از زمینههای مهم در علوم و صنایع، فناوریهای مربوط به خلاء یا وکیوم است. خلاء به معنای فضایی است که فشار هوا در آن به شدت کاهش یافته و تعداد مولکولهای گاز در آن به حداقل رسیده باشد. از این لحاظ دقیقا نقطهی مقابل تکنولوژیهای مربوط به فشرده سازی یا کمپرسورهاست. فضای خلاء در مقایسه با فشار جو بسیار خالیست، ولی در بهترین شرایط خلاء هم همواره تعداد اندکی مولکول داریم و خلاء ایدهآل نیست.
خلاءء در چهار دسته از پایین تا بسیار بالا تعریف میشود. خلاء پایین برای کاربردهای صنعتی ساده همچون بستهبندی مواد غذایی کاربرد داشته و در آن فشار تنها کمی کمتر از جو است. برای کاربردهای صنعتی و علمی حساستر خلاء متوسط و بالا داریم که از جملهی آنها میتوان به تولید نیمه هادیها، تجهیزات الکترونیکی و ابزارهای پزشکی اشاره کرد. خلاء بسیار بالا نیز در مراکز تحقیقاتی و آزمایشگاههای پیشرفته و مشابه با فضای بیرون از جو زمین ایجاد میشود.
پمپ خلاء
وظیفهی تخلیهی فضا از هوا و دیگر گازهای موجود بر عهدهی پمپهای خلاء است. انواع مختلف این پمپها با توجه به پیچیدگی و توان برای مصارف گفته شده از خلاء ساده و پایین تا خلاء بسیار بالا استفاده میشود. پمپهای مکانیکی ساده برای خلاء پایین کاربرد دارد و پمپهای توربو مولوکولی و دیفیوژن برای خلاءهای بالا و بسیار بالاست. از ابزار اندازهگیری فشار خلاء نیز برای اندازهگیری و اطمینان از خلاء در سیستم استفاده میشود.
نیمههادی ها و مدارهای الکترونیکی
تمام فرآیند تولید تراشهها و قطعات حساس بایستی در خلاء انجام شود تا کیفیت محصول با حضور ذرات مولکول هوا تحت تاثیر قرار نگرفته و مختل نشود. در صنایع پزشکی نیز تجهیزات پزشکی و درمانی همچون دستگاههای استریلساز، تصویربرداری و ابزارهای جراحی دقیق تحت خلاء تولید میشود. آشناترین کاربرد تکنولوژی خلاء در صنایع خوراکی است. همانطور که با کنسروها و اقلام مختلف بستهبندیهای مواد غذایی در فروشگاهها روبرو شده ایم، میدانیم که بستهبندی تحت خلاء باعث افزایش عمر مفید یا تاریخ انقضای محصولات غذایی شده و فساد را عقب می اندازد. این مسئله از آن روست که هوا و به طور ویژهای اکسیژن هوا مهمترین خرابکار مواد غذایی است. اکسیژن همانطور که آهن را اکسید کرده و باعث زنگ زدگی میشود، مواد غذایی را نیز اکسید کرده و همچنین محیطی برای رشد و پرورش میکروبها ایجاد میکند.
آزمایشگاههای فیزیک و شیمی
از جملهی دیگر کاربردهای حساس و مهم تکنولوژی خلاء میتوان به آزمایشگاههای فیزیک و شیمی پیشرفته رجوع کرد. در این آزمایشگاهها، آزمایشهای فیزیکی همچون شبیهسازی شرایط فضا، بررسی واکنشهای شیمیایی خاص و مطالعهی خواص در غیاب هوا انجام میشود. دانشمندان در این آزمایشها رفتار مواد و ذرات را با حذف تاثیر مولکولهای هوا بررسی میکنند. نویز هوا و ذرات همراه آن در تحقیقات نجومی و اخترفیزیک، با کمک تکنولوژی وکیوم و خلاء، گرفته میشود تا کیفیت تصاویر و وضوح آنها بهبود یابد.
