مخزن خلاء یا مخزن وکیوم یک یونیت صنعتی است که برای ایجاد و نگهداری فشار وکیوم یا فشار پایین در داخل آن استفاده می‌شود. وکیوم به معنای حذف کامل هوا از یک فضا است و در نتیجه فشار بسیار پایینی در داخل آن ایجاد می‌شود. در فرآیند ایجاد وکیوم در یک مخزن خلاء، هدف اصلی کاهش فشار هوا در مخزن تا حداکثر حد ممکن است. اما به دلیل وجود برخورد بین ملکول‌های هوا و دیواره‌های مخزن، بخشی از ملکول‌های هوا هنوز در داخل مخزن باقی می‌ماند. بنابراین، تعداد ملکول‌های هوا در مخزن خلاء به صفر نمی‌رسد.
مخزن خلاء معمولاً برای ایجاد و نگهداری وکیوم استفاده می‌شود. وکیوم به معنای کاهش فشار و حذف هوا یا گازهای دیگر از داخل فضایی است که به طور عادی هوا در آن وجود دارد. بنابراین، هدف اصلی مخزن خلاء ایجاد و نگهداری فشار کمتر از فشار جو است تا فضای خلاء وکیومی را فراهم کند. برای این کار، مخزن خلاء معمولاً از جنس محکم و ضد نفوذ استفاده می‌شود تا جریان هوا به داخل مخزن کاهش یابد و وکیوم حفظ شود.
مخازن خلاء برای مجموعه‌های مختلفی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در فیزیک، مخازن خلاء در آزمایشگاه‌ها استفاده می‌شوند تا در محیطی با فشار بسیار پایین، آزمایشاتی را انجام دهند که نیاز به کاهش تدریجی فشار دارند. در کل، مخازن خلاء یا مخازن وکیوم ابزارهایی هستند که برای ایجاد فشار پایین یا وکیوم در داخل آنها استفاده می‌شوند و در نتیجه می‌توانند در بسیاری از صنایع و آزمایشگاه‌ها به کار گرفته شوند.
کاربرد مخازن خلاء
مخازن خلاء در انواع صنایع و زمینه‌های مختلف استفاده می‌شوند. مخازن خلاء در صنعت الکترونیک برای ساخت و تعمیر قطعات الکترونیکی حساس به هوا استفاده می‌شوند. ایجاد فشار پایین در داخل مخزن خلاء به عنوان یک محیط خلاء، امکان بررسی و تست قطعات الکترونیکی در شرایط غیراکسیژنی را ممکن می‌کند و از آنها در برابر تاثیرات مخرب رطوبت و ذرات معلق محافظت می‌کند. مخازن خلاء در آزمایشگاه‌های فیزیک و علوم مواد استفاده می‌شوند. با ایجاد فشار پایین، محققان می‌توانند خواص و رفتار مواد را در شرایطی که هوا و دیگر گازها تاثیر نداشته باشند، بررسی و تحلیل کنند.
همچنین، در تولید نانوذرات و نانومواد، مخازن خلاء برای رسوب‌گذاری و رشد نانوساختارها با کیفیت بالا استفاده می‌شوند. در صنعت شیشه‌سازی، مخازن خلاء برای حذف حباب‌های هوا در جریان رسوب شیشه و کاهش احتمال وجود خلل‌ها و نقاط ضعف در شیشه استفاده می‌شوند. با حذف هوا، شیشه در داخل مخزن خلاء به صورت یکنواخت و بدون حباب شکل می‌گیرد.
در صنعت فرآوری غذا، مخازن خلاء برای بسته‌بندی مواد غذایی استفاده می‌شوند. با ایجاد فشار پایین در داخل مخزن، هوا و رطوبت از بسته‌بندی حذف می‌شوند و عمر مفید محصولات غذایی را افزایش می‌دهند. در صنعت فضایی، مخازن خلاء برای ساخت و تست قطعات و تجهیزاتی که در شرایط فشار کم یا بدون فشار عمل می‌کنند، استفاده می‌شوند. این قطعات در فضا با شرایطی متفاوت از شرایط زمینی مواجه هستند و نیاز به تست در شرایط فشار کم وکیوم دارند.
معادلات و روابط ریاضی خلاء
فشار وارد شده به بدنه مخازن خلاء از قوانین و معادلات ریاضی خاصی پیروی می‌کند. این قوانین و معادلات بر اساس فیزیک گازها و تئوری وکیوم تعریف می‌شوند. قانون بویل-ماریوت بیانگر رابطه بین حجم و فشار یک گاز است که در مخزن خلاء قرار دارد. معادله بویل-ماریوت به صورت زیر است:
P₁V₁ = P₂V₂
در این معادله، P₁ و V₁ به ترتیب فشار و حجم اولیه گاز در مخزن خلاء و P₂ و V₂ به ترتیب فشار و حجم نهایی گاز در مخزن خلاء را نشان می‌دهند. این معادله برای تعیین تغییرات فشار و حجم در مخزن خلاء در اثر عملیات مختلف مانند جذب یا انتقال گازها استفاده می‌شود. قانون گرمایی بولتزمن بیانگر رابطه بین فشار و دما یک گاز در مخزن خلاء است. معادله گرمایی بولتزمن به صورت زیر است:
PV = nRT
در این معادله، P نشان دهنده فشار گاز، V حجم آن، n تعداد مولها، R ثابت گازی (ثابت بولتزمان) و T دمای گاز است. این معادله بر اساس قوانین گرما و فشار گازها استفاده می‌شود و به ما اجازه می‌دهد فشار یا حجم گاز را در شرایط مختلف دما و تعداد مولها تعیین کنیم. استفاده از این معادلات و قوانین به ما این امکان را می‌دهد تا فشار و حجم گاز در مخزن خلاء را در مورد عملیات مختلف مانند جذب یا انتقال گازها، تغییر دما و تعداد مولها، تخمین بزنیم و محاسبات لازم را انجام دهیم.
