معرفة أساسية بمضخة التفريغ

مضخة التفريغ هي جهاز يسحب جزيئات الغاز من حيز مغلق ويحافظ على فراغ جزئي. وتتمثل وظيفتها الرئيسية في خلق فراغ نسبي داخل حيز معين أو عدة أحياز. توجد أنواع عديدة من مضخات التفريغ، وسيتناول هذا المقال كيفية عملها وأنواعها واستخداماتها.

كيف يعمل؟

مضخة التفريغ هي جهاز ميكانيكي يُستخدم لإزالة الغاز من النظام عن طريق رفع ضغطه إلى مستوى أعلى من الضغط الجوي المحيط. يعتمد مبدأ عمل مضخة التفريغ على نقل الغاز واحتجازه. تُصنّف مضخات التفريغ وفقًا لمستوى التفريغ وعدد الجزيئات التي يمكن إزالتها لكل سنتيمتر مكعب من الفراغ. في مستويات التفريغ المتوسطة إلى العالية، يحدث تدفق لزج نتيجة تصادم جزيئات الغاز. أما زيادة مستوى التفريغ فتؤدي إلى تدفق جزيئي أو انتقالي.
تتكون مضخة التفريغ من عدة مكونات تجعلها أداة متعددة الاستخدامات. أحد المكونات الرئيسية هو المحرك، الذي يتألف من دوار وجزء ثابت. يحتوي كل من الدوار والجزء الثابت على ملفات تولد مجالًا مغناطيسيًا عند تنشيطها. يجب تثبيت كلا الجزأين على قاعدة تتحمل وزن المضخة. كما يوجد أيضًا منفذ لتصريف الزيت يعمل على تدوير الزيت في جميع أنحاء النظام لأغراض التشحيم والتبريد.
نوع آخر من مضخات التفريغ هو مضخة التفريغ ذات الحلقة السائلة. تعمل هذه المضخة عن طريق وضع المروحة أعلى أو أسفل الشفرات. كما يمكن ضبط سرعة المروحة في مضخات الحلقة السائلة. مع ذلك، يُنصح باستشارة متخصص قبل استخدام هذا النوع من المضخات.
تعمل مضخات التفريغ عن طريق نقل جزيئات الغاز إلى مناطق ذات ضغط أعلى أو أقل. ومع انخفاض الضغط، يصبح إخراج الجزيئات أكثر صعوبة. تتطلب أنظمة التفريغ الصناعية مضخات قادرة على العمل في نطاق ضغط يتراوح بين 1 و10⁻⁶ تور.

يكتب

توجد أنواع مختلفة من مضخات التفريغ، وتُستخدم في تطبيقات متنوعة، كالمختبرات. يتمثل الغرض الرئيسي من هذه المضخات في إزالة جزيئات الهواء أو الغاز من حجرة التفريغ. وتعتمد أنواع المضخات المختلفة على تقنيات متباينة لتحقيق ذلك. فبعضها يستخدم الإزاحة الموجبة، بينما يستخدم البعض الآخر تقنيات الحلقة السائلة، والنقل الجزيئي، والاحتجاز.
تُستخدم بعض هذه المضخات في العمليات الصناعية، بما في ذلك صناعة أنابيب التفريغ، وشاشات CRT، والمصابيح الكهربائية، ومعالجة أشباه الموصلات. كما تُستخدم في المركبات لتشغيل المكونات الهيدروليكية والطائرات. وعادةً ما يتم التحكم في الجيروسكوب بواسطة هذه المضخات. وفي بعض الحالات، تُستخدم أيضًا في المجال الطبي.
تعتمد آلية عمل مضخة التفريغ على نوع الغاز الذي يتم ضخه. وهناك ثلاثة أنواع رئيسية: الإزاحة الموجبة، والإزاحة السالبة، ونقل الزخم. ويمكن تقسيم هذه المبادئ إلى أنواع مختلفة من المضخات تبعًا لنوع التزييت المستخدم. فعلى سبيل المثال، تُعد مضخات التفريغ الجافة أقل حساسية للغازات والأبخرة.
نوع آخر من مضخات التفريغ يُسمى مضخة الريش الدوارة. يتكون هذا النوع من المضخات من جزأين رئيسيين: الدوار وحجرة التفريغ. تعمل هذه المضخات عن طريق تدوير أجزاء متحركة باتجاه غلاف المضخة. صُممت أسطح التلامس في المضخات الدوارة بفجوات صغيرة جدًا لمنع تسرب السائل إلى جانب الضغط المنخفض. وهي مناسبة لتطبيقات التفريغ التي تتطلب نبضات منخفضة وتدفقًا مستمرًا عاليًا. مع ذلك، فهي غير مناسبة للاستخدام مع وسائط الطحن.
توجد أنواع عديدة من مضخات التفريغ، ومن المهم اختيار النوع المناسب لتطبيقك. يعتمد نوع المضخة على احتياجات النظام والغرض منه. المضخات الكبيرة قادرة على العمل بشكل مستمر، بينما المضخات الصغيرة أنسب للاستخدام المتقطع.

