پمپ وکیوم آزمایشگاهی، به عنوان یک ابزار حیاتی در تجهیزات آزمایشگاهی، دستگاهی است که برای تخلیه گازها و ایجاد خلاء در سیستم‌های مختلف به کار می‌رود. خلاء ایجاد شده توسط این پمپ‌ها، محیطی کنترل‌شده را فراهم می‌آورد که برای انجام طیف گسترده‌ای از فرآیندهای علمی و صنعتی ضروری است. بر اساس استاندارد ISO 3529-1:2019، خلاء به سطوح مختلف فشار طبقه‌بندی می‌شود که عبارتند از: خلاء پایین (Low Vacuum)، خلاء متوسط (Medium Vacuum)، خلاء بالا (High Vacuum) و خلاء بسیار بالا (Ultra-High Vacuum).

هر یک از این سطوح خلاء، کاربردهای خاص خود را در محیط‌های آزمایشگاهی ایفا می‌کنند و پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی نقش کلیدی در دستیابی به این سطوح و بهره‌برداری از مزایای آنها دارند. اهمیت پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی در توانایی آن‌ها برای ایجاد شرایطی نهفته است که امکان انجام آزمایش‌های حساس، دقیق و تکرارپذیر را فراهم می‌سازد.

انتخاب و خرید پمپ وکیوم آزمایشگاهی

انتخاب پمپ وکیوم آزمایشگاهی مناسب، تصمیمی حیاتی است که باید با در نظر گرفتن دقیق نیازهای کاربردی و مشخصات فنی پمپ انجام شود. فاکتورهای فنی کلیدی که در انتخاب پمپ وکیوم باید مورد توجه قرار گیرند عبارتند از:

• میزان خلاء نهایی (Ultimate Vacuum): حداقل فشاری که پمپ قادر به دستیابی به آن است. این پارامتر با واحدهای میلی‌بار (mbar)، پاسکال (Pa) یا تور (Torr) اندازه‌گیری می‌شود و باید با توجه به سطح خلاء مورد نیاز برای کاربرد مشخص انتخاب شود.
• سرعت پمپاژ (Pumping Speed): حجم گازی که پمپ در واحد زمان تخلیه می‌کند. این پارامتر با واحدهایی مانند لیتر بر دقیقه (L/min)، متر مکعب بر ساعت(m³/h)) یا فوت مکعب بر دقیقه (CFM) اندازه‌گیری می‌شود و باید متناسب با حجم سیستم و سرعت فرآیند مورد نظر انتخاب گردد.
• نوع گاز پمپ شونده (Gas Type): سازگاری پمپ با نوع گاز یا بخار موجود در سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. برخی پمپ‌ها برای پمپاژ هوا، گازهای خنثی و گازهای غیرخورنده طراحی شده‌اند، در حالی که برخی دیگر قابلیت پمپاژ گازهای خورنده، قابل اشتعال یا بخارات حلال را نیز دارا هستند. جنس مواد سازنده پمپ و روغن مورد استفاده در پمپ‌های روتاری روغنی باید با نوع گاز پمپ شونده سازگار باشد.
• میزان صدا (Noise Level): در محیط‌های آزمایشگاهی که آرامش و سکوت مورد نیاز است، میزان صدای پمپ می‌تواند عامل مهمی در انتخاب باشد. پمپ‌های دیافراگمی و اسکرول معمولاً صدای کمتری نسبت به پمپ‌های روتاری روغنی دارند. میزان صدا با واحد دسی‌بل (dB(A)) اندازه‌گیری می‌شود.
• توان مصرفی (Power Consumption): راندمان انرژی و مصرف توان پمپ، به ویژه در کاربردهای طولانی‌مدت، می‌تواند بر هزینه‌های عملیاتی تاثیرگذار باشد. توان مصرفی پمپ با واحدهای وات (Watt) یا کیلووات (kW) اندازه‌گیری می‌شود.
• ابعاد و وزن (Dimensions & Weight): ابعاد و وزن پمپ در محیط‌های آزمایشگاهی با فضای محدود یا کاربردهای قابل حمل، از جمله فاکتورهای مهم به شمار می‌روند.
• مواد سازنده (Materials of Construction): جنس مواد به کار رفته در ساخت پمپ باید با مواد فرآیند سازگار بوده و مقاومت شیمیایی و طول عمر مناسبی را ارائه دهد.
• نوع اتصال ورودی و خروجی (Inlet/Outlet Connection): نوع و استاندارد اتصالات ورودی و خروجی پمپ (مانند KF، ISO، NPT) باید با اتصالات سیستم خلاء مورد نظر سازگار باشد.
• عمر سرویس و نگهداری (Service Life & Maintenance): دوره‌های سرویس و نگهداری، دسترسی به قطعات یدکی و هزینه نگهداری، از جمله عوامل مهم در ارزیابی هزینه کلی مالکیت پمپ (Total Cost of Ownership) محسوب می‌شوند. پمپ‌های با برندهای معتبر معمولاً کیفیت و طول عمر بالاتری دارند.

