พื้นฐานของสุญญากาศระดับหยาบและปานกลาง
ในโลกของสุญญากาศ มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างสุญญากาศที่สเปกตรัมต่ํากว่าและสุญญากาศที่สูงกว่า (เช่น สุญญากาศสูง) ในแง่ของคําจํากัดความ: สุญญากาศที่อยู่ระหว่างความดันบรรยากาศและ 1 mbar เรียกว่าสุญญากาศ "หยาบ" ในขณะที่ความดันตั้งแต่ 1 ถึง 10 -3 mbar เรียกว่าสุญญากาศ "ปานกลาง" จากนั้นคําจํากัดความของสุญญากาศจะเปลี่ยนแปลงจากสุญญากาศสูงเป็นสุญญากาศสูงพิเศษ (UHV) ไปจนถึงสุญญากาศสูงมาก (XHV) และมีช่วงตั้งแต่ 10 -3 ถึง <10 -12 mbar
การทํางานในสภาวะสุญญากาศหนักและปานกลาง
เมื่อทํางานในสภาวะสุญญากาศหนักและปานกลาง มีข้อเท็จจริงพื้นฐานที่จําเป็นต้องยอมรับ นั่นคือ ไม่มีปั๊มตัวเดียวที่จะตรงกับความต้องการหรือความคาดหวังทั้งหมดของคุณ
ดังนั้น จึงจําเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องระบุข้อกําหนดที่ต้องปฏิบัติตามอย่างแน่นอน ควบคู่ไปกับข้อกําหนดที่ต้องการ (แต่ไม่จําเป็น) เป็นเรื่องสมเหตุสมผลที่จะสันนิษฐานว่าจําเป็นต้องบรรลุระดับสุญญากาศและปริมาณงานที่กําหนด หลังจากนั้น ควรพิจารณาเกณฑ์อื่นๆ อีกมากมาย รวมถึงข้อควรพิจารณาด้านเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน ความสะดวกในการบํารุงรักษา เงินทุน และต้นทุนต่อเนื่อง, ขนาด (เช่น พื้นที่ติดตั้ง) ของปั๊มเอง ความต้านทานต่อแรงกระแทก ความทนทานต่อการแทรกซึมของอนุภาค และการปนเปื้อนน้ํามันเป็นปัญหาหรือไม่
การสร้างสุญญากาศระดับหยาบและปานกลาง
เมื่อเปรียบเทียบกับ HV ถึง XHV ประเภทของปั๊มที่ใช้สําหรับสุญญากาศระดับหยาบและปานกลางนั้นค่อนข้างเรียบง่ายในแง่ของการทํางาน อย่างไรก็ตาม นั่นไม่ใช่การประเมินวิศวกรรมที่เที่ยงตรงหรือแม่นยําที่จําเป็น (หรือแน่นอนว่าเป็นวิทยาศาสตร์) เบื้องหลังการดําเนินงานของพวกเขาต่ําเกินไป นอกจากนี้ ยังไม่ควรลืมว่าปั๊มเหล่านี้จํานวนมากถูกใช้เป็นปั๊มต้นทาง (หรือปั๊มสํารอง) ซึ่งใช้เพื่อ "ชาร์จสุญญากาศ" หรือรองรับปั๊มสุญญากาศในระดับที่สูงกว่า หากไม่มีประโยชน์จากปั๊มนําดังกล่าว หน่วยสุญญากาศที่สูงขึ้นเหล่านี้จะทํางานช้า ๆ และช้า ๆ ในกรณีที่ดีที่สุด และในกรณีที่เลวร้ายที่สุด จะไม่ทํางานเลย
ปั๊มเมมเบรน
