Tyhjiöpumput: Tyypit sovellukset ja niiden toimintatapa

Tyhjiöpumppu on laite, joka poistaa kaasuhapeleitä tietyistä suljetusta kammioista tai säiliöstä, luoden osittaisen tai täydellisen tyhjiön. Tyhjiöpumppuja käytetään laajasti eri teollisuuden aloissa ja tutkimusryhmissä, kuten avaruustekniikassa, sähkötekniikassa, metallurgiassa, kemianalyytikossa, lääketieteessä ja bioteknologiassa. Tyhjiöpumppuja voidaan myös käyttää sovelluksissa, kuten tyhjiöpakkaamisessa, tyhjiömuodostuksessa, tyhjiöpeittelyssä, tyhjiökuivauksessa ja tyhjiösuodatuksessa.

Tässä artikkelissa selitetään, mitä tyhjiöpumppujat ovat, miten ne toimivat, mitkä ovat niiden pääpiirteet ja tyypit, sekä mitkä ovat niiden yleisiä sovelluksia.

Mikä on tyhjiöpumppu?

Tyhjiöpumppu määritellään laitteena, joka vähentää painetta kammion tai säiliön sisällä poistamalla siitä kaasuhapeleitä. Saavutettava tyhjiön taso tyhjiöpumppulla riippuu useista tekijöistä, kuten pumppun suunnittelusta, pumppattavan kaasun tyypistä, kammion tilavuudesta, kaasun lämpötilasta ja järjestelmän vuotoasteesta.

Ensimmäinen tyhjiöpumppu kehitettiin Otto von Guericke:n toimesta vuonna 1650. Hän demonstrooi hänen laitteen toimintaa kahdella puolipallolla, joita hän evakuoitti pumppulla ja liitti yhteen. Hän osoitti, että edes hevosjoukkue ei pystynyt erottamaan niitä ilmakehän paineen vaikutuksesta. Myöhemmin Robert Boyle ja Robert Hooke paransivat Guericke:n suunnittelua ja tekivät kokeita tyhjiön ominaisuuksista.

Mikä ovat tyhjiöpumppujen pääpiirteet?

On kolme pääpiirrettä, jotka luonnehtivat tyhjiöpumppuja:

• Lähtöpaine

• Tyhjiön taso

• Pumppausnopeus

Lähtöpaine

Lähtöpaine on paine, joka mitataan pumppun ulosmenosta. Se voi olla yhtä suuri tai pienempi kuin ilmakehän paine. Eri tyhjiöpumppuja on arvioitu eri lähtöpainoille. Yleensä korkean tyhjiön luomiseen tarkoitettujen pumppujen lähtöpaine on alhainen. Esimerkiksi hyvin korkean tyhjiön (10-4 tai 10-7 Torr) luomiseksi tarvitaan hyvin alhainen pumppun lähtöpaine.

Jotkut korkean tyhjiön pumppujat vaativat taustapumppua, jotta ne voivat ylläpitää alhaisen lähtöpaineen ennen kuin ne voivat toimia. Taustapumppu voi olla toisenlainen tyhjiöpumppu tai kompressoija. Painetta, jonka taustapumppu luoo, kutsutaan taustapaineeksi tai ennepaineeksi.

Tyhjiön taso

Tyhjiön taso on minimipaine, jota tyhjiöpumppu voi luoda kammion tai säiliön sisälle. Sitä kutsutaan myös loppupaineeksi tai peruspaineeksi. Teoreettisesti on mahdotonta luoda absoluuttista tyhjiötä (nolla paine) kammion sisälle, mutta käytännössä on mahdollista luoda hyvin alhainen paine noin 10-13 Torr tai alempi.

Tyhjiön taso, jota tyhjiöpumppu saavuttaa, riippuu useista tekijöistä, kuten pumppun suunnittelusta, pumppattavan kaasun tyypistä, kammion tilavuudesta, kaasun lämpötilasta ja järjestelmän vuotoasteesta.

Pumppausnopeus

Pumppausnopeus määritellään nopeudeksi, jolla pumppu voi poistaa kaasuhapeleitä kammion tai säiliön sisältä tietyllä paineella. Sitä mitataan tilavuuden yksikköä kertaa aika, kuten litraa sekunti (L/s), kuutiometriä tunti (m3/h). Pumppausnopeutta kutsutaan myös imunopeudeksi tai läpisyntyneisyydeksi.

Pumppausnopeus riippuu useista tekijöistä, kuten pumppun suunnittelusta, pumppattavan kaasun tyypistä, paineeridosta pumppun syötteeseen ja ulosmenoon, sekä johdettavuudesta järjestelmässä.

Mikä ovat tyhjiöpumppujen tyypit?

Markkinoilla on saatavilla useita tyhjiöpumppujen tyyppejä. Ne voidaan luokitella kahdeksi pääluokaksi: positiiviset siirtymäpumppujat ja kinetiikkipumppujat.

