Как работают вакуумные насосы?

Статьи

Вакуумный насос — это устройство, которое удаляет молекулы газа или частицы воздуха из герметичного объема для достижения разности давлений, создающей частичный вакуум. Вакуумные насосы разработаны с использованием различных технологий в зависимости от требований к давлению и области применения, которую они обслуживают. При настройке вакуумной насосной системы правильный подбор параметров имеет решающее значение для достижения оптимальной эффективности. Ремонт вакуумных насосов большого количества типов: НВР Ремонт вакуумных насосов

Как работает вакуумный насос?

Вакуум – это свободное от материи пространство, в котором давление газа внутри этого объема ниже атмосферного. Основная функция вакуумного насоса заключается в изменении давления в замкнутом пространстве для создания полного или частичного вакуума механическим или химическим способом. Давление всегда будет пытаться выровняться в соединенных областях, поскольку молекулы газа текут от высокого уровня к низкому, чтобы заполнить всю площадь этого объема. Следовательно, если ввести новое пространство низкого давления, газ будет естественным образом течь из области высокого давления в новую область низкого давления, пока они не будут иметь одинаковое давление. Обратите внимание, что этот вакуумный процесс создается не за счет «всасывания» газов, а за счет выталкивания молекул. Вакуумные насосы, по сути, перемещают молекулы газа из одной области в другую, создавая вакуум, меняя состояния высокого и низкого давления.

Основы вакуумного насоса

По мере того, как молекулы удаляются из вакуумного пространства, становится экспоненциально труднее удалить дополнительные, что увеличивает требуемую мощность вакуума. Диапазоны давления разделены на несколько групп:

• Грубый/низкий вакуум: от 1000 до 1 мбар / от 760 до 0,75 Торр
• Тонкий/средний вакуум: от 1 до 10 ^-3  мбар / от 0,75 до 7,5 ^-3  Торр
• Высокий вакуум: от 10 ^-3  до 10 ^-7  мбар / от 7,5 ^-3  до 7,5 ^-7  Торр
• Сверхвысокий вакуум: от 10 ^-7  до 10 ^-11  мбар / от 7,5 ^-7  до 7,5 ^-11  Торр
• Чрезвычайно высокий вакуум: < ^10–11  мбар / < ^7,5–11  Торр

Вакуумные насосы классифицируются по диапазону давления, в котором они могут работать, чтобы различать их возможности. Эти классификации:

• Первичные (резервные) насосы, работающие в диапазонах грубых и низких вакуумметрических давлений.
• Бустерные насосы работают в диапазоне низкого и среднего давления.
• Вторичные (высоковакуумные) насосы работают в диапазонах высокого, очень высокого и сверхвысокого вакуума.

В зависимости от требований к давлению и условий эксплуатации технологии вакуумных насосов считаются влажными или сухими. Мокрые насосы используют масло или воду для смазки и уплотнения, в то время как сухие насосы не имеют жидкости в пространстве между вращающимися механизмами или неподвижными частями, которые используются для изоляции и сжатия молекул газа. Без смазки сухие насосы имеют очень жесткие допуски для эффективной работы без износа. Давайте посмотрим на некоторые из методов, используемых в вакуумном насосе.

Захват насосов

Улавливающие насосы, также называемые улавливающими насосами, не имеют движущихся частей и используются в приложениях, требующих чрезвычайно высокого вакуумного давления. Без движущихся частей улавливающие насосы могут создавать вакуумную среду двумя разными способами. 

 Крионасос (сухой, вторичный): давление 7,5 x 10 ^-10 торр, скорость откачки 1200–4200 л/с

Один из методов, используемых улавливающими насосами, заключается в улавливании молекул газа с помощью криогеники для улавливания молекул газа. В крионасосах используется криогенная технология для замораживания или улавливания газа на очень холодной поверхности. Используя чрезвычайно низкие температуры, они эффективно втягивают молекулы внутрь, создавая вакуум.

Распыляющие ионные насосы (сухие, вторичные): давление 7,5 x 10 ^-12 торр, скорость откачки 1000 л/с

Ионные насосы распыления используют сильные магнитные поля и ионизацию молекул газа, чтобы сделать их электропроводящими в качестве метода захвата. Магнитное поле создает облако электроположительных ионов, которые осаждаются на титановом катоде. В этом процессе химически активные материалы объединяются с молекулами газа, втягивая их и создавая вакуум.

Перекачивающие насосы

Перекачивающие насосы могут работать двумя способами; Кинетическая энергия или положительное смещение. В отличие от улавливающих насосов, перекачивающие насосы выталкивают молекулы газа из пространства через систему. Общим для них является то, что все они используют метод механического проталкивания газа и воздуха через систему через различные системные интервалы. Обычно несколько перекачивающих насосов используются параллельно для обеспечения более высокого вакуума и скорости потока. Также распространено использование нескольких перекачивающих насосов в системе, чтобы обеспечить резервирование в случае отказа насоса.

Кинетические насосы

Кинетические насосы используют принцип импульса через крыльчатки (лопасти) или введение пара для проталкивания газа к выходному отверстию.

Турбомолекулярный насос (сухой, вторичный): давление 7,5 x 10 ^-11 торр, скорость откачки 10–50 000 л/с.

Все насосы Kinetic являются вторичными насосами, поскольку они используются для приложений с высоким давлением. Одним из сухих методов является турбомолекулярный насос, в котором используются высокоскоростные вращающиеся лопасти внутри камеры, приводящие в движение молекулы газа. Передача импульса от вращающихся лопастей молекулам газа увеличивает скорость их движения к выходному отверстию. Эти насосы обеспечивают низкое давление и низкую скорость перекачивания.

