ปั๊มดูดซับทํางานอย่างไร

แชร์ผ่าน

คําว่า "ปั๊มดูดซับ" รวมถึงการจัดเรียงทั้งหมดสําหรับการขจัดก๊าซและไอระเหยออกจากพื้นที่โดยวิธีการดูดซับ ดังนั้น อนุภาคก๊าซที่ปั๊มจึงถูกยึดติดที่พื้นผิวหรือภายในสารเหล่านี้ โดยแรงดูดซับที่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิทางกายภาพ (แรงวานเดอร์วอลส์) การดูดซับทางเคมี การดูดซับ หรือโดยการฝังตัวในระหว่างการก่อตัวของพื้นผิวดูดซับใหม่อย่างต่อเนื่อง เมื่อเปรียบเทียบหลักการทํางานของปั๊มดูดซับ เราสามารถแยกความแตกต่างระหว่างปั๊มดูดซับ ซึ่งการดูดซับก๊าซเกิดขึ้นโดยกระบวนการดูดซับที่ควบคุมอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว และปั๊มจ่าย ซึ่งการดูดซับและการกักเก็บก๊าซเกิดจากการก่อตัวของสารประกอบทางเคมีเป็นหลัก การจับตัวเป็นการยึดเหนี่ยวก๊าซเข้ากับพื้นผิวโลหะบริสุทธิ์โดยส่วนใหญ่ ซึ่งไม่ถูกปกคลุมด้วยชั้นออกไซด์หรือคาร์ไบด์ พื้นผิวดังกล่าวจะเกิดขึ้นเสมอในระหว่างการผลิต การติดตั้ง หรือระหว่างการระบายอากาศของระบบ พื้นผิวของตัวรับความบริสุทธิ์สูงที่เป็นโลหะส่วนใหญ่จะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องโดยตรงในสุญญากาศโดยการระเหย (ปั๊มระเหย) หรือโดยการสปัตเตอร์ (ปั๊มสปัตเตอร์) หรือชั้นพื้นผิวพาสซีฟของตัวรับความบริสุทธิ์ (โลหะ) จะถูกขจัดออกโดยการกําจัดก๊าซออกจากสุญญากาศ เพื่อให้วัสดุบริสุทธิ์สัมผัสกับสุญญากาศ ขั้นตอนนี้เรียกว่าการเปิดใช้งาน (ปั๊ม NEG NEG = ตัวดักจับที่ไม่ระเหย)

หลักการทํางานของปั๊มดูดซับ

ปั๊มดูดซับ (ดูรูปที่ 2.59) ทํางานตามหลักการของการดูดซับทางกายภาพของก๊าซที่พื้นผิวของตะแกรงโมเลกุลหรือวัสดุดูดซับอื่น ๆ (เช่น Al₂ O₃ ที่เปิดใช้งาน) ซีโอไลต์ 13X มักใช้เป็นวัสดุดูดซับ อะลูมิโนซิลิเกตอัลคาไลนี้มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่เป็นพิเศษสําหรับมวลของวัสดุ ประมาณ 1000 m² /g ของสารที่เป็นของแข็ง ดังนั้น ความสามารถในการดูดซับก๊าซจึงเป็นอย่างมาก

ภาพที่ 2.59 ภาพตัดขวางของปั๊มดูดซับที่แสดงการออกแบบ

ช่องทางเข้า
ช่องระบายอากาศ
ฝ่ายสนับสนุน
เครื่องปั๊ม
ใบพัดนําความร้อน
วัสดุดูดซับ (เช่น ซีโอไลต์)

