آموزش کامل پمپ وکیوم روغنی

با توجه کاربری و استفاده وسیع از پمپ وکیوم پره ای، برای صنعتگران  و کاربران تجهیزات وکیوم صنعتی درک خوبی از نحوه عملکرد این پمپ ها مهم است. در این مطلب به توضیح این عناوین خواهیم پرداخت:

• اصول عملکرد پمپ
• طراحی پمپ
• روغن پمپ
• طراحی پمپ تک مرحله ای در مقابل دو مرحله
• آلودگی و بالاست گاز (دستی و اتوماتیک)
• لوازم جانبی متداول
• کاربردها
• عیب یابی و تعمیر و نگهداری پمپ

پمپ وکیوم روغنی چیست؟

پمپ وکیوم روغنی (معروف به پمپ های پره ای یا روتاری) که با استفاده از روغن برای روانکاری استفاده میکنند در اکثر سیستم های خلاء مورد استفاده در صنعت که با دما و حرارت بالا سرکار دارند استفاده میشوند، که میتوانند در ترکیب با یک بوستر پمپ برای ایجاد خلاء زیاد و یا به تنهایی در مواقعی که خلاء زیاد مورد نیاز نیست استفاده شود.

یکی از انواع پمپ وکیوم روغنی پمپ دو مرحله ای میباشند که از دو روتور به صورت سری در داخل پمپ استفاده می کند. پمپ تک‌مرحله‌ای می‌توانند خلاء ۳ x 10-2 mbar ایجاد کنند، در حالی که طرح‌های دو مرحله‌ای می‌توانند به ۳ x 10-3 mbar دست یابند.

اصول عملکرد

از نظر دسته بندی پمپ خلاء، پمپ‌های پره‌ای یا روتاری به عنوان پمپ‌های مرطوب و جابجایی مثبت در نظر گرفته می‌شوند. آنها اغلب پمپ های “مرطوب” نامیده می شوند زیرا گاز پمپ شده در معرض روغنی است که به عنوان روان کننده برای کمک به  آب بندی استفاده می شود.

به همین دلیل است که روغن باید با دقت انتخاب شده و برای کاربری پمپ مناسب باشد. جابجایی مثبت بود این نوع پمپ ها با به دام انداختن مکانیکی حجمی از گاز و حرکت آن از طریق پمپ کار می کند و فشار کمی را در سمت ورودی ایجاد می کند.

طراحی پمپ وکیوم روغنی

پمپ‌ روتاری (شکل ۱) به گونه‌ای طراحی شده‌اند که استاتور پمپ در روغن غوطه‌ور شده و حاوی روتوری است که در مرکز استاتور قرار ندارد. روتور شامل دو پره است که در شیارهای کاملاً مخالف می لغزند. پره ها را می توان با استفاده از فنر در داخل روتور قرا داد ، اما در صورت عدم استفاده با استفاده از نیروی گریز از مرکز برای فشار دادن به بیرون پره ها میتوان استفاده کرد که با چرخش روتور، نوک تیغه ها همیشه با دیواره استاتور در تماس هستند.

کل مجموعه (شکل ۲) با تلورانس بالا ماشینکاری و مونتاژ می شود به طوری که شکاف بین بالای روتور و دیواره استاتور (اغلب به عنوان dou seal نامیده می شود) تقریباً ۰.۰۲۵ میلی متر (۱.۰ میل) باشد. این سیل یا آب بند با روغن پر شده و بین دو طرف ورودی و خروجی به اصطلاح سیل یا آب بند ایجاد می کند. روغن از مخزن روغن به داخل پمپ به گردش در می آید و با گاز پمپ شده از طریق دریچه اگزوز تخلیه می شود.

فشار نهایی قابل دستیابی توسط پمپ با نشتی برگشتی بستنگی به سیل Duo و خروج گاز روغن روان کننده دارد. فشار خروجی می تواند تا ۱۰۰۰ میلی بار و ورودی تا ۰.۰۱ میلی بار باشد، که به این معنی است که اختلاف فشار در سراسر مهر و موم پر از روغن تقریباً  (۱۰۰۰:۰.۰۱) است. در اختلاف فشار بیشتر از این، نشت برگشتی در سراسر سیل  اتفاق می‌افتد، که نشان‌دهنده یکی از عوامل محدودکننده خلاء نهایی است که توسط پمپ‌های پره‌ای دوار به دست می‌آید.

