ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊มรองรับสำหรับการเลือกปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์

ปั๊มสุญญากาศแบบ Roots เป็นปั๊มหมุนแบบแทนที่เชิงบวกที่ให้ความเร็วในการสูบสูงที่แรงดันทางเข้าต่ำ ทำให้เป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ในงานอุตสาหกรรมนับไม่ถ้วน ตั้งแต่กระบวนการทางเคมีและการผลิตยา ไปจนถึงโลหะวิทยา การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และการจำลองการบินในอวกาศ อย่างไรก็ตาม ต้องเข้าใจคุณลักษณะพื้นฐานประการหนึ่งของปั๊มสุญญากาศแบบ Roots ตั้งแต่เริ่มต้น นั่นคือ ปั๊มสุญญากาศแบบ Roots ไม่สามารถใช้งานเพียงลำพังได้

แตกต่างจากปั๊มที่สามารถปล่อยของเสียโดยตรงสู่บรรยากาศ ปั๊มสุญญากาศแบบ Roots มีอัตราส่วนการอัดที่จำกัดและไม่สามารถทำงานต้านแรงดันบรรยากาศได้ ต้องรวมกับปั๊มรอง (หรือที่เรียกว่าปั๊มหน้า หรือปั๊มหลัก) เพื่อสร้างหน่วยสุญญากาศที่สมบูรณ์ ปั๊มรองทำหน้าที่ลดแรงดันปล่อยของปั๊มสุญญากาศแบบ Roots ให้อยู่ในระดับที่สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ

การเลือกปั๊มรองรับที่ถูกต้องจึงเป็นหนึ่งในการตัดสินใจที่สำคัญที่สุดในการออกแบบระบบปั๊มสุญญากาศแบบรูท ความเร็วปั๊ม ชนิด และการกำหนดค่าของปั๊มรองรับจะกำหนดโดยตรงถึงสุญญากาศสูงสุด ความเร็วในการปั๊ม และความน่าเชื่อถือโดยรวมของชุดปั๊มสุญญากาศแบบรูททั้งหมด บทความนี้ให้คำแนะนำที่ครอบคลุมเกี่ยวกับหลักการและแนวปฏิบัติในการเลือกปั๊มรองรับสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูท ครอบคลุมการคำนวณอัตราส่วนการอัด การจับคู่ความเร็วปั๊ม ข้อกำหนดแรงดันสูงสุด การพิจารณาองค์ประกอบของก๊าซ และการแลกเปลี่ยนเวลาในการดูดอากาศเบื้องต้น

การทำความเข้าใจอัตราส่วนการอัด – พื้นฐานของการเลือกปั๊มรองรับ

อัตราส่วนการอัดคืออะไร

อัตราส่วนการอัดของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ถูกกำหนดเป็นอัตราส่วนระหว่างความดันทางออกของปั๊มต่อความดันทางเข้า เนื่องจากปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์มีอัตราส่วนการอัดที่จำกัด ปั๊มรองจึงต้องสามารถลดความดันของระบบให้อยู่ในระดับที่อยู่ในช่วงการทำงานของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์

อัตราส่วนการอัดสูงสุดของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์แปรผันอย่างมากตามความดันทางออก:

• ภายใต้ความดันทางออกสูง อัตราส่วนการอัดสูงสุดจะอยู่ที่ประมาณ 3:1 เท่านั้น

• ที่ความดันทางออกระหว่าง 1 ถึง 10 มิลลิบาร์ (1 มิลลิบาร์ = 0.75 ทอร์) อัตราส่วนการอัดสูงสุดสามารถถึง 50:1 หรือสูงกว่านั้น

การแปรผันนี้หมายความว่าการเลือกปั๊มรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ต้องขึ้นอยู่กับช่วงความดันทำงานระยะยาวของระบบ

ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนการอัดและความเร็วในการสูบ

อัตราส่วนการอัดของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์เป็นสัดส่วนผกผันกับอัตราส่วนความเร็วในการสูบระหว่างปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์และปั๊มรอง กล่าวคือ:

K = S_Roots / S_Backing

โดยที่:

• K = อัตราส่วนการอัด

• S_Roots = ความเร็วในการสูบของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์

• S_Backing = ความเร็วในการสูบของปั๊มสำรอง

ความสัมพันธ์พื้นฐานนี้เป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจวิธีการเลือกปั๊มสำรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ อัตราส่วนการอัดที่สูงขึ้นต้องใช้ปั๊มสำรองที่มีขนาดเล็กกว่าเมื่อเทียบกับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ ในขณะที่อัตราส่วนการอัดที่ต่ำกว่าต้องใช้ปั๊มสำรองที่มีขนาดใหญ่กว่า

