บทนำเบื้องต้นเกี่ยวกับปั๊มสุญญากาศและอุปกรณ์สุญญากาศ

1 การจัดจำแนกและแอปพลิเคชันของช่วงสุญญากาศ

สุญญากาศถูกจัดระดับตามขนาดความดัน โดยแต่ละขั้นตอนที่ความดันลดลงหนึ่งอันดับ (10 เท่า) จะสัมพันธ์กับความหนาแน่นของโมเลกุลก๊าซที่ลดลง และสภาพแวดล้อมทางกายภาพที่บริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ครอบคลุมการใช้งานทั้งหมด ตั้งแต่กระบวนการอุตสาหกรรมทั่วไป ไปจนถึงการวิจัยฟิสิกส์พื้นฐานขั้นสูง

• สุญญากาศหยาบ (10⁵ ถึง 10² พาสคาล) การใช้งาน: การจัดการวัสดุด้วยหัวดูดแบบอุตสาหกรรม การบรรจุอาหารแบบสุญญากาศ การขึ้นรูปวัสดุด้วยสุญญากาศ การกรองแบบสุญญากาศหยาบ และกระบวนการทั่วไปอื่นๆ สำหรับภาคพลเรือนและอุตสาหกรรมเบา
• สุญญากาศปานกลาง (10² ถึง 10⁻¹ พาสคาล) การใช้งาน: การอบอ่อนแบบสุญญากาศ การทำแห้งแช่แข็งแบบสุญญากาศของวัสดุ การกลั่นและแยกสารแบบสุญญากาศในอุตสาหกรรมเคมี การอัดสารเข้าสู่ชิ้นงานแบบสุญญากาศ
• สุญญากาศสูง (10⁻¹ ถึง 10⁻⁵ พาสคาล) การใช้งาน: การเคลือบด้วยการฉาดสลายแบบออปติคัลและแมกเนตรอน การสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน การหลอมโลหะแบบสุญญากาศ การผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์
• สุญญากาศระดับสูงพิเศษ (UHV, ＜ 10⁻⁵ พาสคาล) การประยุกต์ใช้งาน: การวิเคราะห์ทางกายภาพของพื้นผิว (SEM/XPS), ห้องเร่งอนุภาค, การจำลองสภาพแวดล้อมในอวกาศสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ, ห้องสุญญากาศสำหรับอุปกรณ์ฟิวชันนิวเคลียร์
• สุญญากาศระดับสูงมาก (XHV, ＜ 10⁻⁹ พาสคาล) การประยุกต์ใช้งาน: อุปกรณ์ตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง, การทดลองฟิสิกส์ขั้นพื้นฐานที่ทันสมัยที่สุด, การวิจัยวิทยาศาสตร์พื้นผิวที่มีความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ, การผลิตเครื่องมือที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ

2 โครงสร้างการจัดหมวดหมู่ทั่วไปของปั๊มสุญญากาศ

ในฐานะอุปกรณ์หลักสำหรับการสร้างสุญญากาศ ปั๊มสุญญากาศจัดหมวดหมู่ตามสามมิติ ได้แก่ หลักการทำงาน ช่วงความดันที่ใช้งาน และตัวกลางในการปิดผนึก/หล่อลื่น การเลือกรุ่นจำเป็นต้องประเมินอย่างรอบด้านทั้งด้านข้อกำหนดความสะอาด ระดับสุญญากาศเป้าหมาย อัตราการสูบสุญญากาศ และต้นทุนการผลิต

2.1 การจัดหมวดหมู่ตามหลักการทำงาน

• ปั๊มถ่ายโอนก๊าซ ก๊าซถูกส่งผ่านอย่างต่อเนื่องโดยการเคลื่อนที่เชิงกล ซึ่งเป็นหมวดหมู่ที่ได้รับการใช้งานอย่างแพร่หลายที่สุดในอุตสาหกรรม โดยแบ่งย่อยออกเป็นปั๊มแบบปริมาตรคงที่ (เช่น ปั๊มใบพัดหมุน ปั๊มแบบลูกสูบ) และปั๊มแบบถ่ายโอนโมเมนตัม (เช่น ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลาร์ ปั๊มเจ็ต)
• ปั๊มดักจับ โมเลกุลของก๊าซถูกตรึงไว้ด้วยกระบวนการดูดซับแบบไครโอเจนิกหรือปฏิกิริยาเคมี โดยไม่มีการระบายก๊าซอย่างต่อเนื่อง มักใช้งานในสภาพแวดล้อมสุญญากาศระดับสูงมาก (UHV) และสุญญากาศระดับสูงยิ่งกว่ามาก (XHV) ประเภททั่วไป ได้แก่ ปั๊มไครโอและปั๊มไอออนสปัตเตอร์

