Vakuumpumpe

En vakuumpumpe er en anordning som fjerner gassmolekyler fra en lukket beholder, slik at man oppnår et delvis vakuum. En rekke ulike teknologier benyttes til dette formålet, som for eksempel fortrengningspumper, diffusjonspumper, ionepumper, turbomolekylære pumper, membranpumper og kryopumper. Den første vakuumpumpen ble oppfunnet i 1650 av Otto von Guericke, og ble innledet av sugepumpen, som dateres til antikken.^[1]

Forgjengeren til vakuumpumpen var sugepumpen. Dobbeltvirkende sugepumper ble funnet i byen Pompeii.^[2] Den arabiske ingeniøren Al-Jazari beskrev senere sugepumper med bobbeltvirkning som en del av vannhevingsmaskiner på 1200-tallet. Han sa også at en sugepumpe ble brukt i sifoner for å tømme gresk ild.^[3] Sugepumpen dukket senere opp i middelalderens Europa fra 1400-tallet.^[3][4][5]

På 1600-tallet hadde design av vannpumper forbedret seg til det punktet at de produserte målbare støvsugere, men dette ble ikke umiddelbart forstått. Det som var kjent var at sugepumper ikke kunne trekke vann utover en viss høyde: 18 florentinske yard ifølge en måling som ble tatt rundt 1635, eller omtrent 10 meter.^[6] Denne grensen var en bekymring i vanningsprosjekter, gruvedrenering og dekorative vannfontener planlagt av hertugen av Toscana, så hertugen ga Galileo Galilei i oppdrag å undersøke problemet. Galileo antyder feilaktig i sine to nye vitenskaper (1638) at kolonnen til en vannpumpe vil bryte av sin egen vekt når vannet er løftet til 34 fot, eller omtrent 10 meter.^[6] Andre forskere tok utfordringen, inkludert Gasparo Berti, som replikerte den ved å bygge det første vannbarometeret i Roma i 1639.^[7] Bertis barometer produserte et vakuum over vannsøylen, men han kunne ikke forklare det. Et gjennombrudd ble gjort av Galileos student Evangelista Torricelli i 1643. Bygget på Galileos notater, bygde han det første kvikksølvbarometeret og skrev et overbevisende argument for at rommet på toppen var et vakuum. Høyden på søylen ble da begrenset til den maksimale vekten som atmosfæretrykket kunne bære; dette er den begrensende høyden på en sugepumpe.^[8]

I 1650 oppfant Otto von Guericke den første vakuumpumpen.^[9] Fire år senere gjennomførte han sitt berømte Magdeburg-halvkuleeksperiment, og viste at team av hester ikke kunne skille to halvkuler som luften hadde blitt evakuert fra. Robert Boyle forbedret Guerickes design og gjennomførte eksperimenter på egenskapene til vakuum. Robert Hooke hjalp også Boyle med å produsere en luftpumpe som bidro til å produsere vakuumet.

Studiet av vakuum bortfalt deretter til 1855, da Heinrich Geissler oppfant kvikksølvforskyvningspumpen og oppnådde et rekordvakuum på ca. 10 Pa (0,1 Torr). En rekke elektriske egenskaper blir observerbare på dette vakuumnivået, og denne fornyede interessen for vakuum. Dette førte igjen til utviklingen av vakuumrøret. Sprengel-pumpen var en mye brukt vakuumprodusent av denne tiden.

Tidlig på 1900-tallet ble oppfinnelsen av mange typer vakuumpumpe, inkludert den molekylære luftpumpen, diffusjonspumpen og den turbomolekylære pumpen.

Vakumpumpene kan i stor grad kategoriseres i henhold til tre teknikker:^[10]

Positive fortrengningspumper bruker en mekanisme for gjentatte ganger å utvide et hulrom, la gasser strømme inn fra kammeret, forsegle hulrommet og tømme det ut til atmosfæren. Bevegelsesmoment-overføringspumper, også kalt molekylære pumper, bruker høyhastighetsstråler av tett væske eller høyhastighets roterende kniver for å banke gassmolekyler ut av kammeret. Inneslutningspumper fanger opp gasser i fast eller adsorbert tilstand. Dette inkluderer kryopumper, getters og ionepumper.

Pumper med positiv fortrengning er de mest effektive for støvsugere. Bevegelsesmoment overføringspumper i forbindelse med en eller to positive fortrengningspumper er den vanligste konfigurasjonen som brukes for å oppnå høye vakuum. I denne konfigurasjonen tjener den positive fortrengningspumpen to formål. Først oppnås et grovt vakuum i beholderen som evakueres før bevegelsesmoment-overføringspumpen kan brukes til å oppnå høyt vakuum, da bevegelsesmoment-overføringspumper ikke kan begynne å pumpe ved atmosfæriske trykk. For det andre sikrer pumpen med positiv fortrengning bevegelsesmoment-overføringspumpen ved å evakuere akkumuleringen av fortrengte molekyler i høyt vakuum til lavvakuum. Inneslutningspumper kan tilsettes for å nå ultrahøye vakuumer, men de krever periodisk regenerering av overflatene som fanger luftmolekyler eller ioner. På grunn av dette kravet kan deres tilgjengelige driftstid være uakseptabelt kort i lave og høye vakuumapparater, og dermed begrense bruken av dem til ultrahøye vakuum. Pumper skiller seg også i detaljer som produksjonstoleranser, tetningsmateriale, trykk, strømning, innføring eller unngå inntak av oljedamp, serviceintervaller, pålitelighet, toleranse mot støv, toleranse for kjemikalier, toleranse for væsker og vibrasjoner.

