پمپ‌های خلاء: انواع، کاربردها و نحوه عملکرد آنها

پمپ خلاء یک دستگاه است که مولکول‌های گاز را از یک کامره یا ظرف بسته حذف می‌کند و خلاء جزئی یا کامل ایجاد می‌کند. پمپ‌های خلاء در صنایع مختلف و زمینه‌های تحقیقاتی مانند هوافضا، الکترونیک، متالورژی، شیمی، پزشکی و بیوتکنولوژی به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. پمپ‌های خلاء نیز می‌توانند برای کاربردهایی مانند بسته‌بندی خلاء، فرم‌دهی خلاء، پوشش‌دهی خلاء، خشک کردن خلاء و فیلتراسیون خلاء استفاده شوند.

در این مقاله، ما توضیح می‌دهیم که پمپ‌های خلاء چیست، چگونه عمل می‌کنند، ویژگی‌ها و انواع اصلی آن‌ها چیست و کدام کاربردهای معمولی دارند.

پمپ خلاء چیست؟

پمپ خلاء به عنوان یک دستگاه تعریف می‌شود که فشار داخل یک کامره یا ظرف را با حذف مولکول‌های گاز از آن کاهش می‌دهد. درجه خلاء که توسط یک پمپ خلاء به دست می‌آید، به عوامل مختلفی مانند طراحی پمپ، نوع گاز که تخلیه می‌شود، حجم کامره، دما گاز و نشتی سیستم بستگی دارد.

اولین پمپ خلاء توسط اتو فون گریکه در سال ۱۶۵۰ اختراع شد. او دستگاه خود را با استفاده از دو نیم‌کره که توسط پمپ خلاء خود تخلیه شده بودند و سپس به هم متصل شدند، نشان داد. او نشان داد که حتی تیم‌های اسب‌ها نیز قادر به جدا کردن آن‌ها نیستند زیرا فشار جوی روی آن‌ها عمل می‌کند. بعداً، رابرت بویل و رابرت هوک طراحی گریکه را بهبود بخشیدند و آزمایش‌هایی درباره خصوصیات خلاء انجام دادند.

ویژگی‌های اصلی یک پمپ خلاء چیست؟

سه ویژگی اصلی وجود دارد که یک پمپ خلاء را مشخص می‌کنند:

• فشار خروجی

• درجه خلاء

• سرعت پمپاژ

فشار خروجی

فشار خروجی فشاری است که در خروجی پمپ اندازه‌گیری می‌شود. می‌تواند برابر یا کمتر از فشار جوی باشد. پمپ‌های خلاء مختلف برای فشارهای خروجی مختلف طراحی شده‌اند. معمولاً، پمپ‌هایی که برای ایجاد خلاء بالا طراحی شده‌اند، فشار خروجی کمی دارند. برای مثال، برای ایجاد خلاء بسیار بالا مانند ۱۰-۴ یا ۱۰-۷ تور (واحد فشار)، نیاز به فشار خروجی بسیار کمی از پمپ است.

برخی از پمپ‌های خلاء با فشار بالا نیاز به یک پمپ پشتیبان برای حفظ فشار خروجی کم قبل از عملکرد دارند. پمپ پشتیبان می‌تواند نوع دیگری از پمپ خلاء یا کمپرسور باشد. فشاری که توسط پمپ پشتیبان ایجاد می‌شود، فشار پشتیبان یا فشار پیشین نامیده می‌شود.

درجه خلاء

درجه خلاء حداقل فشاری است که توسط یک پمپ خلاء در داخل یک کامره یا ظرف ایجاد می‌شود. این فشار همچنین به عنوان فشار نهایی یا فشار پایه نیز شناخته می‌شود. نظریاً، ایجاد یک خلاء مطلق (فشار صفر) در داخل یک کامره غیرممکن است، اما عملیاً ممکن است یک فشار بسیار کم در حدود ۱۰-۱۳ تور یا کمتر ایجاد شود.

درجه خلاء که توسط یک پمپ خلاء به دست می‌آید، به عوامل مختلفی مانند طراحی پمپ، نوع گاز که تخلیه می‌شود، حجم کامره، دما گاز و نشتی سیستم بستگی دارد.

سرعت پمپاژ

سرعت پمپاژ به عنوان نرخی تعریف می‌شود که یک پمپ می‌تواند مولکول‌های گاز را از یک کامره یا ظرف در یک فشار معین حذف کند. این سرعت به واحدهای حجم بر زمان مانند لیتر بر ثانیه (L/s)، فوت مکعب بر دقیقه (CFM) یا متر مکعب بر ساعت (m³/h) اندازه‌گیری می‌شود. سرعت پمپاژ همچنین به عنوان ظرفیت جذب یا توان تخلیه نیز شناخته می‌شود.

