De grondbeginselen van grof- en middenvacuüm
In de vacuümwereld zijn er aanzienlijke verschillen tussen diegenen aan het onderste einde van het spectrum en diegenen die de hogere (d.w.z. hoogvacuüm) niveaus innemen. In termen van definities: een vacuüm tussen atmosferische druk en 1 mbar staat bekend als 'grof' vacuüm, terwijl drukwaarden van 1 tot 10 -3 mbar bekend staan als 'middelhoog' vacuüm. Vervolgens gaan de vacuümdefinities van hoog naar ultrahoog (UHV) tot extreem hoog vacuüm (XHV) en variëren ze van 10 -3 tot <10 -12 mbar.
Werken onder ruwe en medium vacuümomstandigheden
Bij het werken onder ruwe en medium vacuümomstandigheden moet een fundamentele waarheid worden geaccepteerd: geen enkele pomp voldoet aan al uw vereisten of verwachtingen.
Daarom is het absoluut noodzakelijk om de vereisten op te sommen waaraan absoluut moet worden voldaan, naast de vereisten die wenselijk (maar niet essentieel) zouden zijn. Het zou logisch zijn om ervan uit te gaan dat een bepaald vacuümniveau en een bepaalde doorvoersnelheid moeten worden bereikt. Daarna moet rekening worden gehouden met een reeks andere criteria, waaronder geluids- en trillingsoverwegingen, onderhoudsgemak, kapitaal en lopende kosten, de grootte (d.w.z. voetafdruk) van de pomp zelf, de schokbestendigheid, de tolerantie voor deeltjesindringing en of olieverontreiniging een probleem zou zijn.
Grof- en middenvacuümopwekking
In vergelijking met HV tot en met XHV zijn de pomptypes die worden gebruikt voor grof- en middenvacuüm vrij eenvoudig in gebruik. Dat is echter geen onderschatting van de veeleisende of precieze techniek (of zelfs de wetenschap) die achter hun werking schuilgaat. Bovendien mogen we niet vergeten dat veel van deze pompen worden gebruikt als voorpompen (of hulppompen), die worden gebruikt om de hogere vacuümpompen te 'vacuümvullen' of te ondersteunen. Zonder het voordeel van dergelijke voorpompen zouden deze hogere vacuümeenheden – in het beste geval – traag en langzaam werken, en – in het ergste geval – helemaal niet.
Membraanpompen
Membraanpompen werken in het lage vacuümregime. Vanwege hun constructie bereiken ze geen hoge compressieverhoudingen in één fase. Daarom zijn er vaak twee-, drie- en zelfs viertraps membraanpompen. Dergelijke configuraties maken ze nuttig als compacte en milieuvriendelijke eenheden, bijvoorbeeld in laboratoriumtoepassingen en voor turbomoleculaire hulppompen (TMP's). Membraanpompen kunnen een standaard werkbereik produceren van 103 tot het lage mbar-bereik.
Deze pompen maken gebruik van een membraan (dat één zijde van de kamer vormt) dat door een stang heen en weer wordt bewogen. Door deze oscillerende beweging wordt het gas gecomprimeerd en worden de kleppen geactiveerd. Het gas komt binnen via een inlaatklep en (wanneer het membraan terugbeweegt) wordt de inlaatklep gesloten en wordt het gas onder druk gezet voordat het via de uitlaatklep wordt uitgestoten.
Het membraan en de kleppen zijn meestal gemaakt van PTFE, waardoor ze bestand zijn tegen corrosieve stoffen en minder gevoelig zijn voor dampschade. Omdat membraanpompen 'droog' zijn ontworpen, leveren ze een koolwaterstofvrij vacuüm. Andere voordelen van membraanpompen zijn dat ze eenvoudig te reinigen en te onderhouden zijn, geschikt zijn voor het verpompen van veel gassen en laboratoriumchemicaliën, en omdat ze geen olie gebruiken, zijn de bedrijfs- en onderhoudskosten laag.
Scrollpompen
Scrollpompen met een drukbereik van 103 tot 10 -2 mbar gebruiken twee tussenliggende Archimedes-spiraalvormige scrolls om gassen te verpompen of samen te drukken. Een van de scrolls is vast, terwijl de andere excentrisch in de kamer draait zonder te draaien, waardoor gaszakken tussen de scrolls worden opgevangen en gecomprimeerd. Dit verplaatst op zijn beurt het ingesloten gas van het buitenste deel (d.w.z. de inlaat) naar het binnenste deel (d.w.z. de uitlaat) van de kamer.