2.2 การจัดหมวดหมู่ตามช่วงความดันในการทำงาน

• ปั๊มขั้นต้น / ปั๊มลดความดันเบื้องต้น ระบายความดันบรรยากาศเพื่อสร้างสุญญากาศเบื้องต้น ทำหน้าที่เป็นหน่วยพื้นฐานของระบบสุญญากาศทั้งหมด
• ปั๊มหลัก สร้างสุญญากาศระดับสูง/สูงมากที่จำเป็นต่อกระบวนการทางเทคโนโลยี ทำหน้าที่เป็นแหล่งสุญญากาศหลักของอุปกรณ์
• ปั๊มบูสเตอร์ ติดตั้งแบบอนุกรมระหว่างปั๊มขั้นต้นกับปั๊มหลัก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสูบในช่วงสุญญากาศระดับกลาง โดยปั๊มรูทส์เป็นตัวแทนที่เด่นชัด

2.3 การจัดหมวดหมู่ตามวิธีการปิดผนึกและตัวกลางหล่อลื่น

• ปั๊มสุญญากาศแบบใช้น้ำมันปิดผนึก น้ำมันสุญญากาศทำหน้าที่ทั้งการปิดผนึกและการหล่อลื่น โดยมีอัตราการสูบสุญญากาศสูงและต้นทุนการจัดหาต่ำ ข้อเสียคือเกิดปรากฏการณ์การไหลย้อนกลับของไอระเหยน้ำมัน ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวแยกหมอกน้ำมัน จึงเหมาะสำหรับงานด้านโลหะวิทยา การแปรรูปทางกล และการใช้งานอื่นๆ ที่ไม่ต้องการความสะอาดสูงนัก
• ปั๊มสุญญากาศแบบแห้ง การปิดผนึกและการหล่อลื่นแบบไม่ใช้น้ำมันช่วยขจัดการปนเปื้อนจากไอระเหยน้ำมันได้อย่างสมบูรณ์ พร้อมลดความซับซ้อนในการบำรุงรักษาหลังการใช้งาน จึงเป็นตัวเลือกอันดับต้นๆ สำหรับกระบวนการที่ต้องการความสะอาดสูง เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การผลิตยา และการเคลือบแบบความแม่นยำสูง

3 ปั๊มสุญญากาศแบบปริมาตรคงที่ที่นิยมใช้ทั่วไป

3.1 ปั๊มสุญญากาศแบบโรตารีเวนแบบใช้น้ำมันปิดผนึก

3.1.1 หลักการทำงานและโครงสร้าง

ส่วนประกอบหลักประกอบด้วยสเตเตอร์ โรเตอร์แบบเยื้องศูนย์ และแผ่นกั้นแบบยืดหยุ่น น้ำมันสุญญากาศพิเศษบรรจุอยู่ภายในช่องปั๊ม เพื่อสร้างฟิล์มน้ำมันที่ใช้ปิดผนึกช่องว่างเชิงกลและให้การหล่อลื่น การหมุนจะทำให้แผ่นกั้นเคลื่อนที่แบบเหวี่ยงศูนย์กลาง ซึ่งทำให้เกิดรอบการทำงานแบบต่อเนื่อง ได้แก่ การดูด การอัด และการปล่อยออก ปั๊มแบบโรตารีแวน์สองขั้นตอนใช้การอัดแบบอนุกรมเพื่อให้ได้ค่าสุญญากาศปลายทางที่เหนือกว่าปั๊มแบบขั้นตอนเดียว วาล์วปรับสมดุลก๊าซ (Gas ballast valve): จะนำอากาศแห้งเข้าไปในห้องอัดเพื่อลดความดันบางส่วนของไอน้ำ จึงป้องกันไม่ให้ไอน้ำควบแน่นและปนเปื้อนน้ำมัน สำหรับกระบวนการที่มีไอน้ำเป็นส่วนประกอบ

3.1.2 ลักษณะประสิทธิภาพ

อัตราการสูบลมคงที่ในช่วงความดันกว้าง และค่อยๆ ลดลงเมื่อความดันขาเข้าลดต่ำลง ปั๊มแบบสองขั้นตอนสามารถให้ความดันสุญญากาศปลายทางได้ที่ 10⁻³ ถึง 10⁻⁴ พาสคาล จึงเป็นอุปกรณ์หลักสำหรับระบบสุญญากาศระดับหยาบและระดับปานกลาง รวมทั้งเป็นปั๊มนำหน้ามาตรฐานสำหรับระบบที่ต้องการสุญญากาศระดับสูง

