مضخات الفراغ: الأنواع، التطبيقات، وكيفية عملها

تعتبر مضخة الفراغ جهازًا يُزيل جزيئات الغاز من غرفة أو حاوية مغلقة، مما يؤدي إلى إنشاء فراغ جزئي أو كامل. تستخدم مضخات الفراغ على نطاق واسع في العديد من الصناعات والحقول البحثية، مثل الطيران والفضاء والإلكترونيات والتكنولوجيا المعدنية والكيمياء والطب والتكنولوجيا الحيوية. يمكن أيضًا استخدام مضخات الفراغ في التطبيقات مثل التغليف تحت الفراغ والتشكيل تحت الفراغ والطلاء تحت الفراغ والتجفيف تحت الفراغ والترشيح تحت الفراغ.

في هذا المقال، سنشرح ما هي مضخات الفراغ وكيف تعمل وما هي ميزاتها الرئيسية وأنواعها وما هي بعض التطبيقات الشائعة لها.

ما هي مضخة الفراغ؟

تُعرَّف مضخة الفراغ كجهاز يقلل من الضغط داخل غرفة أو حاوية عن طريق إزالة جزيئات الغاز منها. يعتمد درجة الفراغ التي تحققها مضخة الفراغ على عدة عوامل، مثل تصميم مضخة الفراغ والنوع من الغاز الذي يتم ضخه وحجم الغرفة ودرجة حرارة الغاز ومعدل تسرب النظام.

اخترعت أول مضخة فراغ بواسطة أوتو فون غويريكه عام 1650. أظهر جهازه باستخدام نصفين كرويين تم إفراغهما بواسطة مضخته ثم ربطهما معًا. أظهر أنه حتى فرق الخيول لا يمكنها فصلهما بسبب الضغط الجوي الذي يعمل عليهما. لاحقًا، قام روبرت بويل وروبرت هوك بتحسين تصميم غويريكه وأجراء تجارب على خصائص الفراغ.

ما هي الميزات الرئيسية لمضخة الفراغ؟

هناك ثلاثة ميزات رئيسية تتميز بها مضخة الفراغ:

• ضغط العادم

• درجة الفراغ

• سرعة الضخ

ضغط العادم

هو الضغط المقاس عند مخرج مضخة الفراغ. يمكن أن يكون مساويًا أو أقل من الضغط الجوي. تصنف مختلف مضخات الفراغ بناءً على ضغوط العادم المختلفة. عادةً، تكون مضخات إنشاء الفراغ العالي ذات ضغط عادم منخفض. على سبيل المثال، لإنشاء فراغ عالٍ جدًا بمقدار 10-4 أو 10-7 تور (وحدة للضغط)، يتطلب ذلك ضغط عادم منخفض جدًا للمضخة.

بعض مضخات الفراغ العالية تتطلب مضخة دعم للحفاظ على ضغط عادم منخفض قبل أن تتمكن من العمل. يمكن أن تكون مضخة الدعم نوعًا آخر من مضخات الفراغ أو ضاغطًا. يُطلق على الضغط الذي يتم إنشاؤه بواسطة مضخة الدعم اسم "ضغط الدعم" أو "الضغط الأولي".

درجة الفراغ

درجة الفراغ هي الضغط الأدنى الذي يمكن إنشاؤه بواسطة مضخة الفراغ داخل غرفة أو حاوية. يعرف أيضًا باسم الضغط النهائي أو الضغط الأساسي. نظريًا، من المستحيل إنشاء فراغ مطلق (ضغط صفر) داخل غرفة، ولكن عمليًا يمكن إنشاء ضغط منخفض جدًا حوالي 10-13 تور أو أقل.

تعتمد درجة الفراغ التي تحققها مضخة الفراغ على عدة عوامل، مثل تصميم المضخة والنوع من الغاز الذي يتم ضخه وحجم الغرفة ودرجة حرارة الغاز ومعدل تسرب النظام.

سرعة الضخ

تُعرَّف سرعة الضخ بأنها معدل إزالة جزيئات الغاز من غرفة أو حاوية عند ضغط معين. يتم قياسها بوحدات الحجم لكل وحدة زمنية، مثل اللترات في الثانية (L/s) أو القدم المكعب في الدقيقة (CFM) أو المتر المكعب في الساعة (m3/h). تُعرف سرعة الضخ أيضًا باسم السعة الاستيعابية أو الإنتاجية.

تعتمد سرعة الضخ على عدة عوامل، مثل تصميم المضخة والنوع من الغاز الذي يتم ضخه وفرق الضغط بين مدخل ومخرج المضخة والقابلية للتوصيل للنظام.

ما هي أنواع مضخات الفراغ؟

هناك العديد من أنواع مضخات الفراغ المتاحة في السوق. يمكن تصنيفها إلى فئتين رئيسيتين: مضخات النزوح الإيجابي ومضخات الحركة.

مضخات النزوح الإيجابي

تعمل مضخات النزوح الإيجابي عن طريق تحصيل حجم ثابت من الغاز عند المدخل ثم ضغطه إلى ضغط أعلى عند المخرج. يمكنها إنشاء فراغات منخفضة إلى متوسطة (حتى 10-3 تور). بعض الأمثلة على مضخات النزوح الإيجابي هي:

• مضخات الفانة الدوارة

• مضخات الأسطوانة

• مضخات الغشاء

• مضخات البرغي

• مضخات اللولبية

• المهب الكروية

مضخات الفانة الدوارة

تعتبر مضخات الفانة الدوارة من أكثر أنواع مضخات النزوح الإيجابي شيوعًا.