مراحل ایجاد فشار خلاء در پمپ روتاری

در یک پمپ پره ای دوار معمولی چهار مرحله کار وجود دارد (شکل ۳)

1. القاء: اولین چرخش ۱۸۰ درجه ای روتور، گاز را وارد محفظه پمپاژ می کند. حجم اشغال شده توسط گاز به دلیل فضای هلالی شکل ایجاد شده توسط روتور افست افزایش می یابد. فشار گاز متناسب با افزایش حجم آن کاهش می یابد (قانون بویل). این گاز را به داخل پمپ می کشد و خلاء مورد نیاز را ایجاد می کند.
2. انزوا: بالاترین پره از درگاه ورودی عبور می کند و آن را از گاز پمپاژ شده جدا می کند.
3. فشرده سازی: چرخش بیشتر گاز را جلوتر از پایین ترین پره فشرده و گرم می کند و حجم آن را به دلیل کاهش فضای بین روتور و استاتور کاهش می دهد.
4. اگزوز: همانطور که پایین ترین پره به چرخش خود ادامه می دهد، فشار جلوی آن به اندازه کافی افزایش می یابد تا دریچه اگزوز باز شود و گاز را با فشار کمی بالاتر از اتمسفر تخلیه می کند.

یکی از اجزای حیاتی در پمپ پره ای دوار، شیر خروجی است (شکل ۴)، که دارای دریچه های خروجی زیادی است که در شکل ۲ قابل مشاهده است. یکی از جنس بدنه شیر خروجی استفاده از یک الاستومر (لاستیک مصنوعی) یا فلورو الاستومر با صفحه پشتی فلزی میباشد. صفحه پشتی فلزی حرکت قسمت الاستومری دریچه را محدود می کند. برخی از شیرها همه فلزی هستند و الاستومری ندارند، اما اگر پمپ در حالت خلاء خاموش شود، این نوع از جنس دریچه خروجی امکان حالتی به عنوان “مکیدن برگشت” شناخته می شود را دارد. از آنجایی که شیر از الاستومر استفاده نمی کند، روغن می تواند از کنار آن نشت کند و از طریق پمپ به داخل محفظه خلاء یا کوره “مکیده” شود. از آنجایی که دریچه با هر چرخش باز و بسته می شود، منبع نویز است و مستعد سایش است، خواه از الاستومر استفاده شود یا نه. به عنوان مثال، با سرعت چرخش پمپ ۱۷۵۰ RPM، شیر ۲.۵ میلیون بار در هر ۲۴ ساعت با فرکانس ۲۹ هرتز باز و بسته می شود. دریچه به صورت مکانیکی عمل می کند و با فشار ایجاد شده توسط پمپ به اجبار باز می شود و سپس توسط فشار اتمسفر بسته می شود.

روغن مخصوص پمپ وکیوم

پمپ‌های دوار با روغن روان‌کاری می‌شوند که نه تنها آب‌بندی بین دو طرف فشار قوی و کم‌فشار پمپ را ایجاد می‌کند، بلکه یاتاقان‌های پمپ و سایر اجزای دوار را نیز روان می‌کند. برخی از طرح‌های پمپ، به‌ویژه نمونه‌های قدیمی‌تر که از گردش روغن روان‌کننده استفاده می‌کردند، متکی به سیستم تغذیه خلاء بودند که به موجب آن خلاء تولید شده توسط خود پمپ نیز برای کشیدن روغن روان‌کار از طریق یاتاقان‌های روتور استفاده می‌شد. پمپ های دیگر از مهر و موم های شفت لبه دار در اطراف محور روتور استفاده می کنند. این یک مهر و موم سبک پویا است که به روغن کاری نیز نیاز دارد.

