Вакуумные насосы

Вакуумный насос это устройство для удаления (откачки) газов и паров из замкнутого объема с целью получения в нем вакуума.

Все вакуумные насосы можно разделить на высоковакуумные и низковакуумные, а по физическому принципу действия – на механические, сорбционные, ионные.

Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей. Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных насосов появился раньше остальных и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.

Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают: водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно рассчитать на основании закономерностей внутреннего трения в газах.

Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из вакуумных систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными. Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных насосов.

Основными параметрами любого вакуумного насоса являются:
• быстрота действия;
• предельное давление;
• наименьшее рабочее давление;
• наибольшее давление запуска;
• наибольшее выпускное давление.

Ниже рассмотрим некоторые типы вакуумных насосов.

Механические насосы

Механические насосы применяют для получения вакуума от 1 н/м2 (10-2 мм.рт.ст.) до 10-8 н/м2 (10-10 мм.рт.ст.). В рабочей камере простейшего механического насоса совершает возвратно-поступательное движение поршень, который вытесняет газ, создавая при обратном ходе разрежение со стороны откачиваемой системы.

Поршневые насосы были первыми механическими насосами, которые вытеснили вращательные насосы. В многопластинчатом вращательном насосе всасывание и выталкивание газа осуществляется при изменении объемов ячеек, образованных эксцентрично расположенным ротором, в прорезях которого помещены подвижные пластины, прижимающиеся к внутренней поверхности камеры и скользящие по ней при его вращении. За счет большой частоты вращения ротора эти насосы при сравнительно малых размерах обладают большой быстротой откачки (до 125 л/сек). Предельное давление достигает 2000 н/м2 (15 мм.рт.ст.) в одноступенчатых насосах и 10 н/м2 (10-1 мм.рт.ст.) в двухступенчатых. Аналогично происходит процесс откачки газа водокольцевыми насосами. При вращении колеса с радиальными лопастями, эксцентрично расположенного в камере, вода, заполняющая камеру, увлекается лопастями и под действием центробежных сил отбрасывается к стенке корпуса, образуя водяное кольцо и серповидную камеру, в которую поступает откачиваемый газ. При вращении колеса ячейки поочередно соединяются с каналом, через который откачиваемый газ выходит в атмосферу. Эти насосы пригодны для откачки влажного и загрязненного газа, кислорода и взрывоопасных газов. Предельный вакуум составляет 95% (в одноступенчатых насосах) и 99,5% (в двухступенчатых насосах) от теоретически возможного.

Для получения среднего вакуума чаще применяют вращательные насосы с масляным уплотнением. Их рабочая камера заполнена маслом, либо они погружены в масляную ванну. Быстрота откачки этих насосов 0,1—750 л/сек, предельное давление 1 н/м2 (10-2 мм.рт.ст.) в одноступенчатых и 10-1 н/м2 (10-3 мм.рт.ст.) в двухступенчатых насосах. Масло хорошо уплотняет все зазоры, выполняет функцию дополнительной охлаждающей среды, однако при длительной работе сконденсированные пары загрязняют масло. Для предотвращения конденсации паров, возникающей при их сжатии, камеру заполняют определенным объемом воздуха (балластным газом), который в момент выхлопа обеспечивает парциальное давление пара в паро-воздушной смеси, не превышающее давления насыщения. При этом пары из насоса выталкиваются без конденсации. Такие насосы называются газобалластными и применяются как форвакуумные (для создания предварительного разрежения).

Двухроторные насосы имеют 2 фигурных ротора, которые при вращении входят один в другой, создавая направленное движение газа. Эти насосы обладают большой быстротой откачки и часто применяются как промежуточные (вспомогательные, или бустерные) между форвакуумными и высоковакуумными. Они обеспечивают вакуум 10-2—10-3 н/м2 (10-4—10-5 мм.рт.ст.) при быстроте откачки до 15 м3/сек.

В молекулярных насосах при вращении ротора в газе молекулы получают дополнительную скорость в направлении их движения. Впервые такой насос был предложен в 1912 немецким ученым В.Геде, но долго не получал распространения из-за сложности конструкции. В 1957 немецкий ученый В.Беккер применил турбомолекулярный насос, ротор которого состоит из системы дисков. Таким насосом получают вакуум до 10-8 н/м2 (10-10 мм.рт.ст.).

Струйный насос

В струйных насосах направленная струя рабочего вещества уносит молекулы газа, поступающие из откачиваемого объема. В качестве рабочего вещества могут быть использованы жидкости или пары жидкостей. В зависимости от этого, насосы называются водоструйными, пароводяными, парортутными или паромасляными.

По принципу действия струйные насосы бывают эжекторными и диффузионными. В эжекторных насосах откачивающее действие струи основано на увеличении давления газового потока под действием струи более высокого напора. Такие насосы применяются для получения вакуума 10 н/м2 (10-1 мм.рт.ст.). Простым эжекторным насосом является водоструйный насос, распространенный в лабораторной практике, в химической промышленности и др. Предельное давление таких насосов не намного превышает давление водяных паров. К эжекторным насосам может быть отнесен вихревой насос (аппарат), откачивающее действие которого основано на использовании разрежения, развивающегося вдоль оси вихря. Значительно большей быстротой откачки и более низким предельным давлением обладают насосы, в которых рабочим веществом является водяной пар. В многоступенчатых пароводяных насосах быстрота откачки достигает 20 м3/сек, создаваемый вакуум 0,7 н/м2 (5·10^-3 мм.рт.ст.).

Откачивающее действие диффузионных насосов основано на диффузии молекул откачиваемого газа в области действия струи пара рабочего вещества за счет перепада их парциальных давлений. В качестве рабочего вещества в 1915 году В.Геде применил пары ртути. Ртуть обеспечивает постоянное (для данной температуры) давление насыщенного пара, постоянную (для данного давления) температуру, остается химически неактивной, не боится перегрева, но пары ртути, даже в небольшом количестве, опасны для человеческого организма. Одним из заменителей ртути является масло. Такие вакуумные насосы называются паромасляными. Применение в качестве рабочей жидкости масла привело к широкому распространению таких насосов с быстротой откачки до нескольких сотен м3/сек при получении вакуума до 10-6 н/м2 (10-8 мм.рт.ст.). В паромасляном насосе последовательно соединены несколько откачивающих ступеней в одном корпусе. Диапазон рабочих давлений трехступенчатого паромасляного насоса 10-3—10-1 н/м2 (10-5—10-3 мм.рт.ст.).

Ионные насосы

Действие ионных насосов основано на ионизации газа сильным электрическим разрядом и удалении ионизованных молекул электрическим полем. Этот способ мало распространен из-за сложности устройства и большой потребляемой мощности, затрачиваемой главным образом на создание магнитного поля.

При комнатной температуре инертные газы и углеводороды практически не поглощаются напыленными пленками металлов. Для их удаления служат комбинированные ионно-сорбционные или ионно-геттерные насосы, в которых сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и углеводородов. Поглощающая поверхность обновляется осаждением на стенках термически испаряемого титана, а также катодным распылением титана в электрическом разряде или в магнитном поле в электроразрядных или магниторазрядных ионно-сорбционных насосах. Ионно-сорбционные вакуумные насосы при предварительной откачке до 10-2 н/м2 (до 10-4 мм.рт.ст.) создают вакуум до 10-5 н/м2 (10-7 мм.рт.ст.). Быстрота откачки зависит от рода газа.