تألف من محور أسطواني مع شفرات راديوية تنزلق وتخرج بينما يدور المحور داخل استاتور. تقسم الشفرات المساحة بين المحور والاستاتور إلى غرف تتغير في الحجم بينما تتحرك من المدخل إلى المخرج. عندما تتحرك الغرفة من المدخل إلى المخرج، تقوم بإحاطة الغاز بضغط منخفض ثم ضغطه إلى ضغط عالي قبل إطلاقه إلى المخرج.

يمكن أن تكون مضخات الفانة الدوارة مختومة بالزيت أو جافة.

تستخدم مضخات الفانة الدوارة الزيت كمادة تشحيم وختم بين الشفرات والاستاتور. يساعد الزيت أيضًا على تبريد وإزالة بعض جزيئات الغاز من النظام. أما مضخات الفانة الدوارة الجافة فلا تستخدم الزيت بل تعتمد على مواد أخرى أو طلاء لتقليل الاحتكاك والبلى بين الشفرات والاستاتور.

يمكن لمضخات الفانة الدوارة إنشاء فراغات تصل إلى 10-3 تور بسرعات ضخ تتراوح من 0.5 إلى 1000 لتر/ثانية.

مضخات الأسطوانة

تعتبر مضخات الأسطوانة نوعًا آخر من مضخات النزوح الإيجابي التي تستخدم واحدًا أو أكثر من الأسطوانات لضغط الغاز داخل الأسطوانات. تتحرك الأسطوانات ذهابًا وإيابًا داخل أسطوانات تحتوي على صمامات في كل طرف لتحكم في تدفق الغاز. عندما تتحرك الأسطوانة للأمام، فإنها تدفع الغاز خارج أحد طرفي أسطوانتها بينما تسحب الغاز من الطرف الآخر عبر صمام الدخول. عندما تتحرك للخلف، فإنها تغلق صمام الدخول بينما تفتح صمام الخروج لإطلاق الغاز المضغوط.

يمكن أن تكون مضخات الأسطوانة أحادية المرحلة أو متعددة المراحل. تحتوي مضخات الأسطوانة الأحادية المرحلة على أسطوانة واحدة لكل أسطوانة، بينما تحتوي مضخات الأسطوانة متعددة المراحل على اثنين أو أكثر من الأسطوانات المتصلة بشكل متسلسل لكل أسطوانة. يمكن لمضخات الأسطوانة متعددة المراحل إنشاء فراغات أعلى من مضخات الأسطوانة الأحادية المرحلة من خلال ضغط الغاز عدة مرات قبل إطلاقه.

يمكن لمضخات الأسطوانة إنشاء فراغات تصل إلى 10-3 تور بسرعات ضخ تتراوح من 1 إلى 1000 لتر/ثانية.

مضخات الغشاء

تعتبر مضخات الغشاء نوعًا آخر من مضخات النزوح الإيجابي التي تستخدم أغشية مرنة لضغط الغاز داخل الغرف. ترتبط الأغشية بقضبان تتحرك ذهابًا وإيابًا بواسطة محرك كهربائي أو كام مائل. عندما يتحرك الغشاء للأمام، فإنه يدفع الغاز خارج غرفته عبر صمام الخروج بينما يسحب الغاز من غرفة أخرى عبر صمام الدخول. عندما يتحرك للخلف، فإنه يغلق صمام الخروج بينما يفتح صمام الدخول ليسمح بتدفق الغاز.

تعتبر مضخات الغشاء مضخات جافة لا تستخدم الزيت أو السوائل الأخرى كمواد تشحيم أو ختم. فهي مناسبة لضخ الغازات القابلة للتآكل أو القابلة للاشتعال أو الحساسة التي لا يمكن تلوثها بالزيت. كما يمكنها العمل في أي اتجاه دون تأثير على أدائها.

يمكن لمضخات الغشاء إنشاء فراغات تصل إلى 10-3 تور بسرعات ضخ تتراوح من 0.1 إلى 100 لتر/ثانية.

مضخات البرغي

تعتبر مضخات البرغي نوعًا آخر من مضخات النزوح الإيجابي التي تستخدم برغيين متشابكيْن لضغط الغاز داخل الغرف. تدور البراغي في اتجاهين متعاكسين داخل أسطوانات تحتوي على منافذ دخول وخروج في كل طرف. أثناء دوران البراغي، يقومون بتحريك الغاز على طول أسنانهم من المدخل إلى المخرج بينما يقللون من حجمه ويزيدون من ضغطه.

يمكن أن تكون مضخات البرغي مختومة بالزيت أو جافة. تستخدم مضخات البرغي المختومة بالزيت الزيت كمادة تشحيم وختم بين البراغي والأسطوانات. يساعد الزيت أيضًا على تبريد وإزالة بعض جزيئات الغاز من النظام. أما مضخات البرغي الجافة فلا تستخدم الزيت بل تعتمد على مواد أخرى أو طلاء لتقليل الاحتكاك والبلى بين البراغي والأسطوانات.

يمكن لمضخات البرغي