Nguyên lý hoạt động của bơm chân không khuếch tán (Diffusion Pump)

Bơm chân không khuếch tán là gì?

Bơm chân không khuếch tán (Diffusion Pump) là thiết bị tạo chân không cao và siêu cao, thường được sử dụng trong các hệ thống công nghiệp và nghiên cứu yêu cầu áp suất rất thấp (từ 10⁻⁵ đến 10⁻⁹ mbar).

Khác với bơm cơ khí, bơm khuếch tán không có bộ phận chuyển động, hoạt động dựa trên dòng hơi dầu hoặc thủy ngân chuyển động với vận tốc cao để kéo các phân tử khí ra khỏi buồng chân không.

Cấu tạo cơ bản của bơm chân không khuếch tán

Một bơm diffusion pump tiêu chuẩn gồm các bộ phận chính:

• Buồng bơm (pump body) hình trụ

• Dầu khuếch tán (diffusion oil) chuyên dụng

• Bộ gia nhiệt (heater)

• Ống phun – vòi phun (jet assembly) nhiều tầng

• Hệ thống làm mát thành bơm (nước hoặc khí)

• Cửa hút (inlet) và cửa xả (foreline)

⚠️ Bơm khuếch tán luôn cần bơm sơ cấp (bơm vòng dầu hoặc bơm khô) để duy trì áp suất xả.

Nguyên lý hoạt động của bơm chân không khuếch tán

Nguyên lý hoạt động của diffusion pump dựa trên hiện tượng khuếch tán phân tử khí trong dòng hơi dầu chuyển động siêu tốc.

1. Gia nhiệt và tạo dòng hơi dầu

• Dầu khuếch tán được gia nhiệt đến nhiệt độ bay hơi

• Dầu hóa thành dòng hơi áp suất cao

• Hơi dầu đi lên trung tâm bơm và đi vào hệ thống vòi phun

👉 Hơi dầu được phun ra với vận tốc rất lớn (siêu âm) theo hướng từ trên xuống dưới.

2. Bắt giữ và kéo phân tử khí

• Các phân tử khí từ buồng chân không đi vào bơm

• Khi va chạm với dòng hơi dầu tốc độ cao, phân tử khí bị:

  • Cuốn theo

  • Truyền động lượng

  • Hướng về phía đáy bơm

👉 Đây chính là quá trình khuếch tán và kéo khí.

3. Nén và đẩy khí ra bơm sơ cấp

• Dòng hơi dầu mang khí đi xuống các tầng vòi phun

• Áp suất khí tăng dần qua từng tầng

• Khí được đẩy ra cửa xả (foreline)

👉 Bơm sơ cấp tiếp tục hút và thải khí ra môi trường.

4. Ngưng tụ và tuần hoàn dầu

• Khi chạm vào thành bơm được làm mát

• Hơi dầu ngưng tụ thành dạng lỏng

• Dầu chảy về đáy và được tái sử dụng

🔁 Chu trình khép kín – không tiêu hao dầu nếu vận hành đúng.

Vai trò của dầu khuếch tán

Dầu khuếch tán có vai trò quyết định đến hiệu suất bơm:

• 🔹 Tạo dòng hơi tốc độ cao

• 🔹 Ít bay ngược (low backstreaming)

• 🔹 Ổn định nhiệt

• 🔹 Không phân hủy ở nhiệt độ cao

📌 Các loại dầu phổ biến:

• Dầu silicone

• Dầu polyphenyl ether (PPE)

• Dầu hydrocarbon tinh khiết

Vì sao bơm khuếch tán cần bơm sơ cấp?

Bơm diffusion pump không thể hoạt động ở áp suất khí quyển, vì:

• Dòng hơi dầu không hình thành ổn định

• Không tạo được chân không cao

• Dễ ô nhiễm dầu

👉 Bơm sơ cấp có nhiệm vụ:

• Hạ áp suất ban đầu

• Duy trì áp suất xả ổn định (10⁻¹ – 10⁻³ mbar)

Ưu điểm của bơm chân không khuếch tán

✅ Tạo chân không rất cao
✅ Cấu tạo đơn giản, không có bộ phận quay
✅ Độ bền cao, ít hỏng hóc
✅ Chi phí thấp hơn so với bơm turbo
✅ Phù hợp hệ thống lớn

Nhược điểm cần lưu ý

❌ Có nguy cơ dầu bay ngược vào buồng chân không
❌ Cần hệ thống làm mát tốt
❌ Thời gian khởi động lâu
❌ Không phù hợp môi trường yêu cầu siêu sạch

Ứng dụng của bơm chân không khuếch tán

• Lò tôi chân không

• Hệ thống mạ chân không PVD

• Thiết bị phủ màng mỏng

• Ngành luyện kim, vật liệu

• Phòng thí nghiệm vật lý

• Sản xuất linh kiện điện tử

So sánh bơm khuếch tán và bơm turbo

Kết luận

Bơm chân không khuếch tán (Diffusion Pump) hoạt động dựa trên nguyên lý dòng hơi dầu tốc độ cao kéo và vận chuyển phân tử khí, giúp đạt chân không cao với chi phí hợp lý. Khi kết hợp đúng với bơm sơ cấp và hệ thống làm mát, diffusion pump là giải pháp hiệu quả cho nhiều ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.

👉 Để vận hành ổn định cần:

• Chọn đúng dầu khuếch tán

• Kiểm soát nhiệt độ

• Tránh mất chân không đột ngột