Johdatus alipaineteknologiaan

Mikä on alipaine? 

Sana "vakuumi / alipaine" on peräisin latinan kielestä ja tarkoittaa "tyhjää tilaa", mutta todellisuudessa täydellistä tyhjyyttä ei ole olemassa. Jopa avaruuden tyhjiö sisältää pieniä määriä aineita, ja täydellinen tyhjiö on vain teoreettinen käsite. Käytännössä tyhjiöllä/ alipaineella tarkoitetaan aluetta, jossa on merkittävästi matalampi paine kuin ilmakehässä. Keinotekoinen tyhjiö/ alipaine syntyy poistamalla aine, yleensä ilmamolekyylit, rajatusta tilasta.

Mitä tarkoittavat matala, keski- ja korkea alipaine?

Alipainejärjestelmässä vähemmän on enemmän. Koska alipaine syntyy vähentämällä ilmamolekyylien määrää suljetussa ympäristössä, vähemmät molekyylit tarkoittavat korkeampaa alipaineastetta. Kun ilmaa poistetaan, syntyy suhteellinen alipaine sen mukaan, kuinka suuri osa molekyyleistä on poistettu. Riippuen sovelluksen vaatimuksista, alipaineen luomiseen käytettävät menetelmät voivat vaihdella huomattavasti.

Eri alipainetasot jaetaan seuraaviin alueisiin mitattuna mbar-painearvoina:

• Karkea (tai matala) alipaine – Ilmakehän paineesta aina 1 mbar:iin saakka. Yleisesti käytössä monissa sovelluksissa, kuten teollisessa käsittelytekniikassa. Tässä painealueessa alipaineen taso ilmoitetaan usein prosentteina, esimerkiksi 80 % alipaine.
•  Keskivahva (tai hieno) alipaine – 1–10⁻³ (0,001) mbar. Käytetään esimerkiksi elintarvikkeiden kylmäkuivauksessa, teräksen kaasunpoistossa ja hehkulamppujen valmistuksessa. 
•  Korkea alipaine (HV) – 10⁻³–10⁻⁸ mbar. Käytetään esimerkiksi elektroniikkaputkien valmistuksessa ja metallien sulatuksessa.
• Erittäin korkea alipaine (UHV) – 10⁻⁸–10⁻¹¹ mbar. Käytetään esimerkiksi metallipinnoituksessa ja elektronisuihkusulatuksessa.

Korkeampien alipainealueiden saavuttaminen lisää järjestelmän monimutkaisuutta ja energiakustannuksia eksponentiaalisesti. Vaikka useimmat yleiset sovellukset toimivat karkean alipaineen alueella, monet teolliset prosessit ja tieteelliset sovellukset vaativat korkeampia alipainetasoja. Mitä korkeammalle alipainealueelle siirrytään, sitä haastavammaksi mittaaminen muuttuu.

Kuinka luoda alipaine

Teollisissa sovelluksissa vaadittu alipainetaso vaihtelee suuresti, ja sama pätee sen tuottamiseen käytettävään laitteistoon. Alipainejärjestelmän luomiseen ja ylläpitoon käytetään kuitenkin aina erilaisia pumppuja, jotka joissakin tapauksissa toimivat useissa vaiheissa.

Muutamia esimerkkejä erilaisista alipainepumpuista:

• Kryopumput: Teollisuudenalat, jotka toimivat erittäin korkeassa alipaineessa, kuten optisen kalvon tai puolijohteiden valmistus, käyttävät kryogeenisiä pumppuja, jotka "vangitsevat" molekyylit äärimmäisen kylmälle pinnalle. Kryopumppuja käytetään myös usein tieteellisessä tutkimuksessa, kuten hiukkaskiihdyttimissä ja avaruussimulaatiokammioissa.
• Roots-pumput: Metallin puhdistuksessa ja erilaisissa pinnoitussovelluksissa voidaan käyttää monivaiheisia Roots-pumppuja. Nämä pumput puristavat kaasua vastakkaisiin suuntiin pyörivien roottorien väliin, jotta saavutetaan keski- tai korkean alipaineen alueet.
• Ruuvipumput: Elintarvikkeiden kylmäkuivauksessa käytetään usein ruuvipumppuja, joissa epäsymmetrisesti pyörivät ruuvit tehostavat sublimaatiota kuivauksen aikana.
• Pyöriväsiipipumput: Viimeisenä mutta ei vähäisimpänä, pyöriväsiipipumput, jotka käyttävät roottoreita ilman jatkuvaan puristamiseen ja poistamiseen, ovat yleisimpiä alipainepumppuja. Pyöriväsiipipumppuja käytetään laajasti matalan ja keskitason alipainealueilla muun muassa alipainenostoteknologiassa.

Alipainenoston toimintaperiaate

Alipainenostoteknologia toimii karkean alipaineen alueella, joka voidaan mitata mekaanisilla mittareilla elohopeamillimetreinä tai -tuumina (mmHg tai inHg) ja/tai kilopaskaleina (kPa). Nämä yksiköt ovat aina negatiivisia ja merkitään mittarissa miinusmerkillä (-).

