ปั๊มลมโมเลกุลโดย Wolfgang Gaede
ในวันครบรอบ 80 ปีของการเสียชีวิตของ Wolfgang Gaede โดย Guido Pfefferle และ Gerhard Voss
การทํางานภายในของปั๊มลมโมเลกุลในภาพประวัติศาสตร์
Wolfgang Gaede เสียชีวิตในมิวนิกเมื่อวันที่ 24 มิถุนายน 1945 ด้วยบทความนี้ ผู้เขียนได้เฉลิมฉลองครบรอบ 80 ปีที่เขาเสียชีวิต และเผยแพร่ภาพที่เปิดเผยการทํางานภายในของปั๊มลมโมเลกุลโดยผู้สืบทอดของ E. Leybold เป็นครั้งแรก
สิทธิบัตรของปั๊มสุญญากาศโมเลกุลของ Gaede
Imperial Patent Office [เบอร์ลิน] - สิทธิบัตรหมายเลข 239213 Dr. Wolfgang Gaede ใน Freiburg im Breisgau - ปั๊มสุญญากาศแบบหมุน - จดสิทธิบัตรในจักรวรรดิเยอรมันตั้งแต่วันที่ 3 มกราคม 1909
ชื่อของสิทธิบัตรเลขที่ 239213 อาจฟังดูไม่น่าทึ่งเป็นพิเศษในตอนแรก อย่างไรก็ตาม เบื้องหลังชื่อ " ปั๊มสุญญากาศแบบหมุน " คือความสําเร็จที่แท้จริงในเทคโนโลยีสุญญากาศ: ปั๊มลมโมเลกุลาร์
ในข้อกําหนดเฉพาะด้านสิทธิบัตรที่กล่าวถึงข้างต้น Wolfgang Gaede เขียนว่า " ปั๊มลมโมเลกุลจะใช้แรงเสียดทานระหว่างก๊าซที่ปั๊มและพื้นผิวของแข็งที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็วเพื่อขนส่งก๊าซเท่านั้น ไม่จําเป็นต้องใช้ 'ของเหลวซีล' เช่น ปรอทหรือน้ํามัน " ในศัพท์ศัพท์ปัจจุบัน นั่นหมายความว่า: ปั๊มลมโมเลกุลของ Wolfgang Gaede เป็นปั๊มสุญญากาศแบบแห้งรุ่นแรกของโลก
ภาพที่ 1 [3] แสดงปั๊มลมโมเลกุลที่สร้างโดย Leybold ตามสิทธิบัตรของ Gaede ทางด้านซ้าย ซึ่งในภาพนี้แสดงการดูดอากาศออกจากหลอดเอ็กซเรย์ ตามธรรมชาติแล้ว ปั๊มใบพัดโรตารี่จาก Leybold จะใช้เป็นปั๊มสุญญากาศขั้นต้น
หลักการทํางานของปั๊มลมโมเลกุลาร์
ในวิทยานิพนธ์ของเขา [1] Wolfgang Gaede แนะนําคําว่า "แรงเสียดทานภายนอกของก๊าซ" ซึ่งอธิบายถึงปฏิกิริยาของโมเลกุลก๊าซกับพื้นผิวของแข็งที่เคลื่อนที่อย่างรวดเร็ว ปั๊มลมโมเลกุลของเขาทํางานตามหลักการนี้ การแสดงแผนผังหลักการทํางานของปั๊มสามารถพบได้ใน การสื่อสารเบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊มสุญญากาศสูงรุ่นใหม่ ซึ่งเผยแพร่ในปี 1912 โดย E. Leybold's Nachfolger [2]
"รูปที่ 2" ที่รวมอยู่ใน [2] ถูกทําซ้ําในบทความนี้เป็นรูปที่ 2 โดยจะมีข้อความต้นฉบับดังต่อไปนี้ติดมาด้วย: "ร่องที่มีความลึก b และกว้าง a ถูกตัดเข้าไปในกระบอกสูบ A ซึ่งหมุนรอบแกน a ที่ระยะห่าง h ' A ถูกล้อมรอบด้วยตัวเรือนทรงกระบอก B ด้านหนึ่งมีหวีแผ่น C, ซึ่งติดอยู่กับตัวเรือน B ยื่นเข้าไปในร่อง" [ในรูปที่ 1 (ซ้าย) ก๊าซจะถูกส่งจาก n ไปยัง m เมื่อโรเตอร์ A หมุนตามเข็มนาฬิกาด้วยความเร็วสูงรอบแกน a การสูญเสียการไหลของก๊าซที่ไม่พึงประสงค์เกิดขึ้นเมื่อก๊าซไหลกลับจาก m ไปยัง n ผ่านช่องว่างระหว่าง C และ A ดังนั้นในการตระหนักถึงทางเทคนิคของปั๊ม ช่องว่างนี้จึงต้องไม่กว้างเกินสองสามส่วนร้อยมิลลิเมตร] [เพื่อให้ได้สุญญากาศระดับสูงที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ก๊าซต้องถูกบีบอัดอย่างมีนัยสําคัญระหว่างทางเข้าปั๊ม (ด้านสุญญากาศระดับสูง) และทางออก (ด้านสุญญากาศขั้นต้น) ซึ่งทําได้โดยหลักการต่อไปนี้:] "ร่องแต่ละร่องเชื่อมต่อกันเป็นลําดับ ดังนั้นช่องเปิด m เชื่อมต่อกับ n₁, m₁ ถึง n₂ และอื่น ๆ ดังนั้นแรงดันก๊าซจึงลดลงอย่างต่อเนื่องจากปลายโรเตอร์ไปสู่ศูนย์กลาง"