انواع پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی

پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی بر اساس مکانیزم عملکرد و محدوده خلاء قابل دستیابی، به انواع گوناگونی تقسیم می‌شوند. هر نوع پمپ، ویژگی‌ها، مزایا و معایب خاص خود را دارا بوده و برای کاربردهای متفاوتی در محیط آزمایشگاه مناسب است. در ادامه به معرفی انواع رایج پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی پرداخته می‌شود:

پمپ‌ وکیوم روتاری روغنی

پمپ‌های روتاری روغنی، به عنوان یکی از رایج‌ترین و پرکاربردترین انواع پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی شناخته می‌شوند. این پمپ‌ها با استفاده از مکانیزم جابجایی مثبت و بهره‌گیری از روغن به عنوان سیلانت و روان‌کننده، قادر به ایجاد خلاء در محدوده 10^-1 تا 10^-3 میلی‌بار هستند.

مکانیزم عملکرد این پمپ‌ها بر پایه چرخش روتور استوانه‌ای خارج از مرکز در داخل محفظه پمپ استوار است. با چرخش روتور، حجم محفظه به طور دوره‌ای افزایش و کاهش یافته و گاز از ورودی به سمت خروجی پمپ منتقل می‌شود. روغن به کار رفته در این پمپ‌ها نقش مهمی در آب‌بندی قطعات متحرک و خنک‌سازی پمپ ایفا می‌کند. پمپ‌های روتاری روغنی به دلیل راندمان بالا، قابلیت اطمینان و هزینه نسبتاً پایین، انتخاب مناسبی برای بسیاری از کاربردهای عمومی آزمایشگاهی از جمله تقطیر در خلاء، خشک کردن و تغلیظ حلال‌ها به شمار می‌روند. با این حال، استفاده از روغن در این پمپ‌ها می‌تواند منجر به بازگشت بخار روغن به سیستم و آلودگی خلاء شود که در کاربردهای حساس به خلوص خلاء، یک محدودیت محسوب می‌گردد.

مواد رایج در ساخت روتور و محفظه این پمپ‌ها شامل چدن و فولاد ضد زنگ است.

پمپ‌های دیافراگمی

پمپ‌های دیافراگمی، دسته‌ای از پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی هستند که بر اساس اصل تغییر حجم محفظه از طریق لرزش دیافراگم عمل می‌کنند. این پمپ‌ها به دلیل عدم استفاده از روغن، خلاء تمیز و عاری از آلودگی روغن تولید می‌کنند و برای کاربردهایی که خلوص خلاء از اهمیت بالایی برخوردار است، گزینه‌ای ایده‌آل محسوب می‌شوند.

پمپ‌های دیافراگمی معمولاً در دو نوع تک مرحله‌ای و دو مرحله‌ای تولید می‌شوند. مدل‌های تک مرحله‌ای به رنج خلاء تا حدود 10 میلی‌بار و مدل‌های دو مرحله‌ای تا حدود 1 میلی‌بار دست می‌یابند. دیافراگم به کار رفته در این پمپ‌ها معمولاً از موادی مانند PTFE (پلی‌تترافلوئورواتیلن) یا الاستومرهای لاستیکی ساخته می‌شود که مقاومت شیمیایی و انعطاف‌پذیری مناسبی را ارائه می‌دهند.