يتقدم

تُستخدم مضخات التفريغ في العديد من العمليات الصناعية والعلمية. على سبيل المثال، تُستخدم في إنتاج أنابيب التفريغ، وشاشات CRT، والمصابيح الكهربائية. كما تُستخدم في معالجة أشباه الموصلات. وتُستخدم أيضًا كدعامات ميكانيكية لمعدات أخرى. فعلى سبيل المثال، قد توجد عدة مضخات تفريغ على محرك السيارة لتشغيل المكونات الهيدروليكية للطائرة. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم بكثرة في أبحاث الاندماج النووي.
أكثر أنواع مضخات التفريغ شيوعًا في المختبرات هي المضخة الدوارة ذات الريش. تعمل هذه المضخة بتوجيه تدفق الهواء عبر سلسلة من الريش الدوارة داخل غلاف دائري. عند مرور الريش عبر الغلاف، تسحب الغاز من التجويف وتُحدث فراغًا. عادةً ما تكون المضخات الدوارة أحادية أو ثنائية المرحلة، وتستطيع التعامل مع ضغوط تتراوح بين 10 و6 بار. كما تتميز بسرعة ضخ عالية.
تُستخدم مضخات التفريغ أيضًا في تصنيع الخلايا الشمسية على الرقائق. ويشمل ذلك مجموعة من العمليات، منها التطعيم، والانتشار، والحفر الجاف، والترسيب الكيميائي للبخار المعزز بالبلازما، وإنتاج المساحيق بكميات كبيرة. وتعتمد هذه التطبيقات على نوع مضخة التفريغ المستخدمة في العملية، ويجب تصميم مضخة التفريغ المختارة بما يتناسب مع بيئة التصنيع.
رغم وجود أنواع عديدة من مضخات التفريغ، إلا أن مبادئ عملها الأساسية تبقى واحدة. لكل نوع وظائف وقدرات مختلفة، تبعاً لنوع التفريغ المطلوب. تُصنف عموماً إلى مضخات الإزاحة الموجبة، ومضخات الريش الدوارة، ومضخات الحلقة السائلة، ومضخات توصيل الجزيئات.