3.1.3 การประยุกต์ใช้งานและเกณฑ์การเลือก

• การใช้งานทั่วไป: การสูบสุญญากาศเบื้องต้นสำหรับระบบสุญญากาศขั้นสูงทั้งหมด การเติมสารทำความเย็นลงในอุปกรณ์ทำความเย็น การแช่แข็งแบบสุญญากาศสำหรับอาหาร การบรรจุสุญญากาศของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ และกระบวนการเคลือบพื้นฐาน
• ตัวบ่งชี้ในการเลือก: ความเร็วในการสูบสุญญากาศที่มีประสิทธิภาพ (กำหนดระยะเวลาในการสร้างสุญญากาศ) ความดันสุญญากาศสุดท้าย การตั้งค่าลูกสูบแบบก๊าซบาลลาสต์ และชุดแยกหมอกน้ำมัน
• ข้อจำกัดในการใช้งาน: ต้องติดตั้งเครื่องดักความเย็นหรือตะแกรงโมเลกุลเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำมันไหลย้อนกลับเข้าสู่ระบบสำหรับกระบวนการที่ต้องการความสะอาดสูง ต้องติดตั้งตัวกรองเบื้องต้นสำหรับกระแสก๊าซที่มีฝุ่นละอองปนเปื้อน และห้ามสูบก๊าซที่กัดกร่อนหรือก๊าซที่ติดไฟหรือระเบิดได้โดยตรงโดยไม่มีหน่วยประมวลผลเบื้องต้น

3.2 ปั๊มรูทส์ (ปั๊มเสริมแรง)

3.2.1 หลักการทำงาน

โรเตอร์รูปเลขแปดคู่หนึ่งคู่ที่ตั้งอยู่ภายในช่องสุญญากาศของปั๊มหมุนไปพร้อมกันในทิศทางตรงข้ามโดยอาศัยเฟืองจับเวลาแบบแม่นยำ โดยไม่มีการสัมผัสกันโดยตรง ทำหน้าที่ถ่ายโอนก๊าซผ่านการเปลี่ยนแปลงปริมาตรอย่างเป็นจังหวะ ภายในตัวปั๊มไม่มีการอัดก๊าซเกิดขึ้นเลย ความต่างของแรงดันที่ปล่อยออกจะได้รับการจัดหาทั้งหมดจากปั๊มนำ (forepumps) เช่น ปั๊มใบพัดหมุน (rotary vane pumps) หรือปั๊มแบบแห้ง (dry pumps) ดังนั้น ปั๊มรูทส์จึงจำเป็นต้องทำงานแบบต่อเนื่องกับปั๊มนำเป็นชุดปั๊มเดียวกัน วาล์วบายพาสภายในจะลดแรงดันโดยอัตโนมัติเมื่อความต่างของแรงดันเกินค่าที่กำหนด เพื่อป้องกันไม่ให้โรเตอร์ร้อนจัดเกินไปและเกิดการติดขัด ปั๊มรูทส์แต่ละตัวมีอัตราส่วนการอัดที่สำคัญ (critical compression ratio) หากอัตราส่วนแรงดันจริงเกินค่าจำกัดนี้ จะเกิดปรากฏการณ์ก๊าซไหลย้อนกลับ

3.2.2 ลักษณะประสิทธิภาพการทำงาน

รักษาอัตราการสูบก๊าซที่สูงและคงที่ในช่วงสุญญากาศระดับกลาง (10³ ถึง 10⁻² พาสคาล) ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของการสูบสุญญากาศของระบบสุญญากาศแบบผสมอย่างมีน้ำหนัก จึงมักใช้เป็นอุปกรณ์เสริมมาตรฐาน (booster equipment)

3.2.3 การประยุกต์ใช้งานและเกณฑ์การเลือกใช้

• การใช้งานทั่วไป: การหลอมโลหะภายใต้สุญญากาศ การเคลือบสุญญากาศแบบออปติคัล/อิเล็กทรอนิกส์ การอบร้อนภายใต้สุญญากาศของชิ้นงาน และการระบายอากาศออกจากห้องสุญญากาศขนาดใหญ่อย่างรวดเร็ว
• ข้อกำหนดในการเลือกใช้งาน: อัตราส่วนความเร็วในการสูบสุญญากาศระหว่างปั๊มรูทส์กับปั๊มเบื้องต้นควรอยู่ที่ 5:1 ถึง 10:1; ต้องควบคุมความต่างของแรงดันอย่างเข้มงวดทั้งในขณะเริ่มต้นและระหว่างการใช้งานอย่างต่อเนื่อง; สำหรับการใช้งานอย่างต่อเนื่องที่มีกำลังสูง ต้องใช้ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ในขณะที่การระบายความร้อนด้วยอากาศเพียงพอสำหรับการใช้งานระดับเบาถึงปานกลาง

ซีรีส์ปั๊มสุญญากาศแบบแห้ง รุ่น 3.3 (ปั๊มสะอาดแบบไม่ใช้น้ำมัน)