اگرچه توزیع روغن خوراک خلاء هنوز مورد استفاده قرار می گیرد، پمپ های مدرن تر از یک پمپ روغن جداگانه استفاده می کنند تا روغن را از طریق گذرگاه های ماشینکاری شده در استاتور به یاتاقان ها و مهر و موم های روتور به گردش در آورند (شکل ۵). هنگامی که پمپ خلاء کار می کند، چرخش آن پمپ روغن را نیز می چرخاند که روی همان شفت نصب شده و فشار تغذیه روغن مثبت ۰.۴ بار (۳۰۰ Torr) بالاتر از فشار اتمسفر ایجاد می کند. این فشار یک دیسک الاستومری فنری را بالا می‌برد که به روغن اجازه می‌دهد تا به داخل مخفی جریان یابد که داخل پمپ و یاتاقان‌های روتور و همچنین پره‌های پمپ خلاء را تغذیه می‌کند. هنگامی که پمپ خلاء متوقف می شود، فشار پمپ روغن دیگر برای باز کردن دیسک الاستومری وجود ندارد و بنابراین بسته می شود و مانع از مکش روغن از طریق پمپ و داخل محفظه خلاء می شود. چه از پمپ روغن استفاده شود یا نه، روغن اضافی از مکانیسم پمپاژ از طریق دریچه اگزوز تخلیه می شود.

شکل ۵

در پمپ‌های خلاء که از پمپ روغن جداگانه استفاده می‌کنند، می‌توان یک شیر جداسازی ورودی هیدرولیکی نیز تعبیه کرد (شکل ۶). در این طرح، مقداری از روغن گردشی به یک پیستون هدایت می شود که به یک شیر ورودی واقع در محل ورود گاز از محفظه خلاء به پمپ متصل می شود. پیستون از فشار هیدرولیک تولید شده توسط پمپ روغن برای باز کردن دریچه ورودی استفاده می کند و به گاز اجازه می دهد از محفظه به پمپ وارد شود. دریچه فنری است و از یک مهر و موم الاستومری برای متوقف کردن جریان گاز در عرض ۰.۵ ثانیه پس از توقف پمپ استفاده می کند. این محافظت اضافی در برابر مکش مجدد به داخل محفظه خلاء ایجاد می کند.

شکل ۶

انواع روغن مناسب پمپ وکیوم روغنی

روغن مورد استفاده در پمپ های پره ای دوار با دقت انتخاب می شود. علاوه بر تامین روانکاری یاتاقان های روتور، باید:

• بین پره ها و روتور مهر و موم ایجاد کنید.
• مهر و موم Duo را بین نوک پره ها و استاتور ایجاد کنید.
• با انتقال گرما به محفظه بیرونی استاتور را خنک کنید.
• محافظت در برابر خوردگی قطعات فلزی در برابر گاز پمپاژ شده را ارائه دهید.

علاوه بر این، فشار بخار روغن بسیار مهم است زیرا روغن در معرض گاز پمپاژ شده از محفظه قرار می گیرد. اگر فشار روغن خیلی زیاد باشد، وقتی در معرض خلاء قرار می‌گیرد، بخار می‌شود و به بخار روغن اجازه می‌دهد محفظه خلاء را آلوده کند. فشار بخار روغن به طور کلی یکی از عوامل محدود کننده دستیابی نهایی است. به دلایل بالا، باید در انتخاب روغن دقت کرد. به عنوان مثال روغن موتور معمولی به اندازه کافی برای استفاده در پمپ خلاء تصفیه نشده است، مقاومت کافی در برابر حملات شیمیایی ندارد و حاوی مواد افزودنی است که ممکن است برای فرآیند انجام شده در محفظه خلاء مضر باشد. علاوه بر این، ویسکوزیته نیز باید در نظر گرفته شود. روغن هایی با ویسکوزیته پایین برای دمای کارکرد پایین تر و پمپ های کوچکتر استفاده می شود در حالی که روغن هایی با ویسکوزیته متوسط برای پمپ های متوسط تا بزرگ استفاده می شود.

روغن هایی که به طور خاص برای پمپ های دوار طراحی شده اند، روغن های معدنی مقطری هستند که اتم های هیدروژن به هر مولکول شل در زنجیره متصل شده اند. این فرآیند که به عنوان تصفیه آب شناخته می شود، یک فرمول قوی و پایدار با فشار بخار کم ارائه می دهد. برای کاربردهایی که پمپ خلاء ممکن است در معرض گازهای واکنشی یا خورنده حمل شده در گاز پمپ شده قرار گیرد، از روغن مهندسی شده مخصوص استفاده می شود که برای حذف ناخالصی ها بیشتر پردازش شده است. در جایی که غلظت بالایی از اکسیژن یا سایر گازهای واکنش پذیر شیمیایی وجود دارد، روان کننده های بسیار بی اثر و مصنوعی توصیه می شود. این سیال پرفلوئوروپلی‌اتر (PFPE) مقاومت دمایی خوبی دارد اما نباید در معرض دمای بالاتر از ۲۸۰ درجه سانتیگراد (۵۳۵ درجه فارنهایت) قرار گیرد که در آن نقطه بخارهای سمی آزاد می‌کند. مایعات PFPE با نام های تجاری (به عنوان مثال، Fomblin (Solvay Solexis) و Dupont’s Krytox) در دسترس هستند. اگر روغن نادرست در یک محیط تهاجمی شیمیایی استفاده شود، شکسته می‌شود و باقیمانده‌ای مانند قیر باقی می‌گذارد که راه‌های عبور داخلی را مسدود می‌کند و باعث گرم شدن بیش از حد پمپ و خرابی ناشی از روغن‌کاری ناکافی می‌شود.

