Van khí Helium là gì? Cấu tạo, nguyên lý, tiêu chuẩn và cách chọn van cho hệ thống He

Van khí Helium là thiết bị cơ–khí chuyên dụng dùng để đóng/mở, điều tiết và bảo vệ áp suất cho các hệ thống sử dụng khí Helium (He): từ bình chứa, đường ống phân phối đến thiết bị tiêu thụ (máy đo rò rỉ, hệ cryogenic, bơm bóng bay công nghiệp, cắt khắc, nghiên cứu phòng thí nghiệm…). Khác với các dòng khí thông thường, Helium có kích thước phân tử rất nhỏ, trơ hóa học, ít nhớt và khuynh hướng thoát rò rỉ cao, vì vậy tiêu chuẩn thiết kế van – gioăng – bề mặt làm kín phải chặt chẽ hơn đáng kể.

1. Tóm tắt đặc tính Helium và ý nghĩa với thiết kế van

Helium là khí hiếm, trơ, không cháy, không độc, cực kỳ nhẹ và khó nén kín do kích thước nguyên tử nhỏ. Tính trơ giúp He không phản ứng với vật liệu kim loại, nhưng lại đặt ra bài toán về độ kín (leak tightness) và độ sạch (cleanliness). Với áp suất làm việc thường thấy từ 150–300 bar ở chai chứa và thấp hơn ở đường phân phối, vật liệu van cần chịu áp suất tốt, bề mặt gioăng/ghế van phải đạt độ nhẵn cao, khe hở lắp ghép tối thiểu. Vì He khô và “mảnh”, bôi trơn và lựa chọn gioăng đúng chuẩn giúp giảm mài mòn, tránh “cold welding” ở vài cấu hình kim loại–kim loại.

2. Các loại van dùng cho Helium trong thực tế

Tùy vị trí và chức năng, hệ Helium có thể dùng nhiều dạng van:

Van chai (Cylinder Valve: Gắn trực tiếp trên cổ chai He nén; nhiệm vụ đóng/mở và là điểm kết nối bộ điều áp. Thân thường bằng đồng thau hoặc thép không gỉ xử lý bề mặt; ghế van thiết kế kín cao. Ren/kết nối tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia/khu vực (ví dụ: kiểu CGA cho Bắc Mỹ, DIN/BS cho EU – cụ thể sẽ phụ thuộc thị trường).

Bộ điều áp (Pressure Regulator – van điều áp: Giảm áp suất cao từ chai/ống xuống áp dùng. Regulator cho He ưu tiên màng (diaphragm) bằng thép không gỉ, độ rò thấp; cấu hình một cấp (single stage) cho ứng dụng ổn định và hai cấp (two-stage) khi cần độ ổn định áp suất cao hơn và hạn chế hiện tượng “creep”.

Van quá áp/van an toàn (Relief/Safety Valve: Bảo vệ đường ống và thiết bị khỏi quá áp do giãn nở nhiệt hoặc sai lệch điều khiển. Cần hiệu chuẩn áp xả chuẩn xác, vật liệu lò xo phù hợp với môi trường khí sạch, tránh dầu mỡ không tương thích.

Van điện từ (Solenoid) / van đóng cắt nhanh: Dùng trong điều khiển tự động. Cuộn coil chọn điện áp phù hợp; lõi – ống dẫn hướng phải tương thích He và đạt độ kín cao. Với lưu lượng nhỏ và yêu cầu đáp ứng nhanh, solenoid là lựa chọn phổ biến.

Van kim (Needle) & van cầu (Globe: Điều tiết lưu lượng mịn, đặc biệt hữu ích khi cân chỉnh dòng He rất thấp trong phòng thí nghiệm. Ren tinh, ghế – kim côn chính xác giảm rung và “hunting”.

Van bi (Ball) & van cổng (Gate: Đóng/mở nhanh cho đường ống chính; với Helium, cần chú ý lựa chọn seat PTFE/ modified PTFE chất lượng cao và kiểm soát rò rỉ qua trục (stem).

3. Vật liệu và gioăng làm kín cho van Helium

Thân van: Thép không gỉ SS316/316L được ưa chuộng nhờ sạch, bền, tương thích cao. Đồng thau (brass) vẫn thường gặp ở cylinder valve, nhưng môi trường siêu sạch/áp cao ưu tiên inox.
Gioăng/seat: PTFE, PCTFE (Kel-F), FKM/Viton, EPDM là các lựa chọn thường thấy. Với Helium, PCTFE có ưu thế về rò rỉ thấp, biến dạng nguội nhỏ; PTFE phổ cập, giá hợp lý. Tránh gioăng quá mềm gây “cold flow” làm tăng rò theo thời gian.
Bôi trơn: Chỉ dùng mỡ/grease tương thích khí sạch (thường gốc PFPE) nếu nhà sản xuất cho phép; không lạm dụng dầu mỡ thông thường vì có thể gây nhiễm bẩn hoặc ảnh hưởng độ kín dài hạn.

4. Tiêu chuẩn kết nối và yêu cầu độ kín

Tùy khu vực, van Helium có thể dùng các chuẩn: CGA (ví dụ CGA-580 là loại kết nối phổ biến cho He nén ở Bắc Mỹ), DIN/BS EN ở châu Âu, hoặc JIS ở Nhật. Ở mảng phòng thí nghiệm và bán dẫn, đầu nối VCR/face seal, Swagelok (tube fitting), hoặc NPT/BSPT vẫn rất thông dụng.
Về độ kín, hầu nhiều ứng dụng đặt ngưỡng leak rate nghiêm ngặt, kiểm bằng Helium mass spectrometer leak test. Sai số nhỏ ở ghế van, bề mặt ren hoặc trục van đều có thể gây rò, vì vậy sản phẩm chất lượng sẽ nêu rõ class rò rỉ trong datasheet và quy trình kiểm tra 100%.