ปั๊มไดอะแฟรมทํางานในสภาวะสุญญากาศต่ํา เนื่องจากการออกแบบ จึงไม่สามารถบรรลุอัตราส่วนการบีบอัดที่สูงได้ในขั้นตอนเดียว ดังนั้นจึงมักพบปั๊มไดอะแฟรมสองจังหวะ สามจังหวะ และแม้กระทั่งสี่จังหวะ การกําหนดค่าดังกล่าวทําให้มีประโยชน์ในฐานะที่เป็นเครื่องขนาดกะทัดรัดและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม เช่น ในการใช้งานในห้องปฏิบัติการและสําหรับปั๊มเทอร์โบโมเลกุล (TMP) ปั๊มไดอะแฟรมสามารถผลิตช่วงการทํางานมาตรฐานตั้งแต่ 103 ถึงช่วง mbar ต่ํา
ปั๊มเหล่านี้ใช้ไดอะแฟรม (ซึ่งเป็นด้านหนึ่งของห้อง) ที่เคลื่อนไปข้างหน้าและข้างหลังโดยก้าน การเคลื่อนที่แบบสั่นนี้จะอัดก๊าซและเปิดใช้งานวาล์ว ก๊าซจะไหลเข้าผ่านวาล์วขาเข้าและ (เมื่อไดอะแฟรมเคลื่อนกลับ) วาล์วขาเข้าจะปิดและก๊าซจะอัดแรงดันก่อนที่จะไล่ออกผ่านวาล์วขาออก
ไดอะแฟรมและวาล์วมักทําจาก PTFE ซึ่งทําให้ทนต่อสารกัดกร่อนและมีความเสี่ยงน้อยต่อความเสียหายจากไอน้ํา เนื่องจากปั๊มเมมเบรน "แห้ง" ตามการออกแบบ จึงให้สุญญากาศที่ปราศจากไฮโดรคาร์บอน ข้อดีเพิ่มเติมของปั๊มไดอะแฟรมก็คือ ทําความสะอาดและบํารุงรักษาได้ง่าย เหมาะสําหรับการปั๊มก๊าซและสารเคมีในห้องปฏิบัติการจํานวนมาก และเนื่องจากไม่ใช้น้ํามัน ต้นทุนการดําเนินงานและการบํารุงรักษาจึงต่ํา
ปั๊มสโครล
ปั๊มสโครล ซึ่งมีช่วงแรงดันตั้งแต่ 103 ถึง 10 -2 mbar ใช้สโครลรูปเกลียว Archimedean สองตัวระหว่างใบเพื่อปั๊มหรืออัดก๊าซ สโครลตัวหนึ่งจะยึดอยู่กับที่ ในขณะที่สโครลตัวอื่นจะหมุนผิดศูนย์กลางภายในห้องโดยไม่หมุน ซึ่งจะดักจับและบีบอัดถุงก๊าซระหว่างสโครล ซึ่งจะทําให้ก๊าซที่ตกค้างอยู่เคลื่อนที่จากส่วนภายนอก (เช่น ทางเข้า) ไปยังส่วนภายใน (เช่น ทางออก) ของห้องอบ
SCROLLVAC (ปั๊มสโครล)
- ท่อพับยืดสเตนเลสสตีล
- วาล์วปรับแรงดันก๊าซ
- คอยล์คงที่
- การหมุนเวียน
ปั๊มสโครลใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น ในเครื่องมือวิเคราะห์ (เช่น แมสสเปกโตรเมทรีและกล้องจุลทรรศน์อิเล็กทรอนิกส์) ที่ต้องการสุญญากาศที่สะอาด แห้ง และเงียบ นอกจากนี้ ปั๊มสโครลมักใช้เป็นปั๊มสํารองสําหรับ TMP
ปั๊มสโครลมีข้อได้เปรียบมากมายเหนือกว่าปั๊มสุญญากาศอื่นๆ โดยที่สําคัญที่สุดคือต้นทุนการดําเนินงานต่ําเนื่องจากไม่ต้องใช้น้ํามัน (ซึ่งทําให้เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม) นอกจากนี้ยังต้องการการบํารุงรักษาต่ํา อย่างไรก็ตาม การสึกหรอของซีลทิปอาจนําไปสู่การปล่อยอนุภาค
ปั๊มใบพัดโรตารี่