Positiiviset siirtymäpumppujat

Positiiviset siirtymäpumppujat toimivat siten, että ne kiinnittävät kiinteän tilavuuden kaasua syöttöputkeen ja sitten pakkaavat sen korkeampaan paineeseen ulosmenossa. Ne voivat luoda alhaisia tai keskiverto tyhjiöitä (jopa 10-3 Torr). Jotkut esimerkit positiivisista siirtymäpumppuista ovat:

• Kierronlevytyshapaita pumppuja

• Sylinteripumppuja

• Membranipumppuja

• Visapistopumppuja

• Kierrepumppuja

• Roots-hapaita pumppuja

Kierronlevytyshapaita pumppuja

Kierronlevytyshapaita pumppuja ovat yleisimpiä positiivisten siirtymäpumppujen tyyppejä.

Ne koostuvat pyöreästä rotaarista, jolla on radiaalisia levyyshappeja, jotka liikkuvat sisään ja ulos, kun rotaari pyörii statorin sisällä. Levyyshappeet jakavat tilan rotaarin ja statorin välillä huoneihin, joiden tilavuus muuttuu, kun ne liikkuvat syöttöputkestä ulosmenoon. Kun huone liikkuu syöttöputkestä ulosmenoon, se kiinnittää kaasua alhaisella paineella ja sitten pakkaa sen korkeampaan paineeseen ennen kuin vapauttaa sen ulosmenoon.

Kierronlevytyshapaita pumppuja voi olla joko öljytiivisteisiä tai kuivia.

Öljytiivisteiset kierronlevytyshapaita pumppuja käyttävät öljyä vedestys- ja tiivisteena levyyshappejen ja statorin välillä. Öljy auttaa myös jäättämään ja poistamaan joitakin kaasuhapeleitä järjestelmästä. Kuivat kierronlevytyshapaita pumppuja eivät käytä öljyä, vaan luottavat muihin materiaaleihin tai peitteliimiin vähentääkseen kitkua ja kulutusta levyyshappeiden ja statorin välillä.

Kierronlevytyshapaita pumppuja voivat luoda tyhjiöitä jopa 10-3 Torr pumppausnopeudella, joka vaihtelee 0.5–1000 L/s välillä.

Sylinteripumppuja

Sylinteripumppuja ovat toinen tyyppi positiivisista siirtymäpumppujen, jotka käyttävät yhden tai useamman sylinterin pakkaamaan kaasua sylindreissä. Sylinterit liikkuvat takana ja eteen sylindreissä, joilla on valeet molemmissa päissä ohjaamaan kaasun virtausta. Kun sylinteri liikkuu eteenpäin, se työntää kaasua ulos toisesta sylinterin päätä samalla, kun se tuottaa kaasua toisesta päästä läpi syöttövaleen. Kun se liikkuu taaksepäin, se sulkee syöttövalven samalla, kun avaa ulosmenovalven vapauttaakseen pakatun kaasun.

Sylinteripumppuja voi olla joko yksivaiheisia tai monivaiheisia. Yksivaiheisilla sylinteripumppuilla on vain yksi sylinteri per sylinteri, kun taas monivaiheisilla sylinteripumppuilla on kaksi tai useampi sylinteri yhdistetty sarjassa per sylinteri. Monivaiheiset sylinteripumpput voivat luoda korkeampia tyhjiöitä kuin yksivaiheiset sylinteripumpput pakkaamalla kaasua useita kertoja ennen kuin vapauttavat sen.

Sylinteripumppuja voivat luoda tyhjiöitä jopa 10-3 Torr pumppausnopeudella, joka vaihtelee 1–1000 L/s välillä.

Membranipumppuja

Membranipumppuja ovat toinen tyyppi positiivisista siirtymäpumppujen, jotka käyttävät joustavia membranit pakkaamaan kaasua huoneissa. Membranit on kiinnitetty sylinteriin, jotka liikkuvat takana ja eteen sähköisen moottorin tai eksentrisen kammion toimesta. Kun membrani liikkuu eteenpäin, se työntää kaasua ulos huoneesta läpi ulosmenovalven samalla, kun se tuottaa kaasua toisesta huoneesta läpi syöttövalven. Kun se liikkuu taaksepäin, se sulkee ulosmenovalven samalla, kun avaa syöttövalven sallimaan kaasun virtausta.

Membranipumppuja ovat kuivat pumppuja, jotka eivät käytä öljyä tai muita nesteyksiä vedestyksenä tai tiivisteinä. Ne sopivat korroosiivien, palavien tai herkkien kaasujen pumppaamiseen, jotka eivät voi kontamiinoutua öljyllä. Ne voivat myös toimia missä tahansa asennuksessa ilman, että se vaikuttaa niiden toimintaan.