مضخة الانتشار
تستخدم مضخات الانتشار تيارًا عالي السرعة من البخار لتوجيه جزيئات الغاز في عنق المضخة إلى أسفلها ثم إلى خارجها عبر منفذ العادم. كانت هذه المضخات أول نوع من مضخات التفريغ العالي التي تعمل في نظام التدفق الجزيئي الحر ، حيث يمكن فهم حركة جزيئات الغاز بشكل أفضل على أنها انتشار مقارنةً بديناميكيات الموائع التقليدية . اخترعها فولفغانغ غايدي عام 1915 ، وأطلق عليها اسم مضخة الانتشار لأن تصميمه استند إلى اكتشاف أن الغاز لا يمكنه الانتشار عكس تيار البخار، بل يُحمل معه إلى منفذ العادم. [ 1 ] يرى البعض أن مبدأ عملها يُوصف بدقة أكبر بمضخة نفاث الغاز ، نظرًا لأن الانتشار يلعب دورًا أيضًا في أنواع أخرى من مضخات التفريغ العالي. في الكتب الدراسية الحديثة، تُصنف مضخة الانتشار ضمن مضخات نقل الزخم .
تُستخدم مضخة الانتشار على نطاق واسع في التطبيقات الصناعية والبحثية. وتستخدم معظم مضخات الانتشار الحديثة زيت السيليكون أو إيثرات البوليفينيل كسائل تشغيل.
تاريخ
في أواخر القرن التاسع عشر، صُنعت معظم أجهزة التفريغ باستخدام مضخة سبرينجل ، التي تميزت بسهولة تشغيلها وقدرتها على تحقيق تفريغ جيد نسبيًا مع مرور الوقت. إلا أن سرعة ضخها كانت بطيئة جدًا مقارنةً بالمضخات اللاحقة، كما أن ضغط بخار الزئبق السائل حدّ من مستوى التفريغ النهائي.
بعد اختراعه للمضخة الجزيئية ، اخترع فولفغانغ غايدي مضخة الانتشار عام 1915، [ 2 ] واستخدم في البداية الزئبق العنصري كسائل تشغيل. بعد اختراعها، سارع ليبولد إلى تسويق تصميمها تجاريًا . [ 3 ] ثم قام إيرفينغ لانغمير [ 4 ] و دبليو كروفورد بتحسينها . وفي عام 1928، وصف سي آر بيرش إمكانية استخدام زيت السيليكون. [ 5 ]
مضخات انتشار الزيت
تُستخدم مضخة الانتشار الزيتي لتحقيق فراغ أعلى (ضغط أقل) مما يُمكن تحقيقه باستخدام مضخات الإزاحة الموجبة وحدها. على الرغم من أن استخدامها كان مرتبطًا بشكل أساسي بنطاق الفراغ العالي، وصولًا إلى 1 × 10⁻⁹ ملي بار (1 × 10⁻⁷ باسكال ) ، إلا أن مضخات الانتشار اليوم قادرة على إنتاج ضغوط تقارب 1 × 10⁻¹⁰ ملي بار (1 × 10⁻⁸ باسكال) عند استخدامها بشكل صحيح مع السوائل والملحقات الحديثة. من بين الميزات التي تجعل مضخة الانتشار جذابة للاستخدام في الفراغ العالي والفائق ، سرعة ضخها العالية لجميع الغازات وانخفاض تكلفتها لكل وحدة سرعة ضخ مقارنةً بأنواع المضخات الأخرى المستخدمة في نفس نطاق الفراغ. لا يُمكن لمضخات الانتشار تصريف الزيت مباشرةً إلى الغلاف الجوي، لذلك تُستخدم عادةً مضخة أمامية ميكانيكية للحفاظ على ضغط المخرج عند حوالي 0.1 ملي بار (10 باسكال) .