ปั๊มแบบแห้งทำงานโดยไม่ใช้น้ำมันในการปิดผนึกหรือหล่อลื่น จึงสามารถขจัดการปนเปื้อนจากไอของน้ำมันได้อย่างสมบูรณ์ ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่ต้องการความสะอาดสูง เช่น การผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การผลิตยา และเครื่องมือวิเคราะห์ความแม่นยำสูง ซึ่งมีประเภทหลักสี่แบบ ดังนี้:

• ปั๊มแบบคลอว์ ก๊าซถูกอัดด้วยความดันในหลายขั้นตอนโดยโรเตอร์รูปกรงเล็บคู่ที่ไม่สัมผัสกัน โดดเด่นด้วยการดำเนินงานที่มีเสถียรภาพ ทนต่อฝุ่นละอองขนาดเล็กได้ และสามารถใช้ไนโตรเจนล้างเพื่อป้องกันการระเบิดได้ตามต้องการ เหมาะสำหรับการสูบสุญญากาศแบบหยาบอย่างต่อเนื่องตลอด 24 ชั่วโมง ในช่วงสุญญากาศระดับหยาบและระดับกลาง
• ปั๊มแห้งแบบสกรู โรเตอร์สกรูคู่หมุนเข้าหากันเพื่อให้เกิดการอัดแบบอุณหภูมิคงที่ ทำให้สามารถบรรลุอัตราส่วนการอัดสูงได้ในขั้นตอนเดียว โดยสามารถปล่อยอากาศออกสู่บรรยากาศโดยตรง ช่องภายในปั๊มสามารถเคลือบด้วยวัสดุต้านการกัดกร่อนเพื่อจัดการกับกระแสกระบวนการที่มีไอและก๊าซกัดกร่อน นำไปใช้งานอย่างกว้างขวางในการกัดเซาะวงจรเซมิคอนดักเตอร์ การสะสมฟิล์มบางแบบ CVD การเคลือบเซลล์แสงอาทิตย์ และการแช่แข็งแบบแห้งในอุตสาหกรรมยา
• ปั๊มแห้งแบบสโครล การเคลื่อนที่แบบสัมพัทธ์ของแผ่นสกรูลที่ตรึงอยู่กับแผ่นสกรูลที่หมุนรอบทำให้เกิดช่องความดันแบบต่อเนื่อง ปั๊มสกรูลมีขนาดกะทัดรัด เสียงรบกวนและแรงสั่นสะเทือนต่ำ รวมทั้งอัตราการล้มเหลวต่ำ จึงเหมาะสำหรับใช้งานในเครื่องมวลสารสำหรับห้องปฏิบัติการ เครื่องตรวจจับการรั่วของฮีเลียม และเครื่องมือความแม่นยำขนาดเล็กอื่นๆ
• ปั๊มแบบรูทส์แห้งแบบหลายขั้นตอน โรเตอร์แบบรูทส์หลายคู่เชื่อมต่อกันแบบอนุกรมเพื่อทำการอัดก๊าซแบบขั้นตอน ทำให้สามารถส่งมอบอัตราการสูบก๊าซได้สูงและสามารถปล่อยก๊าซออกสู่บรรยากาศโดยตรง จึงถูกนำไปใช้งานอย่างแพร่หลายในสายการผลิตระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์และพลังงานแสงอาทิตย์

ปั๊มสุญญากาศแบบถ่ายโอนโมเมนตัม (ปั๊มหลักสำหรับสุญญากาศระดับสูง)

ปั๊มโมเลกุลแบบเทอร์โบ

หลักการทำงาน

ใบพัดหมุนความเร็วสูงแบบหลายขั้นตอนที่เป็นโรเตอร์และใบพัดนิ่งแบบสเตเตอร์จัดเรียงสลับกัน โรเตอร์หมุนด้วยความเร็วหลายหมื่นรอบต่อนาที โดยถ่ายโอนโมเมนตัมไปยังโมเลกุลของก๊าซผ่านการชนกัน เพื่อขับเคลื่อนการลำเลียงก๊าซไปในทิศทางที่ต้องการ โครงสร้างส่วนใหญ่ที่ใช้ในเชิงพาณิชย์จะใช้รูปแบบเทอร์ไบน์ผสมกับโครงสร้างโฮลเวค (Holweck) เพื่อให้สมดุลระหว่างอัตราการสูบก๊าซสูงและอัตราการอัดสูง อัตราการอัดมีค่าสูงมากสำหรับก๊าซหนัก เช่น อาร์กอน แต่มีค่าต่ำกว่าสำหรับก๊าซเบา (ไฮโดรเจน เฮเลียม) จึงจำเป็นต้องทำการสูบก๊าซเบื้องต้นด้วยปั๊มสูบก๊าซระดับต้น (forepump) ที่เหมาะสม มีระบบแบริ่งสองแบบให้เลือก ได้แก่ แบริ่งกลไกแบบต้นทุนต่ำที่ใช้สารหล่อลื่นแบบจาระบีหรือผ้าชุบหล่อลื่น และแบริ่งแบบแม่เหล็กลอยตัวแบบเต็มรูปแบบที่ไม่มีการสัมผัส ทำให้มีการสั่นสะเทือนต่ำและอายุการใช้งานยาวนาน