ตัวอย่างเชิงปฏิบัติ – การคำนวณขนาดปั๊มสำรองที่ต้องการ

เพื่ออธิบายกระบวนการเลือก ให้พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ ซึ่งถูกอ้างอิงอย่างกว้างขวางในเอกสารทางอุตสาหกรรม:

ข้อกำหนดการใช้งาน: หน่วยปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ต้องให้ความเร็วในการสูบ 600 ลิตรต่อวินาทีที่ความดันทางเข้า 1 มิลลิบาร์ โดยทำงานต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน ควรเลือกปั๊มสำรองขนาดเท่าใด?

ขั้นตอนที่ 1 – กำหนดขนาดปั๊มสำรอง: เริ่มต้นด้วยการสมมติปั๊มสำรองที่มีความเร็วในการสูบ 30 ลิตรต่อวินาที

ขั้นตอนที่ 2 – คำนวณอัตราส่วนการอัด: K = 600 / 30 = 20

ขั้นตอนที่ 3 – กำหนดแรงดันจ่ายสูงสุด: จากเส้นโค้งอัตราส่วนการอัด (หรือข้อมูลประสิทธิภาพ) อัตราส่วนการอัด K = 20 สอดคล้องกับแรงดันจ่ายสูงสุดประมาณ 30 มิลลิบาร์

ขั้นตอนที่ 4 – กำหนดแรงดันทางเข้าที่อนุญาต: เมื่อใช้ปั๊มสำรองขนาด 30 ลิตร/วินาที ปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์สามารถทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่แรงดันทางเข้าต่ำกว่า 1.5 มิลลิบาร์

ขั้นตอนที่ 5 – เปรียบเทียบกับข้อกำหนด: สุญญากาศในการทำงานที่ต้องการคือ 1 มิลลิบาร์ ซึ่งต่ำกว่า 1.5 มิลลิบาร์ ดังนั้น ปั๊มสำรองขนาด 30 ลิตรต่อวินาทีจึงสามารถตอบสนองความต้องการในการสูบของระบบสุญญากาศนี้ได้

สรุป: หากความดันในการทำงานที่ต้องการสูงกว่า 1.5 มิลลิบาร์ จะต้องใช้ปั๊มสำรองที่มีขนาดใหญ่กว่า

หลักการทั่วไปสำหรับการกำหนดขนาดปั๊มสำรอง

กฎ 1/2 ถึง 1/4

เมื่อใช้ปั๊มสุญญากาศหยาบแบบลูกสูบหรือวงแหวนน้ำเป็นปั๊มสำรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ จะมีกฎทั่วไป: ความเร็วในการสูบของปั๊มสำรองควรเป็น 1/2 ถึง 1/4 ของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์

เหตุใดจึงเป็นช่วงนี้?

• หากปั๊มสำรองมีขนาดใหญ่เกินไป (เกิน 1/2 ของความเร็วของปั๊มสุญญากาศแบบรูท) อัตราส่วนการอัดจะสูงเกินไป ทำให้ปั๊มสุญญากาศแบบรูททำงานที่อุณหภูมิการปล่อยที่สูงเกินไป

• หากปั๊มสำรองมีขนาดเล็กเกินไป (น้อยกว่า 1/4 ของความเร็วของปั๊มสุญญากาศแบบรูท) ปั๊มสุญญากาศแบบรูทอาจไม่ถึงสุญญากาศสูงสุดที่ต้องการ หรืออาจเกิดการทำงานที่ไม่เสถียร

การไล่ระดับทั่วไป (อัตราส่วนความเร็วในการสูบ)

ในอุตสาหกรรมสุญญากาศ อัตราส่วนของความเร็วในการสูบระหว่างปั๊มสุญญากาศแบบรูทและปั๊มสำรองเรียกว่าการไล่ระดับ

• การไล่ระดับทั่วไปมีช่วงระหว่าง 1:2 ถึง 1:8

• ช่วงการเลือกทั่วไป: อัตราส่วนการอัดมักถูกเลือกระหว่าง 2 ถึง 10

• การใช้งานสุญญากาศต่ำ: สำหรับการทำงานในช่วงสุญญากาศต่ำ แนะนำให้ใช้อัตราส่วนการกระจัดที่เล็กกว่า (2:1 ถึง 4:1)