ساخت تجهیزات خلاء
صنعت و انسان همیشه با مواد در حضور هوا کار کرده اند. این بدین معناست که نمیدانیم مواد مختلف در غیاب هوا چه رفتاری از خود بروز خواهند داد و ممکن است تجهیزات خلاء را با موادی بسازیم که به هنگام خلاء تغییر فاز داده یا تبخیر شود. توجه به ۲ عامل مواد اولیهی مناسب و ایجاد اتصالات محکم و غیرقابل نفوذ در این صنعت ضروری است. نشت مساوی با تخریب خلاء است و بهرهوری دستگاه را کاهش میدهد. در شرایط خلاء انتقال حرارت با محدودیت روبروست؛ میدانیم که حرارت به سه روش رسانش، همرفت و تابش منتقل میشود و از این میان دو روش اول در خلاء کاملا منتفی است و تنها تابش، همچون گرمای خورشید که در خلاء مسیر را پیموده و به زمین میرسد، برقرار است. در چنین شرایطی کنترل دما و حرارت تجهیزات وکیوم با چالشهایی روبروست.
تاریخچهی خلاء
گالیله و تورچلی ، در قرن هفدهم، پیشگامان کار بر روی خلاء هستند. نخستین تحقیقات بر روی این پدیده به یافتههایی منتهی شد که نشان داد خلاء فشار و حرکت مایعات را تحت تاثیر قرار میدهد. امروزه فناوری خلاء از پایههای صنایع پیشرفته است و از این نظر با نقطهی مقابل خود، کمپرسور، که در صنایع عمومی کاربرد دارد، تفاوتهای چشمگیری دارد.
تجهیزات خلاء
دستگاههای تولید خلاء وظیفه دارند هوا یا گازها را از محفظه تخلیه کرده و فشار داخل محفظه را به شدت بکاهند. سادهترین نوع آنها همانطور که گفته شد پمپهای مکانیکی است که از موتور و قسمت مکانیکی تشکیل شده اند و قسمت دوم با نیروی تامین شده از موتور وظیفهی تخلیهی هوا را بر عهده دارد. این پمپها در بهترین حالت توان ایجاد خلق تا حد متوسط را دارند. آزمایشگاهها، صنایع غذایی، سیستمهای تهویه و بسته بندی مشتریهای پمپ خلاء مکانیکی هستند. اگر فشار جو را برابر با ۱۰۰۰ میلی بار بدانیم، این پمپها توان کاهش فشار تا ۱۰ میلی بار را دارند. البته بازهی فعالیت انها گسترده بوده و حتی تا ۹۰۰ میلی بار هم مدلهایی موجود است.
تکنولوژی روتاری همانطور که برای فشردهسازی هوا و گازها کمپرسور اسکرو را به بشریت هدیه داده است، در خلق خلاء هم با پمپهای روتاری یا دیافراگمی وارد عمل شده است. کارهای صنعتی نیازمند خلاء متوسط هستند و پمپهای مذکور برای کار پیوسته مناسبند. پمپهای روتاری و دیافراگمی برای بازهی ۰/۱ تا ۱۰ میلی بار طراحی میشود. چنین فشار کمی برای خشک کردن قطعات هم ایده ال است.
پمپهای توربومولکولی و دیفیوژن نیز دستهی آخر است که شبیهساز فضای فرازمینی است. پمپهای توربو مولکولی با تیغههای چرخان و سریع خود مولکولها را به سمت خروجی ارسال کرده و خلاء بالا یا بسیار بالا شکل میدهند. پمپهای دیفیوژن اما رویکردی خلاقانهتر دارند که طی آن با بکارگیری بخار روغن و مایعات دیگر مولکولهای هوا را فریب داده، جذب کرده و سپس تخلیه میکنند. این دستهی آخر برای آزمایشگاههای تحقیقاتی پیشرفته مناسب است. فشار خلاء پمپهای توربومولکولی بسیار پایین است. این فشار در محدودهی ۰/۰۰۱ تا ۰/۰۰۰۰۰۰۱ میلی بار قرار دارد. مقایسه کنید با پمپهای مکانیکی که توان تخلیهی ماکسیمم صد برابری فشار محیط را دارد. پمپهای دیفیوژن پا را فراتر گذاشته و از ۱۰ به توان منفی ۸ تا ۱۰ به توان منفی ۱۰ میلی بار فشار را میکاهد.
