بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، جنبههاي فیزیکی متمایز یک نوع پمپ خلأ پیستونی جدید اختراع شده بیان میگردد. این جنبهها عمدتاً عبارتند از مکانیسمهاي بدیع بهکار گرفته شده براي کنترل هوشمند باز و بسته شدن دریچههاي ورودي و خروجی اتاقکهاي خلأ پمپ پیستونی و استفاده از غوطهوري کامل در روغن بهعنوان درزبند.
مقدمه
در ابتداي دورهاي که نیاز به ایجاد خلأ بالا در صنایع مختلف مثلاً براي ساخت لامپهاي مختلف الکتریکی احساس شد، از نخستین مکانیزمی که چنین خلأي را ایجاد میکرد استفاده شد. این نخستین مکانیزم، خلأي بود که در بالاي ستون جیوه در یک بارومتر ایجاد میشود. چنین خلأي یک خلأ عالی محسوب میشود زیرا در روند ایجاد آن کوچکترین روزنهاي به هواي خارج وجود ندارد و بنابر این میتوان گفت که حتی یک مولکول هواي نفوذي از بیرون به داخل خلأ یا یک مولکول از هواي باقیمانده در محفظه ي خلأ در چنین خلأي موجود نیست و تنها فشار بخار مایع موجود در بارومتر (عموماً جیوه) در این محفظه وجود دارد که بیشینه فشار گاز موجود در این خلأ را تشکیل میدهد که البته این فشار در دماي معمولی از مرتبهاي است که امکان ایجاد خلأ یالا را میدهد (کمتر از یک هزارم میلیمتر جیوه).
بنابر این مخترعینِ اوایل دورهي توسعهي تکنیک خلأ به فکر استفادهي کاربردي از این خلأ عالی براي کارها و تولیدات صنعتی که در آنها به نوعی نیاز به ایجاد خلأ خوب بود افتادند و مثلاً ادیسون با ایجاد خلأ از همین طریق موفق به اختراع و تولید لامپ الکتریکی شد.
روشن است که روشهاي دستی براي استفاده از خلأ ایجاد شده در بالاي ستون جیوه سخت بود زیرا مثلاً مستلزم این میبود که انسانی نسبتاً قوي هیکل و پر بنیه به طور مرتب دستگاه حجیم و سنگینِ حاوي ستون جیوه را بالا و پایین ببرد که بالا و پایین
رفتن سطح جیوه در داخل لولهي بستهي نسبتاً ضخیم حاوي جیوه همچون تلمبهاي عمل کرده و حجم خلأ بالاي ستون جیوه را زیاد و کم کرده و از طریق لوله و اتصالات وصل شده به این محفظه عملیات دم و بازدم در محفظهي بیرونی مورد نظر، مثلاً لامپ، صورت گیرد و به طور مرتب تا حدي که ممکن بود، که مثلاً احتمالاً یکی از پارامترهاي آن توان ادامهي کار آن فرد قوي هیکل بود، هواي آن تخلیه شود. با پیشرفت تکنیک خلأ، این روند ایجاد خلأ، با استفاده از شگردهایی به صورت نیمه اتوماتیک در آمد و مثلاً وظیفهي بالا و پایین بردن سیستم به عهدهي دستگاههاي مکانیکی گذاشته شد. 1] و [2
اما این تکنیک ایجاد خلأ، هرچند منجر به تولید خلأي با کیفیت میشد، چندان بسط و ادامه نیافت زیرا تکنیکهاي دیگري براي ایجاد خلأ ابداع و گسترش یافت که عملیاتیتر به نظر میرسیدند و مثلاً خلأ مورد نیاز در بسیاري از صنایع در حال توسعه را، که در آنها خلأي با کیفیت پایینتر هم کفایت میکرد اما مثلاً سرعت بیشتر تخلیه در آنها مهمتر بود، راحتتر تأمین مینمودند. [3] در طراحی پمپ خلأ موضوع این مقاله نوعی بازگشت به بسط و گسترش و موتوري کردن همان تکنیک گفته شدهي اولیهي ایجاد خلأ با کیفیت، وجود دارد. به زبان ساده، در آن تکنیک با استفاده از روشی زوري شکافی یا حفرهاي در داخل حجمی یا عمقی از یک مایع ایجاد میشود که روشن است که چون این حفره راهی به هواي بیرون ندارد عاري از هر مولکولی از هواست، اما چون دیوارههاي داخلی این حفره بعضاً از سطوح همان مایع تشکیل شدهاند لاجرم بخار آن مایع در این حفره وجود
172
خواهد داشت. چنین حفرهاي در بارومتر با برگرداندن یک لولهي به اندازهي کافی بلند پر از جیوه یا روغن در ظرفی محتوي همان مایع به این صورت ایجاد میشود که وزن سنگین جیوه یا روغن که بیش از وزن ستون هواي بیرون است به صورت زوري ستون مایع را در لولهي سربستهي وارونه شده پایین میکشد و لاجرم حفرهاي در بالاي ستون تشکیل میشود که هیچ چیز در آن نیست جز مولکولهاي نسبتاً اندك موجد فشار اندك بخار آن مایع در این خلأ. سؤالی که در اینجا به ذهن میرسد، و شاید در ابتدا به دلیل عدم توسعهي همه جانبهي تکنیک گفته شدهي اولیهي ایجاد خلأ کمتر به ذهن مخترعین خطور میکرد، این است که آیا این، تنها مکانیسم زوري است که از طریق آن ما میتوانیم شکاف، حفره، یا خلأي در دل یک مایع با فشار بخار اندك براي تولید خلأ مناسب ایجاد کنیم؟ آیا مثلاً قابل تصور نیست که با استفاده از وسایل طراحی شدهي مکانیکی مناسب، چنین حفرهاي را با زور در دل یک مایع ایجاد کنیم تا سپس متعاقباً از خلأ آن بتوانیم به نحو مناسب استفاده کنیم؟ آیا مثلاً کاري را که وزن سنگین ستون جیوه در ایجاد شکاف در داخل مایع انجام میدهد نمیتوانیم توسط یک مکانیسم پیستونی و اعمال فشار به دیوارههایی از داخل مایع و دور کردن زوريِ دیوارهها از یکدیگر جهت انبساط حفره انجام دهیم؟ پاسخ مثبت است چون اتفاقاً این دقیقاً همان کاري است که در یک سرنگ با کشیدن پیستون آن رو به بالا در درون یک مایع انجام میدهیم.