تعمل مضخة انتشار الزيت بزيت ذي ضغط بخاري منخفض . ويتولد تيار عالي السرعة عن طريق غلي الزيت وتوجيه البخار عبر مجموعة فوهات. تجدر الإشارة إلى أن الزيت يكون غازيًا عند دخوله الفوهات. داخل الفوهات، يتغير التدفق من انسيابي إلى فوق صوتي وجزيئي . غالبًا ما تُستخدم عدة فوهات متصلة على التوالي لتعزيز عملية الضخ. يُبرد السطح الخارجي لمضخة الانتشار إما بتدفق الهواء أو أنابيب المياه أو غلاف مملوء بالماء. عندما يصطدم تيار البخار بالغلاف الخارجي المبرد لمضخة الانتشار، يتكثف سائل التشغيل ويُستعاد ويُعاد توجيهه إلى المرجل. تستمر الغازات المضخوخة في التدفق إلى قاعدة المضخة بضغط متزايد، ثم تخرج عبر مخرج مضخة الانتشار، حيث تُضغط إلى الضغط الجوي بواسطة المضخة الميكانيكية الثانوية الأمامية وتُطرد.
على عكس المضخات التوربينية الجزيئية والمضخات المبردة ، لا تحتوي مضخات الانتشار على أجزاء متحركة، ولذلك فهي متينة وموثوقة للغاية. ويمكنها العمل ضمن نطاقات ضغط تتراوح من 1 × 10⁻¹⁰ إلى 1 × 10⁻² ملي بار (من 1 × 10⁻⁸ إلى 1 باسكال ) . وهي تعمل فقط عن طريق الحمل الحراري ، وبالتالي تتميز بكفاءة طاقة منخفضة للغاية.
من أبرز عيوب مضخات الانتشار ميلها إلى ارتداد الزيت إلى حجرة التفريغ. قد يُلوث هذا الزيت الأسطح داخل الحجرة، أو قد يُؤدي ملامسته للأسلاك الساخنة أو التفريغات الكهربائية إلى ترسبات كربونية أو سيليسية. وبسبب ارتداد الزيت، لا تُناسب مضخات انتشار الزيت الاستخدام مع الأجهزة التحليلية عالية الحساسية أو التطبيقات الأخرى التي تتطلب بيئة تفريغ فائقة النظافة، بينما قد تُناسب مضخات انتشار الزئبق حجرات التفريغ العالي جدًا المستخدمة في ترسيب المعادن. غالبًا ما تُستخدم مصائد باردة وحواجز لتقليل ارتداد الزيت ، على الرغم من أن ذلك يُؤدي إلى انخفاض طفيف في سرعة الضخ.
لا يجوز تعريض زيت مضخة الانتشار للهواء الجوي وهو ساخن. فإذا حدث ذلك، سيتأكسد الزيت ويجب استبداله. وفي حال نشوب حريق، قد يتسبب الدخان والرواسب في تلوث أجزاء أخرى من النظام.
أنواع الزيوت
زيوت السيليكون
أكثر زيوت السيليكون شيوعًا في مضخات الانتشار هي ثلاثي السيلوكسان ، التي تحتوي على المجموعة الكيميائية Si-O-Si-O-Si، المرتبطة بها مجموعات فينيل أو ميثيل مختلفة . وهي متوفرة في مزيجين يُعرفان باسم 702 و703، وكانا يُصنّعان سابقًا من قِبل شركة داو كورنينج . ويمكن تقسيم هذين المزيجين إلى زيوت 704 و705، والتي تتكون من متصاوغات رباعي فينيل رباعي ميثيل ثلاثي السيلوكسان وخماسي فينيل ثلاثي ميثيل ثلاثي السيلوكسان على التوالي. [ 6 ]
زيوت الهيدروكربون
تُصنع زيوت مضخات الانتشار الأقل تكلفة من الهيدروكربونات المُنقّاة بالتقطير المزدوج. وبالمقارنة مع السوائل الأخرى، تتميز هذه الزيوت بضغط بخاري أعلى، لذا يُقتصر استخدامها عادةً على ضغط 1 × 10⁻⁶ تور ( 1.3 × 10⁻⁴ باسكال) . كما أنها الأكثر عرضة للاحتراق أو الانفجار عند تعرضها للمؤكسدات.
