریباً برابر با 100000:1 (1000:0.01) می باشد.
در اختلاف فشار بیشتر از این، نشتی برگشتی در محل نشت بند رخ می دهد. یعنی بواسطه اختلاف فشار بالا روغن توانایی ایجاد نشت‌بندی مناسب را نداشته و گاز پرفشار در خروجی پمپ به سمت محفظه کم فشار در ورودی پمپ نشت می یابد. نشتی برگشتی یکی از عوامل محدود کننده در خلاء نهایی است که توسط پمپ وکیوم روتاری به دست می آید.
مراحل عملکرد وکیوم پمپ روتاری
مطابق شکل 3، در یک پمپ وکیوم روتاری معمولی فرآیند پمپاژ گاز و تخلیه محفظه خلا توسط چهار مرحله زیر رخ می دهد.
- مکش: اولین چرخش 180 درجه ای روتور، گاز را وارد محفظه پمپاژ می کند. بواسطه اینکه حجم اشغالی توسط گاز به دلیل طراحی و فضای هلالی شکل ایجادشده توسط روتور افزایش می یابد. فشار محفظه متصل به پورت ورودی پمپ متناسب با افزایش حجم آن کاهش (قانون بویل) و خلا مورد نیاز برای مکش گاز به داخل پمپ را ایجاد می نماید.
- ایزولازسیون (انزوا): دراین مرحله با عبور پره از درگاه ورودی مسیر پورت ورودی به محفظه گاز قطع می‌شود. محظفه بین دو پره بصورت محصور بین روتور و استاتور خواهند بود.
- فشرده‌سازی. با چرخش بیشتر روتور، و هدایت گاز به سمت جلو توسط پره پایین، گاز فشرده و گرم شده و حجم آن را به دلیل کاهش فضای بین روتور و استاتور کاهش می یابد.
- اگزاست (خروج گاز): همانطور که پایین ترین پره به چرخش خود ادامه می دهد.فشار محفظه محصور آن به اندازه ای افزایش می یابد که دریچه اگزوز باز شده.و گاز را با فشاری کمی بالاتر از اتمسفر به محیط تخلیه می گردد.
شیر تخلیه در پمپ خلا
یکی از اجزای حیاتی در پمپ وکیوم روتاری، شیر تخلیه (شیر اگزاست) می باشد (شکل 4). یکی از طراحی های رایج برای دریچه (شیر) تخلیه، استفاده از یک الاستومر (لاستیک مصنوعی) یا فلوئورو-الاستومر با صفحه پشتی فلزی می باشد. وجود صفحه پشتی از جنس فلزی حرکت قسمت الاستومری دریچه را محدود می کند. در دریچه هایی که تماما فلزی بوده و در آنها از قسمت الاستومری استفاده نشده است. مستعد اثر مکش برگشت ( suck-back) در هنگام خاموشی و توقف کار پمپ وکیوم می باشد. وقتی که در شیر تخلیه از الاستومر استفاده نمی گردد، روغن و هوا می تواند از کناره های آن نشت کرده.و از طریق پمپ به داخل محفظه خلاء یا کوره “مکیده” شود.
از آنجایی که دریچه با هر چرخش باز/بسته می شود، چه از الاستومر استفاده گردد. یا نه منبع نویز بوده و مستعد سایش خواهد بود. برای مثال، در سرعت چرخش پمپ 1750 دور بر دقیقه، شیر 2.5 میلیون بار در هر 24 ساعت و فرکانس 29 هرتز باز و بست می شود. عملکرد دریچه به صورت مکانیکی می باشد و با افزایش فشار گازهای پمپ‌شده در بخش خروجی و تخلیه پمپ بازشده و پس از تخلیه گاز و افت فشار خروجی از پمپ به آن توسط فشار اتمسفر بسته می‌شود.
نقش روغن وکیوم در پمپ خلا روتاری
پمپ های روتاری نه تنها با روغن وکیوم روانکاری می شوند. بلکه آب بندی بین دو محقظه فشار بالا و کم فشار پمپ وکیوم روتاری نیز توسط روغن وکیوم انجام می پذیرد.همچنین یاتاقان های پمپ وکیوم و سایر اجزای چرخان نیز توسط روغن وکیوم، روغن کاری می گردد. در برخی از طراحی های پمپ روتاری، به‌ویژه نمونه‌های قدیمی‌تر که دارای سیستم گردش روغن در داخل پمپ می باشند. سیستم گردش روغن متکی به یک سیستم تغذیه خلاء می باشند. که از خلاء تولیدی توسط خود پمپ نیز برای مکش روغن روان‌کننده و ایجاد جریان روغن استفاده می‌شود.