• การใช้งานสุญญากาศปานกลางหรือสูง: สำหรับการทำงานในช่วงสุญญากาศปานกลางหรือสูง ควรเลือกใช้อัตราส่วนการกระจัดที่ใหญ่กว่า (4:1 ถึง 10:1)

ข้อกำหนดแรงดันสูงสุด – การจับคู่ปั๊มรองรับกับระดับสุญญากาศ

สุญญากาศสูงสุดที่ต้องการของชุดปั๊ม Roots เป็นอีกปัจจัยสำคัญในการเลือกปั๊มรองรับ ปั๊มรองรับแต่ละประเภทสามารถบรรลุระดับสุญญากาศสูงสุดที่แตกต่างกัน:

ข้อกำหนดสุญญากาศสูง (1×10⁻³ Pa ถึง 1×10⁻² Pa)

เมื่อชุดปั๊ม Roots ต้องบรรลุแรงดันสูงสุดในช่วง 1×10⁻³ Pa ถึง 1×10⁻² Pa ควรเลือกปั๊มกลไกแบบโรตารีวานสองขั้นที่ปิดผนึกด้วยน้ำมัน หรือปั๊มกลไกแบบสไลด์วาล์วสองขั้นเป็นปั๊มรองรับ

ปั๊มเหล่านี้ให้ความสามารถสุญญากาศลึกที่จำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การเคลือบสุญญากาศ และระบบสุญญากาศสำหรับการวิจัย

ข้อกำหนดสุญญากาศปานกลาง (1×10⁻² Pa ถึง 1×10⁻¹ Pa)

สำหรับความต้องการแรงดันสูงสุดระหว่าง 1×10⁻² Pa ถึง 1×10⁻¹ Pa ปั๊มกลแบบปิดผนึกด้วยน้ำมันแบบขั้นตอนเดียวสามารถใช้เป็นปั๊มรองรับได้ การกำหนดค่านี้พบได้ทั่วไปในงานสุญญากาศทางอุตสาหกรรมทั่วไป เช่น การอบแห้งสุญญากาศ การชุบ และการบรรจุภัณฑ์

ข้อกำหนดสุญญากาศหยาบ (133 Pa ถึง 1,333 Pa)

เมื่อแรงดันสูงสุดที่ต้องการอยู่ในช่วง 133 ถึง 1,333 Pa สามารถใช้ปั๊มสุญญากาศแบบลูกสูบหรือปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนน้ำเป็นปั๊มรองรับได้

หมายเหตุสำคัญ: เมื่อใช้ปั๊มแบบวงแหวนน้ำหรือปั๊มแบบลูกสูบเป็นปั๊มรองรับสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูท ความเร็วของปั๊มรองรับต้องถูกจำกัดไว้ที่ 1/2 ถึง 1/4 ของความเร็วปั๊มสุญญากาศแบบรูท การเกินอัตราส่วนนี้จะทำให้อัตราส่วนการอัดใหญ่เกินไป ส่งผลให้อุณหภูมิการปล่อยสูงเกินไปและอาจทำให้ปั๊มสุญญากาศแบบรูทเสียหายได้

เวลาในการไล่อากาศเบื้องต้น – การสร้างสมดุลระหว่างความเร็วและประสิทธิภาพ

นอกเหนือจากการทำงานในสภาวะคงที่แล้ว ระยะเวลาที่ต้องใช้ในการดูดอากาศเบื้องต้น (roughing) เป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกปั๊มรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบ Roots

เมื่อปั๊มรองที่มีขนาดเล็กกว่าเพียงพอ

หากเวลาทำงานปกติของชุดปั๊มสุญญากาศแบบ Roots นานกว่าระยะเวลาการดูดอากาศเบื้องต้นมาก สามารถเลือกปั๊มรองที่มีขนาดเล็กกว่าได้ การดูดอากาศเบื้องต้นที่ช้ากว่านั้นเป็นที่ยอมรับได้ เนื่องจากเป็นเพียงส่วนเล็กน้อยของรอบการทำงานทั้งหมด

เมื่อต้องใช้ปั๊มรองที่มีขนาดใหญ่กว่า

หากห้องสุญญากาศมีขนาดใหญ่ หรือกระบวนการต้องการการดูดอากาศเบื้องต้นที่รวดเร็วมาก ต้องใช้ปั๊มรองที่มีขนาดใหญ่กว่า ความเร็วในการสูบที่สูงขึ้นในช่วงการดูดอากาศเบื้องต้นจะช่วยลดเวลาที่ต้องใช้ในการไปถึงความดันเริ่มต้นของปั๊มสุญญากาศแบบ Roots

