مفاهیم پایه:

واژه خلأ عموماً برای مشخص کردن حجم یا ناحیه ای از فضا که فشار در آن کمتر از 760 تور باشد، استفاده می شود. به عبارت دیگر حالتی از گاز که در آن فشار پایین تر از فشار اتمسفر است را خلأ گویند و هر قدر که فشار پایین تر باشد اصطلاحاً از خلأ بالاتری برخورداریم.در سیستم سنتی اندازه گیری، فشار نرمال بوسیله میلی متر ستون جیوه بیان می شد بر این اساس  واحد سنتی فشار تور (torr) است در این حالت  یک خلأ کامل یا مناسب، فضایی است که از  ماده کاملاً تهی باشد که ایجاد آن امری ناممکن است.

کاربردهای خلا’ در صنعت

مفاهیم پایه:

واژه خلأ عموماً برای مشخص کردن حجم یا ناحیه ای از فضا که فشار در آن کمتر از 760 تور باشد، استفاده می شود. به عبارت دیگر حالتی از گاز که در آن فشار پایین تر از فشار اتمسفر است را خلأ گویند و هر قدر که فشار پایین تر باشد اصطلاحاً از خلأ بالاتری برخورداریم.در سیستم سنتی اندازه گیری، فشار نرمال بوسیله میلی متر ستون جیوه بیان می شد بر این اساس  واحد سنتی فشار تور (torr) است در این حالت  یک خلأ کامل یا مناسب، فضایی است که از  ماده کاملاً تهی باشد که ایجاد آن امری ناممکن است.

در سیستم متریک واحد فشار پاسکال است هر چند که استفاده از واحد تور همچنان به طور گسترده متداول است. در سیستم های خلأ گاز اصلی جابجا شونده هواست که اجزاء اصلی تشکیل دهنده آن نیتروژن، اکسیژن و بخار آب می باشند. در Cº25 و رطوبت 50% فشار جزئی بخار آب است.

میزان خلأ بستگی به کاربر آن دارد. در فشار اتمسفر مولکول های گاز به طور مداوم با سطوح برخورد می کنند. این مولکول ها پس از برخورد با سطح یا به آن می چسبند و یا ممکن است با سطح واکنش شیمیایی دهند و یا پس از برخورد از سطح برگشت می کنند. این برخوردها باعث کثیف شدن سطح با مولکول های گاز می شود. لذا داشتن یک سطح تمیز فقط در یک خلأ بالا امکان پذیر است. احتمال جذب شدن مولکول با افزایش گرمای تبخیر و کاهش دمای گاز افزایش می یابد.

عدد رینولدز و نودسن:

نوع جریان گاز (آرام، درهم، گذرا، مولکولی) توسط 2 پارامتر بی بعد به نام اعداد رینولدز و نودسن بیان می شود. حد بین درهم و آرام یا جریان ویسکوز توسط عدد رینولدز و حد میان آرام، گذرا و جریان مولکولی توسط عدد و نودسن بیان می شود.

عدد رینولدز توسط رابطه ی  Re = ρvD/hبیان می شود.

ρ چگالی، v سرعت، D قطر لوله و h ویکوزیته ی گاز است.

عدد نودسن با رابطه ی K_n = l/ D  بیان می شود که l پویش آزاد متوسط مولکول های گاز است. هنگامی که عدد نودسن برابر یا بزرگتر از قطر لوله باشد K_n  باشد جریان مولکولی می باشد.

انواع رژیمهای جریان گاز درون لوله های تحت خلأ

رژیمهای جریان گاز درون لوله  ها بسته به عدد نودسن که نسبت مسیر پویش آزاد متوسط مولکولی به قطر لوله است، تغییر می کند. بسته به فشار گاز، مسیر پویش آزاد متوسط مولکولی و قطر لوله، سه نوع رژیم جریان موجود است که در زیر به شرح آنها می پردازیم. لازم به ذکر است که کلیه محاسبات بر مبنای فرض هم دمای گاز انجام می شود.

الف – جریان مولکولی آزاد (Molecular Flow)

در این نوع جریان مسیر آزاد متوسط مولکولی معادل یا بزرگتر از قطر لوله می باشد و از این رو دینامیک جریان گاز توسط برخوردهای مولکولی به جداره های دیواره لوله مشخص می شود. این نوع جریان محدوده ای از اعداد نودسن نسبتاً بزرگ را پوشش می دهد.