4.1.2 การประยุกต์ใช้งานและแนวทางในการเลือกใช้

ช่วงสุญญากาศสูงสุดอยู่ระหว่าง 10⁻² ถึง 10⁻⁹ พาสคัล ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลแบบไม่ใช้น้ำมันและสะอาดเป็นปั๊มหลักสำหรับกระบวนการสุญญากาศสูง ซึ่งรวมถึงการเคลือบด้วยวิธี PVD สำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ การถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน/สแกน การวิเคราะห์มวล และห้องจำลองสภาพแวดล้อมในอวกาศสำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ ปัจจัยสำคัญที่ควรพิจารณาเมื่อเลือกใช้งาน ได้แก่ ความเร็วในการสูบของปั๊มหน้า (forepump) ที่สอดคล้องกัน ขีดจำกัดความดันเข้าสูงสุดเพื่อหลีกเลี่ยงการรับภาระเกิน ระบบระบายความร้อนด้วยน้ำสำหรับรุ่นที่มีกำลังสูง การลดการสั่นสะเทือน และการป้องกันสนามแม่เหล็กขณะติดตั้ง ห้ามให้ใบพัดเทอร์ไบน์สัมผัสโดยตรงกับความดันบรรยากาศ เนื่องจากจะทำให้ใบพัดเสียหายอย่างถาวร

4.2 ปั๊มกระจายตัวด้วยน้ำมัน

4.2.1 หลักการทำงาน

ของไหลที่ใช้งาน เช่น น้ำมันซิลิโคน หรือโพลีฟีนิล อีเทอร์ จะถูกทำให้ร้อนเพื่อสร้างลำไอความเร็วสูงเหนือเสียงแบบมีทิศทาง ซึ่งจะดึงและอัดโมเลกุลของก๊าซผ่านการชนแบบหนืด (viscous collision) เพื่อการสูบสุญญากาศ ระบบแยกเฟสแบบหลายขั้นตอนที่ใช้หัวฉีดช่วยลดการไหลย้อนกลับของน้ำมัน ไม่มีส่วนประกอบเชิงกลที่เคลื่อนไหว จึงให้การดำเนินงานที่มีเสถียรภาพ ค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาน้อย ความเร็วในการสูบสุญญากาศสูง และอัตราส่วนประสิทธิภาพต่อราคาสูง ข้อจำกัดหลักคือการไหลย้อนกลับของไอสารหล่อลื่น ซึ่งจำเป็นต้องใช้ตัวดักความเย็น (cold traps) หรือแผ่นกั้นประสิทธิภาพสูงเพื่อป้องกันห้องสุญญากาศ

4.2.2 การประยุกต์ใช้งานและแนวทางการเลือกใช้

สามารถสร้างสุญญากาศขั้นสูงสุดได้ที่ระดับ 10⁻⁶ ถึง 10⁻⁹ พาสคาล ใช้งานอย่างแพร่หลายในงานเคลือบตกแต่งพื้นที่ขนาดใหญ่ การเคลือบเลนส์ออปติคัล เตาอบรักษาอุณหภูมิภายใต้สุญญากาศ และห้องจำลองสภาพแวดล้อมอวกาศขนาดใหญ่สำหรับอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ หลักเกณฑ์ในการเลือกใช้งาน: ต้องสอดคล้องกับเส้นผ่านศูนย์กลางที่ระบุของห้องสุญญากาศ มีระบบทำความร้อนแบบควบคุมอุณหภูมิแบบบูรณาการ; จำเป็นต้องใช้ชุดปั๊มแบบรูทส์ร่วมกับปั๊มแบบโรตารีเวน (rotary vane pump) เป็นปั๊มขั้นตอนแรก (forestage) เพื่อรักษาสุญญากาศเริ่มต้นให้ต่ำกว่า 10 พาสคาล น้ำมันซิลิโคนเหมาะสำหรับการใช้งานสุญญากาศสูง ในขณะที่น้ำมันแร่จำกัดเฉพาะกระบวนการอุตสาหกรรมมาตรฐานต่ำเท่านั้น แนวโน้มอุตสาหกรรม: ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลแบบแห้งกำลังค่อยๆ แทนที่ปั๊มกระจายตัวแบบน้ำมันในสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการความแม่นยำสูง อย่างไรก็ตาม ปั๊มกระจายตัวแบบน้ำมันยังคงไม่สามารถถูกแทนที่ได้ในห้องสุญญากาศขนาดใหญ่และกระบวนการอุตสาหกรรมที่มีข้อกำหนดด้านความสะอาดระดับปานกลาง เนื่องจากมีอัตราการสูบสุญญากาศสูงและข้อได้เปรียบด้านต้นทุน