لضخ المواد الكيميائية التفاعلية، يُستخدم عادةً زيت أساسه بولي فينيل إيثر . وتُعد هذه الزيوت الأكثر مقاومة للمواد الكيميائية والحرارة بين أنواع زيوت مضخات الانتشار.
قاذفات البخار
يُعدّ قاذف البخار نوعًا شائعًا من المضخات المستخدمة في التقطير الفراغي والتجفيف بالتجميد . حيث يقوم تيار من البخار بسحب البخار المراد إزالته من حجرة التفريغ. قد يحتوي قاذف البخار على مرحلة واحدة أو عدة مراحل، مع أو بدون مكثفات بين المراحل. وبينما يستخدم كل من قاذف البخار ومضخات الانتشار تيارات من البخار لسحب الغاز، إلا أنهما يعملان وفق مبادئ مختلفة تمامًا؛ إذ يعتمد قاذف البخار على التدفق اللزج والخلط لضخ الغاز، بينما تعتمد مضخات الانتشار على الانتشار الجزيئي. ويترتب على ذلك عدة نتائج. ففي مضخات الانتشار، قد يكون ضغط المدخل أقل بكثير من الضغط الساكن للتيار، بينما يكون الضغطان متقاربين في قاذف البخار. كما تتميز مضخات الانتشار بقدرتها على تحقيق نسب ضغط أعلى بكثير، ولا يمكنها تصريف الغاز مباشرة إلى الغلاف الجوي.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ أفيري، دي جي، وويتي، آر (1947). "مضخات الانتشار: مناقشة نقدية للنظريات القائمة" . وقائع الجمعية الفيزيائية 59 (6): 1016-1030 . رمز Bibcode : 1947PPS....59.1016A . doi : 10.1088/0959-5309/59/6/313 .
- ^ جيدي ، دبليو (1915). "Die Diffusion der Gase durch Quecksilberdampf bei niederen Drucken und die Diffusionsluftpumpe" . أنالين دير فيزيك . 46 (3): 357. بيب كود : 1915AnP...351..357G . دوى : 10.1002/andp.19153510304 .
- ↑ سيلا، أندريا (28 أبريل 2009). "مجموعة أدوات كلاسيكية: مضخة غايدي الانتشارية" . عالم الكيمياء . تم الاسترجاع في 3 أغسطس 2019 .
- ↑ لانغمير، إيرفينغ (1916). "مضخة التكثيف: شكل محسّن من مضخة التفريغ العالي" . مجلة جنرال إلكتريك . 19 : 1060-1071 .
- ↑ بورش، سي آر (1928). "الزيوت والشحوم والفراغات العالية" . مجلة نيتشر . 122 (3080): 729. Bibcode : 1928Natur.122..729B . doi : 10.1038/122729c0 . S2CID 4126707 . ملاحظة: لا يسمح المعرف الرقمي (DOI) وعنوان URL المقدمان هنا إلا بالوصول إلى الملخص، وليس إلى المقالة ككل.
- ↑ أوهانلون، جون ف. (2003). "سوائل المضخات". دليل المستخدم لتقنية الفراغ . هوبوكين، نيوجيرسي: جون وايلي وأولاده. الصفحات 229-246 . doi : 10.1002/0471467162.ch13 . ISBN 9780471467168.ملاحظة: لا يوجد محتوى نصي متاح على هذا الرابط الإلكتروني.
روابط خارجية
للمزيد من القراءة
- هابلانيان، إم إتش (1994) [1983]. مضخات الانتشار : الأداء والتشغيل . سلسلة دراسات الجمعية الأمريكية للفراغ ( الطبعة الثانية). نيويورك، نيويورك: الجمعية الأمريكية للفراغ. ISBN 1-56396-384-1.
- مضخات التفريغ