اگرچه سیستم گردش روغن با استفاده از خلا ایجادی پمپ هنوز مورد استفاده قرار می‌گیرد. ولی پمپهای مدرن‌تر از یک پمپ روغن جداگانه استفاده می‌کنند تا روغن را از طریق گذرگاه های ماشینکاری شده. در استاتور به یاتاقان‌ها و آب‌بند روتور برسانند (شکل 5).
مدار گردش روغن خلا در داخل پمپ
حین کارکرد وکیوم پمپ، با چرخش روتور پمپ روغن که روی همان محور نصب‌شده فشار تغذیه بالاتر از اتسمفر، مثبت 0.4 بار (300 Torr) برای روغن وکیوم فراهم مینماید. این فشار یک دیسک الاستومری فنری را بالا می‌برد.که به روغن اجازه میدهد تا به مسیر روغن کاری که داخل پمپ و یاتاقان‌های روتور و همچنین پره‌های پمپ خلاء را تغذیه می‌کند جریان یابد. هنگامی که پمپ خلاء متوقف می‌شود، با حذف فشار پمپ روغن، فشاری برای باز کردن دیسک الاستومری وجود نداشته، بنابراین شیر الاستومری مسدود میگردد و از مکش روغن از طریق پمپ به داخل محفظه خلاء جلوگیری می‌شود. روغن مازاد مکانیسم پمپاژ از طریق دریچه اگزوز تخلیه می‌شود.
مطابق شکل 6 در پمپهای خلاء که از پمپ روغن جداگانه استفاده می‌کنند، می‌توان یک شیر در ورودی پمپ وکیوم با عملکرد هیدرولیکی تعبیه کرد. در این طراحی مقداری از روغن وکیوم در گردش، به یک پیستون هدایت می‌شود.که به شیر ورودی واقع در محل ورود گاز از محفظه خلاء به پمپ متصل می‌شود. پیستون از فشار هیدرولیک تولیدی توسط پمپ روغن برای باز کردن دریچه ورودی استفاده می‌کند. و به گاز اجازه ورود از محفظه خلا به داخل پمپ وکیوم را میدهد.
شیر ورودی دارای یک فنر بوده و از یک آب بند الاستومری برای متوقف کردن جریان گاز در عرض 0.5 ثانیه پس از توقف پمپ استفاده می‌کند. این شیر یک محافظت اضافی در برابر مکش مجدد به داخل محفظه خلاء ایجاد می‌کند.
انتخاب روغن وکیوم مناسب برای پمپ خلا روتاری
روغن مورد استفاده در پمپ وکیوم روتاری باید با دقت انتخاب شوند.زیرا علاوه بر تامین روانکاری یاتاقان های روتور، باید بتواند وظایف زیر را به درستی انجام دهد:
- بین پره ها و روتور آب بند ایجاد کند
- آب بند Duo را بین نوک پره ها و استاتور ایجاد کند
- با انتقال گرما به محفظه بیرونی استاتور را خنک کنید.
- محافظت در برابر خوردگی برای قطعات فلزی در برابر گاز فرآیند را ارائه دهد
علاوه برمواردمطرح‌شده،فشار بخار روغن وکیوم (فشاری که در آن روغن بخار می گردد) بسیارمهم است.زیرا روغن وکیوم در معرض گاز تخلیه شده از محفظه قراردارد.اگر روغن وکیوم‌دارای‌فشار بخاربالا‌باشد.وقتی‌درمعرض‌خلاء قرارمی‌گیرد، بخارشده وامکان آلودگی‌ساختن محفظه خلاء توسط بخار روغن را فراهم می نماید.(به آن جریان برگشتی می‌گویند). همچنین فشار بخار روغن به طور کلی یکی از عوامل محدود کننده دستیابی به فشار نهایی پمپ وکیوم می باشد.