SCROLLVAC (scrollpompen)
- Roestvrijstalen balg
- Gasballastventiel
- Vaste scroll
- Draaiende scroll
Scrollpompen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals in analytische instrumenten (bijv. massaspectrometrie en in elektronische microscopen) waar een schoon, droog en stil vacuüm vereist is. Bovendien worden scrollpompen vaak gebruikt als hulppompen voor TMP's.
Scrollpompen hebben veel voordelen ten opzichte van andere vacuümpompen: het belangrijkste is dat hun bedrijfskosten laag zijn omdat ze geen olie nodig hebben (wat ze ook milieuvriendelijk maakt). Bovendien hebben ze weinig onderhoud nodig. De slijtage van tipafdichtingen kan echter leiden tot de uitstoot van deeltjes.
Draaischuifpompen
Draaischuifpompen met een bereik van 103 tot 10 -4 mbar zijn het meest voorkomende type verdringervacuümpompen. Ze werken als volgt: een offset-rotor (met schoepen die in en uit hun behuizing glijden) draait in een kamer. De schoepen, die tegen de binnenkant van de cirkelvormige kamer afdichten, 'vangen' een hoeveelheid gas op die via een inlaatpoort binnenkomt. Naarmate de rotor draait, neemt het volume tussen de schoepen en het binnenoppervlak van de kamer af, waardoor ook de druk van het 'afgevangen' gas toeneemt, totdat het via de uitlaatpoort wordt afgevoerd.
Draaischuifpompen bieden een uitstekende betrouwbaarheid, robuustheid, compact ontwerp en lage investeringskosten, waardoor ze ideaal zijn voor talrijke industriële en coatingtoepassingen, waaronder analytische instrumenten en R&D- en industriële toepassingen.
Bovendien zijn ze dankzij hun werkdrukbereik ideale hulppompen voor alle soorten midden- en hoogvacuümpompen. Terwijl de werking met olieafdichting een nadeel is voor sommige toepassingen, maakt het gebruik van olie hogere compressieverhoudingen mogelijk, een beter intern koelgedrag en maakt de pomp compatibel met vuil, stof en condensatie. Natuurlijk betekent de noodzaak om de pompen regelmatig te onderhouden (d.w.z. olie verversen) hogere eigendomskosten (in vergelijking met droge pompen van een vergelijkbare grootte), en ze leveren geen olievrij vacuüm (koolwaterstoffen of PFPE enz.).
Schroefpompen
Schroefpompen, die een bereik hebben van 103 tot 10 -2 mbar, werken met twee tegengesteld draaiende schroefrotoren die zo zijn ontworpen dat ze 'in elkaar draaien', waardoor het gas in het volume tussen de 'schroeven' van hun rotoren wordt opgevangen. Naarmate de schroeven draaien, neemt dit ingesloten volume (naarmate het naar de uitlaatpoort gaat) af, waardoor het gas niet alleen wordt gecomprimeerd, maar ook naar de uitlaat wordt verplaatst. Schroefpompen worden vaak gebruikt als voorpompen voor stuwpompen.
Schroefpompen hebben talrijke belangrijke eigenschappen: ondanks de microruimte tussen de twee draaiende schroeven zijn er geen contactonderdelen en is er geen smering nodig, waardoor er geen verontreiniging van het verpompte medium optreedt. Bovendien wordt slijtage van de rotor geëlimineerd, hebben ze een hoge tolerantie tegen deeltjes, maken ze gebruik van hoge pompsnelheden en zijn ze zeer efficiënt dankzij de interne compressie. Ze zijn echter minder geschikt voor het verpompen van lichte gassen en kunnen niet worden gereduceerd tot lage pompsnelheden. Ook de bedrijfskosten en onderhoudsvereisten zijn relatief laag. Schroefpompen zijn geschikt voor een breed scala aan toepassingen, zoals industriële ovens, metallurgische systemen, verpakking en coating.
Stuwpompen
Stuwpompen, die een drukbereik hebben van 10 tot 10 -4 mbar, worden gewoonlijk gebruikt als 'booster'-pompen om de einddruk en pompsnelheden te verbeteren. Stuwpompen maken gebruik van twee tegengesteld draaiende verbindingseenheden die in een kamer draaien. Gas komt binnen via de inlaatflens en wordt 'ingeklemd' tussen de twee snel draaiende eenheden en de kamerwand en wordt vervolgens via de uitlaatpoort uitgestoten.
De voordelen van Roots-stuwpompen zijn dat ze zeer stil en compact zijn, een lange levensduur hebben, geen contactonderdelen hebben en schoon pompen (d.w.z. er zijn geen deeltjes of oliën die het vacuümsysteem kunnen verontreinigen).
Een meervoudige stuwpomp die in combinatie met een HV-, UHV- of XHV-pomp werkt, is doorgaans een voordeligere optie voor het bereiken van een hoog vacuüm, in vergelijking met een grotere afzonderlijke stuwpomp vanwege de verbeterde pompsnelheden en einddrukken.