صيانة

الجهة المسؤولة عن الصيانة والإصلاحات العامة هي الباحث الرئيسي. يجب اتباع تعليمات الصيانة والإصلاحات (Agknxs) واعتمادها من قبل الباحث الرئيسي وغيره من موظفي المختبر المعنيين. توفر تعليمات الصيانة والإصلاحات إرشادات للصيانة الدورية لمعدات مضخات التفريغ. لا تهدف تعليمات الصيانة والإصلاحات إلى استبدال عمليات الفحص الدورية المفصلة لمعدات مضخات التفريغ، والتي يجب أن يقوم بها فنيو صيانة معتمدون/مؤهلون. في حال تعطل الجهاز، يجب على المستخدم الاتصال بالباحث الرئيسي أو المسؤول عن الإصلاح للحصول على المساعدة.
أولاً، افحص مضخة التفريغ للتأكد من عدم وجود أجزاء مفكوكة. تأكد من فتح مقياسي ضغط المدخل والمخرج. عند ظهور الضغط المناسب، افتح صمام البوابة. كذلك، افحص ضغط مضخة التفريغ ومعدل التدفق. يجب أن يكون معدل التدفق والضغط ضمن النطاق الموضح على الملصق. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة المحمل 35 درجة فهرنهايت، ويجب ألا تتجاوز درجة الحرارة القصوى 80 درجة فهرنهايت. يجب استبدال جلبة مضخة التفريغ عند تآكلها الشديد.
إذا تعرضت مضخة التفريغ لعدة ظروف تشغيل غير طبيعية، فينبغي إجراء اختبار أداء. يجب مقارنة النتائج بالقيم المرجعية لتحديد أي خلل. ولتجنب التلف المبكر للمضخة، يُعدّ اتباع نهج منهجي للصيانة التنبؤية أمرًا ضروريًا. هذا مجال حديث نسبيًا في صناعة أشباه الموصلات، لكن شركات أشباه الموصلات الرائدة وموردي مضخات التفريغ الرئيسيين لم يطوروا بعد نهجًا موحدًا.
يُقترح أسلوب اختبار مبسط لتفريغ الهواء لتقييم أداء مضخات التفريغ. يتضمن هذا الأسلوب اختبارات محاكاة ميدانية للتهوية وأربعة مؤشرات لأداء المضخة. تُقيّم مقاييس الأداء في ظل ظروف اختبار مُحمّلة بالغاز، وظروف الخمول، وظروف اختبار تعتمد على كمية الغاز.

يكلف

تتألف التكلفة الإجمالية لمضخة التفريغ من عنصرين رئيسيين: الاستثمار الأولي وتكاليف الصيانة الدورية. وتُعدّ تكاليف الصيانة الدورية هي الأغلى، إذ تبلغ تكلفتها ما بين أربعة إلى خمسة أضعاف الاستثمار الأولي. لذا، يُعدّ اختيار نموذج أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وسيلةً فعّالة لتقليل التكلفة الإجمالية للنظام وفترة استرداد التكلفة.
تبلغ التكلفة الأولية لمضخة التفريغ حوالي $786. وتُعدّ مضخات الريش الدوارة المُشحّمة بالزيت هي الأرخص، بينما تُعدّ مضخات الريش الدوارة غير المُشحّمة بالزيت أغلى قليلاً. كما أن المضخات غير التلامسية أغلى قليلاً أيضاً. لا تُعتبر تكلفة مضخة التفريغ مرتفعة، ولكنها عاملٌ يستحقّ دراسة متأنية.
عند اختيار مضخة تفريغ، من المهم مراعاة نوع الغاز المراد ضخه. بعض المضخات مناسبة فقط لضخ الهواء، بينما صُممت أخرى لضخ الهيليوم. يختلف معدل ضخ الهواء الخالي من الزيت عن معدل ضخ الهواء العادي. لذا، يجب مراعاة خصائص الوسط لضمان تلبية المضخة لاحتياجاتك. قد تتجاوز تكلفة مضخة التفريغ سعر الشراء بكثير، نظرًا لارتفاع تكاليف التشغيل والصيانة اليومية.
تتميز مضخات التفريغ المزودة بنظام تزييت بأنها أكثر متانة وأقل تكلفة، ولكنها قد تتطلب صيانة أكثر. وتعتمد تكاليف الصيانة على نوع الغاز المراد ضخه؛ فالغازات الأخف وزنًا تحتاج إلى ضخ بطيء، بينما الغازات الأثقل تحتاج إلى ضخ أسرع. كما يعتمد مستوى صيانة مضخة التفريغ على عدد مرات تزييتها.
تتطلب مضخات التفريغ الغشائية صيانة دورية وتغيير الزيت بانتظام. يجب تغيير الزيت في المضخة كل 3000 ساعة تشغيل. تتميز هذه المضخة بمقاومتها للمواد الكيميائية والتآكل، مما يجعلها مناسبة للاستخدام مع المنتجات الحمضية واللزجة.

قام بالتحرير دريم بتاريخ 2024-05-07