سرعت پمپاژ به عوامل مختلفی مانند طراحی پمپ، نوع گاز که تخلیه می‌شود، اختلاف فشار بین ورودی و خروجی پمپ و قابلیت انتقال سیستم بستگی دارد.

انواع پمپ‌های خلاء چیست؟

انواع مختلفی از پمپ‌های خلاء در بازار موجود است. آن‌ها می‌توانند به دو دسته اصلی تقسیم‌بندی شوند: پمپ‌های جابجایی مثبت و پمپ‌های کینتیک.

پمپ‌های جابجایی مثبت

پمپ‌های جابجایی مثبت با قفل کردن حجم ثابتی از گاز در ورودی و سپس فشرده کردن آن به فشار بالاتر در خروجی کار می‌کنند. آن‌ها می‌توانند خلاء کم تا متوسط (تا ۱۰-۳ تور) ایجاد کنند. برخی از نمونه‌های پمپ‌های جابجایی مثبت عبارتند از:

• پمپ‌های وانه‌ای چرخان

• پمپ‌های پیستونی

• پمپ‌های میله‌ای

• پمپ‌های پیچی

• پمپ‌های پیچ‌دار

• بلوئر روتز

پمپ‌های وانه‌ای چرخان

پمپ‌های وانه‌ای چرخان یکی از رایج‌ترین انواع پمپ‌های جابجایی مثبت هستند.

آن‌ها شامل یک روتور استوانه‌ای با وانه‌های شعاعی که در حال حرکت ورود و خروج هستند در حالی که روتور درون یک استاتور می‌چرخد. وانه‌ها فضای بین روتور و استاتور را به حجراتی تقسیم می‌کنند که حجم آن‌ها در حال تغییر است در حالی که از ورودی به خروجی حرکت می‌کنند. وقتی یک حجره از ورودی به خروجی حرکت می‌کند، گاز را با فشار کم قفل می‌کند و سپس آن را به فشار بالا فشرده کرده و آن را به خروجی آزاد می‌کند.

پمپ‌های وانه‌ای چرخان می‌توانند یا روغنی یا خشک باشند.

پمپ‌های وانه‌ای چرخان روغنی از روغن به عنوان یک لوبریکانت و مسدود کننده بین وانه‌ها و استاتور استفاده می‌کنند. روغن همچنین به خنک کردن و حذف برخی از مولکول‌های گاز از سیستم کمک می‌کند. پمپ‌های وانه‌ای چرخان خشک از روغن استفاده نمی‌کنند بلکه به مواد یا پوشش‌های دیگری برای کاهش اصطکاک و سایش بین وانه‌ها و استاتور تکیه می‌کنند.

پمپ‌های وانه‌ای چرخان می‌توانند خلاء تا ۱۰-۳ تور با سرعت‌های پمپاژ متفاوت از ۰.۵ تا ۱۰۰۰ لیتر بر ثانیه ایجاد کنند.

پمپ‌های پیستونی

پمپ‌های پیستونی نوع دیگری از پمپ‌های جابجایی مثبت هستند که از یک یا چند پیستون برای فشرده کردن گاز درون سیلندرها استفاده می‌کنند. پیستون‌ها درون سیلندرها حرکت می‌کنند که صفحه‌های دریچه‌دار در هر دو انتهای آن‌ها برای کنترل جریان گاز وجود دارد. وقتی یک پیستون به جلو حرکت می‌کند، گاز را از یک انتهای سیلندر خود بیرون می‌راند و گاز را از طریق یک دریچه ورودی از انتهای دیگر جذب می‌کند. وقتی به عقب می‌آید، دریچه ورودی خود را می‌بندد و دریچه خروجی را باز می‌کند تا گاز فشرده شده را آزاد کند.

پمپ‌های پیستونی می‌توانند یک مرحله‌ای یا چند مرحله‌ای باشند. پمپ‌های پیستونی یک مرحله‌ای فقط یک سیلندر برای هر پیستون دارند، در حالی که پمپ‌های پیستونی چند مرحله‌ای دو یا چند سیلندر به صورت سری برای هر پیستون دارند. پمپ‌های پیستونی چند مرحله‌ای می‌توانند خلاء بالاتری نسبت به پمپ‌های پیستونی یک مرحله‌ای با فشرده کردن گاز چندین بار قبل از آزاد کردن آن ایجاد کنند.

پمپ‌های پیستونی می‌توانند خلاء تا ۱۰-۳ تور با سرعت‌های پمپاژ متفاوت از ۱ تا ۱۰۰۰ لیتر بر ثانیه ایجاد کنند.