Вакуумний насос

Загальний вигляд вакуумного насоса

Умовне позначення вакуумного насоса

Вакуумний насос (англ. vacuum pump) – це пристрій, призначений для відкачування газу чи пари з закритих ємностей для створення в них вакууму.

Історія розвитку вакуумної техніки

Початком наукового етапу в розвитку вакуумної техніки можна вважати 1643 р, коли Торічеллі вперше виміряв атмосферний тиск. В 1672 році Отто фон Геріке винайшов механічний поршневий насос з водяним ущільнювачем. Вивчалась поведінка різних систем і живих організмів в вакуумі. В 80-х р XIX ст. людство переступило в технологічний етап створення вакуумних пристроїв і техніки. Це зв'язано з відкриттям А.Н. Лодигіним електричонї лампи розжарення з вугільним електродом (1873) і відкриття Т.А. Едісоном термоелектронної емісії (1883). Винайдено такі вакуумні насоси: обертальний (Геде, 1905), кріосорбційний (Дж.Дюар, 1906), молекулярний (Геде, 1912), дифузійний (Геде, 1913); манометри: компресорний (Г.Мак-Леод, 1874), тепловий (М. Пірані, 1909), іонізаційний (О. Баклі, 1916)

Класифікація

За принципом роботи всі вакуумні насоси можна поділити на такі основні типи:

• Об'ємні - використовують зміну об'єму робочої камери ;
• Молекулярні або насоси передачі імпульсу - захоплюють молекули газу рухомою поверхнею;
• Сорбційні або насоси поглинання - використовують сорбцію або конденсацію молекул газу;

Об'ємні

Поршневі

Основними робочими деталями даного типу насосів є циліндр, поршень, газорозподільний пристрій та привідний механізм. Використовуються для створення вакууму 5-100 мм.рт.ст.

• Сухі - відкачують тільки газ;
• Мокрі- можуть відкачувати суміш газу з рідиною;

Обертальні

Використовують обертальний рух спеціального приспосіблення.Використовуються для створення вакууму 0,5-0,001 мм.рт.ст. В залежності від конструкції ротора поділяються на:

• Масляні - з масляним ущільненням: пластинчасто-роторні, пластинчасто-статорні, золотникові(плунжерні);
• З ковзаючими пластинами - використовуються для великих об'ємів, створення централізованих систем попереднього розрідження;
• З рідинним поршнем (водокільцеві) - необхідні для легкозаймистих при низькі температурі газів, для тих, яким не допускається контакт з мастилом та інших спеціальних кмов;
• Двороторні незмащувальні - мають високу швидкість обертання (до 3000 об/хв);
• Зубчасті - служать для створення низького вакууму (0,1 - 0,01 мм.рт.ст.), швидкість обертання до 1000 об/хв.

Схема золотникового (плунжерного) вакуумного насоса: 1-циліндр; 2-ексцентрик; 3-плунжер; 4-вихлопний клапан; 5-золотник

Молекулярні

Даний тип насосів не має рухомих частин, робочим механізмом є струмінь пари.

• Ежекторні (використовуються для створення вакууму 1-100 мм.рт.ст.) ;
• Дифузійні (використовуються для створення вакууму 2∙10⁻⁶…3∙10⁻⁷мм.рт.ст.;

Сорбційні

• Іонні - насоси, в яких відкачуваний газ піддається інтенсивні іонізації, а утворені додатньо заряджені йони усуваються під дією електричного поля. Використовуютьтся для створення вакууму 1∙10⁻⁶…3∙10⁻⁸ мм.рт.ст.;
• Кріогенні - використовують низькі температури для конденсації газів в твердийй чи адсорбований стан;
• Хімічні - реагують з газами з утворенням твердих частин.

За призначенням розрізняють насоси надвакуумні, високовакуумні, середньовакуумні та низьковакуумні.

Схема обертального вакуумного насоса з ковзаючими пластинами: 1-корпус насоса; 2-ротор; 3-пластини; 4-всмоктуючий патрубок; 5-вихлопний патрубок; 6-розвантажувальні клапани

Принцип роботи

Принцип роботи золотникового (плунжерного) насоса насупний: в циліндрі 1 обертається ексцентрик 2 з одягнутим на нього плунжером 3; плунжер ковзає по внутрішні поверхні циліндра, переміщує газ який знаходиться перед ним і виштовхує його в атмосферу через вихлопний клапан 4; відкачуваний газ поступає на сторону всмоктування через вікно в прямокутні частині плунжера; прямокутна частина плунжера ковзає в золотнику 5, який вільно повертається в гнізді корпуса.

Обертальний вакуумний насос з ковзаючими пластинами працює наступним чином: в корпусі 1 обертається ексцентрично розміщений ротор 2, в прорізи якого вільно вставлені стальні або текстолітові пластини 3. При обертанні ротора пластини під дією відцентрової сили виходять з ротора і притискаються до внутрішньої циліндричної поверхні корпуса. Газ захоплюється робочими комірками, утвореними двома сусідніми пластинами, циліндром, ротором і кришками насоса, і переноситься від вхідного патрубка 4 до вихідного патрубка 5; об'єм робочої комірки протягом руху до вихідного патрубка зменшується, за рахунок чого проходить стиснення (компресія) газу. Випуск газу проходить через патрубок 5. Щоб уникнути виникнення небезпечно великих тисків передбачені ще до вихлопу розвантажувальні клапани 6.