Et delvis vakuum kan genereres ved å øke volumet av en beholder. For å fortsette å evakuere et kammer på ubestemt tid uten å kreve uendelig vekst, kan et rom i vakuumet stenges gjentatte ganger, tømmes og utvides igjen. Dette er prinsippet bak en positiv fortrengningspumpe, for eksempel den manuelle vannpumpen. Inne i pumpen utvider en mekanisme et lite forseglet hulrom for å redusere trykket under atmosfæren. På grunn av trykkforskjellen skyves noe væske fra kammeret (eller brønnen, i vårt eksempel) inn i pumpens lille hulrom. Pumpens hulrom blir deretter forseglet fra kammeret, åpnet for atmosfæren og presset tilbake til en liten størrelse. Mer sofistikerte systemer brukes til de fleste industrielle applikasjoner, men det grunnleggende prinsippet for fjerning av syklisk volum er det samme:

• Roterende vingepumpe, den vanligste
• Membranpumpe, ingen oljeforurensning
• Væskering med høy motstand mot støv
• Stempelpumpe, svingende vakuum
• Scrollpumpe, tørrpumpe med høyeste hastighet
• Skruepumpe (10 Pa)
• Wankelpumpe
• Ekstern vingepumpe
• Roots blåser, også kalt en boosterpumpe, har høyeste pumpehastigheter, men lave kompresjonsforhold
• Flertrinns rotpumpe som kombinerer flere trinn som gir høy pumpehastighet og bedre kompresjonsforhold
• Toepler pumpe
• Lobepumpe

Basistrykket til et gummi- og plastforseglet stempelpumpesystem er vanligvis 1 til 50 kPa, mens en scrollepumoe kan nå 10 Pa (når den er ny) og en roterende vingeoljepumpe med et rent og tomt metallkammer kan lett oppnå 0,1 Pa. En vakuumpumpe med positiv fortrengning beveger det samme gassvolumet for hver syklus, slik at pumpehastigheten er konstant med mindre den blir overvunnet av tilbakestrømmingn.

I en bevegelsesmoment-overføringspumpe akselereres gassmolekyler fra vakuumsiden til eksosiden (som vanligvis opprettholdes ved et redusert trykk av en pumpe med positiv fortrengning). Bevegelsesmengde-overføringspumping er bare mulig under trykk på ca. 0,1 kPa. Materiale flyter annerledes ved forskjellige trykk basert på lovene i fluiddynamikk. Ved atmosfærisk trykk og svakere vakuum samhandler molekyler med hverandre og skyver på sine nabomolekyler i det som er kjent som tyktflytende strømning. Når avstanden mellom molekylene øker, interagerer molekylene med veggene i kammeret oftere enn med de andre molekylene, og molekylær pumping blir mer effektiv enn positiv fortrengningspumping. Dette regimet kalles generelt høyt vakuum.

Molekylære pumper feier ut et større område enn mekaniske pumper, og gjør det oftere, noe som gjør dem i stand til mye høyere pumpehastigheter. De gjør dette på bekostning av tetningen mellom vakuumet og eksosen. Siden det ikke er noen tetning, kan et lite trykk på eksosen lett føre til tilbakestrømmning gjennom pumpen. I høyt vakuum har imidlertid trykkgradienter liten effekt på fluidstrømmer, og molekylære pumper kan oppnå sitt fulle potensiale.

Som med positive fortrengningspumper, vil grunntrykket nås når lekkasje, utgassing og tilbakestrømmning er lik pumpehastigheten.

Regenerative pumper benytter fluidenes (luftens) virveloppførsel. Konstruksjonen er basert på et hybrid av sentrifugalpumpe og turbopumpe. Vanligvis består den av flere sett med vinkelrette tenner på rotoren som sirkulerer luftmolekyler inne i stasjonære hule spor som flertrinns sentrifugalpumpe. De kan nå 1 × 10⁻⁵ mbar (0,001 Pa) (når de kombineres med Holweck-pumpe) og eksoseres direkte til atmosfæretrykk. Eksempler på slike pumper er Edwards EPX^[11] og Pfeiffer OnTool ™ Booster 150.^[12] Det blir noen ganger referert til som sidekanalpumpe. På grunn av høy pumpehastighet fra atmosfære til høyt vakuum og mindre forurensning siden lager kan installeres på eksosiden, brukes denne typen pumper i lastelås i halvlederproduksjon.

Denne typen pumpe lider av høyt strømforbruk (~ 1 kW) sammenlignet med turbomolekylær pumpe (<100 W) ved lavt trykk, siden mest strøm forbrukes for å redusere atmosfæretrykket. Dette kan reduseres nesten 10 ganger ved å støtte med en liten pumpe.^[13]