پمپهای ونتوری یا جت پمپها دستهی دیگری است که از جریان سرعت بالای مایع یا گاز برای خلق خلاء بهره میبرد. این نوع پمپهای ونتوری در صنایع شیمیایی و مکانیک سیالات کاربرد داشته و هیچ قسمت متحرکی ندارند. کاهش تعداد قسمتهای متحرک همانطور که در کار با کمپرسورهای اسکرو و اسکرول، برخلاف کمپرسورهای پیستونی، میدانیم، عامل سهولت نگهداری و کاهش استهلاک است. پمپهای ونتوری مشابه با کمپرسورهای دینامیکی توان کاهش فشار عجیب و غریبی ندارند و در محدودهی ۰/۱ تا ۱۰ میلی بار کار میکنند، اما مزیت آنها که کاملا عاری از هرگونه قطعهی متحرک طراحی شده اند مزیتی بسیار مناسب برای مکانیک سیالات است.
محفظهی خلاء یا دالان خلاء دستگاهی است که با ترکیب سیستمهای مختلفی از پمپها و حسگرهای اندازهگیری فشار خلاء محیطی کنترلشده و بدون مولکولها ایجاد میکند. محفظههای خلاء در تحقیقات، تولید نیمه هادی ها، آمایشگاه های فیزیک و کار بر روی مواد حساس به اکسیژن و مواد بسیار اکسید شونده کاربرد دارد. اصل عمومی همهی موارد بالا کاهش تعداد مولکولهاست، ولی هرکدام سطح خاصی از وکیوم یا خلاء را در دسترس خود دارند و برای اپراتور فراهم میاورد.
پس… پمپ وکیوم چطور کار میکند؟
نسخهی صنعتی و روتاری اسکرو
پمپهای وکیوم صنعتی نقش مهمی در صنایعی چون مواد غذایی و نوشیدنیها و برای حفظ تازگی محصول ایفا میکند. فناوریهای جدیدتر پمپ وکیوم در کاربردهای خلا پایین موثرتر و اقتصادیتر از پمپهای قدیمی کار میکنند.
اساس کار پمپ وکیوم روتاری اسکرو
پمپ وکیوم روتاری اسکرو عملا و تحقیقا معکوس کمپرسور اسکرو کار میکند. در این پمپها هوا از فیلتر و شیر ورودی گذر کرده و وارد محفظهی فشردهسازی میشود. سپس و با چرخش روتورها هوا فشرده شده و از سمت خروجی به اتمسفر آزاد میشود. مکش هوا از سمت ورودی و و خروج مولکولهای هوا فشار در سمت ورودی را کاسته و وکیوم ایجاد میکند. پیش از تخلیه هوا به بیرون نیز سپراتور روغن موجود در آن را تفکیک کرده و به سیستم بازمیگرداند. همانطور که گفته شد، کاملا عکس کمپرسور اسکرو.
بهینهسازی عملکرد پمپ وکیوم
۱. درایو سرعت متغیر یا VSD
وقتی سطح وکیوم یا خلا افزایش یافت، درایو سرعت متغیر روتورها را با سرعت بیشتری به چرخش وامیدارد تا از قدرت اضافی الکتروموتور بهتر استفاده شود. این عملیات جریان هوای مورد نیاز را تامین کرده و مصرف انرژی را پایین نگاه میدارد. پمپهای مجهز به VSD نسبت به پمپهای استاندارد سرعت ثابت یا پمپهای پرهای ۱۰ تا ۲۰ درصد انرژی کمتر مصرف کرده و نسبت به پمپهای رینگ مایع ۳۰ تا ۴۰ درصد بهینهترند.
۲. پورت خروجی با اندازه متغیر
پمپ وکیوم عموما از خروجی ثابتی که نسبت فشردهسازی آن را تعیین میکند، استفاده میکند. این محدودیت یعنی باید میان حجم بیشتر هوا در ابتدا یا سطح وکیوم بالاتر در انتها یکی را انتخاب کنی.
