از اولین پمپ‌های ساخته شده بمنظور دستیابی به خلأ‌های بالا، پمپ دیفیوژن است. پمپ دیفیوژن اولین بار در سال 1915 توسط W.Gaede معرفی شد. این پمپ با جیوه کار می‌کرد. در 1936 اولین پمپ دیفیوژن روغنی توسط Hickman ساخته شد.

پمپ دیفیوژن از انواع پمپ‌هایی است که در آن یک سیال، سیال دیگری را جاروب می‌کند(Fluid Entrainment). پمپ‌های مانند ایجکتورهای بخار و روغن نیز از این دسته پمپ‌ها می‌باشند.

پمپ‌های دیفیوژن یکی از پرکاربردترین پمپ‌های خلأ بالا می‌باشد که در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار این پمپ ساده، قیمت آن مناسب و دوام و کارآیی بالایی دارد.

در پمپ دیفیوژن(مطابق شکل 1) ابتدا یک جت سیال با سرعت بالا تشکیل می‌شود. ذرات با برخورد به این جت، به سمت خروجی پمپ دیفیوژن پرتاب می‌شوند. بمنظور تشکیل جت، یک سیال با فشار بخار بالا(معمولا روغن‎‌های ارگانیک) در بویلر (توسط هیتر) حرارت داده می‌شود تا به دمای جوش برسد. سپس بخار روغن با عبور از جت‌های مخصوص سرعت گرفته و پس از طی مسیر و برخورد با ذرات گاز به دیواره آبگرد برخورد کرده و دوباره به مایع تبدیل شده و به درون بویلر باز می‌گردد. این فرآیند دایما تکرار شده و ذرات گاز به سمت خروجی پرتاب می‌شوند تا توسط پمپ پشتیبان تخلیه شوند.

شکل 1- نحوه عملکرد پمپ دیفیوژن

 پمپ‌های دیفیوژن برای کارایی بهتر دارای چندین مرحله جت هستند. جت اول(بالاتر) دارای بیشترین سرعت تخلیه است. جت‌های بعدی دارای سرعت تخلیه کمتری بوده و در فشار بالاتری کار می‌کنند. (شکل 2) درواقع ذرات گاز با عبور ازهر مرحله جت، فشار آن افزایش می‌یابد تا به فشار مناسب جهت تخلیه توسط پمپ پشتیبان برسد. در مجموع در هر مرحله، میزان دبی حجمی(throughput) ثابت باقی می‌ماند.

شکل 2- فشار در بخش‌های مختلف پمپ دیفیوژن

پمپ‌های دیفیوژن نمی‌توانند در فشار بالا کار کنند زیرا براثر برخورد زیاد با مولکول‌های هوا شکل جت سیال بهم خورده و سرعت تخلیه به شدت کاهش می‌یابد(علاوه براینکه باعث میشود بخارات روغن به داخل محفظه نفوذ کند و یا روغن اکسید شود). پمپ ‌های دیفیوژن در فشار بالاتر از 10^-1 mbar سرعت تخلیه نزدیک به صفر دارند ولی در فشارهای کمتر از 10^-3 mbar حداکثر سرعت تخلیه را داشته و این سرعت با کاهش فشار ثابت می‌ماند. سرعت تخلیه گازهای مختلف در پمپ دیفیوژن متفاوت می‌باشد. این پمپ دارای سرعت تخلیه بالاتری برای گازهای سبکتر می‌باشد(مانند هیدروژن و هلیوم). در شکل 3 سرعت تخلیه پمپ دیفیوژن برای گازهای مختلف نشان داده شده است.