ปั๊มสุญญากาศแบบใบพัดโรตารี่ที่มีช่วงตั้งแต่ 103 ถึง 10 -4 mbar เป็นปั๊มสุญญากาศแบบปริมาตรเข้าแทนที่แน่นอนที่พบได้ทั่วไป โดยทํางานในลักษณะต่อไปนี้: โรเตอร์ออฟเซ็ต (ติดตั้งใบพัดที่เลื่อนเข้าและออกจากตัวเรือน) หมุนภายในห้อง ใบพัดที่ปิดผนึกกับด้านในของห้องแบบวงกลมจะ "ดักจับ" ก๊าซปริมาณมากที่เข้าสู่ช่องทางเข้า เมื่อโรเตอร์หมุน ปริมาตรที่อยู่ระหว่างใบพัดและพื้นผิวด้านในของห้องจะลดลง ดังนั้นแรงดันของก๊าซที่ "ดักจับ" จึงเพิ่มขึ้นเช่นกันจนกระทั่งออกจากช่องทางออก
ปั๊มใบพัดโรตารี่ให้ความน่าเชื่อถือที่ยอดเยี่ยม ความทนทาน การออกแบบที่กะทัดรัด และต้นทุนการลงทุนต่ํา ซึ่งทําให้เหมาะสําหรับการใช้งานทางอุตสาหกรรมและการเคลือบผิวหลากหลายรูปแบบ รวมถึงเครื่องมือวิเคราะห์ รวมถึงการวิจัยและพัฒนาและการใช้งานทางอุตสาหกรรม
นอกจากนี้ ช่วงแรงดันในการทํางานของปั๊มยังทําให้ปั๊มรุ่นนี้เหมาะสําหรับปั๊มสุญญากาศระดับปานกลางและสูงทุกประเภท ในขณะที่การทํางานแบบซีลน้ํามันเป็นข้อเสียสําหรับการใช้งานบางอย่าง การใช้น้ํามันจะช่วยให้อัตราการบีบอัดสูงขึ้น พฤติกรรมการระบายความร้อนภายในที่ดีขึ้น และทําให้ปั๊มเข้ากันได้กับสิ่งสกปรก ฝุ่นละออง และการควบแน่น แน่นอนว่าความจําเป็นในการซ่อมบํารุงปั๊มเป็นประจํา (เช่น การเปลี่ยนน้ํามัน) หมายถึงต้นทุนการเป็นเจ้าของที่สูงขึ้น (เมื่อเทียบกับปั๊มแห้งที่มีขนาดคล้ายกัน) และปั๊มเหล่านี้ไม่ได้ให้สุญญากาศที่ปราศจากน้ํามัน (ไฮโดรคาร์บอนหรือ PFPE ฯลฯ)
ปั๊มสกรู
ปั๊มสกรูซึ่งมีช่วงตั้งแต่ 103 ถึง 10 -2 mbar ทํางานโดยใช้โรเตอร์สกรูแบบหมุนตรงกันข้ามสองตัวที่ออกแบบมาเพื่อให้หมุน "เข้าด้วยกัน" ซึ่งจะดักจับก๊าซในปริมาตรระหว่าง "สกรู" ของโรเตอร์ เมื่อสกรูหมุน ปริมาตรที่ตกค้างนี้ (ขณะที่เคลื่อนที่ไปทางช่องทางออก) จะลดลง ซึ่งไม่เพียงแค่บีบอัดก๊าซเท่านั้น แต่ยังเคลื่อนที่ไปทางทางทางออก ปั๊มสกรูมักใช้เป็นปั๊มนําสําหรับปั๊มโรตารี่
ปั๊มสกรูมีคุณสมบัติสําคัญมากมาย แม้ว่าจะมีช่องว่างขนาดเล็กระหว่างสกรูหมุนสองตัว แต่ก็ไม่มีชิ้นส่วนที่สัมผัสกันและไม่จําเป็นต้องหล่อลื่น ดังนั้นจึงไม่มีการปนเปื้อนของสื่อที่ปั๊ม นอกจากนี้ยังกําจัดการสึกหรอของโรเตอร์ มีความทนทานต่ออนุภาคสูง ใช้ความเร็วในการปั๊มสูง และมีประสิทธิภาพสูงเนื่องจากการบีบอัดภายใน อย่างไรก็ตาม ปั๊มเหล่านี้ไม่เหมาะสําหรับการปั๊มก๊าซที่มีน้ําหนักเบา และไม่สามารถลดความเร็วในการปั๊มให้ต่ําลงได้ นอกจากนี้ ต้นทุนการดําเนินงานและความต้องการในการบํารุงรักษายังค่อนข้างต่ํา ปั๊มสกรูเหมาะสําหรับการใช้งานที่หลากหลาย เช่น เตาเผาอุตสาหกรรม ระบบโลหะวิทยา การบรรจุหีบห่อ และการเคลือบผิว