با توجه به طراحی ذاتی پمپ دوار به عنوان یک پمپ “مرطوب”، مقداری روغن به همراه گاز در حال انتقال به صورت غبار از پمپ خارج می شود. به همین دلیل، از یک فیلتر مه‌آلود روغن (شکل ۷) برای گرفتن روغن خارج‌شده استفاده می‌شود. پس از خروج از پمپ، گاز پمپ شده از فیلتر مه عبور می کند که حاوی یک عنصر فیلتر است که غبار روغن را به قطرات کاهش می دهد و آن را جمع می کند. روغن گرفته شده را می توان به صورت دستی تخلیه کرد یا از طریق سایر لوازم جانبی در یک حلقه بسته به پمپ بازگرداند. می تواند از طریق گرانش به جعبه روغن برگردد یا با مکش از طریق بالاست گاز (که بعداً مورد بحث قرار خواهد گرفت). عنصر فیلتر یک محصول مصرفی است و باید به طور دوره ای تعویض شود.

در مقاله بالا، اصول عملکرد پمپ های پره ای دوار مهر و موم شده روغن از جمله طراحی پایه پمپ و روغن پمپ را توضیح دادیم. در بخش بعدی این بحث را با تمرکز بر ویژگی های عملیاتی و عملکرد داخلی این پمپ ها ادامه می دهیم.

تفاوت پمپ وکیوم یک مرحله ای و دو مرحله ای

یکی از عوامل محدود کننده یک پمپ پره ای دوار، Duo Seal است که فضای پر از روغن کوچک به اندازه ۰.۰۲۵ میلی متری (۰.۰۰۱ اینچ) بین روتور و استاتور در بالای پمپ است. در یک پمپ پره ای دوار تک مرحله ای، اختلاف فشار در سراسر سیل و آب بند می تواند به ۱۰۰۰۰۰:۱ (۱۰۰۰ mbar در مقابل ۰.۰۱ mbar) نزدیک شود. بالاتر از این، سیل دوتایی شروع به نشت روغن از سمت پرفشار به سمت کم فشار خواهد کرد (شکل ۸). این باعث ایجاد جریان برگشتی می شود، یعنی حرکت پمپاژ روغن به داخل محفظه کوره خلاء.

شکل ۸ | پمپ پره دوار Duo Seal (تشخیص داده شده توسط Edwards Vacuum)

به منظور ایجاد خلاء بالاتر با استفاده از پمپ پره ای دوار، از طراحی پمپ دو مرحله ای استفاده می شود. پمپ دو مرحله ای از دو پمپ پره ای دوار به صورت سری استفاده می کند (شکل ۹). خروجی مرحله خلاء بالا به ورودی مرحله خلاء کم لوله می شود. از آنجایی که ورودی به مرحله خلاء کم به طور قابل توجهی کمتر از فشار اتمسفر است، این طراحی منجر به فشار کمتری در خروجی مرحله خلاء بالا می شود، برخلاف طرح تک مرحله ای که فشار اتمسفر را در خروجی تجربه می کند. این امر باعث کاهش اختلاف فشار در سراسر Duo Seal و پره‌ها در مرحله خلاء بالا می‌شود و به آن اجازه می‌دهد با فشار ورودی بالاتر کار کند. پمپ پره‌ای دو مرحله‌ای می‌تواند فشار ورودی ۳ x 10-3 Torr (4 x 10-3 میلی‌بار) را به دست آورد. هیچ دریچه اگزوزی بین مراحل خلاء زیاد و خلاء کم وجود ندارد، اما در خروجی مرحله خلاء کم یکی وجود دارد.