4.3 ปั๊มเจ็ทไอน้ำ

ไอน้ำความดันสูงจะถูกเปลี่ยนเป็นกระแสเจ็ตความเร็วเหนือเสียงผ่านหัวฉีดลาวาล ซึ่งดึงและผสมก๊าซเป้าหมายเพื่อให้เกิดการสุญญากาศ ปั๊มเจ็ตไม่มีชิ้นส่วนกลไกที่เคลื่อนไหว จึงมีอัตราการล้มเหลวต่ำมาก และสามารถประมวลผลกระแสก๊าซที่มีอนุภาคแขวนลอย สื่อที่กัดกร่อน หรือสารไวไฟ/ระเบิดได้โดยตรง การต่อพ่วนแบบหลายขั้นตอนแบบอนุกรมสามารถสร้างสุญญากาศเบื้องต้นได้ที่ระดับหลายร้อยพาสคัล แอปพลิเคชันหลัก ได้แก่ การกลั่นสุญญากาศในอุตสาหกรรมปิโตรเคมี การบริสุทธิ์เหล็กหลอมเหลวภายใต้สุญญากาศในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา การทำให้วัสดุแห้งภายใต้สุญญากาศในปริมาณมาก และระบบสุญญากาศในโรงไฟฟ้า พารามิเตอร์สำหรับการเลือกใช้ ได้แก่ ความดันและอัตราการใช้ไอน้ำ อัตราการไหลของน้ำหล่อเย็น รวมทั้งวัสดุของปั๊มที่ออกแบบเฉพาะตามระดับความกัดกร่อนของก๊าซและความสามารถในการประมวลผล

ปั๊มจับ 5 ชนิดสำหรับสุญญากาศระดับสูงพิเศษ

ปั๊มไครโอ (Cryopumps)

หลักการทำงาน

เครื่องทำความเย็นแบบไครโอคูลเลอร์รุ่น G-M สร้างแผ่นทำความเย็นแบบสองขั้นตอน: ขั้นตอนหลัก (50–80 เคลวิน) ใช้ดักจับไอของน้ำและไฮโดรคาร์บอน ส่วนขั้นตอนรอง (10–15 เคลวิน) ใช้ควบแน่นไนโตรเจน ออกซิเจน และอาร์กอน คาร์บอนที่ถูกกระตุ้นแล้วซึ่งเคลือบอยู่บนแผ่นทำความเย็นขั้นตอนรองจะดูดซับก๊าซเบา เช่น ไฮโดรเจนและฮีเลียม ผ่านกระบวนการดูดซับทางกายภาพ เมื่อแผ่นทำความเย็นเต็มไปด้วยก๊าซที่ถูกดูดซับแล้ว จะทำการให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิ 100–200 องศาเซลเซียส เพื่อฟื้นฟูความสามารถในการสูบสุญญากาศ โดยดำเนินการโดยไม่ใช้น้ำมันและไม่มีการไหลย้อนกลับของสารใดๆ ตลอดวงจร

5.1.2 การประยุกต์ใช้งานและข้อกำหนดด้านการปฏิบัติงาน

สุญญากาศขั้นสูงสุดสามารถเข้าถึงระดับ 10⁻⁹ พาสคาล ใช้งานในกระบวนการฝังไอออนสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ การเคลือบด้วยการสปัตเทอร์แบบแมกเนตรอน การเคลือบด้วยการระเหยแบบออปติคัล การวิจัยฟิวชันนิวเคลียร์ และฟิสิกส์พื้นผิว ก่อนเริ่มต้นระบบ ปั๊มเบื้องต้น (forepumps) จำเป็นต้องลดความดันภายในห้องให้ต่ำกว่า 1 พาสคาล และทำให้ระบบสุญญากาศแห้งสนิทอย่างสมบูรณ์ การสตาร์ตระบบโดยตรงภายใต้ความดันสูงที่มีไอน้ำปริมาณมากจะทำให้หัวเย็นเกิดการแข็งตัวของน้ำแข็งและเสียหายอย่างถาวร ปัจจัยที่ใช้ในการเลือกระบบ ได้แก่ ภาระความร้อนที่กระทำต่อห้องสุญญากาศ ระยะเวลาของรอบการฟื้นฟู (regeneration cycle) และการออกแบบแผ่นกั้นเพื่อป้องกันการไหลย้อนกลับ (anti-backstreaming baffle)