ب – جریان ویسکوز یا پیوسته (Continum Flow)

در این نوع جریان مسیر آزاد متوسط مولکولی در مقایسه با قطر لوله کوچک بوده و از این رو دینامیک جریان گاز توسط برخوردهای بین مولکولی مشخص می شود. به عبارتی در این رژیم، برخوردهای بین مولکولی در مقایسه با برخورد مولکولها به جداره لوله بسیار قابل توجه تر است. پس می توان گفت که مولکولها در اثر برخورد با یکدیگر، در جهت کاهش افت فشار حرکت می کنند. این نوع جریان، اعداد نودسن کوچک را پوشش می دهد. با توجه به اینکه در این ناحیه، آنکه خواص گاز (دما، دانسیته و سرعت گاز) طی مسیرهای پویش آزاد متوسط مولکولی تغییرات قابل توجهی ندارند، جریان گاز پیوسته در نظر گرفته می شود و با قوانین هیدرودینامیکی تحلیل می گردد. این نوع از جریان می تواند آرام یا توربولانت باشد. هنگامی که سرعت گاز از یک مقدار معین بالاتر برود جریان درهم ( Re>2100 ) و در سرعت های پایین تر جریان ویسکوز تبدیل به جریان آرام خواهد شد (Re<1100). در محدوده ی 1200 < Re < 2200 جریان هم می تواند آرام و هم درهم باشد که به زبری سطح لوله و فاکتور های هندسی آن بستگی دارد.

ج – جریان انتقالی (Trastional Flow)

این نوع جریان که در محدوده بین دو جریان مذکور قرار می گیرد، مقادیر متوسطی از عدد نودسن پوشش داده می شود. در این نوع جریان، دینامیک جریان توسط برخوردهای بین مولکولی و برخورد مولکولها به دیواره ها تعیین می گردد.

برای بحث در مورد پدیده های مختلف فیزیکی وابسته به دسته بندی های متنوع خلأ دانستن تعاریف و مفاهیم زیر در رابطه با آنچه که در جدول 1 آورده شده است می تواند مفید باشد:

1- چگالی مولکولی: میانگین تعداد مولکول ها در یک واحد از حجم مشخص

2- پویش آزاد متوسط: متوسط فاصله ای که یک مولکول گاز تا قبل از برخورد به مولکول دیگر طی می کند را پویش آزاد متوسط گویند

3- لایه گذاری مولکولی: ضخامت مولکول های گاز روی یک سطح به اندازه ضخامت یک مولکول.

جدول شماره 1

خلأ پایین و متوسط:

در این حالت مولکول های داخل محفظه که در فاز گازی می باشند بسیار بیشتر از مولکول هایی هستند که سطح محفظه را پوشانیده اند. بدین معنی که برای عمل پمپ کردن گازها فقط کافی است تا مولکول های فاز گازی را از محفظه خارج ساخت. محدوده این نوع از خلأ از فشار اتمسفر تا  تور می باشد. بسیاری از فرایندهای صنعتی که نیاز به خارج کردن یا خشک کردن مواد و اجزا آنها هستند از این محدوده استفاده می کنند.

خلأ بالا:

ناحیه خلأ بالا به حالتی مربوط می شود که در آن مولکول های گاز بیشتر روی سطوح محفظه قرار داشته باشند و مسیر پویش آزاد متوسط گاز مساوی یا بزرگتر از ابعاد محفظه خلأ باشد. در این حالت ذرات درون محفظه بدون برخورد با مولکول های دیگر شرکت می کنند. تحت چنین شرایطی عمل پمپ گازها شامل تخلیه کردن یا گرفتن مولکول هاست. مولکول ها از سطح محفظه جدا شده و به طور جداگانه به پمپ می رسند. این ناحیه از خلأ در کارهایی نظیر پوشش دهی تحت خلأ، بهسازی و اصلاح سطحی به طور وسیعی مورد استفاده قرار می گیرد. محدوده این نوع خلأ از  تا  تور می باشد.

ایجاد خلأ بالاتر از این مقدار ناحیه خلأ بسار بالا را شامل می شود که از  تا  تور است.

کاربردهای صنعتی خلاء

          رشد شگفت انگیز صنعت در قرن بیستم، پی آمد دگرگونی در نگرش به تحقیقات علمی است. پش از قرن بیستم، انگیزه اکثر دانشمندان در اکتشاف و اختراع، اغلب درونی و شخصی بود. در قرن بیستم بازتاب تحقیقات علمی در صنایع و تولید مصنوعات نوین و سرازیر شدن آنها به بازارهای جهانی و استقبال مردم از آنها، توجه صاحبان صنایع و سرمایه داران بزرگ و حتی دولتها را به سوی تحقیقات علمی معطوف ساخت. در مراکز پژوهشی، انگیزه درونی و شخصی دانشمندان جای خود را به برنامه های تدوین شده دولتها و سرمایه دارن بزرگ سپرد. امروزه در هز طرح پژوهشی علمی اولین شرط تصویب و تأمین مالی آن ارائه و تعیین نتایج کاربردی آن است. تکنیک خلاء در راستای این سیاست علمی جهانی از شاخه های موفق و بارور بوده و توانسته است کاربردهای بیشماری در شاخه های گوناگون صنعت بیابد که به اجمال به شرح آنها می پردازیم.