กลยุทธ์การใช้ปั๊มสองตัวเพื่อประหยัดพลังงาน

บางครั้ง เพื่อใช้ประโยชน์จากประสิทธิภาพของชุดปั๊มสุญญากาศแบบ Roots ได้ดีขึ้น ระบบจะติดตั้งปั๊มรองสองตัว:

1. ปั๊มดูดอากาศเบื้องต้นขนาดใหญ่ที่ใช้เฉพาะในช่วงการดูดอากาศเบื้องต้นเท่านั้น

2. ปั๊มขนาดเล็กที่รักษาสุญญากาศระหว่างการทำงานปกติ

หลังจากระบบถึงระดับสุญญากาศปกติในการทำงาน ปั๊มขนาดใหญ่จะถูกปิด และปั๊มขนาดเล็กจะทำงานต่อไปเพื่อรักษาสุญญากาศ กลยุทธ์นี้ช่วยประหยัดพลังงานในขณะที่ยังคงให้การดูดสุญญากาศอย่างรวดเร็วเมื่อจำเป็น

องค์ประกอบของก๊าซ – ก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและควบแน่นได้

องค์ประกอบของก๊าซที่ถูกปั๊มเป็นปัจจัยสำคัญในการเลือกปั๊มรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบ Roots

ก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน

หากก๊าซที่ถูกปั๊มมีสารกัดกร่อน ปั๊มกลที่ปิดผนึกด้วยน้ำมันไม่สามารถใช้เป็นปั๊มรองได้ ก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อนจะโจมตีชิ้นส่วนภายในของปั๊ม ทำให้คุณภาพของน้ำมันปิดผนึกลดลง และนำไปสู่ความล้มเหลวของปั๊มอย่างรวดเร็ว

ในกรณีเช่นนี้ ต้องพิจารณาเทคโนโลยีปั๊มรองทางเลือกอื่น:

• ปั๊มสุญญากาศวงแหวนน้ำ (ใช้ของเหลวปิดผนึกที่เข้ากันได้)

• ปั๊มสกรูแห้ง (ที่มีสารเคลือบป้องกันการกัดกร่อน)

• ปั๊มลูกสูบ (ที่มีวัสดุที่เหมาะสม)

ไอระเหยที่ควบแน่นได้

ปั๊มกลที่ปิดผนึกด้วยน้ำมันไม่เหมาะสำหรับการสูบแก๊สที่มีไอควบแน่นจำนวนมาก (เช่น ไอน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์) เมื่อไอควบแน่นเข้าสู่ปั๊มที่ปิดผนึกด้วยน้ำมัน มันจะควบแน่นและผสมกับน้ำมันปิดผนึก ทำให้เกิดการอิมัลซิฟิเคชันอย่างรวดเร็ว ซึ่งทำลายคุณสมบัติการหล่อลื่นของน้ำมัน

แนวทางแก้ไขรวมถึง:

• สำหรับไอควบแน่นจำนวนมาก: ใช้ปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนน้ำหรือปั๊มชนิดอื่นที่สามารถจัดการกับแก๊สเปียกได้

• สำหรับไอควบแน่นปริมาณน้อย: ใช้ปั๊มกลที่ปิดผนึกด้วยน้ำมันพร้อมอุปกรณ์ระบายแก๊ส (gas ballast) อุปกรณ์ระบายแก๊สจะนำอากาศเข้าไปในห้องอัด เพื่อป้องกันการควบแน่นโดยรักษาความดันย่อยของไอให้ต่ำกว่าจุดน้ำค้าง

ตัวเลือกวงแหวนน้ำ

สำหรับการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อนและไอระเหยที่ควบแน่นได้ ปั๊มสุญญากาศแบบวงแหวนของเหลวมักเป็นตัวเลือกปั๊มรองที่ต้องการสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ เมื่อปั๊มวงแหวนน้ำถูกจับคู่กับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ ของเหลวที่ใช้งานอาจเป็นน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์ (เช่น เมทานอล เอทานอล ไซลีน หรืออะซิโตน) ปั๊มวงแหวนของเหลวให้:

• ความทนทานต่อการพัดพาของเหลว

• ความสามารถในการจัดการก๊าซที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (ด้วยวัสดุที่เหมาะสม)