اگر پورت خروجی متغیر باشد، اندازهی پورت بر اساس سطح وکیوم تغییر میکند و برای خلا قویتر هوای بیشتری تخلیه کرده و بازتر میشود. در طرف مقابل نیز میتوان برای مصرف انرژی کمتر و خلا پایینتر آن را بستهتر نگاه داشت. پمپی که مجهز به پورت متغیر باشد در هر سطحی از وکیوم عملکرد مناسبتر و کارایی حجمی بهتری دارد.
۳. ترکیب درایو سرعت متغیر و پورت خروجی متغیر
در برخی از مدلها، مثلا پمپهای وکیوم روتاری اسکرو از برند کایشان، همزمان از پورت متغیر و درایو سرعت متغیر استفاده شده است. در این ترکیب پمپ در بیشتر فشارها، بیشترین جریان ممکن را با کمترین مصرف انرژی منتقل میکند. در شروع کار پورت خروجی کاملا باز است تا بیشترین جریان برای خلا قویتر فراهم آید و بعد با افزایش وکیوم به تدریج بستهتر میشود تا نسبت فشردهسازی در محدودهی بهینه حفظ شود.
۴. مزایای پمپ وکیوم روتاری اسکرو
پمپهای اسکرو با قابلیت سرعت متغیر و پورت خروجی منعطف مصرف انرژی پایینتر و هزینهی نگهداری کمتری داشته و همچنین سروصدای کمی دارند. این پمپها معمولا بیش از ۱۰۰ هزار ساعت بدون نیاز به تعمیر اساسی کار میکنند. این مدت کار مقایسه شود با پمپهای پرهای که به طور میانگین هر ۴۰ هزار ساعت نیازمند تعمیر بوده و تا ۶۰ درصد قیمت خرید هزینهی سرویس و نگهداری آن خواهد شد.
۵. پمپ روغن خارجی برای محافظت در برابر گرمای هوا
در برخی از مدلهای پمپ خلا از اختلاف فشار برای چرخاندن روغن داخل مدار استفاده میشود که در صورت افت سرعت روغنرسانی ضعیف خواهد بود. روغنکاری ضعیفتر مترادف با گرمای بیش از حد و آسیب به بلبرینگهاست. در مدلهای دیگر پمپ روغن خارجی نصب میشود تا در فشار روغن ثبات مناسب داشته و از گرمای بیش از حد جلوگیری به عمل آید. در برخی از کارها، همچون نجاری و کاربردهای کشاورزی، استارت و استاپ پمپ زیاد است و پمپ روغن خارجی ضروری است.
نکتهی اضافی:
آیا میتوان از هوای فشردهی سمت خروجی پمپ وکیوم اسکرو استفاده کرد؟
خیر. هوای فشردهی سمت خروجی در پمپهای وکیوم فشار بالایی ندارد و فقط در حدی فشرده شده است که خارج شده و به سمت محیط تخلیه شود. این فشار به هیچ شکل در حد و حدود کاربردی کمپرسورهای هوا، ۶ تا ۸ بار، نیست. همچنین هوای فشرده سمت خروجی دبی ناپایدار داشته و با تغییر سطح وکیوم پیوسته تغییر میکند؛ مصرف کنندگان هوای فشردهی صنعتی میدانند هوادهی متغیر سم است.
کیفیت هوای فشرده سمت خروجی پمپ وکیوم نیز چنگی به دل نمیزند. این هوا حاوی بخار آب، روغن و ذرات فرایندی چون گرد، پودر، فیبر و بخارات شیمیایی است. البته دمای بالای این هوای فشرده، اگر چه مصرف آن را با دردسرهای حرارتی همراه میکند، برای پیشگرمسازی هوا، گرمایش فضا و خشک کردن مواد غیرحساس مناسب میسازد. در صنایع غذایی، شیمیایی و دارویی هوای فشرده سمت تخلیه وارد فیلتر، کندانسور و اسکرابر شده و برای مصرف مجدد تخلیص میگردد. خلا به دنبال تخلیهی هواست، فشردهسازی آن تنها یک وسیله است و ما به دنبال تولید هوای فشردهی مفید نیستیم.
