Вакуумний насос

Загальний вигляд 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)

Принцип дії

Схема роботи перекачувального насоса

Перекачувальні насоси також називають кінетичними насосами, оскільки вони надають газу імпульс, штовхаючи його таким чином, що газ неперервно передається від входу до виходу насоса. Зазвичай це робиться рухомою механічною частиною насоса. Рухома(часто обертальна) частина прискорює потік газу тим самим створюючи зону низького тиску. Таким чином, молекули з ємності починають рухатись в напрямку зони нижчого тиску. Цей процес повторюється поки всі (чи більшість) молекул газу не перемістяться з ємності де ми хочемо отримати вакуум. Коли ми отримали потрібний рівень вакууму ємність відоклемлюємо клапаном високого тиску. Цей клапан зупиняє будь-який обмін газом між ємністю та насосом.

Насоси поглинання (сорбційні), як правило, знаходяться в контейнері де створюється вакуум. Ці насоси переміщають молекули газу шляхом сорбції чи конденсації на внутрішні поверхні. Якщо молекули газу утворюють хімічну реакцію з матеріалом внутрішніх поверхонь, новий матеріал, утворений реакцією буде відкладений тонкою плівкою. Це називається сорбцією молекул газу. Крім того, якщо молекули в результаті контакту з охолодженими поверхнями насоса газ буде конденсуватись і усуватись як рідина.

Класифікація

Насоси можуть бути широко класифіковані за трьома методами роботи:

• Об'ємні (англ.positive displacement pump) - газ витісняється при періодичні зміні об'єму газу в насосі, що почергово сполучається з входом в насос і з виходом з нього.
• Молекулярні або насоси передачі імпульсу (англ.momentum transfer pump) використовують високу швидкість струменя рідини або обертання лопастей для витіснення газу назовні.
• Сорбційні або насоси поглинання (англ. entrampment pump).

За принципом дії вакуумні насоси поділяють на механічні та фізико-хімічні.

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

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).

Об'ємні

Найпростіший спосіб створити штучний вакуум - це розширити об'єм камери. Наприклад, м'язи діафрагми розширюють грудну клітку, що призводить до збільшення об'єму легень. Це розширення зменшує тиск і створює розрідження, яке заповнюється повітрям внсслідок різниці тисків. Для продовження викачування на невизначений час без нескінченного розширення об'єму відсік з вакуумом може бути повторно закритий, випорожнений і знову збільшувати свої розміри.

В групу об'ємних насосів входять

схема відцентрового насоса

Загальний вигляд відцентрового насоса

насоси обертально-поступальної дії:

• Поршневі;
• Плунжерні;
• Діафрагмові;

та насоси роторні:

• Шестирінчасті;
• Пластинчасті;
• Гвинтові та ін.

Молекулярні

В групу молекулярних насосів входять

• Відцентрові;
• Осьові та ін.

Якщо при наповненому рідиною корпусі і всмоктуючому трубопроводі почати обертати робоче колесо, то рідина, яка знаходиться в його каналах (між лопастями) під тиском відцентрової сили буде відкидатись від центра колеса на периферію. В результаті цього в центральні частині колеса утворюється розрідження, а на периферії підвищений тиск. Під дією цього тиску рідина поступає в напірний трубопровід, одночасно через всмоктуючий трубопровід під дією розрідження рідина поступає в насос. Таким чином відбувається неперервна подача рідини відцентровим насосом.

Сорбційні

В дану групу входять:

• Кріогенні насоси- використовують низькі температури для конденсації газів в твердийй чи адсорбований стан;
• Хімічні насосиякі реагують з газами з утворенням твердих частин;
• Іонні насоси- насос, в якому відкачуваний газ піддається інтенсивні іонізації, а утворені додатньо заряджені йони усуваються під дією електричного поля.

Застосування

В електровакуумних приладах вакуум являється конструктивним елементом. Низький та середній вакуум використовується в освітлювальних та газорозрядних приладах, прийомно-підсилювальних та генераторних лампах, електронно-променевих трубках, в приладах надвисоких частот.

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 часто містять суміш кількох різних небезпечних поліхлорованих біфенілів (ПХБ), які є високо токсичними, канцерогенними, стійкими органічними забруднювачами.