• ความต้านทานต่อปัญหาการควบแน่นของไอระเหย

การกำหนดค่าปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์หลายขั้น

สำหรับการใช้งานที่ต้องการความเร็วในการสูบสูงที่ความดันทางเข้าต่ำ (ในช่วง 1 ถึง 100 Pa) ปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์เดี่ยวกับปั๊มรองอาจไม่เพียงพอ

หน่วยสามและสี่ขั้น

เพื่อให้ได้ความเร็วในการสูบสูงที่ความดันทางเข้าต่ำ สามารถใช้ปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์เป็นปั๊มรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์อีกตัวหนึ่ง ทำให้เกิดหน่วยสามขั้นหรือสี่ขั้น

ในการกำหนดค่าหลายขั้นเหล่านี้:

• ปั๊มสุญญากาศแบบรูทตัวแรก (ที่อยู่ใกล้กับห้องสุญญากาศมากที่สุด) ให้ความเร็วในการสูบหลัก

• ปั๊มสุญญากาศแบบรูทตัวที่สองทำหน้าที่เป็นขั้นกลาง

• ปั๊มสุญญากาศแบบรูทตัวที่สาม (หรือปั๊มรองรับแบบทั่วไป) จัดการกับการระบายออก

อัตราส่วนความเร็วในการสูบในหน่วยหลายขั้นตอน

ในหน่วยปั๊มสุญญากาศแบบรูทหลายขั้นตอน อัตราส่วนความเร็วในการสูบระหว่างปั๊มสุญญากาศแบบรูทที่ต่อเนื่องกันโดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 2 ถึง 5

การลดความเร็วในการสูบแบบค่อยเป็นค่อยไปนี้สอดคล้องกับการไหลของก๊าซที่ลดลงเมื่อความดันลดลง (เนื่องจากมวลคงที่แต่ความหนาแน่นต่ำกว่า) ทำให้แต่ละขั้นตอนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพภายในช่วงการออกแบบ

ตารางสรุป – คู่มือการเลือกปั๊มรองรับสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูท

สรุป – แนวทางเชิงระบบในการเลือกปั๊มสำรอง

การเลือกปั๊มสำรองสำหรับปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ไม่ใช่การตัดสินใจแบบเดียวที่ใช้ได้กับทุกกรณี จำเป็นต้องวิเคราะห์ปัจจัยที่สัมพันธ์กันหลายประการอย่างรอบคอบ:

1. ข้อกำหนดอัตราส่วนการอัด – กำหนดโดยช่วงความดันทำงานของปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์ อัตราส่วนการอัดแปรผกผันกับอัตราส่วนความเร็วในการสูบระหว่างปั๊มสุญญากาศแบบรูทส์และปั๊มสำรอง

2. ข้อกำหนดแรงดันสูงสุด – กำหนดประเภทของปั๊มรองรับที่จำเป็น: ปั๊มซีลน้ำมันสองขั้นสำหรับสุญญากาศสูง, ปั๊มขั้นเดียวสำหรับสุญญากาศปานกลาง, และปั๊มวงแหวนน้ำหรือปั๊มลูกสูบสำหรับสุญญากาศหยาบ

3. เวลาในการไล่อากาศล่วงหน้า – ห้องขนาดใหญ่หรือรอบเวลาที่เร็วกว่าต้องใช้ปั๊มรองรับที่ใหญ่กว่า; ระยะเวลากระบวนการที่ยาวนานขึ้นช่วยให้ใช้ปั๊มขนาดเล็กลงได้

4. องค์ประกอบของก๊าซ – ก๊าซกัดกร่อนและไอระเหยที่ควบแน่นได้อาจตัดปั๊มกลไกซีลน้ำมันออกไป โดยเลือกใช้ปั๊มวงแหวนน้ำหรือปั๊มแห้งแทน

5. การกำหนดค่าหลายขั้น – สำหรับแรงดันทางเข้าที่ต่ำมาก สามารถเชื่อมต่อปั๊มสุญญากาศ Roots หลายตัวแบบอนุกรม โดยมีอัตราส่วนความเร็วระหว่าง 2 ถึง 5 ระหว่างขั้น

โดยปฏิบัติตามหลักการและตัวอย่างที่อธิบายในบทความนี้ วิศวกรและผู้จัดการโรงงานสามารถเลือกปั๊มรองรับที่ตรงกับลักษณะของปั๊มสุญญากาศ Roots และข้อกำหนดการใช้งานได้อย่างมั่นใจ เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพของระบบสุญญากาศที่เชื่อถือได้ มีประสิทธิภาพ และคุ้มค่า