شکل 3- سرعت تخلیه پمپ دیفیوژن برای گازهای مختلف

سیستم گرمایی پمپ دیفیوژن

سیستم گرمایش دیفیوژن‌ها شامل یک هیتر عمدتا الکتریکی و یک بویلر است. هیتر دمای موردنیاز برای تبخیر روغن را فراهم می‌کند. روغن داخل بویلر قرار دارد. طراحی بویلر در دیفیوژنها اهمیت زیادی دارد. در دیفیوژن‌های با کیفیت،  بویلرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که روغن در چند مرحله گرم شده و  پیش از بخار شدن و حرکت بسوی جت‌ها، گازهای حل شده و سایر مواد داخل خود را آزاد می‌کند. برروی بدنه دیفیوژن‌ها معمولا یک سوئیچ حرارتی نصب می‌شود تا از بالا رفتن بیش از حد دمای بویلر جلوگیری شود.

شکل 4- سیستم گرمایی پمپ دیفیوژن

سیستم خنک کننده پمپ دیفیوژن

دیفیوژنها معمولا آبگرد هستند اما در نمونه‌های کوچک، انواع هواخنک آن نیز موجود می‌باشد(شکل 5). سیستم خنک کننده پمپ دیفیوژن به اندازه سیستم گرمایش آن دارای اهمیت است. اگر نرخ سرمایش کافی نباشد، جت سیال پس از برخورد با دیواره به اندازه کافی سرد نشده و چگالش بطور کامل انجام نمی‌گیرد. درصورتی که نرخ سرمایش نیز بیش از حد باشد، سیال پس از برخورد با جداره بیش از حد سرد شده و زمان زیادتری برای تبخیر دوباره آن لازم می‌شود.

شکل 5- پمپ دیفیوژن هواخنک

مشخصات سیستم سرمایش مورد نیاز پمپ‌های دیفیوژن در دفترچه فنی آنها موجود می‌باشد.

پمپ پشتیبان

پمپ پشتیبان(Backing pump) وظیفه تخلیه گاز پمپ شده توسط دیفیوژن و تامین فشار مورد نیاز در خروجی را دارد. به همین دلیل پمپ پشتیبان باید سرعت تخلیه و فشار نهایی مناسب را داشته باشد. معمولا یک فشار بحرانی برای فشار پشتیبان تعریف می‌شود که در دفترچه راهنما پمپ دیفیوژن مشخص شده است. فشار خروجی دیفیوژن هیچگاه نباید از فشار بحرانی بیشتر باشد.

امروزه معمولا از پمپ‌های روتاری پره‌ای و یا پیستونی به عنوان پمپ پشتیبان دیفیوژن استفاده می‌شود. در برخی کاربردها نیز از ترکیب روتاری-روتس به عنوان پمپ پشتیبان استفاده می‌شود.

جهت آشنایی با نحوه انتخاب پمپ پشتیبان مناسب می توانید این مقاله را مطالعه نمایید.

سیال پمپ دیفیوژن

در پمپ‌های دیفیوژن معمولا از روغن های ارگانیک استفاده می‌کنند. البته در برخی نمونه‌های قدیمی از جیوه نیز استفاده می‌شده است که این پمپ‌ها دارای بدنه شیشه‌ای بودند.(شکل 6)

شکل 6- پمپ دیفیوژن شیشه‌ای

مهمترین ویژگی‌های روغن دیفیوژن عبارتند از:

توانایی رسیدن به فشار پایین

• پایین بودن فشار بخار
• پایین بودن گاز حل شده در آن

امکان پمپاژ موثر

• وزن مولکولی زیاد
• ویسکوزیتی مناسب
• کشش سطحی بالا
• دمای ویژه بخار پایین
• قیمت پایین

پایداری دمایی مناسب

• نقطه اشتعال بالا
• مقاوم به اکسید شدن در مجاورت هوا
• تجزیه ناپذیری در شرایط خلأ
• تجزیه ناپذیری در مجاورت کاتالیست‌ها(مانند مس)
• تجزیه ناپذیری دراثر تخلیه الکتریکی یا فیلامان داغ

عدم واکنش‌پذیری شیمیایی

• عدم واکنش‌پذیری شیمیایی
• غیرسمی بودن

همه سیالات دیفیوژن دارای کلیه خواص مورد نظر نیستند و به همین دلیل بایستی براساس نیاز آنها را انتخاب کرد. در هنگام انتخاب مشخصات کامل را در دفترچه آن مطالعه کنید. در شکل زیر مشخصات برخی از روغن‌های متداول دیفیوژن را ملاحظه می‌کنید. همچنین جهت آشنایی بیشتر با روغن های دیفیوژن می توانید مقاله روغن های خلا را در همین سایت مطالعه نمایید.

