در مقاله مفهوم خلأ با مفهوم خلأ و برخی از مفاهیم مرتبط با آن از جمله محدوده‌های خلأ آشنا شدیم. در این مقاله به بررسی ویژگی‌های هریک از محدوده‌های خلأ خواهیم پرداخت. بدین منظور لازم است تا ابتدا برخی دیگر از مفاهیم مرتبط با خلأ را معرفی نماییم.

چگالی مولکولی(Molecular Density): متوسط تعداد مولکولها در واحد حجم

پویش آزاد میانگین(Mean Free Path): متوسط فاصله‌ای که مولکول گاز بین دو برخورد متوالی طی می‌کند.

 زمان تشکیل لایه گازی(Time to form monolayer): مدت زمان تشکیل یک لایه از مولکولهای گاز بر روی یک سطح

در تصویر زیر مقادیر چگالی مولکولی(n)، پویش آزاد میانگین(λ) و زمان تشکیل لایه گازی(τ) را برای فشارهای مختلف هوا و در دمای 25 درجه سانتیگراد ملاحظه می‌کنید.

شکل 1- چگالی مولکولی(n)، پویش آزاد میانگین(λ) و زمان تشکیل لایه گازی(τ) در فشارهای مختلف برای هوا و در دمای 25 درجه سانتیگراد

دسته بندی خلأ

خلأ را براساس تعداد ذرات در واحد حجم و بالطبع آن براساس محدوده فشار دسته بندی می ‌کنند که شامل خلأ پایین(Rough, Low)(atm to 1 mbar)، خلأ متوسط(Medium)(1 – 10^-3 mbar)، خلأ بالا(High)  (10^-3 – 10^-7 mbar) و خلأ خیلی بالا(Ultra-High)  ( <10^-7 mbar) می‌باشد. در شکل زیر محدوده‌های خلأ براساس فشار، چگالی مولکولی و پویش آزاد میانگین مشخص شده‌اند.

شکل 2- محدوده های مختلف خلأ براساس چگالی مولکولی

محدوده‌های مختلف خلأ دارای خواص و ویژگی‌های متفاوتی هستند. این تفاوت‌ها به گونه‌ای است که خواص فیزیکی و خواص شیمیایی متفاوتی بین محدوده‌های خلأ وجود دارد و ازینرو کاربرد هر محدوده متفاوت است. علاوه برآن، محاسبات مربوط به سرعت تخلیه و زمان رسیدن به خلأ نهایی نیز در محدوده‌های خلأ یکسان نمی‌باشد. پمپ‌های خلأ و حتی فشارسنج‌های خلأ نیز برای هر محدوده خلأ قابل استفاده نیستند.

از مهمترین تفاوتها در محدوده‌های مختلف خلأ مربوط به انواع شارش گاز(Gas Flow) است. شارش گاز انواع مختلفی دارد که شامل شارش ویسکوز(Viscous Flow)، شارش مولکولی(Molecular Flow) و شارش گذرا(Transient Flow) است.

شارش ویسکوز معمولا در محدوده خلأ پایین وجود دارد. در این شارش سیال بصورت یکپارچه (Continuum) درنظر گرفته شده و نیروی ویسکوزیتی در آن غالب است. اگر جریان در یک لوله را درنظر بگیریم، درصورتی که میزان پویش آزاد میانگین از دهانه لوله بسیار کمتر باشد، آن جریان ویسکوز تلقی می‌شود (λ << d). در یک جریان ویسکوز، اختلاف فشار بین دو نقطه سبب شارش گاز شده و هرچه اختلاف فشار بیشتر باشد میزان شارش بیشتر است (تا نهایتا به سرعت صوت برسد).

در شارش مولکولی با توجه به زیاد بودن پویش آزاد میانگین، فعل و انفعالات بین مولکولی دربرابر برخورد مولکول‌ها با دیواره‌ها بسیار ناچیز است. این نوع شارش در خلأ بالا و خلأ خیلی بالا دیده ‌شود. (λ > d)

در شارش گذرا پویش آزاد میانگین در محدوده ابعاد دهانه لوله است.

در ادامه بطور خلاصه مهمترین ویژگی‌های محدوده‌های خلأ را بیان می‌کنیم.

ویژگی‌های خلأ متوسط و پایین:

شار گاز در حالت ویسکوز می‌باشد و کلیه ویژگی‌های آنرا دارا است.

تخلیه گاز بصورت حجمی انجام می‌گیرد. درواقع عمده گاز در داخل حجم ظرف قرار داشته و زمان تخلیه براساس سرعت تخلیه پمپ و حجم محفظه محاسبه می‌شود.

سرعت تخلیه برای گازهای مختلف یکسان می‌باشد.

میزان هدایت گرمایی گاز و اصطکاک گاز وابسته به فشار گاز است(ازین رو میتوان از فشارسنج‌های برپایه هدایت گرمایی استفاده نمود).

ترکیب گازهای اولیه با ترکیب گازهای نهایی در محدوده شارش ویسکوز یکسان باقی می‌ماند.

از جمله کاربردهای خلأ که در محدوده شارش ویسکوز انجام میگیرد عبارتند از فیلتراسیون، شکل‌دهی مواد پلاستیکی، جاروبرقی‌ها، انواع مکنده‌های خلأ، انواع سیستم‌های حمل بار با استفاده از خلأ، بسته‌بندی مواد غذایی و دارویی، خشک سازی انجمادی و تبخیر رطوبت و حذف برخی گازها.