1)     با خلاء کردن می توان فشاری برابر 1 کیلوگرم بر سانتیمتر مربع ایجاد کرد.نیروی ناشی از این فشار می تواند اجسام را نگاه دارد یا بلند و جابجا کند. از این خاصیت در مواردی بجای چسب نیز استفاده می شود.

2)     جاروبرقی : این وسیله یکی از ساده ترین کاربردهای خلاء در حمل و نقل اجسام ریز است . فشار درون خرطوم در این قبیل اسبابها حدود 600 Torr  است.

3)     سیستم های حمل و نقل بادی : از این سیستم ها اول بار در ادارات پست لندن و پاریس بهره گیری شد و امروز در غالب کشورها رایج است. در این سیستم لوله های تو خالی به شعاع 60 تا 80 میلیمتر تعبیه می شود که فشاری حدود 450 Torr برای حمل و نقل از دفاتر پست به طرف دستگاه های پمپاژ و فشاری حدود 8/0 آتمسفر برای بازگشت لازم است. جالب توجه است که ذکر کنیم در قرن نوزدهم میلادی بر مبنای همین اصل ترن بادی ساخته شد و در سالهای 1840 تا 1860 میلادی در شهر دوبلین (ایرلند) و سن ژرمن از شهرهای فرانسه مورد استفاده قرار گرفت.

4)     خلاء عموماً در آزمایشگاه و صنایع شیمیایی برای شتاب دادن به سرعت تصفیه (Filtering) بکار می رود از اختلاف فشار بدست آمده بوسیله ی تخلیه در «فرم دادن در خلاء پلاستیکها» استفاده می شود. (VAC. Forming plastics)

5)     لزوم جابجا کردن اجزاء شیمیایی فعال جو‌(اکسیژن – بخارآب) توسط پمپ خلاء به همراه اختراع لامپ های التهابی مطرح شد. به منظور جلوگیری از اکسیده شدن فیلمان گرم شده در دماهای بسیار بالا، می بایست که جو خنثی باشد. در واقع این جویا بوسیله ی یک خلاء (حدود ) و یا به وسیله ی گاز خنثی ای که بعد از تخلیه لامپ (در یک خلاء بالا)، لامپ از آن پٌر می شود، تشکیل خواهد شد.

6)     امکان پذیر بودن تخلیه اطاقکهای بزرگ در حد یک خلاء بالا در «متالوژی در خلاء» به کار می رود، «Vacuum Metalurgy»، تا از فلزات فعال در قبال اکسیده شدن در حین ذوب، ریخته گری، کلوخه سازی و ... محافظت کند.

7)     بسته بندی مواد غذایی در خلاء (Vacuum Packaging)، یا موادی که در فضای باز به واکنش با اجزاء جو حساس هستند، درسطحی وسیع در کارخانجات مدرن استفاده می شود، (تخلیه در محدوده ی خلاء پائین است) . کپسوله کردن قطعات حساس در خلاء یا به عبارتی‌ : (Vacuum Encapsulation) غالباً در محدودﺓ خلاء بالا صورت می گیرد (این گونه مواد مانند : ترنزیستورها، خازنها و ...). با کمک تکنیک های تست نشت که دارای کشف کننده های حساسی می باشند، می توان استحکام کپسوله را کنترل نمود.

8)     تکنولوژی خلاء برای از میان بردن رطوبت از درون مواد غذایی، مواد شیمایی، محصولات دارویی، بتن و غیره بکار می رود. همچنین برای برداشتن گازهای غیرقابل ترکیب از روی روغن، پلاستیک و ... استفاده می شود.

9)     ساخت عصاره میوه و تولید شیر کنسانتره (غلیظ شده)، مثالهایی از وسعت زیاد محصولاتی است که در خلاء و بر اساس غلیظ کردن ساخته می شوند. این فرایند به یک حرارت زیاد برای تبخیر آب یا حلالهای جمع شده درون محصولات نیازی ندارد.

