Pompa do próżni – rodzaje
Tworzenie próżni w zamkniętej objętości realizuje się poprzez obniżenie ciśnienia powietrza lub gazu zawartego w tej objętości. Aby to zrobić należy usunąć lub ograniczyć ilość cząsteczek gazu.
Proces ten realizowany może być na dwa sposoby:
- gaz jest usuwany z zamkniętej objętości do zewnętrznego zbiornika lub do atmosfery,
- gaz jest łączony w objętości systemu próżniowego poprzez kondensację, adsorpcję lub wiązanie chemiczne.
Zakres urządzeń wytwarzających próżnię jest bardzo bogaty. Różnią się one od siebie zasadą działania, metodą tworzenia próżni, sprawnością, poziomem wytwarzanej próżni, a mimo to często są określane wspólną nazwą „pompy próżniowej”.
W zależności od sposobu działania można wydzielić dwie grupy urządzeń wytwarzających próżnię:
Pompy próżniowe pułapkowe
Pompy te nie usuwają cząsteczek gazu z systemu próżniowego, a zamieniają je w ciecz lub ciało stałe.
W ramach tej grupy wyróżniamy pompy:
- pompy ze stale regenerowalną powierzchnią wychwytującą (pompy jonowe, pompy sublimacyjne),
- pompy ze środkiem adsorbującym (pompy adsorpcyjne, a wśród nich pompy zeolitowe). Posiadają one ograniczoną zdolność adsorpcji i muszą być regenerowane w określonych odstępach czasu zależnych od procesu tworzenia próżni. Regeneracja może być realizowana na gorąco poprzez wygrzewanie adsorbentu.
Pompy próżniowe przepływowe
Pompy te powodują, że gaz swobodnie wnika do przestrzeni mechanicznie zamykanej i zwiększającej swoją objętość, następnie jest sprężany i usuwany do atmosfery. Główną cechą tych pomp jest możliwość osiągania wysokiej próżni przy bardzo małych przepływach. Chociaż istnieje szeroka gama rozwiązań technicznych, to zasada działania jest podobna. W ramach tej grupy można wydzielić:
- pompy obrotowe – rotacyjne
- pompy wyporowe suwakowe (pompy tłokowe, pompy membranowe),
- pompy wyporowe z obrotowym tłokiem (pompy z tłokiem trochoidowym, pompy rotacyjno-tłokowe, pompy z pierścieniem cieczowym, pompy z wirującym tłokiem Roots’a),
- pompy molekularne (pompy turbomolekularne).
- pompy z medium porywającym
- pompy strumieniowe (pompy strumieniowe cieczowe, pompy strumieniowe parowe wodne, parowe rtęciowe lub parowe olejowe),
- pompy dyfuzyjne (niefrakcjonujące – dyfuzyjne rtęciowe i dyfuzyjne olejowe oraz pompy frakcjonujące i półfrakcjonujące – dyfuzyjne olejowe).
- pompy kondensacyjne
- pompy kondensujące w fazę płynną (skraplacz),
- pompy kondensujące w fazę stałą (kriopompa).
Istnieje jeszcze kilka podobnych podziałów pomp próżniowych, mniej lub bardziej szczegółowych, w zależności od tego czy są opracowywane przez środowisko techniczne, czy też środowisko naukowe. Niezależnie od tego, dwa podstawowe rodzaje pomp (pompy próżniowe pułapkowe i pompy próżniowe przepływowe) są wspólne dla wszystkich podziałów.
Właściwości pomp próżniowych
Pompy próżniowe mogą być sklasyfikowane pod kątem zakresu ciśnień, sposobu pracy, czystości pracy, zdolności do ciągłej pracy lub wrażliwości na różne gazy.
Zakres ciśnień pomp próżniowych
Pompy próżniowe do próżni niskiej i średniej mogą osiągnąć próżnię od poziomu ciśnienia atmosferycznego do poziomu 10-3 mbar. Przykładem mogą być pompy rotacyjne i adsorpcyjne. Pompy próżniowe do próżni wysokiej albo bardzo wysokiej zapewniają znacznie niższe ciśnienie rzędu 10-12 mbar, ale mogą rozpocząć pracę jedynie, gdy ciśnienie jest niże niż 0,1 mbar. W związku z tym wymagają pomp wspomagających tworzących niską próżnię. Pompami próżniowymi osiągającymi próżnię bardzo wysoką jest pompa dyfuzyjna olejowa, jonowa lub kriopompa.
Boostery obejmują zakres ciśnień pomiędzy niską i bardzo wysoką próżnią i są stosowane by zwiększyć prędkość odpompowywania w celu osiągnięcia niskiego ciśnienia. Przykładem może być dmuchawa Roots’a i eżektor olejowy, a ich zakres ciśnień roboczych wynosi od 101 do 10-5 mbar.
Zasada pracy pomp próżniowych
Mechaniczne pompy takie jak rotacyjne, dmuchawy Roots’a i turbomolekularne wykorzystują wirujące części do osiągnięcia próżni. Pompy dyfuzyjne i eżektory olejowe wykorzystują strumień cieczy lub pary. Pompy pułapkowe takie jak adsorpcyjne, kriopompy i pompy sublimacyjne tytanowe wykorzystują powierzchnie, na których para i cząsteczki gazu są wychwytywane.
Czystość pomp próżniowych
Niektóre pompy są czystsze niż inne i jest to ważna cecha w zastosowaniach takich jak np. przemysł mikroelektroniczny. „Brudne” pompy wykorzystują płyny (zwykle olej), który może przemieszczać się do komory procesowej w procesie przepływu powrotnego. Takimi pompami są olejowe pompy rotacyjne i olejowe pompy dyfuzyjne. Pompy „czyste” nie dodają do systemu par cieczy lub tylko ich minimalne ilości. „Czystymi” pompami są pompy próżniowe adsorpcyjne, turbomolekularne, jonowe, sublimacyjne tytanowe i kriopompy.
Ciągłość pracy
W aplikacjach takich jak laser gazowy lub napylanie potrzebny jest ciągły przepływ gazu o niskim ciśnieniu. Pompy próżniowe adsorpcyjne i kriopompy nie nadają się do takiego charakteru pracy, a pompy jonowe i sublimacyjne tytanowe muszą być okresowo regenerowane. Pozostałe rodzaje pomp nadają się do ciągłej pracy.
Wrażliwość na gazy
Różne gazy są pompowane przez wszystkie pompy z różnymi prędkościami. Gazy szlachetne i gazy o niskiej masie stwarzają najwięcej problemów. Pompy próżniowe pułapkowe są bardziej wrażliwe na te gazy niż inne rodzaje pomp próżniowych.
Istnieje wiele typów pomp próżniowych, a każdy z nich charakteryzuje się innym zakresem ciśnień i prędkością odpompowywania. Wybór pompy próżniowej musi być powiązany z analizą kosztów posiadania (zakupu i eksploatacji), czystością próżni i przydatnością do zastosowania. Zdecydowanie najbardziej rozpowszechnionym systemem stosowanym w dzisiejszych czasach do osiągnięcia wysokiej i ultra-wysokiej próżni jest pompa rotacyjna połączona z pompą dyfuzyjną lub turbomolekularną. W systemach, gdzie ważna jest duża szybkość odpompowywania, przodują pompy rotacyjne połączone z dmuchawami Roots’a.
