Tìm hiểu chi tiết khái niệm áp suất chân không là gì và hiểu đúng về trạng thái này. Bơm chân không Hyesungtech cũng sẽ giải thích ngắn gọn đơn vị đo áp suất chân không (Pa, mbar, Torr, micron, inHg…) để dễ quy đổi và đọc đồng hồ chính xác. Chia sẻ các nguyên tắc vật lý áp suất chân không chân: hệ quả của va chạm phân tử khí, lực đến từ chênh lệch áp, loại phân tử khỏi hệ để tạo chân không. Cuối cùng, bài sẽ tổng hợp áp suất chân không ứng dụng trong công nghiệp.
Áp suất chân không là gì?
Áp suất chân không là trạng thái áp suất của một vùng thấp hơn áp suất khí quyển xung quanh. Đây là một môi trường đặc biệt thường gặp ở bên ngoài trái đất, hoặc được tạo ra để thí nghiệm hoặc sản xuất công nghiệp.
Xét về mặt kỹ thuật, chân không được hiểu là trạng thái mà áp suất của môi trường khí trong một thể tích nhỏ hơn áp suất khí quyển xung quanh. Vì vậy, áp suất chân không thực chất là cách nói về áp suất dưới khí quyển hoặc mức độ giảm áp so với khí quyển.
- Chân không thấp 1000–1 mbar
- Chân không trung bình 1–10^-3 mbar
- Chân không cao 10^-3–10^-7 mbar
- Chân không siêu cao 10^-7–10^-14 mbar
Khoảng năm 1643–1644, nhà phát minh vĩ đại Evangelista Torricelli chế tạo thành công áp kế thủy ngân và tạo ra khoảng trống phía trên cột thủy ngân. Thí nghiệm này đặt nền tảng cho các nghiên cứu khoa học về khí quyển, tạo áp suất đo được.
Đối với hoạt động công nghiệp, áp suất chân không không chỉ là một thông số đo được, mà là một điều kiện công nghệ quyết định trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, năng suất, độ ổn định quy trình và chi phí vận hành.
Đơn vị đo áp suất chân không
Các đơn vị đo áp suất chân không chúng ta cần biết:
- [abs]: áp suất tuyệt đối so với chân không tuyệt đối, đạt 0 Torr hoặc 0 kpa.
- [g]: áp suất tương đối (gauge) so với áp suất khí quyển tại vị trí đo.
- [pa]: đơn vị đo áp suất quốc tế Pascal
- [atm]: đơn vị áp suất khí quyển chuẩn.
- [bar]: đơn vị kỹ thuật rất phổ biến trong công nghiệp, gần với 1 atm.
- [mbar]: bội số nhỏ của bar, dùng cực nhiều trong chân không.
- [torr]: đơn vị truyền thống trong chân không, gắn với cột thủy ngân.
- [mTorr]: phần nghìn của Torr, dùng cho vùng chân không thấp hơn.
- [inHg]: đơn vị đo áp suất chân không hay gặp trên đồng hồ cơ và HVAC.
- [psi]: đơn vị đo hệ Anh Mỹ, rất phổ biến trong áp suất công nghiệp.
BẢNG CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ ĐO ÁP SUẤT
| From / To | psi | mbar | bar | atm | Pa | kPa | MPa | mmH2O | in.H2O | mmHg | in.Hg | kg/cm² |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| psi | 1 | 68.95 | 0.0689 | 0.0681 | 6895 | 6.895 | 0.006895 | 703.8 | 27.71 | 51.715 | 2.036 | 0.0704 |
| mbar | 0.0145 | 1 | 0.001 | 0.000967 | 100 | 0.1 | 0.0001 | 10.21 | 0.402 | 0.75 | 0.0295 | 0.00102 |
| bar | 14.504 | 1000 | 1 | 0.987 | 100000 | 100 | 0.1 | 10210 | 401.9 | 750.1 | 29.53 | 1.02 |
| atm | 14.7 | 1013.25 | 1.01325 | 1 | 101325 | 101.325 | 0.1013 | 10343 | 407.2 | 760 | 29.92 | 1.033 |
| Pa | 0.000145 | 0.01 | 0.00001 | 0.00001 | 1 | 0.001 | 0.000001 | 0.102 | 0.00402 | 0.0075 | 0.000295 | 0.00001 |
| kPa | 0.14504 | 10 | 0.01 | 0.00987 | 1000 | 1 | 0.001 | 102.07 | 4.019 | 7.5 | 0.295 | 0.0102 |
| MPa | 145.04 | 10000 | 10 | 9.87 | 1000000 | 1000 | 1 | 101971.6 | 4014.6 | 7500.6 | 295.3 | 10.2 |
| mmH2O | 0.001421 | 0.098 | 0.000098 | 0.000097 | 9.8 | 0.0098 | 0.0000098 | 1 | 0.0394 | 0.0735 | 0.00289 | 0.0001 |
| in.H2O | 0.0361 | 2.488 | 0.002488 | 0.00246 | 248.8 | 0.2488 | 0.00025 | 25.4 | 1 | 1.866 | 0.0735 | 0.00254 |
| mmHg | 0.01934 | 1.333 | 0.001333 | 0.001316 | 133.3 | 0.1333 | 0.00013 | 13.61 | 0.536 | 1 | 0.0394 | 0.00136 |
| in.Hg | 0.4912 | 33.86 | 0.03386 | 0.03342 | 3386 | 3.386 | 0.00386 | 345.7 | 13.61 | 25.4 | 1 | 0.0345 |