برخی از پمپ‌ها که در محدوده شارش ویسکوز قابل استفاده هستند عبارتند از: پمپ‌های پیستونی، جت آبی، رینگ آبی، روتاری روغنی، اسکرو، اسکرول، دیافراگمی و روتس.

ویژگی‌های خلأ بالا و خیلی بالا

شارش گاز در این محدوده‌های خلأ بصورت مولکولی می‌باشد و دارای خواص این نوع شارش است. در این شارش، ذرات بصورت تصادفی با یکدیگر برخورد کرده و شارش بصورت پیوسته وجود ندارد.

در این محدوده‌های خلأ عمده مولکولها از سطوح ساتع می‌شوند. این مولکولها ممکن است از سطوح تبخیر شده(Outgassing) و یا پیش از این در سطوح نفوذ کرده و سپس از آنها خارج می‌شود(Diffusion) و یا از سطوح عبور کنند(Permeation). (شکل 3)

شکل 3- خروج گاز از سطوح به روش‌های مختلف در خلأ بالا و خیلی بالا

با توجه به شارش مولکولی در این محدوده از خلأ، تخلیه بصورت سطحی بوده و زمان تخلیه براساس میزان سطوح سنجیده می‌شود. علاوه برآن خواص سطوح، جنس مواد بکار رفته، سرعت تخلیه پمپ‌ها و تمیزی بر زمان تخلیه موثر است.

با توجه به شارش مولکولی در این محدوده، ذرات بداخل پمپ‌ها مکیده نمی‌شوند(دراثر اختلاف فشار مانند شارش ویسکوز) بلکه بصورت تصادفی وارد پمپ‌ها شده و در آنها به دام می‌افتند. به همین دلیل سایز دهانه ورودی و محل آن دارای اهمیت زیادی است. بطور کلی ابعاد مسیر در محدوده‌های خلأ بالا و خیلی بالا دارای اهمیت دوچندان است.(جهت آشنایی بیشتر با مسیربندی در خلأ می‌توانید مقاله نکات مهم در مسیربندی سیستم‌های خلأ را مطالعه نمایید)

سرعت تخلیه برای گازهای مختلف در این محدوده خلأ متفاوت است. در هر پمپ خلأ، بسته به ساختار و روش عملکرد آن، سرعت تخلیه گازهای مختلف متفاوت است. مثلا پمپ دیفیوژن دارای سرعت تخلیه بالاتری برای هیدروژن و هلیوم و سرعت تخلیه پایین‌تری برای گازهای سنگین‌تر است. اما پمپ توربومولکیولار برعکس بوده و سرعت تخلیه گازهای سبک در آن پایین‌تر از گازهای سنگین‌تر است.

ترکیبات گاز باقیمانده در محفظه در محدوده‌های خلأ بالا و خیلی بالا متفاوت از ترکیب هوا در فشار اتمسفری است.(شکل 4)

شکل 4 – ترکیبات گاز باقیمانده در محفظه در محدوده‌های خلأ بالا و خیلی بالا

در جدول زیر نیز مهمترین عناصر گاز در محدوده خلأهای بالا و خیلی بالا نشان داده شده است.

جدول 1- عناصر غالب گاز باقیمانده در محفظه در محدوده خلأ بالا و خیلی بالا

میزان هدایت گرمایی گاز وابسته به فشار گاز نیست.

با توجه به ناچیز بودن میزان هدایت گرمایی در محدوده خلأ بالا و خیلی بالا، در سیستم‌های عایق‌سازی حرارتی Super Insulation و Multi-layer Insulation  و همچنین درجداره عایق فلاسک‌ها نیز از این محدوده خلأ استفاده می‌شود.

در بسیاری از کاربردها مانند انواع سیستم‌های لایه نشانی و شتابدهنده‌ها که پویش آزاد میانگین طولانی مورد نیاز است، محدوده خلأ بالا و خیلی بالا کاربرد دارد.

در شبیه‌سازهای محیط فضا و باتوجه به خلأ بالا و خیلی بالا در محیط فضا، لازم است تا چنین محدوده‌های خلأیی برای این سیستم‌ها فراهم شوند.

تفاوت مهم بین محدوده خلأ بالا با محدوده خلأ خیلی بالا در زمان تشکیل یک لایه گاز بر روی سطوح است. در خلأ خیلی بالا این زمان آنقدر بزرگ است که بتوان بر روی سطوح پیش از تشکیل یک لایه گاز اندازه‌گیری‌های مختلف انجام داد.

پمپ‌های مورد استفاده در خلأ بالا شامل پمپ‌های دیفیوژن و توربو و برای خلأ خیلی بالا، توربو، کرایو، یونی و تصعیدی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

برای رسیدن به خلأهای بالا تمیزی دارای اهمیت بسیار زیادی است.

استفاده از ارینگ‌ها و گسکت‌های لاستیکی برای محدوده خلأ خیلی بالا مناسب نیست(بخاطر عبور گاز هلیوم از آنها) و تنها از گسکت‌های فلزی استفاده می‌شوند.

معمولا سیستم‌های خلأ خیلی بالا پیشگرم می‌شوند تا فرایند تبخیر سطحی گازها بهتر انجام گیرد.

شرکت پایاصنعت خلأ آماده ارائه مشاوره در زمینه تکنولوژی خلأ است. همچنین این شرکت ارائه دهنده خدمات سرویس، تعمیر و نگهداری به انواع دستگاه‌های خلأ می‌باشد.