5.2 ปั๊มไอออนแบบสปัตเทอร์

5.2.1 หลักการทำงาน

การปล่อยประจุแบบเพนนิงเกิดขึ้นภายใต้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตั้งฉากกัน เพื่อทำให้โมเลกุลของก๊าซเกิดการไอออไนซ์ ไอออนที่มีพลังงานสูงจะพุ่งชนแคโทดไทเทเนียม ทำให้เกิดการสปัตเตอร์ฟิล์มไทเทเนียมบริสุทธิ์ใหม่ที่ยังคงคุณสมบัติทางเคมีอยู่ ก๊าซที่มีปฏิกิริยาจะเกิดเป็นสารประกอบที่เสถียรผ่านปฏิกิริยาเคมีกับฟิล์มไทเทเนียม ในขณะที่ไฮโดรเจนและก๊าซอื่นๆ ที่มีมวลเบาจะถูกกักเก็บไว้ภายในโครงสร้างผลึกของไทเทเนียม ปั๊มไอออนไม่มีชิ้นส่วนกลไกที่หมุน จึงให้การดำเนินงานที่ปราศจากการสั่นสะเทือน มีการปิดผนึกแบบโลหะทั้งหมดโดยไม่ใช้น้ำมัน และสามารถใช้งานต่อเนื่องได้เป็นเวลานานมากโดยไม่ต้องบำรุงรักษา ข้อจำกัด: อัตราการสูบก๊าซเฉื่อย (เช่น He, Ar) ต่ำ จึงจำเป็นต้องใช้ร่วมกับปั๊มไทเทเนียมแบบระเหิดหรือปั๊มไครโอ

5.2.2 การประยุกต์ใช้งานและแนวทางการเลือกใช้

สุญญากาศขั้นสูงสุดสามารถลดลงได้ถึง 10⁻¹¹ พาสคาล ซึ่งเหมาะสำหรับกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน เครื่องเร่งอนุภาค อุปกรณ์วิเคราะห์พื้นผิวด้วยเทคนิค XPS/ AES และสถานที่วิจัยสุญญากาศระดับสูงยิ่ง แม่เหล็กถาวรในตัวสร้างสนามแม่เหล็กรั่ว จึงจำเป็นต้องติดตั้งให้อยู่ห่างจากอุปกรณ์ลำแสงอิเล็กตรอนที่มีความแม่นยำสูงด้วยระยะปลอดภัยที่กำหนดไว้ ต้องทำการสุญญากาศเบื้องต้นให้ถึงระดับ 10⁻² พาสคาลก่อนเริ่มใช้งานเท่านั้น ห้ามสูบฝุ่นและไอของสารไฮโดรคาร์บอนโดยตรง เพราะอาจทำให้ขั้วไฟฟ้าเป็นพิษและเสียหาย

5.3 ปั๊มไทเทเนียมแบบการระเหิด (TSP) และปั๊มสารดูดก๊าซแบบไม่ระเหิด (NEG)

ทั้งสองชนิดทำหน้าที่เป็นปั๊มเสริมในระบบที่ต้องการสุญญากาศระดับสูงยิ่ง (UHV/XHV) โดยมักใช้ร่วมกับปั๊มไอออนและปั๊มไครโอ

• ปั๊มไทเทเนียมแบบการระเหิด (TSP) : ใช้ไส้ลวดหรือเม็ดไทเทเนียมที่ให้ความร้อนด้วยกระแสไฟฟ้าแรงสูงจนเกิดการระเหิด ทำให้อะตอมไทเทเนียมเคลือบผนังเย็นเป็นฟิล์มดูดซับเพื่อดักจับก๊าซที่มีปฏิกิริยา ปั๊มชนิดนี้ทำงานแบบช่วงๆ และต้องนำกลับมาฟื้นฟูเป็นระยะ แต่ไม่สามารถสูบก๊าซมีเทนหรือก๊าซเฉื่อยได้
• ปั๊มสารดูดก๊าซแบบไม่ระเหิด (NEG) โลหะผสม Zr-V-Fe ถูกกระตุ้นที่อุณหภูมิ 400–450 °C เพื่อสร้างโครงสร้างพรุน ซึ่งทำให้สามารถดูดซับก๊าซไฮโดรเจน คาร์บอนมอนอกไซด์ คาร์บอนไดออกไซด์ และไอน้ำแบบเคมีที่อุณหภูมิห้องได้ ไม่มีการสั่นสะเทือนและไม่ใช้น้ำมัน จึงมีอายุการใช้งานยาวนาน แต่ไม่มีประสิทธิภาพต่อก๊าซมีเทนและก๊าซเฉื่อย แอปพลิเคชันหลัก: แหวนเก็บรังสีซินโครตรอน เครื่องเร่งอนุภาค และอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ระดับสูง ใช้ในการสร้างระบบสุญญากาศระดับสูงมาก (UHV) และสุญญากาศระดับสูงยิ่ง (XHV) ที่สะอาด รวมทั้งรับประกันคุณภาพลำแสงที่เสถียรและความน่าเชื่อถือของการทดลอง