به دلایل‌ذکرشده، بایددرانتخاب روغن دقت کرد. به عنوان مثال، روغن‌موتور معمولی به اندازه کافی برای استفاده در پمپ‌خلاء تصفیه نشده‌‌است. همچنین مقاومت کافی در برابر واکنش های شیمیایی ندارد و حاوی مواد افزودنی است که ممکن است برای فرآیند طی شده در پمپ و همپنین محفظه خلا ایجاد مشکل نماید.
ساختار شیمیایی روغن وکیوم
علاوه بر موارد مذکور، ویسکوزیته روغن وکیوم مورد استفاده نیز باید مورد توجه قرار گیرد. روغن‌های با ویسکوزیته پایین‌تر برای دمای کارکرد پایین‌تر و پمپهای کوچک‌تر مناسب می باشند.در حالی که روغن‌های با ویسکوزیته متوسط برای پمپهای متوسط تا بزرگ استفاده می‌شوند. روغن هایی که به طور خاص برای پمپ های روتاری روغنی طراحی شده‌اند. روغن های معدنی تقطیر شده‌ای هستند که اتم های هیدروژن به هر مولکول آزاد در زنجیره متصل شده‌است.
فرآیندی هیدروتریکاسیون مورد استفاده در تولید روغن وکیوم، باعث شکل گیری روغن با یک فرمول قوی و پایدار با فشار بخار کم میگردد. برای کاربردهایی که پمپ خلاء ممکن است در معرض گازهای واکنش پذیر/خورنده قرار گیرد.از روغن های ویژه استفاده می شود که برای حذف ناخالصی ها مورد پردازش بیشتر قرار گرفته‌اند.
در مواردی که غلظت بالایی از اکسیژن یا سایر گازهای واکنش پذیر شیمیایی وجود دارد.روان کننده و روغن های وکیوم بسیار بی اثر و با منشا آزمایشگاهی مانند پرفلوئورو پلی اتر توصیه می شود. سیال پرفلوئوروپلی‌اتر (PFPE) مقاومت دمایی خوبی دارد.اما نباید در معرض دماهای بالاتر از 280 درجه سانتیگراد (535 درجه فارنهایت) قرار گیرد.زیرا در دماهای بالاتر از 280 درجه سانتیگراد بخارهای سمی آزاد می‌کند.
مایعات PFPE با نام های تجاری (به عنوان مثال، Fomblin (Solvay Solexis) و Dupont’s Krytox) در دسترس هستند. اگر روغن نامناسبی برای سیستم خلائی که دارا گازهای واکنش پذیر و تهاجمی هستند استفاده شود. باعث شکسته‌شدن پیوندهای روغن خلا گردیده و پسماند قیر مانندی باقی می‌ماند. که مسیر روغن کاری داخلی را مسدود نموده و باعث گرم شدن بیش از حد پمپ و خرابی ناشی از روغن‌کاری ناکافی خواهد شد.
تله روغن
به دلیل طراحی ذاتی پمپ روتاری به عنوان یک پمپ “مرطوب”، مقداری روغن به همراه گاز در حال انتقال به صورت غبار از پمپ خارج می شود. به همین دلیل، مطابق شکل 7 از یک فیلتر مه روغن (oil mist) برای حذف روغن از گازهای خروجی استفاده می شود. گاز پمپ شده پس از خروج از پمپ خلا، از فیلتر مه عبور که حاوی یک فیلتر است، می کند.
این فرآیند باعث می شود که غبار روغن تبدیل به قطرات روغن شده و توسط فیلتر از گاز های خروجی جدا گردد. روغن خلا جدا شده را می توان به صورت دستی تخلیه کرده یا از طریق لوازم جانبی در یک حلقه بسته به پمپ بازگرداند. این روغن همچنین می تواند از طریق گرانش یا از طریق مکش از طریق بالاست گاز به کارتر روغن برگردد .فیلتر یک محصول مصرفی بوده و باید به طور دوره ای تعویض شود.
در مقاله بالا، اصول عملکرد پمپ وکیوم روتاری روغنی از جمله طراحی پایه ای پمپ و روغن پمپ را توضیح دادیم. مباحث این مقاله در مقاله پمپ وکیوم روتاری و اجزای جانبی سیستم خلا با تمرکز بر ویژگی های عملیاتی و عملکرد داخلی این پمپ وکیوم روتاری ادامه خواهد یافت.