| kg/cm² | 14.22 | 980.7 | 0.9807 | 0.968 | 98067 | 98.067 | 0.0981 | 10010 | 394.1 | 735.6 | 28.96 | 1 |
Nguyên tắc vật lý áp suất chân không
Chân không không phải là lực hút hay khoảng trống tuyệt đối, mà là trạng thái khí có mật độ phân tử thấp, dẫn đến áp suất tuyệt đối thấp. Các nguyên tắc vật lý áp suất chân không cốt lõi gồm 4 ý sau:
1) Áp suất là hệ quả của va chạm phân tử khí
Ở mức vi mô, áp suất xuất hiện do các phân tử khí chuyển động nhiệt va chạm lên bề mặt thành bình và đường ống. Mật độ phân tử càng cao và vận tốc nhiệt càng lớn thì tần suất va chạm càng nhiều, dẫn đến áp suất càng cao.
Một công thức nền tảng của thuyết động học khí: P = n.k.T
- Trong đó: P là áp suất (Pa); n là mật độ hạt (số phân tử trên 1 m³); k là hằng số Boltzmann; T là nhiệt độ tuyệt đối (K)
Trong điều kiện nhiệt độ không đổi, giảm P đồng nghĩa giảm n, giảm số phân tử khí trong một thể tích nhất định.
2) Lực đến từ chênh lệch áp suất
Khi bên trong có áp suất thấp hơn bên ngoài, lực tác dụng lên bề mặt bịt kín là do chênh áp: F = ΔP . A
- Trong đó: ΔP = P bên ngoài − P bên trong; A chính là diện tích bề mặt, F là lực tác dụng.
Nguyên lý của giác hút, kẹp chân không,…Nếu hai phía của một bề mặt có áp suất khác nhau, thì áp suất cao hơn đẩy vào vùng áp suất thấp.
3) Loại phân tử khỏi hệ để tạo chân không
Một hệ chân không đạt được bằng cách lấy khí ra khỏi thể tích kín. Áp dụng công thức: P.V = n.R.T
Ở V và T xấp xỉ không đổi, việc bơm hút làm n giảm dẫn đến P giảm. Trong mô hình đơn giản thì thể tích V, tốc độ bơm hiệu dụng S không đổi, tải khí Q gồm rò rỉ + outgassing.
Áp suất theo thời gian có dạng tiến về cân bằng: P(t) → P_base = Q / S
- Trong đó: P là áp suất; V là thể tích buồng; n là số mol khí trong buồng; R là hằng số khí; T là nhiệt độ tuyệt đối (đơn vị K); S là tốc độ bơm; Q là tải khí; S là tốc độ bơm.
Ứng dụng áp suất chân không thường gặp
Trong công nghiệp và khoa học, áp suất chân không được dùng không chỉ để hút khí ra khỏi một thể tích, mà để khai thác các ứng dụng quan trọng như tạo lực nhờ chênh áp, giảm điểm sôi, giảm oxy, giảm ẩm, giảm va chạm phân tử, giảm truyền nhiệt đối lưu… Dưới đây là các nhóm ứng dụng điển hình thường gặp:
- Giác hút gắp kính, tấm kim loại, thùng carton, linh kiện điện tử
- Bàn gá chân không cho CNC, laser cutting, in ấn
- Robot pick and place trong đóng gói, logistics
- Đóng gói thực phẩm, hút chân không túi hoặc khay
- Hút rồi nạp khí bảo quản – Modified Atmosphere Packaging
- Đúc nhựa PU và epoxy trong khuôn dưới chân không để hạn chế bọt khí
- Hỗ trợ đúc composite, infusion, RTM
- Degassing nhựa epoxy, silicone, keo
- Khử khí dầu biến áp, dầu thủy lực
- Khử khí trong sản xuất pin, hóa chất đặc thù
- Sấy dược liệu, bột nhạy nhiệt
- Sấy linh kiện điện tử, cuộn dây, nhựa kỹ thuật
- Hút chân không trước khi nạp môi chất lạnh
- Chưng cất chân không và công nghệ hóa học
- Phủ màng mỏng, bốc bay, sputtering, xử lý bề mặt
- Kính hiển vi điện tử (SEM/TEM), thiết bị phân tích bề mặt
- Máy gia tốc hạt, đường ống chùm tia
- Nghiên cứu vật lý bề mặt
- Cách nhiệt bằng chân không
- …
Áp suất chân không ứng dụng trải rộng từ tạo lực kẹp, đóng gói và tạo hình vật liệu, đến chưng cất nhờ giảm điểm sôi và các công nghệ cao như phủ màng mỏng, hiển vi điện tử…
Các thiết bị đo áp suất chân không
Trong công nghệ chân không, chưa có một cảm biến nào đo chính xác toàn bộ dải từ khí quyển đến UHV, vì các nguyên tắc vật lý áp suất chân không chi phối phép đo thay đổi theo từng vùng áp suất. Do đó, các kỹ sư hiện nay thường chọn thiết bị đo theo “vùng chân không”. Áp suất được khuyến nghị ghi theo áp suất tuyệt đối, còn gauge pressure chỉ là áp suất so với khí quyển. Hai thông số này có thể gây nhầm nếu không ghi rõ.