پمپ‌های دیافراگمی برای پمپاژ گازهای خورنده و کاربردهایی نظیر کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC) و طیف‌سنجی جرمی با خلاء متوسط مناسب هستند. مزایای این پمپ‌ها شامل عدم نیاز به روغن، صدای کم و طول عمر بالا است.

پمپ‌های اسکرو

پمپ‌های اسکرول، نوعی پمپ وکیوم خشک (بدون روغن) هستند که بر اساس حرکت مارپیچی (اسکرول) دو قطعه مارپیچ در داخل یکدیگر عمل می‌کنند.

با حرکت اسکروها، حجم محفظه پمپ به طور پیوسته تغییر کرده و گاز از ورودی به خروجی منتقل می‌شود. این پمپ‌ها قادر به ایجاد خلاء در محدوده 10^-2 میلی‌بار برای مدل‌های تک مرحله‌ای و 10^-3 میلی‌بار برای مدل‌های دو مرحله‌ای هستند.

پمپ‌های اسکرول به دلیل طراحی بدون روغن، خلاء تمیز، لرزش و صدای کم، به طور فزاینده‌ای در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. این پمپ‌ها برای کاربردهایی نظیر سیستم‌های کروماتوگرافی گازی متصل به طیف‌سنج جرمی (GC-MS) و فرآیندهای پوشش‌دهی لایه نازک (Thin Film Deposition) مناسب هستند. پمپ‌های اسکرول در مقایسه با پمپ‌های روتاری روغنی، هزینه اولیه بالاتری دارند اما نیاز به نگهداری کمتری داشته و طول عمر بالاتری ارائه می‌دهند.

پمپ‌های توربو مولکولی

پمپ‌های توربو مولکولی، به منظور دستیابی به خلاء بسیار بالا (اولترا وکیوم) در محدوده 10^-8 میلی‌بار و بالاتر طراحی شده‌اند. این پمپ‌ها بر اساس اصل انتقال مومنتوم به مولکول‌های گاز توسط روتور پرسرعت عمل می‌کنند. روتور پمپ توربو مولکولی با سرعت چرخش بسیار بالا (هزاران دور در دقیقه) می‌چرخد و مولکول‌های گاز را شتاب داده و به سمت خروجی هدایت می‌کند.

به دلیل سرعت بالای روتور، این پمپ‌ها نیاز به پمپ پشتیبان (Backing Pump) دارند تا فشار خروجی را در محدوده قابل قبولی نگه دارند. پمپ‌های توربو مولکولی به طور گسترده در کاربردهایی نظیر میکروسکوپ الکترونی (Electron Microscopy)، آنالیز سطحی (Surface Analysis) و تحقیقات فضایی (Space Research) مورد استفاده قرار می‌گیرند.

این پمپ‌ها پیچیده‌تر و گران‌تر از سایر انواع پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی هستند اما قابلیت دستیابی به بالاترین سطوح خلاء را فراهم می‌آورند.

پمپ‌های دیفیوژن

پمپ‌های دیفیوژن، نوع دیگری از پمپ‌های وکیوم بالا هستند که برای ایجاد خلاء در محدوده 10^-7 میلی‌بار مناسب می‌باشند. این پمپ‌ها بر اساس اصل انتشار (Diffusion) بخار سیال عامل با سرعت بالا و به دام انداختن مولکول‌های گاز عمل می‌کنند.

سیال عامل در پمپ‌های دیفیوژن معمولاً روغن‌های سیلیکونی یا روغن‌های مخصوص پمپ دیفیوژن است. بخار سیال عامل از طریق نازل‌ها به سمت پایین جریان یافته و مولکول‌های گاز را به سمت خروجی پمپ هدایت می‌کند. پمپ‌های دیفیوژن نیز مانند پمپ‌های توربو مولکولی، نیاز به پمپ پشتیبان دارند. کاربردهای این پمپ‌ها شامل کوره‌های خلاء بالا (High Vacuum Furnaces) و فرایندهای لایه‌نشانی تبخیری (Evaporation Coating) است.