10)      با استفاده از فرایند خشک کردن در خلاء که با سرد کردن همراه است، محصولات ابتدا منجمد شده و آب باقیمانده در محصول منجمد بوسیله تصفیه خارج می گردد. (تصعید به فرایندی گویند که در آن جسم جامد با دادن حرارت، مستقیماً به بخار تبدیل می شود در واقع در جریان این فرایند هیچ کونه میعانی صورت نمی پذیرد). در محصولاتی که توسط روش بالا ساخته می شوند، مقدار آب باقیمانده نهایی بسیار کم است، تغییرات شیمایی حداقل می باشد، اجزاء و مواد بخار شدنی اساساً در محصول نهایی باقی نگه داشته می شوند (به طور مثال قهوه فوری)، از انعقاد پرهیز می شود (در پلاسمای خون) و کلاً خواص نگهداری شده عالی هستند.

11)     فرایند باردار کردن در خلاء(Vacuum Impregnation) شامل جابجا کردن رطوبت یا گاز جذب شده و پر کردن جای آنها بوسیله ی ماده دیگری است. اگرچه آن فرایندهای باردار کردنی که شناخته شده عمومی هستند که خصوصیات دی الکتریک عایق کاریها را (موتورهای پیچشی، خازنها، کابلها) بهبود می بخشند، اما از تکنیک های باردار کردن در خلاء برای افزایش مقاومت با کاهش قابلیت احتراق منسوجات، کاغذ، چوب و غیره نیز استفاده می شود.

12)    خلاء بالا، یک عایق ساز حرارتی و الکتریکی است. از این خاصیت در فلاسک های Dewar برای نگهداری هوای سیال، نیتروژن، هلیم و غیره استفاده می شود. و همینطور در فلاسک های Thermos برای خنک نگه داشتن نوشیدنی یا غذا از همین خاصیت بهره گرفته می شود. هر دوی این فلاسک ها، دو جداره بوده و فضای بین دیواره هایشان در خلاء بالا تخلیه می شود.

13)     از خصوصیت عایق کاری الکتریکی خلاء بالا، در سوئیچ های خلاء و در دستگاه های با ولتاژ بالا(شتاب دهنده ها، تیوب ها) استفاده می گردد. همچنین خلاء یک نقش اساسی در دستگاه های گداز(ذوب) برای تولید انرژی بازی می کند مانند توکاماک ها و سیستم های ذوب لیزری.

14)    از آنجا انتقال انرژی در فضای بیرونی (خارج از جو زمین) و در خلاء بسیار بالا یکسان است شبیه سازی فضا، یکی از موارد کاربرد خوب تکنولوژی خلاء است. اطاقکهای شبیه سازی فضا تا حجمهای بیشتر از هزار متر مکعب گسترش می یابند و بعضی از آنها تا پائین ترین فشار هایی که امروزه قابل دستیابی است تخلیه می شوند. از کاربرد هایی که اخیراً با استفاده از تکنولوژی خلاء انجام شده است در شاتل فضایی«Space Shuttle» بوده که در واقع آزمایشگاهی در خلاء است که در فضا و در ارتفاع 200 تا 300 کیلومتر از سطح زمین مستقر شده از خلاء بالای موجود در فضا استفاده می کند.

15)    خلاء بالا و بسیار رقیق : از خلاء بالا و خلاء بسیار بالا به منطور جلوگیری از هر زمینه ای، ناشی از گازهای محیط استفاده می کنند. فاصل هبزرگ پویش آزاد میانگین که در خلاء بالا موجود است برای جلوگیری از برخورد بین ملکول ها، یون ها، در لامپ های الکترونی، فتوسل ها، لامپ های اشعه کاتودی، لامپ های اشعه ایکس، شتاب دهنده ها‌، اسپکترومتروهای جرمی، میکروسکوپ های الکترونی و غیره استفاده می شود. از همین خاصیت در کارخانه های روکش کاری در خلاء«Vacuum Coating» استفاد می شود که درآنجا مادﺓ روکش کاری از منبعی که دارد تبخیر شده و به سطحی که باید در زیر قرار بگیرد و روکش شود می رسد (ماده روکش کاری در مسیر مستقیم و بدون برخورد حرکت می کند).

16)    تقطیر مولکولی رشته دیگری است که درآن از خلاء بالا استفاده می شود تا بوسیله آن و همچنین تبخیر و بدون هر برخوردی با ملکول های گازهای دیگر، به یک جزء خالص دست یابند.

17)   خلاء بسیار بالا به ما اجازه می دهد تا خواص اصلی سطوح را (اصطحکاک، چسبندگی، گسیلندگی و ...) را مطالعه کینم، زیرا که در فشارهای پائین زمانهای شکل گیری چند لایه به اندازﺓ کافی طولانی است.