ปั๊มบูสเตอร์ Roots
ปั๊ม Roots ซึ่งมีช่วงความดัน 10 ถึง 10 -4 mbar มักใช้เป็นปั๊ม 'บูสเตอร์' เพื่อปรับปรุงความดันขั้นสุดท้ายและความเร็วในการปั๊ม ปั๊ม Roots ใช้ชุดเชื่อมต่อแบบหมุนตรงข้ามสองชุดที่หมุนภายในห้อง ก๊าซจะเข้าสู่ระบบผ่านหน้าแปลนทางเข้าและจะถูก "บีบ" ระหว่างหน่วยที่หมุนอย่างรวดเร็วสองตัวกับผนังห้องอบ จากนั้นจะถูกขับออกทางช่องทางออก
ข้อดีของปั๊มบูสเตอร์ Roots คือปั๊มนี้เงียบและกะทัดรัดมาก มีอายุการใช้งานยาวนาน ไม่มีชิ้นส่วนที่สัมผัส และให้การปั๊มที่สะอาด (กล่าวคือ ไม่มีอนุภาคหรือน้ํามันที่จะปนเปื้อนระบบสุญญากาศ)
โดยทั่วไปแล้ว ปั๊มโบลเวอร์หลายตัวที่ทํางานร่วมกับปั๊ม HV, UHV หรือ XHV เป็นตัวเลือกที่ประหยัดกว่าในการบรรลุสุญญากาศระดับสูง เมื่อเทียบกับปั๊มโบลเวอร์แบบแยกขนาดใหญ่กว่า เนื่องจากความเร็วในการปั๊มและความดันขั้นสุดท้ายที่ดีขึ้น
การวัดสุญญากาศระดับหยาบและปานกลาง
โดยปกติแล้วสุญญากาศระดับหยาบและปานกลางจะถูกวัดโดยสิ่งที่เรียกว่า "เกจวัดโดยตรง" ซึ่งจะวัดแรงดันโดยไม่ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของก๊าซที่เกี่ยวข้อง
เกจวัดแบบตรงแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ เกจวัดที่ใช้การเปลี่ยนรูปร่างเชิงกลบางรูปแบบ เช่น ไดอะแฟรม ท่อบูร์ดอง ความต้านทาน Piezo หรือความจุไฟฟ้า และเกจวัดที่ใช้ความสูงของคอลัมน์ของเหลว ซึ่งเรียกว่าเกจวัดแบบ "ไฮโดรสแตติก
เกจวัดเชิงกลใช้การทํางานภายในที่เป็นโลหะซึ่งเปลี่ยนรูปร่างตามแรงดัน โดยการเบี่ยงเบนนี้เชื่อมโยงกับเกจวัดแบบเข็ม การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้คือเครื่องวัดความดันความจุ ซึ่งไดอะแฟรม (ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของตัวเก็บประจุ) จะโค้งงอเมื่อแรงดันเปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงความจุ (ที่วัดได้)
ในแง่ของความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับการวัดแรงดัน ต้องจําไว้ว่าคุณสมบัติทางกายภาพของก๊าซเปลี่ยนแปลงไปตามแรงดัน ตัวอย่างเช่น การนําความร้อนและแรงเสียดทานภายในของก๊าซนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยที่หลากหลาย ได้แก่ ช่วงแรงดัน ก๊าซที่เกี่ยวข้อง (ซึ่งจะกําหนดปัจจัยการแก้ไข ความเข้ากันได้ของสื่อ และศักยภาพในการเกิดปฏิกิริยาเคมี) ความแม่นยําที่ต้องการ สภาวะการทํางาน (สกปรกกับสะอาด การสั่นสะเทือน อุณหภูมิ การกระแทก - อาจเกิดจากการระบายแรงดัน - การแผ่รังสีและสนามแม่เหล็ก) ตําแหน่งการติดตั้งของเกจ และวิธีการอ่าน (และบันทึก) ความดัน