شکل 7- مشخصات انواع روغن‌های دیفیوژن موجود در بازار

برگشت روغن به محفظه خلأ و استفاده از تله‌های سرد:

یکی از مهمترین نقاط ضعف پمپ‌های دیفیوژن بازگشت روغن به محیط خلأ است. این روغن یا دراثر حرکت مولکول‌های روغن جدا شده از جت هاست(back-streaming) و یا حاصل تبخیر دوباره روغن پس از برخورد به دیواره‌ها است(back-migration). استفاده از تله‌های سرد(cold-trap، Baffle) (شکل 8) در دهانه ورودی پمپ در کنار طراحی درست جتها، فشار محفظه و فشار پشتیبان کافی و همچنین خنکاری مناسب می‌تواند برگشت روغن را به مقدار زیادی کاهش دهد.

شکل 8- تله سرد مخصوص ورودی پمپ دیفیوژن

تله‌های سرد به گونه‌ای طراحی شده‌اند که با قرارگیری در بالای دهانه ورودی پمپ دیفیوژن، بخارات روغن حتما با صفحات سرد آن برخورد کند. تله‌های سرد معمولا آبگرد و یا حاوی نیتروژن مایع هستند. تله‌های آبگرد قادرند تا 10 برابر فشار را کاهش ‌دهند اگرچه این تله ها ممکن است سبب کاهش سرعت تخلیه شوند.(با استفاده از انتخاب تله سرد مناسب این کاهش سرعت را می توان به حداقل رسانید) در شکل زیر تاثیر تله سرد بر فشار نهایی پمپ دیفیوژن مشاهده می‌شود.

شکل 9- تاثیر تله سرد بر فشار نهایی پمپ دیفیوژن

نحوه اتصال پمپ دیفیوژن به محفظه خلأ

پمپ‌های دیفیوژن امکان کارکرد در فشار اتمسفر را ندارند و باید فشار ورودی آنها به کمتر از ^2-10 ×5 میلی بار برسد.   بدین منظور لازم است تا ابتدا فشار مخزن با استفاده از یک پمپ به فشار مناسب جهت کارکرد پمپ دیفیوژن برسد. این پمپ، معمولا یک پمپ روتاری روغنی و یا ترکیبی از روتاری روغنی و روتس است.

شکل 10- اتصال پمپ دیفیوژن با پمپ پشتیبان روتاری- روتس

در بسیاری از سیستم‌های خلأ، از پمپ‌های فوق جهت پمپ پشتیبان دیفیوژن نیز استفاده می‌شود. در این سیستم‌ها با استفاده از شیرهای جدا کننده ابتدا فشار محفظه را تا فشار مناسب پایین آورده و سپس مسیر خروجی پمپ دیفیوژن را تخلیه می‌کند.