ویژگیهاي اصلی پمپ خلأ
پس اگر از مکانیسمی شبیه مکانیسم گفته شدهي سرنگ در داخل یک مایع گاززدایی (یا ديگَس) شده استفاده کنیم میتوانیم با استفاده از مکانیسمی زوري خلأي مشابه با خلأ بارومتري موجود در بالاي ستون جیوه ایجاد کنیم. مکانیسم سرنگ بلافاصله به ذهنِ یک طراح مکانیک متبادر میکند که میتوان عملیات تکرار ایجاد حفرهي خلأ سرنگی را کاملاً مکانیزه و موتوري کرد، و این همان کاري است که در ساخت پمپ خلأ بارومتري موتوري،
انجام شده است که بنا بر توضیحات فوق کار بدیعی محسوب میشود.
استفاده از مکانیسم گفته شدهي سرنگ و بسط آن براي ایجاد این پمپ خلأ در واقع استفاده از مکانیسم پمپ خلأي پیستونی در شرایطی کاملا ویژه است. میدانیم که براي ایجاد خلأ مورد نیاز در صنایع مختلف، از انواع گوناگون پمپ خلأ استفاده میشود که تفاوت کارکردي آنها در دو عامل سرعت تخلیه و کیفیت نهایی خلأ قابل حصول یا حداقل فشار گاز مانده در محفظهي خلأ پس از تخلیهي آن با پمپ میباشد. [4] در میان انواع پمپهاي خلأ موجود، پمپهاي پیستونی به خاطر مکانیسم روتین و نسبتاً سادهاي که در ساخت آنها بهکار میرود از قیمت نسبتاً پایینتر و سرعت پمپاژ نسبتاً بالاتري برخوردارند، اما همین مکانیسم بهعلاوه ایجاب میکند که فشار نهایی قابل حصول توسط این پمپ ها در مقایسه با دیگر پمپهاي خلأ، نسبتاً بالا باشد (شاید بتوان گفت این فشار براي انواع پمپهاي پیستونی رایج بهطور متوسط بین ده تا بیست تور است). علت کم بودن نسبی کیفیت خلأ ایجاد شده توسط این پمپها یا بالا بودن فشار مانده در آنها عمدتاً مربوط به مکانیسمهاي بهکار گرفته شده در منافذ خروجی و ورودي گاز در اتاقکهاي خلأ این پمپها میباشد که آنها را در اینجا توضیح میدهیم.
یکی از مکانیسمهاي درزبندي محفظهي خلأ در این نوع پمپهاي رایج عمدتاً سطوح تماس بین گلوله یا سوپاپ و سوراخ یا منفذ خروج گاز در این محفظهها در مجاورت فشار هواي بیرون است که صرف نظر از کیفیت درزبندي، در زمان هر چند کوتاه بسته شدن روزنهي خروجی بر اثر فشار هواي بیرون به هنگام مرحلهي مکشِ پیستون پمپ، مقداري ولو اندك هوا به داخل اتاقک خلأ واقع در بالاي پیستون پمپ مکیده میشود در حالیکه در پمپ خلأ اختراعیِ موضوع این مقاله، تا ارتفاع مشخصی در اطراف محل تماس سوپاپ یا گلوله و سوراخ اتاقک خلأ پمپ، پر از روغن است و مکش اندك فوق الذکر، هوا را به داخل اتاقک نمیکشد بلکه باعث مکش مقداري اندك از روغن به داخل این اتاقک میشود که به حجم روغنهاي قبلی موجود در این اتاقک
173
میافزاید اما باعث خراب کردن خلأ با هواي مکیده شده نمیشود.
ممکن است براي رفع این نقیصه در پمپهاي پیستونی رایج از گلوله یا سوپاپهایی در منفذ خروجی اتاقک خلأ پمپ استفاده شود که در حالت عادي مثلا بر اثر وزن خود یا فشار یک فنر، روزنهي خروجی را بسته نگاه میدارند و بنابر این مانع مکیده شدن مقدار اندك گفته شده در بالا از هواي خارج به داخل اتاقک خلأ پمپ به هنگام مرحلهي مکش میشوند، اما چنین مکانیسمی این عیب را دارد که فشار هواي داخل اتاقک خلأ به هنگام مرحلهي تخلیه هرگز نمیتواند کمتر از حداقل فشار لازم براي غلبه بر وزن سوپاپ یا گلوله یا نیروي فشاردهندهي فنر پشت آنها براي اخراج گاز درون محفظهي خلأ شود، درحالیکه براي رفع این نقیصهي عمدهي پمپهاي پیستونی، در پمپ اختراعی موضوع مقاله از گلوله یا سوپاپهایی در محفظهي خروجی استفاده شده است که در مکانیسمی با استفاده از فنرهاي کششی در حالت عادي و بیفشار روزنهي خروجی را اندکی باز نگاه میدارند که تنها به هنگام مکش خلأي پمپ، تحت فشار غیر مستقیم هواي بیرون، بسته میشوند.