پمپ‌های دیفیوژن در مقایسه با پمپ‌های توربو مولکولی، ساختار ساده‌تر و هزینه کمتری دارند اما سرعت پمپاژ کمتری ارائه می‌دهند و احتمال بازگشت بخار روغن به سیستم در آن‌ها بیشتر است.

مکانیزم عملکرد پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی

مکانیزم عملکرد هر نوع پمپ وکیوم آزمایشگاهی، تعیین‌کننده ویژگی‌های عملکردی آن از جمله محدوده خلاء قابل دستیابی و سرعت پمپاژ است.

درک دقیق مکانیزم عملکرد این پمپ‌ها، برای انتخاب صحیح پمپ متناسب با کاربرد مورد نظر و همچنین برای عیب‌یابی و نگهداری آن‌ها ضروری است. نمودارهای شماتیک مکانیزم داخلی پمپ‌های روتاری روغنی، دیافراگمی، اسکرول و توربو مولکولی به درک بهتر نحوه ایجاد خلاء در هر نوع پمپ کمک می‌کنند. منحنی عملکرد پمپ (Pumping Speed Curve)، که نشان‌دهنده تغییر سرعت پمپاژ با فشار ورودی است، از دیگر ابزارهای مهم برای ارزیابی عملکرد پمپ‌های وکیوم به شمار می‌رود.

برای پمپ‌های مختلف، شکل این منحنی متفاوت بوده و اطلاعات ارزشمندی را در مورد کارایی پمپ در فشارهای مختلف ارائه می‌دهد. در برخی موارد، فرمول‌ها و روابط ریاضی حاکم بر عملکرد پمپ‌های وکیوم نیز در منابع فنی ارائه می‌شوند که امکان تحلیل دقیق‌تر و محاسبات مهندسی را فراهم می‌سازند.

سرعت پمپاژ، که با واحدهایی مانند لیتر بر دقیقه (L/min) یا متر مکعب بر ساعت (m³/h) اندازه‌گیری می‌شود، نشان‌دهنده حجم گازی است که پمپ در واحد زمان تخلیه می‌کند. میزان خلاء نهایی (Ultimate Vacuum)، که با واحدهایی مانند میلی‌بار (mbar) یا پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود، حداقل فشاری است که پمپ قادر به دستیابی به آن است.

کاربردهای پمپ وکیوم آزمایشگاهی

پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی در گستره وسیعی از کاربردهای علمی، پژوهشی و صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. تنوع کاربردهای این پمپ‌ها ناشی از قابلیت آن‌ها در ایجاد محیط‌های خلاء با سطوح مختلف فشار و ویژگی‌های متفاوت است.

• کاربرد در آزمایشگاه شیمی: پمپ‌های وکیوم روتاری روغنی به طور گسترده در آزمایشگاه‌های شیمی برای فرایندهای تقطیر در خلاء، تبخیر حلال‌ها، خشک کردن مواد شیمیایی و سنتز ترکیبات آلی به کار می‌روند. پمپ‌های دیافراگمی در کاربردهای مربوط به گازهای خورنده و همچنین سیستم‌های HPLC و طیف‌سنجی جرمی با خلاء متوسط مورد استفاده قرار می‌گیرند. پمپ‌های اسکرول در سیستم‌های کروماتوگرافی گازی متصل به طیف‌سنج جرمی (GC-MS) کاربرد دارند.
• کاربرد در آزمایشگاه زیست‌شناسی: در آزمایشگاه‌های زیست‌شناسی، پمپ‌های وکیوم برای خشک کردن نمونه‌های بیولوژیکی، نگهداری سلول‌ها و بافت‌ها در شرایط خلاء، انجام فرایندهای میکروسکوپی و همچنین در سیستم‌های فیلتراسیون خلاء به کار می‌روند. پمپ‌های دیافراگمی به دلیل ایجاد خلاء تمیز، برای کاربردهای حساس در زیست‌شناسی مناسب‌تر هستند.
• کاربرد در داروسازی: صنعت داروسازی به شدت به فناوری خلاء وابسته است. پمپ‌های وکیوم در تولید داروهای استریل و خالص، فرایندهای خشک کردن و تغلیظ مواد دارویی، بسته‌بندی داروها و همچنین در دستگاه‌های تست نشتی بسته‌بندی دارویی کاربرد دارند. استانداردهای GMP (Good Manufacturing Practice) و HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) در صنایع داروسازی و غذایی، استفاده از خلاء کنترل‌شده را در بسیاری از فرآیندها الزامی می‌سازند.
• کاربردهای صنعتی: اگرچه تمرکز اصلی این مقاله بر پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی است، شایان ذکر است که پمپ‌های وکیوم در صنایع غذایی و بسته‌بندی، صنعت نیمه‌رسانا، متالورژی، صنایع نفت و گاز و بسیاری دیگر از صنایع نیز کاربردهای فراوانی دارند.