Схема ежекторного вакуумного насоса

Принцип дії ежекторного вакуумного насоса: пара, введена при заданому тиску в сопло, розширюється в розбіжному вивідному отворі сопла і пертворює свою енергію тиску в енергію руху; направлена потім у вхідний отвір розширювача, пара частково перетворює свою енергію руху назад в енергію тиску; коли струмінь пари проходить через засмоктуючу камеру, вона захоплює тут певну кількість газу і передає його молекулам частину своєї швидкості; цей газ після певного стиску струминою в збіжні трубі переміщається разом з парою в простір з атмосферним тиском, де пара конденсується в рідина. Розподіл тисків робочої пари і відкачуваного газу вказаний на цьому ж рисунку.

Cхема ртутного дифузійного вакуумного насоса

Ртутний дифузійний вакуумний насос працює так: струмінь пари, утворений в підігрітому резервуарі зі ртуттю проходить через паропровід d в сопло D, з якого потім проходить в напрямку посудини В, яка об'єднується з форвакуумом; цей струмінь пари утворює в звуженні С свого роду перегородку між простором високого вакууму, який з'єднується з відкачуваною ємністю і простором попереднього вакууму В, який з'єднано з форвакуумним насосом; молекули газу дифундують через звуження з простору А в простір В, оскільки внутрішня частина струменя, яка складається з новоутвореної в нагрівачі пари, вільна від газу. В просторі В, конденсаторі, на охолоджуваних водою стінках насосу проходить конденсація ртутної пари, а відділені від пари молекули відкачуваного газу відводяться в форвакуум; конденсована ртуть стікає по стінках в простір А, звідки по трубці повертається в резервуар. Трубка в нижні частині має коліно, заповнене ртуттю, яка відділяє простір А від резервуара (сифонний затвор).

Характеристики

• Швидкість відкачування характеризує об'ємну швидкість насоса на вході, вимірюється в об'єм/од.часу. Молекулярні та сорбційні насоси для деяких газів ефективніші ніж для інших, тобто швидкість відкачування може бути різною в залежності від хімічного складу газу.
• Пропускна здатність або продуктивність стосується швидкості відкачування помноженої на тиск газу при вході, вимірюється в од.тиску·об'єм/од.часу. При постійні температурі пропускна здатність пропорційна числу молекул перекачаних за одиницю часу, а отже, масові витраті насоса.

Об'ємні та молекулярні насоси мають сталий об'єм швидкості потоку (швидкість відкачування), але якщо тиск у камері падає, цей обсяг містить все менше і менше маси. Таким чином, хоч швидкість відкачування залишається сталою, пропускна здатність і масова витрата падають (експоненціальною залежністю).

Застосування

Особливо широко вакуумна техніка використовується при виробництві мікросхем, де процеси нанесення тонкоплівкових покриттів, іонного травлення, електронної літографії забезпечують отримання елементів електронних схем субмікронних розмірів.

В металургії плавка та переплавка в вакуумі використовується для отримання надчистих матеріалів з високою міцністю, пластичністю та в’язкістю. Надчисті речовини, напівпровідники, діелектрики отримуються в вакуумних кристалізаційних установках. Сплави з будь-яким співвідношенням компонентів можуть бути отримані вакуумною молекулярною епітаксією. Штучні кристали алмазів, рубінів, сапфірів отримуються в вакуумних установках.

В хімічній промисловості використовуються сушильні вакуумні апарати при випуску синтетичних волокон, поліамідів, поліетилену, органічних розчинників і т.п. Просвітлююча оптика, захисні, поглинаючі, відбиваючі покриття отримуються нанесенням тонкоплівкових шарів в вакуумі.

В харчовій промисловості вакуум використовують для довготривалого зберігання та консервування продуктів.

В медицині вакуум застосовують для збереження гормонів, лікувальних сироводок, вітамінів, при отриманні антибіотиків, анатомічних та бактеріологічних препаратів.

Небезпека

Старі масла вакуумних насосів виготовлені приблизно до 1980 року часто містять суміш кількох різних небезпечних поліхлорованих біфенілів (ПХБ), які є високо токсичними, канцерогенними, стійкими органічними забруднювачами.

Зовнішні посилання

• Вакуумний насос в англійській вікіпедії
• Вакуумний насос в російській вікіпедії
• Вакуумний насос в ....

Список літературних джерел

• Насосы и насосные станции Лобачев П.В.-М.:Стройиздат,1983. — 191 с
• Вакуумные насосы и агрегаты Данилин Б.С.-М.:Государственное енергетическое издательство,1957. - 112с
• Вакуум-насосы в химической промышлености Борозденков В.И.-М.:Машиностроение,1964. - 99с