การออกแบบทางเทคนิคโดย Leybold
รูปที่ 3 [3] แสดงการออกแบบทางเทคนิคของปั๊มลมโมเลกุลาร์ของ Leybold ในส่วนตามยาวตามแกนโรเตอร์ a ตัวเรือน B แสดงในรูปที่แรเงาในรูปที่ 3 รองรับชุดประกอบด้านบน K และยึดเข้ากับมันในลักษณะที่ "แน่นหนา โรเตอร์ A ทําจากกระบอกสูบทองเหลืองแข็ง เชื่อมต่อกับแกน a อย่างแน่นหนา ร่อง D ถูกกัดขึ้นรูปในกระบอกสูบทองเหลือง ซึ่งหวีแผ่น C (การแรเงาสีเข้ม) จะยืดออกมา นอกจากนี้ S แสดงถึงช่องทางเข้าของปั๊มที่ด้านสุญญากาศสูง ในขณะที่ H แสดงถึงพูลเลย์ที่ใช้ขับเคลื่อนแกน a เป็นที่ทราบกันดีว่าความลับที่แท้จริงของปั๊มอยู่ภายในชุดประกอบด้านบน K ประกอบด้วยระบบการกระจายก๊าซที่ซับซ้อน ซึ่งไม่มีภาพหรือภาพถ่าย
ดูภายในปั๊ม Leybold
เพื่อสํารวจการทํางานภายในของปั๊มลมโมเลกุล เราได้ถอดสกรูสี่ตัวที่ยึดชุดประกอบด้านบน K ออกก่อน เมื่อคลายออกแล้ว ชุดประกอบก็สามารถยกออกจากตัวเรือน B ได้ และเราก็ประหลาดใจอย่างแท้จริง ไม่มีปะเก็นระหว่างชุดประกอบและตัวเรือน เพียงทองเหลืองบนทองเหลืองด้วยจาระบีเล็กน้อย
ภาพที่ 4 แสดงทั้งด้านล่างของชุดประกอบด้านบนที่พลิกกลับ K และด้านบนของตัวเรือน B เราจะพิจารณาด้านล่างของ K อย่างละเอียดในภาพที่ 6 ที่ด้านบนของ B คุณจะเห็นชุดของสล็อตที่เชื่อมต่อกับด้านในของ B ดังนั้นจึงเชื่อมต่อกับร่องในโรเตอร์ด้วย นอกจากนี้ หวีแผ่น C จะติดตั้งที่ด้านบนของ B โดยจัดแนวขนานกับแกนตามยาวของปั๊ม รูสําหรับสกรูยึดยังมองเห็นได้ในภาพที่ 4 หลังจากถอดส่วนประกอบ E, F, G และ H ที่แสดงในรูปที่ 3 เราสามารถสกัดและวัดโรเตอร์ A ได้ ตามการวัดของเรา มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 100.00 + 0.01 มม. เพื่อสาธิตปฏิกิริยาระหว่างหวีแผ่นและโรเตอร์ เราจึงใส่หวีที่กัดจากทองเหลืองชิ้นเดียวเข้าไปในร่องของโรเตอร์ ซึ่งสามารถดูรายละเอียดเพิ่มเติมได้ในภาพที่ 5
เพื่อให้กลไกทํางานได้ตามที่แสดงในภาพที่ 2 ความแม่นยําเชิงกลระดับละเอียดและความสามารถในการทําซ้ําภายในร้อยส่วนมิลลิเมตรเป็นสิ่งจําเป็นอย่างยิ่ง Leybold สามารถบรรลุความแม่นยําในระดับนี้ได้ตั้งแต่ปี 1912
ในภาพที่ 6 ซึ่งแสดงด้านล่างของชุดประกอบด้านบน K โดยละเอียด เราจะเข้าใกล้กับการทํางานภายใน "ลับ" ของปั๊มลมโมเลกุล เราใช้น้ํายาทําความสะอาดโลหะเพื่อติดตามช่องทางภายใน