Thiết bị đo áp suất chân không đầu tiên Hyesungtech muốn giới thiệu đến là đồng hồ đo áp suất chân không. Phổ biến nhất trong vận hành đơn giản là đồng hồ Bourdon hoặc dạng cơ có hiển thị vacuum theo inHg/mmHg. Nếu cần độ chính xác hơn người ta dùng đồng hồ màng capacitance diaphragm gauge và các biến thể diaphragm piezoresistive.
Ngoài ra, chúng ta cũng có thể đo áp suất dựa trên việc khí làm thay đổi khả năng truyền nhiệt từ một phần tử nung nóng ra môi trường bằng các máy đo dẫn nhiệt. Hai tên gặp nhiều nhất là Pirani gauge và thermocouple gauge. Trong thực tế hệ thống chân không, Pirani thường dùng để theo dõi vùng áp suất từ cao xuống trung bình để điều khiển liên động trước khi bật các thiết bị dành cho chân không sâu hơn.
Nếu cần đo ở vùng chân không cao, nhóm thiết bị ionization gauges được dùng nhiều, nó đo áp suất dựa trên dòng ion sinh ra khi phân tử khí bị ion hóa. Nhóm này chia thành hai họ chính. Thứ nhất là hot-cathode ion gauge, điển hình là Bayard Alpert ion gauge và các biến thể như extractor gauge, sử dụng filament phát xạ electron để ion hóa khí. Thứ hai là cold cathode ion gauge, phổ biến dưới tên Penning gauge hoặc inverted magnetron gauge, tạo ion hóa bằng phóng điện trong từ trường mà không cần filament nóng.
Các dòng thiết bị đo áp suất chân không của hãng Leybold:
- THERMOVAC (TTR/TR series): đồng hồ cảm biến Pirani cho vùng áp suất chân không thấp đến trung bình.
- PENNINGVAC (PTR/PR series): cảm biến ion hóa cold cathode (Penning / inverted magnetron) đo vùng chân không cao.
- IONIVAC (ITR/IE series): cảm biến ion hóa hot cathode để đo sâu tới vùng UHV.
- PIEZOVAC PV201 & THERMOVAC TM201: đồng hồ đo chân không dạng cầm tay.
- …
Các dòng thiết bị đo áp suất chân không của hãng Nolek:
- Nolek n50: máy leak test đo chênh áp & áp suất trong phạm vi -1 đến 15 BarG
- Nolek S11: dùng cho kiểm tra độ kín trong phạm vi -1 đến 15 BarG
- Nolek S9: máy đo chênh lệch áp suất từ khoảng 100 đến 0 kPa (Chân không), 5 đến 1500 kPa (Áp suất dư)
- DeFlux: Thiết bị đo lưu lượng, đo áp suất chênh lệch và đo áp suất tuyệt đối.
- …
Các câu hỏi thường gặp liên quan đến khái niệm áp suất chân không?
1) Áp suất chân không có phải là “áp suất âm” không?
Không theo nghĩa áp suất tuyệt đối. Áp suất tuyệt đối có các chỉ số không âm và có mốc 0 tại “chân không tuyệt đối”. Khái niệm “âm” chỉ xuất hiện khi dùng áp suất gauge so với khí quyển, lúc đó chân không sẽ được hiển thị dạng -kPa(g).
2) Vì sao đồng hồ chân không hay hiển thị mmHg/Torr hoặc inHg?
Đồng hồ hiển thị các đơn vị “truyền thống” xuất phát từ phép đo bằng cột thủy ngân. Trong HVAC và đồng hồ cơ, inHg/mmHg thường được dùng để biểu diễn mức chân không (mức giảm áp so với khí quyển) nên nhìn trực quan hơn với người vận hành.
3) Chân không tuyệt đối (0 Pa) có đạt được không?
Trong thực tế hiện nay gần như không đạt được vì luôn có rò rỉ vi mô, thoát khí bề mặt, hơi nước và giới hạn của thiết bị đo.