Пародиффузионный насос (влажный, вторичный): давление 7,5 x 10 ^-11 торр, скорость откачки 10–50 000 л/с.

Пародиффузионный насос использует высокоскоростной нагретый масляный пар, который использует кинетическую энергию для перетаскивания молекул газа от входа к выходу. Отсутствие движущихся частей и пониженное давление на входе.

Насосы прямого вытеснения

Другой формой типа переноса является положительное смещение. Основной принцип объемного насоса заключается в том, что, расширяя первоначальный объем в камеру, они перемещают небольшие изолированные объемы газа на разных этапах, сжимая их до меньшего объема и под более высоким давлением выбрасывая наружу. Эти насосы работают в диапазоне более низких давлений и относятся к категории первичных или бустерных насосов и включают в себя мокрые или сухие технологии. Вот различные типы первичных вакуумных насосов прямого вытеснения:

Ротационно-лопастной насос с масляным уплотнением (мокрый, первичный): давление 1 x 10 ^-3 мбар, скорость откачки 0,7–275 м ³ /ч (0,4–162 фут ³ /мин)

Ротационно-лопастные насосы с масляным уплотнением сжимают газы с помощью эксцентрично установленного ротора, который вращает набор лопастей. Под действием центробежной силы эти лопасти выдвигаются и образуют камеры между собой и корпусом. Перекачиваемая среда удерживается внутри этих камер. При дальнейшем вращении их объем постоянно уменьшается. Таким образом, перекачиваемая среда сжимается и транспортируется к выходу. Пластинчато-роторные вакуумные насосы доступны в одноступенчатом и двухступенчатом исполнении.

Жидкостно-кольцевой насос (мокрый, первичный): давление 30 мбар, скорость откачки 25–30 000 м ³ /ч (15–17 700 фут ³ /мин)

Жидкостно-кольцевые насосы имеют смещенное от центра рабочее колесо с лопастями, изогнутыми по направлению вращения, которые образуют движущееся цилиндрическое кольцо жидкости вокруг корпуса за счет центробежного ускорения. Лопасти создают серповидные пространства разных размеров, когда они вращаются и герметизируются жидкостным кольцом. Вблизи всасывания или впуска объем увеличивается, что приводит к падению давления в каждом из них и втягиванию газа. По мере его вращения объемы между каждой лопастью уменьшаются из-за эксцентрично расположенного рабочего колеса и образования жидкостного кольца. Это сжимает газ при его разряде, создавая непрерывный поток.

Мембранный насос (сухой, первичный): давление 5 x 10 ^-8 мбар, скорость откачки 0,6–10 м ³ /ч (0,35–5,9 фут ³ /мин)

Мембранные насосы представляют собой объемные вакуумные насосы сухого метода. Диафрагма сидит на стержне, соединенном через коленчатый вал, который перемещает диафрагму вертикально при вращении. Когда диафрагма находится в нижнем положении, объем в камере увеличивается, снижая давление и втягивая молекулы воздуха внутрь. Когда диафрагма поднимается, объем уменьшается, и молекулы газа сжимаются при движении к выпускному отверстию. И впускной, и выпускной клапаны подпружинены, чтобы реагировать на изменения давления.

Спиральный насос (сухой, первичный): давление 1 x 10 ^-2 мбар, скорость откачки 5,0–46 м ³ /ч (3,0–27 фут ³ /мин)

В спиральных насосах используются две невращающиеся спирали спиральной конструкции, где внутренняя вращается по орбите и улавливает газ во внешнем объемном пространстве. По мере того, как он движется по орбите, объем газа становится все меньше и меньше, сжимая его до тех пор, пока он не достигнет минимального объема и максимально допустимого давления, и выбрасывается на выходе, расположенном в центре спирали.

Насосы типа Рутса (сухие, бустерные): давление <10 ^-3 торр, скорость откачки 100 000 м ³ /ч (58 860 футов ³ /мин)

Насосы Рута проталкивают газ в одном направлении через два лепестка, которые входят в зацепление, не соприкасаясь при встречном вращении. Это встречное вращение создает максимальный расход, так как объем увеличивается на входе при одновременном уменьшении на выходе сжимающего давления. Эти насосы предназначены для применения в тех случаях, когда требуется удаление больших объемов газа.

Кулачковые насосы (сухие, бустерные): давление 1 x 10 ^-3 мбар, скорость откачки 100–800 м ³ /ч (59–472 фут ³ /мин)

Кулачковые насосы имеют два вращающихся кулачка, которые вращаются в противоположных направлениях. Они чрезвычайно эффективны, надежны и требуют минимального обслуживания и часто используются в суровых промышленных условиях. Когти находятся в пределах 2/1000 дюймов друг от друга, но никогда не соприкасаются. Этот минимальный зазор между кулачками и корпусом камеры оптимизирует внутреннее уплотнение, устраняя износ и потребность в смазочных материалах или маслах.

Винтовые насосы (сухие, бустерные): давление 1 x 10 ^-2 торр, скорость откачки 750 м ³ /ч (440 фут ³ /мин)

В винтовых насосах используются два вращающихся винта, расположенных горизонтально внутри камеры, один левый и один правый, которые также бесконтактно зацепляются друг с другом. Молекулы газа, введенные с одного конца, захватываются между двумя винтами, и по мере их вращения в противоположных направлениях газ выталкивается в пространство с уменьшающимся объемом, сжимая его на выходе и создавая пониженное давление на входе.