شکل 11- نحوه اتصال پمپ دیفیوژن به سیستم خلأ

مزایا پمپ دیفیوژن

• تنوع در سایز: پمپ‌های دیفیوژن در سایزها و سرعت‌های تخلیه مختلفی وجود دارند. از سرعت تخلیه 10 لیتر بر ثانیه تا 100000 لیتر برثانیه.(از دهانه ورودی 1 اینچ تا 48 اینچ).
• فشار نهایی پایین: فشار نهایی پمپ دیفیوژن معمولا با توجه به فشار بخار نهایی سیال آن تعیین می‌شود. البته با قرار دادن انواع تله‌های سرد می‌توان آنرا افزایش داد.  با استفاده از پمپ‌های با کیفیت و تله‌های سرد مناسب می‌توان به فشار پایین‌تر از ^7- 10 میلی بار دست یافت.
• طول عمر بالا: پمپ‌ دیفیوژن دارای بخش مکانیکی نیست و به همین دلیل هنگام کارکرد هیچ لرزشی ندارد. علاوه برآن، بخاطر نبود سیستم حرکتی، دارای طول عمر بسیار بالایی هستند.
• هزینه پایین: هزینه پمپ دیفیوژن در مقایسه با سایر پمپ‌های خلأ بالا، بسیار پایین‌تر است.
• سرویس، تعمیر و نگهداری ساده:  به خاطر نبود اجزاء مکانیکی پیچیده و ساختار ساده، تعمیر و نگهداری این پمپ‌ها کم هزینه و نسبتا ساده است.
• سرعت تخلیه بالا: این پمپ‌ها دارای سرعت تخلیه بالا مخصوصا برای گازهای سبک هستند.

معایب پمپ دیفیوژن

• آلودگی روغن: در پمپ‌های دیفیوژن همواره مقداری از بخارات روغن به داخل محفظه نفوذ می‌کند.
• پیچیدگی سیستم خلأ با پمپ دیفیوژن: در سیستم‌هایی که از پمپ دیفیوژن استفاده می‌شود، همانگونه که توضیح داده شد، نیاز به استفاده از چندین شیر، فشارسنج و پمپ خلأ می‌باشد. این مسیربندی‌ها باعث پیچیدگی استفاده پمپ خلأ است.
• عدم امکان نصب در هر جهت
• نیاز به سیستم آبگرد با دمای کنترل شده
• نیاز به محافظت در برابر دما
• حساس به محیط‌های فعال: احتمال واکنش روغن در محیط‌های فعال
• زمان راه‌اندازی و از کاراندازی بالا: زمان مورد نیاز برای گرم شدن(warm-up) روغن در هنگام روشن کردن و همچنین سرد شدن(cool-down) آن در هنگام خاموش کردن آن

نکات مهم در استفاده از پمپ‌های دیفیوژن

•  مطالعه کامل راهنمای پمپ
• استفاده از پمپ‌های دیفیوژن با کیفیت
• رعایت کلیه نکات مربوط به مسیربندی سیستم‌های خلأ جهت دستیابی به حداکثر سرعت تخلیه(سایز دهانه‌های ورودی و خروجی، لوله‌کشی و شیرهای مناسب، استفاده از تله سرد با هدایت مناسب و …)
• انتخاب درست پمپ پشتیبان براساس نوع فرآیند، بدین منظور مراجعه به دفترچه پمپ بهترین گزینه می‌باشد.
• تهویه مطلوب محیط پمپ و حفظ ارتفاع مناسب پمپ از کف
• رعایت زمان گرم شدن و سرد شدن پمپ بمنظور عملکرد درست پمپ و عدم اکسید شدن آن
• جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای پمپ(استفاه از سوئیچ حرارتی)
• استفاده از روغن مناسب
• چک کردن منظم سطح و کیفیت روغن
• تمیز کردن کامل پمپ در هنگام تعویض روغن. بخصوص از بین بردن آثار سوختگی روغن
• حفظ جریان پیوسته آب (حتی دراثر قطع برق) و کنترل دمای آن
• عدم راه‌اندازی پمپ در فشار بالا بمنظور جلوگیری از نفوذ روغن به داخل محفظه و یا اکسیدشدگی آن
• سرویس پمپ دیفیوژن توسط افراد متخصص و با تجربه
• استفاده از سیستم‌های مراقبت و اینترلاک‌های مناسب جهت جلوگیری از اشتباهات فردی

شرکت پایا صنعت خلأ آماده سرویس و تعمیر انواع پمپ‌های دیفیوژن می‌باشد. این شرکت همچنین می‌تواند در زمینه ارائه مشاوره و آموزش درکاربری پمپ‌های دیفیوژن به شما یاری رساند. شما همچنین می‌توانید انواع روغن‌های دیفیوژن از برندهای معتبر را از ما تهیه کنید.