ซึ่งช่วยให้เราสามารถติดตามเส้นทางที่ซับซ้อนของก๊าซระหว่างด้านสุญญากาศสูง (HV) และด้านสุญญากาศขั้นต้น (FV) โดยละเอียด: ทางเข้าด้านสุญญากาศสูง (ขั้วต่อ HV S ด้านบนซ้ายในรูปที่ 6) เชื่อมต่อกับตําแหน่ง 1 ในรูปที่ 6 จากนั้นโรเตอร์จะขนส่งก๊าซไปยังตําแหน่ง 2 ทางด้านขวา ซึ่งหมายความว่าโรเตอร์ - เมื่อมองจากด้านที่ติดฉลากของ K ( Nachfolger ของ E. Leybold, Coeln และ Berlin, สิทธิบัตรอิมพีเรียลเยอรมัน ) - ต้องหมุนทวนเข็มนาฬิกา
ผ่านช่องที่มองเห็นได้ที่เต็มไปด้วยบัดกรีอ่อน ก๊าซจะเคลื่อนที่จาก 2 ขวาไป 2 ซ้าย จากนั้นผ่านโรเตอร์ไป 3 ขวา ผ่านช่องใน K ไป 3 ซ้าย ผ่านโรเตอร์ไป 6 ขวา ผ่านช่องใน K ไป 6 ซ้าย ผ่านโรเตอร์ไป 4 ขวา ผ่านช่องใน K ไป 4 ซ้าย ผ่านโรเตอร์ไป 7 ขวา ผ่านช่องใน K ไป 7 ซ้าย ผ่านโรเตอร์ไป 5 ขวา ผ่านช่องใน K ไปยัง 5 ซ้าย ผ่านโรเตอร์ไปยัง 8 ขวา และสุดท้ายผ่านช่องใน K ไปยัง 8 ซ้าย จากนั้นไปถึงร่องวงแหวน (ตําแหน่ง FV) ที่เชื่อมต่อกับปั๊มสุญญากาศขั้นต้น
ขออภัยสําหรับคําอธิบายที่ยาวนาน แต่หลังจากผ่านไป 113 ปี ก็ต้องจดบันทึกและจัดทําเอกสารไว้ ดังนั้น เราจึงสามารถยืนยันคํากล่าวของ Wolfgang Gaede ได้จากการทดลองว่าก๊าซจะถูกดูดออกจากตรงกลางของปั๊ม โครงสร้างที่แน่นอนของระบบช่องทางภายในใน K มีแนวโน้มที่จะสามารถกําหนดได้โดยไม่ทําลายโดยใช้รังสีเอ็กซ์เท่านั้น สิ่งสําคัญคือต้องสังเกตว่าร่องที่เชื่อมต่อกับปั๊มสุญญากาศขั้นต้นล้อมรอบพื้นที่สุญญากาศสูงภายในในวงแหวน
การออกแบบนี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการรั่วไหลของอากาศจากสภาพแวดล้อม (1000 mbar) ไปยังร่อง (0.1 mbar) จะถูกดักจับโดยปั๊มสุญญากาศขั้นต้น ความแตกต่างของแรงดันระหว่างร่องรูปวงแหวนและตําแหน่ง 1 มักจะน้อยกว่าความแตกต่างของแรงดันระหว่างบรรยากาศโดยรอบและร่อง 10,000 เท่า ดังนั้น การรั่วไหลจากร่องไปยังตําแหน่ง 1 จึงน้อยกว่าการรั่วไหลจากสภาพแวดล้อมเข้าสู่ร่อง สรุป: ร่องวงแหวนช่วยปกป้องพื้นที่สุญญากาศสูงจากการรั่วไหลของอากาศจากบรรยากาศโดยรอบ
Epilogue
Leybold สามารถพิจารณาว่าตัวเองโชคดีที่ได้เก็บรักษาปั๊มลมโมเลกุลดั้งเดิมสองตัวไว้ในคลังเก็บของ Gaede สถานการณ์ที่โชคดีนี้สร้างแรงบันดาลใจให้เกิดแนวคิดในการคืนสภาพการทํางานของปั๊มตัวใดตัวหนึ่ง สิ่งนี้ประสบความสําเร็จแล้ว แต่ยังมีงานที่ต้องทําเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทํางานของปั๊มอย่างเต็มที่
การอ้างอิง
[1] วิทยานิพนธ์ Wolfgang Gaede Habilitation: The External Friction of Gases University of Freiburg im Breisgau, 1912 [2] การสื่อสารเบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊มสุญญากาศสูงใหม่ (ปั๊มลมโมเลกุล) ตาม Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912 [3] รายการราคาพิเศษหมายเลข VI เกี่ยวกับปั๊มลมโมเลกุลตาม Dr. Gaede E. Leybold's Nachfolger, Cöln a[m] Rh[ein], 1912
แหล่งข้อมูล:
พริกไทย Guido
การสร้างต้นแบบและเครื่องมือ อีเมล: guido.pfefferle@leybold.com
ดร. Gerhard Voss
Gaede Archive โคโลญจน์