การตรวจจับการรั่วไหลในสุญญากาศระดับหยาบและปานกลาง
การตรวจจับการรั่วไหล รวมถึงการกําจัด การจัดการ และ/หรือความรับผิดชอบนั้นมีความสําคัญในระบบสุญญากาศเท่าเทียมกับในระบบอัดแรงดัน เนื่องจากก๊าซสามารถบีบอัดได้ แรงดัน (หรือสุญญากาศ) จึงมีอิทธิพลต่อปริมาณการรั่วไหลซึ่งระบุเป็นหน่วย mbar.liter/sec โดยอัตราการรั่วไหลคือปริมาณก๊าซที่ "ไหลออก" ผ่านการรั่วไหลในความแตกต่างของแรงดันที่กําหนดต่อหน่วยเวลา
มีหลายวิธีทั่วไปในการวัดการรั่วไหล ซึ่งแต่ละวิธีจะขึ้นอยู่กับอัตราการรั่วไหลที่ตรวจจับได้ต่ําสุดที่เกี่ยวข้อง: การทดสอบฟองอากาศ การวัดแรงดันแตกต่าง การลดลงของแรงดัน การทดสอบการเพิ่มขึ้นของแรงดัน โหมดกลิ่นหอมของฮีเลียม และโหมดสุญญากาศของฮีเลียม วิธีการทดสอบสองวิธีหลังนี้ยังเรียกว่า "การตรวจจับก๊าซตัวบ่งชี้ วิธีการทั้งหมดสามารถใช้ได้ในสุญญากาศระดับหยาบและปานกลาง
การทดสอบฟองอากาศเกี่ยวข้องกับการเพิ่มแรงดันในระบบ การทาสบู่ที่จุดที่อาจเกิดการรั่วไหล และดูว่ามีฟองหรือไม่ ในขณะที่การวัดความดันส่วนต่างเกี่ยวข้องกับการวัดการสูญเสียแรงดันในช่วงเวลาที่กําหนด
อย่างไรก็ตาม การทดสอบการรั่วไหลที่น่าสนใจที่สุดเกี่ยวข้องกับการทดสอบฮีเลียม "กลิ่นหอม" และการทดสอบฮีเลียม "สุญญากาศ"
กล่าวง่ายๆ ก็คือ การทดสอบ "กลิ่นหอม" ของฮีเลียมเกี่ยวข้องกับการนําโพรบกลิ่นหอมไปรอบๆ หน่วยที่สังเกตเห็น โดยที่ก๊าซ "กลิ่นหอม" จะผ่านเครื่องสเปกโตรมิเตอร์มวลเพื่อระบุและวัดค่าฮีเลียม
ข้อได้เปรียบของการทดสอบกลิ่นหอมคือจะแสดงให้เห็นว่าการรั่วไหลเกิดขึ้นที่ใด อย่างไรก็ตาม ความเข้มข้นของฮีเลียมที่ 5ppm ในอากาศแวดล้อม/บรรยากาศหมายความว่าเป็นเรื่องยากที่จะแยกความแตกต่างระหว่างสัญญาณพื้นหลังและอัตราการรั่วไหลที่ต่ํามาก
การทดสอบ "สุญญากาศ" ด้วยฮีเลียมมักใช้กับหน่วยที่อยู่ภายใต้การใช้งาน HV และ UHV กล่าวง่ายๆ ก็คือ วางเครื่องไว้ภายในภาชนะและอัดแรงดันด้วยฮีเลียม จากนั้นก๊าซภายในภาชนะจะถูกทดสอบด้วยแมสสเปกโตรมิเตอร์ และฮีเลียมที่ตรวจพบจะบ่งชี้ถึงการรั่วไหล ข้อเสียที่สําคัญ แม้ว่าจะไม่ใช่ข้อเดียวก็ตาม ก็คือ จําเป็นต้องวางเครื่องไว้ภายในภาชนะที่มีขนาดเหมาะสม อีกทางหนึ่ง ภาชนะจะถูกไล่อากาศออกโดยเครื่องตรวจจับการรั่วไหลและใช้ฮีเลียมเพื่อ 'กลิ่น' ภายนอก
บทความที่เกี่ยวข้อง