5. Cách lựa chọn van cho hệ Helium

Khi chọn van, hãy xuất phát từ điều kiện làm việc thực tế: áp suất vào/ra, lưu lượng, nhiệt độ, mức độ sạch, chế độ đóng/mở, chuẩn kết nối và yêu cầu tự động hóa.

• Áp suất & cấp an toàn: Xác định áp làm việc lớn nhất (MAWP) và hệ số an toàn; với chai He áp cao, các thiết bị phía sau regulator phải có PS phù hợp.
• Lưu lượng & tổn thất áp: Dùng thông số Cv (hoặc Kv) để dự trù lưu lượng; Helium ít nhớt nên có thể qua khe hẹp nhanh, nhưng điều tiết mịn vẫn cần van kim/globe.
• Độ sạch & lớp xử lý: Ứng dụng bán dẫn, chân không cao, hay cryogenic cần cleaned for oxygen/clean service, bao gói sạch, nắp chụp chống bụi.
• Vật liệu & gioăng: Ưu tiên inox 316L, seat PCTFE/ PTFE; tránh vật liệu dễ lão hóa khi “khô” Helium chạy liên tục.
• Tín hiệu điều khiển: Nếu cần ON/OFF tự động, chọn solenoid hoặc van khí nén (pneumatic actuator) kèm feedback.
• Tương thích chuẩn kết nối: Trùng khớp chuẩn ren/face seal của hệ thống; chuyển đổi bằng adapter đúng tiêu chuẩn khi cần.

6. Lắp đặt van Helium: những lưu ý thực tế

Lắp đặt sạch và đúng hướng dẫn là chìa khóa giảm rò:

1. Làm sạch trước khi lắp: Xả bụi, hạt kim loại; không để dầu mỡ lạ vào đường He (trừ loại được khuyến nghị).
2. Dùng băng tan/keo ren phù hợp: Với NPT, quấn băng tan mỏng, đều; không để thừa vào trong lưu thông. Với face seal/VCR, dùng gasket mới cho mỗi lần siết.
3. Siết mô-men đúng: Quá chặt gây biến dạng seat; quá lỏng gây rò. Luôn theo bảng mô-men nhà sản xuất.
4. Thử kín sau lắp: Kiểm tra bằng bọt xà phòng là mức tối thiểu; tốt hơn dùng helium leak detector ở mối ghép quan trọng.
5. Hướng lắp & đỡ ống: Tránh ứng suất cơ học dồn lên thân/seat van; gắn giá đỡ ống/thanh treo ở đoạn dài.

7. Bảo dưỡng và kiểm tra định kỳ

Helium dễ “tố” các điểm rò li ti theo thời gian. Duy trì lịch bảo dưỡng định kỳ giúp hệ ổn định, tiết kiệm chi phí thất thoát:

• Kiểm tra rò rỉ theo quý/chu kỳ vận hành; chú ý trục van (stem) và mối ren.
• Vệ sinh & thay gioăng/seat theo hướng dẫn, đặc biệt ở regulator và van kim dùng nhiều.
• Hiệu chuẩn van an toàn/relief theo chu kỳ; niêm chì và ghi chép thông số mở xả.
• Ghi log áp suất – lưu lượng – sự cố, giúp dự đoán hao mòn và lên kế hoạch thay thế chủ động.

8. Câu hỏi thường gặp (FAQ ngắn – tối ưu SEO)

Van khí Helium khác gì van khí thường?
Yêu cầu độ kín cao hơn, vật liệu/gioăng phù hợp để hạn chế rò; bề mặt làm kín và quy trình làm sạch nghiêm ngặt hơn.

Có thể dùng van của khí khác cho Helium?
Chỉ khi nhà sản xuất xác nhận tương thích He về áp, vật liệu, leak class và tiêu chuẩn kết nối. Tránh hoán đổi tùy tiện.

Regulator 1 cấp hay 2 cấp cho Helium?
Dòng chảy ổn định, cần áp ra phẳng và hạn chế “creep” nên ưu tiên hai cấp; ứng dụng đơn giản/chi phí tối ưu có thể dùng một cấp.

Vì sao hệ Helium hay rò?
Do Helium có kích thước nguyên tử nhỏ, rò rỉ dễ xảy ra ở khe hở rất nhỏ, ren, trục; cần lắp đặt – siết mô-men chuẩn và kiểm rò thường xuyên.

9. Kết luận

“Van khí Helium là gì” không chỉ là câu hỏi khái niệm, mà kéo theo cả tư duy thiết kế kín, sạch và an toàn cho một loại khí khó “giữ chân”. Chọn đúng chuẩn kết nối, vật liệu – gioăng phù hợp, regulator/van bảo vệ đúng tải, lắp đặt sạch và thử kín bài bản sẽ giúp hệ Helium vận hành ổn định, ít hao hụt và an toàn lâu dài. Khi có dữ liệu áp suất – lưu lượng cụ thể, bạn có thể nội suy Cv/Kv, so sánh các hãng và ra quyết định tối ưu chi phí–hiệu năng cho dự án.