Stuwpompen worden vaak gebruikt in industriële toepassingen (d.w.z. de laserindustrie, ovens, metallurgie, enz.) door hun hoge pompsnelheden, in de ruimtevaart, R&D en de productie van halfgeleiders en zonnepanelen.
Grof- en middenvacuümmeting
Grof- en middenvacuüm worden gewoonlijk gemeten met zogenaamde 'directe manometers', die de druk meten onafhankelijk van de samenstelling van de betrokken gassen.
Directe meters vallen in twee categorieën: meters die afhankelijk zijn van enige vorm van mechanische vervorming, zoals het membraan, de Bourdonbuis, de piëzoweerstand of de elektrische capaciteit, en meters die gebruik maken van de hoogte van een vloeistofkolom, de zogenaamde 'hydrostatische' meters.
Mechanische meters maken gebruik van metalen inwendige werkstukken die hun vorm veranderen afhankelijk van de druk, waarbij deze doorbuiging gekoppeld is aan een naaldmeter. Een variant hiervan is de capaciteitsmanometer, waarbij het membraan (dat deel uitmaakt van de condensator) bij drukverandering buigt, wat resulteert in een (meetbare) capaciteitsverandering.
Met betrekking tot de uitdagingen die gepaard gaan met het meten van druk, moet er rekening mee worden gehouden dat de fysieke eigenschappen van gassen veranderen met de druk. Zo zijn de thermische geleidbaarheid en de interne wrijving van gassen zodanig dat het gebruik ervan afhankelijk is van een breed scala aan factoren, waaronder: drukbereik; welke gassen erbij betrokken zijn (wat eventuele correctiefactoren, mediacompatibiliteit en potentieel voor chemische reacties zal bepalen), de vereiste nauwkeurigheid; de bedrijfsomstandigheden (vuil vs. schoon, trillingen, temperatuur, schok – mogelijk door drukontluchting – straling en magnetische velden); installatiepositie van de meter; en hoe de druk moet worden afgelezen (en geregistreerd).
Lekdetectie in grof- en middenvacuüm
Het opsporen van lekkenen het elimineren, beheren en/of verantwoorden ervan is in vacuüm net zo belangrijk als in druksystemen. Aangezien gas samendrukbaar is, beïnvloedt de druk (of het vacuüm) de hoeveelheid van het lek die wordt vermeld in mbar.liter/sec, waarbij de leksnelheid de hoeveelheid gas is die door een lek 'uitstroomt' in een bepaald drukverschil per eenheidstijd.
Er zijn verschillende algemene manieren om lekken te meten, die elk afhankelijk zijn van de laagste detecteerbare leksnelheid die van toepassing is: de luchtbeltest, de verschildrukmeting, de drukval, de drukstijgingstests, de heliumsniffermodus en de heliumvacuümmodus. Deze laatste twee testmethoden worden ook wel de 'spoorgasdetectiemethoden' genoemd. Alle methoden kunnen worden gebruikt in grof en middenvacuüm.
Bij de luchtbeltest wordt het systeem onder druk gezet, wordt een mogelijk lek met zeep ingesmeerd en wordt gekeken of het schuimt, terwijl bij de verschildrukmeting het drukverlies over een bepaalde periode wordt gemeten.
De meest interessante lektests zijn echter de helium 'sniffer' en de helium 'vacuüm' test.
Eenvoudig gezegd gaat het bij de helium-'sniffer'-test om het passeren van een sniffersonde rond de eenheid onder observatie, waarbij het 'sniffed'-gas door een massaspectrometer wordt gevoerd, voor heliumidentificatie en -meting.
De sniffertest heeft het voordeel dat hij aantoont waar de lekkage daadwerkelijk optreedt. Heliumconcentraties van 5 ppm in omgevingslucht/atmosferische lucht betekenen echter dat het moeilijk is om onderscheid te maken tussen een achtergrondsignaal en een zeer lage leksnelheid.
De helium 'vacuüm'-test wordt gewoonlijk toegepast op eenheden die worden blootgesteld aan HV- en UHV-toepassingen. Eenvoudig gezegd wordt de eenheid in een vat geplaatst en onder druk gezet met helium. Het gas in het vat wordt vervolgens onderworpen aan een massaspectrometertest en elk gedetecteerd helium geeft een lek aan. Het grote nadeel, hoewel niet het enige, is dat de eenheid in een vat van een geschikte grootte moet worden geplaatst. Als alternatief wordt het vat geëvacueerd door de lekdetector en wordt helium gebruikt om extern te 'sniffen'.
Gerelateerde artikelen