واحد اندازه‌گیری فشار در داخل مخازن خلاء معمولاً از واحد پاسکال (Pascal) استفاده می‌شود. پاسکال واحد اندازه‌گیری فشار در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) است و به نام فیزیکدان فرانسوی “بلز پاسکال” نامگذاری شده است. فشار مخازن خلاء می‌تواند در موارد خاص و بسته به نیازهای کاربردی متغیر باشد. در برخی موارد، فشار مخازن خلاء به مقادیر خیلی پایین‌تر از فشار جو کاهش می‌یابد، مانند مخازن خلاء با فشار 10^-6 تا 10^-7 پاسکال که به عنوان وکیوم عمیق شناخته می‌شوند.
تجهیزات جانبی برای ایجاد خلاء
برای تخلیه هوای داخل مخزن خلاء و ایجاد وکیوم عمیق، نیاز به تجهیزات و وسایل خاصی دارید.
- پمپ وکیوم یکی از اجزای اصلی برای ایجاد وکیوم عمیق است. پمپ وکیوم‌ها بر اساس اصول مختلفی مانند پمپ جت، پمپ دیفیوژریک، پمپ توربوملکولی و پمپ جریان پایین عمل می‌کنند. این پمپ‌ها برای از بین بردن هوا و ایجاد فشار پایین در مخزن خلاء استفاده می‌شوند.
- شیرآلات برای کنترل جریان هوا و ورود و خروج آن در مخزن خلاء استفاده می‌شوند. شیر ها معمولاً برای جلوگیری از ورود هوا به مخزن و تخلیه آن استفاده می‌شوند.
- استفاده از منبع گرما مانند اجزای برقی یا لیزرها برای گرم کردن و جذب بخارها و گازهای موجود در مخزن خلاء استفاده می‌شود. این روش به نام “جذب گرمایی” شناخته می‌شود و کمک می‌کند تا گازها تا حد ممکن از مخزن خلاء حذف شوند.
- برای خنک کردن مخزن خلاء و کاهش دمای آن در فرآیند ایجاد وکیوم، سیستم خنک کننده مانند یخچال وکیوم یا کمپرسورهای خنک کننده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
با ایجاد وکیوم عمیق، فشار هوا در مخزن به حدی کاهش می‌یابد که تعداد ملکول‌های هوا به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد، اما همچنان ممکن است ملکول‌های هوا در مخزن باقی بمانند. این ملکول‌ها به طور تصادفی در مخزن حرکت می‌کنند و به دیواره‌های مخزن برخورد می‌کنند. این به اصطلاح “گاز باقیمانده” یا “گاز بازمانده” نامیده می‌شود. میزان گاز باقیمانده در مخزن خلاء به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله کیفیت و محکمیت سیستم خلاء، نوع وکیوم ایجاد شده، و همچنین دما. به طور کلی، در وکیوم‌های عمیق، تعداد ملکول‌های هوا به حداقل ممکن کاهش می‌یابد، اما به صفر نمی‌رسد.
استانداردهای طراحی و ساخت
برای طراحی و ساخت مخازن خلاء و مخازن وکیوم، استانداردها و مشخصات متعددی وجود دارند که توسط سازمان‌ها و سازمان‌های صنعتی مختلف تعیین شده‌اند.
- ASME BPVC Section VIII
این استاندارد توسط انجمن مهندسان ماشین‌سازی آمریکا (ASME) تعیین شده است و شرایط طراحی و ساخت مخازن تحت فشار را شامل می‌شود. بخش VIII از این استاندارد به طور خاص به مخازن فشاری اختصاص داده شده است. - ASTM E18
این استاندارد توسط ASTM International تعیین شده است و مشخصات و روش‌های آزمون جامدات فلزی را شامل می‌شود. این استاندارد برای بررسی خواص مکانیکی و مقاومت فلزات که به عنوان جزء ساختاری مخازن خلاء مورد استفاده قرار می‌گیرند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. - EN 13445
این استاندارد توسط اتحادیه اروپا برای مخازن فشاری تعیین شده است. این استاندارد شرایط طراحی و ساخت مخازن فشاری را در اروپا پوشش می‌دهد.
برای برخی مخازن خلاء و مخازن وکیوم خاص، مانند مخازن استفاده در صنعت هسته‌ای، استانداردها و مشخصات خاصی نیز وجود دارد که توسط سازمان‌ها و سازمان‌های مربوطه تعیین شده‌اند. در هر صورت، استانداردهای مورد نیاز برای طراحی و ساخت مخازن خلاء و مخازن وکیوم بستگی به نوع و کاربرد مخزن، محدودیت‌های فنی و قوانین منطقه‌ای ممکن است.