เส้นผ่านศูนย์กลางรูของซีโอไลต์ 13X อยู่ที่ประมาณ 13 Å ซึ่งอยู่ในลําดับของขนาดของไอน้ํา ไอน้ํามัน และโมเลกุลก๊าซขนาดใหญ่กว่า (ประมาณ 10 Å) สมมติว่าเส้นผ่านศูนย์กลางโมเลกุลเฉลี่ยเป็นครึ่งหนึ่งของค่านี้ 5 · 10 ^-8 ซม. โมเลกุลประมาณ 5 · 10¹⁸ ถูกดูดซับในชั้นเดียวบนพื้นผิว 1 m² สําหรับโมเลกุลไนโตรเจนที่มีมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ Mr = 28 ซึ่งสอดคล้องกับประมาณ 2 · 10 ^-4 กรัม หรือ 0.20 mbar · l ดังนั้น พื้นผิวการดูดซับขนาด 1,000 m2 จึงสามารถดูดซับชั้นโมเลกุลเดี่ยวที่จับก๊าซมากกว่า 133 mbar · l

ไฮโดรเจนและก๊าซที่มีค่าเบา เช่น ฮีเลียมและนีออน มีเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาคค่อนข้างเล็กเมื่อเทียบกับขนาดรู 13 Å สําหรับซีโอไลต์ 13X ก๊าซเหล่านี้จึงดูดซับได้ไม่ดีนัก

ความร้อนและแรงดันมีผลต่อการดูดซับก๊าซอย่างไร

การดูดซับก๊าซที่พื้นผิวไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิเท่านั้น แต่ที่สําคัญกว่านั้นคือความดันเหนือพื้นผิวการดูดซับ ความสัมพันธ์นี้แสดงเป็นกราฟิกสําหรับก๊าซบางชนิดโดยไอโซเทอร์มัลการดูดซับที่แสดงในรูปที่ 2.60. ในทางปฏิบัติ ปั๊มดูดซับจะเชื่อมต่อผ่านวาล์วเข้ากับภาชนะที่จะระบายออก การจุ่มตัวปั๊มลงในก๊าซไนโตรเจนเหลวจะทําให้ผลการดูดซับมีประโยชน์ในทางเทคนิค เนื่องจากคุณสมบัติการดูดซับที่แตกต่างกัน ความเร็วในการปั๊มและความดันขั้นสุดท้ายของปั๊มดูดซับจะแตกต่างกันสําหรับโมเลกุลก๊าซต่างๆ: จะได้ค่าที่ดีที่สุดสําหรับไนโตรเจน คาร์บอนไดออกไซด์ ไอน้ํา และไอไฮโดรคาร์บอน ก๊าซที่มีค่าเบาแทบจะไม่ถูกปั๊มเลย เนื่องจากเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับรูพรุนของซีโอไลต์ ขณะที่ผลการดูดซับลดลงเมื่อการครอบคลุมพื้นผิวซีโอไลต์เพิ่มขึ้น ความเร็วในการปั๊มจะลดลงเมื่อจํานวนอนุภาคที่ดูดซับแล้วเพิ่มขึ้น ดังนั้น ความเร็วในการปั๊มของปั๊มดูดซับจะขึ้นอยู่กับปริมาณก๊าซที่ปั๊มอยู่แล้ว ดังนั้นจึงไม่คงที่เมื่อเวลาผ่านไป

รูปที่ 2.60 ไอโซเทอร์มการดูดซับของซีโอไลต์ 13X สําหรับไนโตรเจนที่ -319°F (-195°C) และ 68°F (20°C) รวมทั้งสําหรับฮีเลียมและนีออนที่ -319°F (-195°C)

แรงดันสุดท้ายที่บรรลุได้ด้วยปั๊มดูดซับจะถูกกําหนดในเบื้องต้นโดยก๊าซเหล่านั้นที่มีอยู่ในภาชนะเมื่อเริ่มต้นกระบวนการปั๊ม และมีการดูดซับไม่ดีหรือไม่มีเลย (เช่น นีออนหรือฮีเลียม) ที่พื้นผิวซีโอไลต์ ในบรรยากาศมีก๊าซเหล่านี้อยู่ไม่กี่ส่วนต่อล้านส่วน ดังนั้นจึงสามารถได้รับแรงดัน < 10 ^-2 mbar

หากต้องการสร้างแรงดันต่ํากว่า 10 ^-3 mbar ด้วยปั๊มดูดซับเท่านั้น ควรไม่มีนีออนหรือฮีเลียมอยู่ในส่วนผสมก๊าซให้มากที่สุดเท่าที่จะทําได้