Kilopascaleina käytetään erityisesti alipaineen prosentuaalisena likiarvona. Esimerkiksi 50 % alipaine vastaa noin -50 kPa suhteessa ilmanpaineeseen. Alipainemittauksissa käytetään myös useita muita yksiköitä ja asteikkoja, mutta prosenttiasteikko on karkean alipaineen alueella hyödyllisin, sillä se on yleisesti ymmärrettävä.

Alipainejärjestelmän komponentit

Alipaineimukupit ja -putket

Yleinen väärinkäsitys imukupeista tai -jaloista on, että kupin sisäpuoli tarttuu kuormaan ja vetää sitä ylöspäin alipaineen avulla. Todellisuudessa juuri kupin ulkopuolella oleva korkeampi ilmanpaine kohdistaa painetta alaspäin kohti esinettä, mikä aikaansaa puristusvaikutuksen.

Tästä syystä alipainekupin korkeus ei vaikuta alipaineen voimakkuuteen eikä sen nostokykyyn. Sen sijaan kuorman kanssa kosketuksissa oleva pinta-ala on ratkaiseva tekijä. Siksi imukuppi on valittava siten, että sen pinta-ala vastaa nostettavaa kuormaa. Vaikka pienellä imukupilla voi olla mahdollista nostaa raskaita esineitä, on myös otettava huomioon leikkausvoimat liikkeen aikana sekä varmistettava riittävä turvallisuusmarginaali.

Imukupin pitovoiman arviointi

Tasaisen, ei-huokoisen kuorman pitämiseen tarvittavan imualan arvioimiseksi nosturiin kiinnitetyllä alipainetarttujalla, kuten TAWI:n Panel Gripperilla, voidaan käyttää seuraavaa laskentatapaa:

Nostovoima tai pitovoima on noin 1 kg per 1 cm² 100 % alipaineessa (2,2 lbs per 0,155 in²). Vaikka täydellistä 100 % alipainetta ei käytännössä saavuteta, tämä arvo toimii hyödyllisenä vertailukohtana.

Käytännössä nostolaite voi toimia 60 % alipaineella. 60 % yhdestä kilogrammasta on 0,6 kg, mikä tarkoittaa, että voimme nostaa 0,6 kg per 1 cm² imukupin pinta-alaa (1,32 lbs per 0,155 in²). Lopuksi tulos jaetaan tyypillisesti käytettävällä turvallisuuskertoimella 2.

Imukuppi, jonka halkaisija on 300 mm (11,8″) ja pinta-ala 706 cm² (109,4 in²), omaa 60 % alipaineessa ja turvallisuuskertoimella 2 pitovoiman, joka on 212 kg (467 lbs.).

Nostoputken kapasiteetin arviointi

Kun nostolaitteessa käytetään erillistä nosturia ja kuormaan kiinnitettäviä haarukkaan asennettuja imujalkoja, on hyödyllistä tehdä yksinkertaistettu arvio imujalkojen kosketuspinta-alasta. Tilanne muuttuu, kun sekä tarttuminen että nostaminen hoidetaan alipaineteknologialla, kuten TAWI:n monitoiminostimessa. 

Putkivetoisessa alipainenostojärjestelmässä itse putki toimii negatiivisessa paineessa, joka vaihtelee välillä 0–60 % putken joustavuuden vuoksi. Tämän kompensoimiseksi pitovoiman on aina oltava suurempi kuin nostoputken pinta-ala. Siksi varmistamme aina, että imukupin pinta-ala on vähintään 2,5 kertaa suurempi kuin putken pinta-ala.

Tulos on, että kuorma ei koskaan putoa ennen kuin se lasketaan maahan, ja pystyt pitämään 2,5 kertaa enemmän kuin pystyt nostamaan. Toisin sanoen imukuppialue on tässä tapauksessa edelleen tärkeä, mutta toissijainen nostoputken alueeseen verrattuna.

Alipainenostinjärjestelmän mukauttaminen

Alipainenostinjärjestelmät mukautetaan usein laajasti vastaamaan kunkin käyttötapauksen vaatimuksia, lukuun ottamatta erillisiä järjestelmiä, kuten TAWI Mobile Order Pickeriä. Komponenttien valintaan vaikuttavia tekijöitä ovat muun muassa:

Työkappaleiden paino, muoto ja pinta
Käsittelyn matkavaatimukset
Pyöritys- tai kallistustarpeet
Haluttu nopeus tai sykli-aika
Laaja valikoima imujalkoja/-kuppeja, haarukoita, nostureita ja kiskoja voidaan valita ja yhdistellä tiettyyn sovellukseen varmistamaan optimaalinen käyttöönotto ja hyödyntäminen.