6 วิธีการทั่วไปในการเลือกปั๊มสุญญากาศ

การเลือกปั๊มสุญญากาศไม่สามารถพิจารณาเพียงระดับสุญญากาศเป้าหมายเท่านั้น แต่จำเป็นต้องประเมินหลายมิติร่วมกัน

• ระดับสุญญากาศเป้าหมาย : เลือกการจับคู่ระหว่างปั๊มหลักและปั๊มเบื้องต้นตามระดับสุญญากาศหยาบ/ปานกลาง/สูง/สูงมาก ซึ่งสอดคล้องกับขั้นตอนเทคโนโลยี
• มาตรฐานความสะอาด ปั๊มแบบแห้ง ปั๊มไครโอ และปั๊มไอออนได้รับการจัดลำดับความสำคัญสำหรับอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ยา และการวิเคราะห์เชิงความแม่นยำ; ปั๊มแบบโรตารีแวนที่ใช้น้ำมันเป็นสารปิดผนึกและปั๊มกระจายตัวด้วยน้ำมันสามารถใช้งานได้ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา การบรรจุภัณฑ์ และการเคลือบพื้นผิวขนาดใหญ่ในภาคอุตสาหกรรม โดยมีข้อกำหนดด้านความสะอาดที่ไม่เข้มงวดนัก
• สภาวะของก๊าซที่ใช้ในกระบวนการ ปั๊มแบบโรตารีแวนที่ติดตั้งระบบแก๊ส-บาลลาสต์สำหรับกระแสก๊าซที่มีไอน้ำสูง; ตัวกรองเบื้องต้นสำหรับก๊าซที่มีฝุ่น; ปั๊มแบบสกรูแบบแห้งที่ทนต่อการกัดกร่อนสำหรับสื่อกัดกร่อน; การรวมระบบปั๊มไครโอสำหรับโหลดก๊าซเฉื่อยที่สูง; ชุดประกอบแบบกันระเบิดที่ใช้การล้างด้วยไนโตรเจนสำหรับสื่อที่ติดไฟและระเบิดได้ง่าย
• การจับคู่อัตราการสูบสุญญากาศ ปริมาตรของห้องสูญญากาศที่ใหญ่ขึ้นและอัตราการรั่วไหลที่สูงขึ้นจำเป็นต้องใช้อัตราการสูบสุญญากาศที่สูงขึ้น; ต้องรักษาระยะสัดส่วนของอัตราการสูบสุญญากาศระหว่างปั๊มบูสเตอร์แบบรูทส์กับปั๊มฟอเรปั๊มไว้ที่ 5:1 ถึง 10:1; ปั๊มเทอร์โบโมเลกุลและปั๊มไครโอจำเป็นต้องใช้ฟอเรปั๊มที่มีกำลังการไหลสอดคล้องกัน
• ต้นทุนการลงทุนและการบำรุงรักษา ปั๊มแบบโรตารีแวนที่ใช้น้ำมันปิดผนึก ให้ต้นทุนเริ่มต้นต่ำสำหรับการใช้งานเป็นระยะสั้นแบบไม่ต่อเนื่อง; ปั๊มแบบแห้งเหมาะที่สุดสำหรับการผลิตที่สะอาดอย่างต่อเนื่องในระยะยาว; ปั๊มแบบดิฟฟิวชันน้ำมันมีต้นทุนต่ำสำหรับห้องสุญญากาศขนาดใหญ่ที่มีข้อกำหนดด้านความสะอาดระดับปานกลาง; ส่วนปั๊มแบบสกอลล์แบบแห้งเหมาะสำหรับอุปกรณ์ห้องปฏิบัติการขนาดเล็ก

โดยสรุป เทคโนโลยีสุญญากาศอาศัยการจัดวางแบบผสมผสานของปั๊มหลายประเภทเพื่อรองรับห่วงโซ่การผลิตทั้งหมด ตั้งแต่การผลิตขั้นพื้นฐานไปจนถึงการวิจัยพื้นฐานขั้นสูง การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องทั้งในด้านระดับสุญญากาศและความบริสุทธิ์ของสิ่งแวดล้อม ขับเคลื่อนการพัฒนาเทคโนโลยีในภาคการผลิต วิทยาศาสตร์วัสดุ อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ อวกาศ และฟิสิกส์พื้นฐาน