หลังจากกระบวนการปั๊ม ปั๊มต้องอุ่นขึ้นจนถึงอุณหภูมิห้องเท่านั้น เพื่อให้ก๊าซที่ดูดซับออกมาและซีโอไลต์จะกลับมาใช้ใหม่เพื่อนํากลับมาใช้ใหม่ หากมีการปั๊มอากาศ (หรือก๊าซชื้น) ที่มีไอน้ําจํานวนมาก ขอแนะนําให้อบปั๊มให้แห้งสนิทเป็นเวลาสองสามชั่วโมงที่อุณหภูมิ 392°F (200°C) หรือสูงกว่า

ในการปั๊มภาชนะขนาดใหญ่ขึ้น จะใช้ปั๊มดูดซับหลายตัวแบบขนานกันหรือต่อเนื่องกัน ขั้นแรก ความดันจะลดลงจากความดันบรรยากาศเป็นไม่กี่มิลลิบาร์โดยขั้นตอนแรกเพื่อ "ดักจับ" โมเลกุลก๊าซที่มีค่าจํานวนมากของฮีเลียมและนีออน หลังจากที่ปั๊มในขั้นตอนนี้อิ่มตัวแล้ว วาล์วไปยังปั๊มเหล่านี้จะถูกปิด และวาล์วที่ปิดก่อนหน้านี้ไปยังปั๊มดูดซับอีกตัวหนึ่งที่ยังคงมีสารดูดซับที่สะอาดอยู่จะถูกเปิด เพื่อให้ปั๊มนี้สามารถปั๊มห้องสุญญากาศลงสู่ระดับแรงดันที่ต่ํากว่าถัดไป ขั้นตอนนี้สามารถดําเนินต่อไปได้จนกว่าจะไม่สามารถปรับปรุงความดันขั้นสุดท้ายได้อีกด้วยการเพิ่มปั๊มดูดซับที่สะอาดเพิ่มเติม

ปั๊มระเหิดคืออะไร?

ปั๊มระเหิดเป็นปั๊มดูดซับซึ่งวัสดุตัวรับจะระเหยและสะสมบนผนังด้านในที่เย็นในรูปฟิล์มตัวรับ บนพื้นผิวของฟิล์ม Getter ดังกล่าว โมเลกุลก๊าซจะสร้างสารประกอบที่เสถียร ซึ่งมีแรงดันไอน้ําต่ํามาก ฟิล์มตัวรับที่ออกฤทธิ์จะเกิดขึ้นใหม่โดยการระเหยในภายหลัง โดยทั่วไปจะใช้ไทเทเนียมในปั๊มระเหิดเป็นตัวรับ ไทเทเนียมจะระเหยจากลวดที่ทําจากโลหะผสมพิเศษที่มีปริมาณไทเทเนียมสูงซึ่งได้รับความร้อนจากกระแสไฟฟ้า แม้ว่าความสามารถในการดูดซับที่เหมาะสมที่สุด (ประมาณหนึ่งอะตอมไนโตรเจนต่ออะตอมไทเทเนียมที่ระเหยแต่ละอะตอม) จะหาได้ยากในทางปฏิบัติ แต่ปั๊มระเหิดไทเทเนียมมีความเร็วในการปั๊มสูงเป็นพิเศษสําหรับก๊าซที่ใช้งานอยู่ ซึ่งสามารถปั๊มออกได้อย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการเริ่มต้นหรือการพัฒนาก๊าซปริมาณมากขึ้นอย่างฉับพลัน เนื่องจากปั๊มระเหิดทําหน้าที่เป็นปั๊มเสริม (บูสเตอร์) สําหรับปั๊มสปัตเตอร์ไอออนและปั๊มเทอร์โบโมเลกุล การติดตั้งปั๊มเหล่านี้มักเป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้(เช่นเดียวกับ "บูสเตอร์" ในปั๊มฉีดไอระเหย โปรดดูหน้า ปั๊มกระจายน้ํามัน สําหรับข้อมูลเพิ่มเติม)

Blog & Wiki Pump Types Vacuum Generation Vacuum Fundamentals