نصب، راه‌اندازی و نگهداری پمپ وکیوم آزمایشگاهی

نصب، راه‌اندازی و نگهداری صحیح پمپ وکیوم آزمایشگاهی، نقش حیاتی در عملکرد بهینه، طول عمر و ایمنی کار با این تجهیزات دارد.

• نصب و راه‌اندازی: قبل از هر اقدامی، مطالعه دقیق دفترچه راهنمای پمپ وکیوم و رعایت دستورالعمل‌های شرکت سازنده الزامی است. دستورالعمل‌های نصب و راه‌اندازی تصویری و ویدیویی که توسط برخی شرکت‌ها ارائه می‌شوند، می‌توانند راهنمای مفیدی در این زمینه باشند. استفاده از چک‌لیست راه‌اندازی اولیه پمپ وکیوم، از بروز مشکلات احتمالی در مراحل اولیه کار جلوگیری می‌کند.
• نگهداری دوره‌ای: نگهداری منظم و سرویس دوره‌ای پمپ‌های وکیوم، برای حفظ عملکرد و افزایش طول عمر آن‌ها ضروری است. برنامه‌های زمان‌بندی سرویس و نگهداری دوره‌ای باید بر اساس توصیه شرکت سازنده و شرایط کاری پمپ تنظیم شوند. برای پمپ‌های روتاری روغنی، تعویض دوره‌ای روغن و فیلترها از مهم‌ترین اقدامات نگهداری به شمار می‌رود. روغن‌های مناسب برای پمپ‌های روتاری روغنی باید بر اساس نوع پمپ، کاربرد و نوع گاز پمپ شونده انتخاب شوند. مشخصات فنی روغن‌های وکیوم باید به دقت بررسی و روغن با کیفیت مناسب و مطابق با توصیه شرکت سازنده استفاده شود. فیلترهای ورودی و خروجی پمپ نیز باید به طور منظم تمیز یا تعویض شوند.
• عیب‌یابی: در صورت بروز هرگونه اختلال در عملکرد پمپ وکیوم، عیب‌یابی سیستماتیک و شناسایی علت مشکل، گام اساسی در رفع آن است. جداول عیب‌یابی که بر اساس علائم خرابی و روش‌های تست ارائه می‌شوند، می‌توانند در فرآیند عیب‌یابی کمک‌کننده باشند. صداهای غیرعادی، لرزش بیش از حد، کاهش سرعت پمپاژ یا عدم دستیابی به خلاء مطلوب، از جمله علائم رایج مشکلات پمپ‌های وکیوم هستند.
• ایمنی: کار با پمپ‌های وکیوم آزمایشگاهی مستلزم رعایت نکات ایمنی است. استفاده از تجهیزات ایمنی فردی مانند عینک، دستکش و لباس محافظ در هنگام کار با پمپ، به ویژه هنگام کار با پمپ‌های حاوی روغن داغ یا پمپاژ گازهای خطرناک، ضروری است. اطمینان از تهویه مناسب محیط کار، دفع صحیح روغن و مواد شیمیایی استفاده شده در پمپ، از دیگر ملاحظات ایمنی مهم به شمار می‌روند. استانداردهای ایمنی کار مانند OSHA (Occupational Safety and Health Administration) و سیستم‌های مدیریت ایمنی و بهداشت شغلی بر اساس استاندارد ISO 45001، چارچوب‌های جامعی برای تضمین ایمنی در محیط‌های کار ارائه می‌دهند.