Esimerkiksi kiinteitä laatikoita voidaan nostaa putkituetulla nostimella, kuten Monitoiminostimella, jossa on sopivan kokoinen kahva ja imukuppi. Jos kuormilla on huokoinen tai epätasainen pinta, kuten säkeillä usein on, imukuppien ympärille voidaan lisätä kumireunus maksimoimaan kosketuspinta-ala ja kompensoimaan ilmavuotoa suuremmalla alipainepumpun virtauksella.

Levyt saattavat vaatia räätälöityjä haarukoita, pyöritysominaisuuksia ja mahdollisesti pystysuuntaista kiskokuljetusta, joihin kaikkiin Sheet Gripperimme soveltuu erinomaisesti.

Vaikka kaikki nämä järjestelmät suorittavat saman perustoiminnon eli nostamisen ja käsittelyn, niiden kokoonpano ja komponenttien valinta vaihtelevat suuresti käyttötapauksesta riippuen.

Letkut, liittimet ja suodattimet

Alipainenostinjärjestelmän viimeistelemiseksi on kiinnitettävä alipaineelle soveltuvat letkut käyttäen letkukiristimiä, tiivisterenkaita ja ruuviliitoksia. On erittäin tärkeää varmistaa, että kaikki nämä osat ovat täydellisesti asennettuja ja tiivistettyjä, jotta mikä tahansa paineistettu järjestelmä toimii turvallisesti. Nämä komponentit on mukautettava yksittäiseen järjestelmään, kiinnittäen erityistä huomiota toleransseihin ja kestävyyteen.

Yksi tai useampi suodatin käytetään myös suojaamaan alipainepumppua pölyltä ja muilta epäpuhtauksilta, jotka voisivat lyhentää sen käyttöikää tai aiheuttaa toimintahäiriöitä.

Alipainepumput

Alipainenostinjärjestelmissä käytetyt alipainepumput ovat yleensä kaasunsiirtopumppuja, joita kutsutaan myös siirtopumpuiksi. Siirtopumpun perusperiaate on ilman imeminen laajenevaan tilavuuteen imuventtiilin kautta, sen puristaminen pienempään tilavuuteen ja lopulta puristetun ilman poistaminen takaisin ilmakehään.

Kaikkien siirtopumppujen toimintaperiaate on sama, mutta alipainenostinjärjestelmissä käytetään tyypillisesti kuivakäyviä (öljyttömiä) pyörölamellipumppuja. Kuten nimikin viittaa, nämä pumput käyttävät sisäistä roottoria, jossa on useita lapoja, jotka ottavat ilmaa sisään, puristavat sen ja poistavat ilman jatkuvasti.

Tällä pumpputyypillä on useita etuja. Se on kompaktin kokoinen, vaatii vähemmän huoltoa kuin muut vaihtoehdot ja pystyy toimimaan vakionopeudella.

Alipainenostojärjestelmien edut

Monet tekijät tekevät alipainenostosta erottuvan vaihtoehtoihin verrattuna. Joitakin merkittävimpiä etuja ovat:

• Lisääntynyt tuottavuus – Käyttäjän fyysinen kunto ei ole este. Kuka tahansa voidaan kouluttaa käyttämään alipainenostinta tai -tarrainta turvallisesti ja nostamaan raskaita kuormia ilman energiankulutusta. Tuloksena on huomattavasti tehokkaammat työnkulut, jotka eivät uuvuta työntekijöitä.
• Ergonominen terveys – Koska nostaminen ja käsittely vaativat vain vähän fyysistä ponnistelua, kehon rasitus vähenee merkittävästi, samoin kuin työtapaturmien riski. Tämä ei ainoastaan edistä työntekijöiden terveyttä ja hyvinvointia, vaan myös vähentää sairauspoissaoloja, jotka voisivat muuten heikentää tuottavuutta.
• Työvoiman joustavuus – Koska kuka tahansa voi nostaa, yrityksillä on huomattavasti enemmän joustavuutta rekrytoinnissa ja työntekijöiden kierrättämisessä. Tehokkaammat työnkulut ovat myös vähemmän työvoimavaltaisia, mikä mahdollistaa pienemmän henkilöstömäärän.
• Vähentää vaurioita – Mekaanisiin nostomenetelmiin verrattuna alipainenostaminen vähentää yleensä materiaalivaurioiden, kuten naarmujen tai muodonmuutosten, riskiä.
• Turvallisuus – Alipainenostinjärjestelmät ovat erittäin turvallisia useista syistä. Yksi tärkeimmistä on, että nostamista ei voida aloittaa, jos alipainejärjestelmä ei toimi oikein. Lisäksi kriittisissä häiriötilanteissa, kuten sähkökatkoksessa, turvaventtiilit estävät kuorman välittömän putoamisen.

Jos haluat kuulla lisää siitä, miten alipainenostinjärjestelmämme voivat helpottaa työtäsi ja mukautua täydellisesti juuri sinun tarpeisiisi, älä epäröi ottaa meihin yhteyttä. Autamme mielellämme ja tarjoamme maksuttoman konsultaation, jotta löydämme yhdessä parhaan ratkaisun sinulle!