Вакуумные насосы. 
Пневматические системы автоматики

Вакуумным насосом называется устройство для удаления газов и паров из замкнутого объёма с целью получения вакуума. Вакуумные насосы делятся на проточные, которые удаляют газ из откачиваемого объёма наружу, и сорбционные, связывающие газ внутри насоса.

Основными параметрами вакуумных насосов являются:

• 1) предельное остаточное давление;
• 2) быстрота откачки, т. е. объём газа, откачиваемый в единицу времени при определенном впускном давлении;
• 3) производительность — количество газа, удаляемое в единицу времени при определённом впускном давлении;
• 4) наибольшее давление запуска при котором вакуумный насос может начать работать
• 5) наибольшее выпускное давление, при котором вакуумный насос ещё может осуществлять откачку.

Вакуумные насосы бывают форвакуумные для создания в системе низкого и среднего вакуума давлении запуска 760 мм рт. ст. и высоковакуумные, создающие высокий вакуум.

По принципу действия проточные вакуумные насосы подразделяются на механические, струйные (эжекторные и пароструйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные.

Механические вакуумные насосы — форвакуумные, они основаны на откачивании газа при периодическом увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объёма и сжатии газа до давлений, достаточных для открывания выпускных клапанов. Они обеспечивают остаточные давления до 1 мм рт. ст. и скорость откачки до 1000 л/с. Механические вакуумные насосы бывают поршневые и вращательные.

Схема поршневого вакуумного насоса приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Схема поршневого вакуумного насоса:

1 — цилиндр насоса; 2 — поршень; 3 — приводной шток; 4 — вакуумируемая линия; 5 — выпускная линия; 6 — впускной клапан; 7 — выпускной клапан

При движении поршня вверх выпускной клапан закрыт, а впускной клапан открывается за счет расширения объема нижней камеры цилиндра и падения в ней давления. При этом происходит эвакуация газа из вакуумируемой линии. При движении поршня вниз впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается, что дает возможность поршню занять исходное нижнее положение. Далее цикл работы насоса повторяется.

Во вращательных водокольцевых вакуумных насосах вода центробежной силой от вращения лопастей ротора прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцо и рабочую камеру, свободную от воды. Газ откачивается в результате изменения объема рабочей камеры между лопатками ротора. Эти насосы могут откачивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и другие взрывоопасные газы.

Многопластинчатые вакуумные насосы также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези которого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к внутренней поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяющимся объёмом. Схема использования распространенных вращательных вакуумных насосов, которые также называются насосами Геде, может быть многоступенчатой.

На рис. 6.2 приведена схема двухступенчатого соединения вращательных вакуумных насосов.

Рис. 6.2. Двухступенчатое соединение вращательных вакуумных насосов:

I — вакуумная линия; 2 — линия выхлопа; 3 — статор; 4 — ротор;

5 — разделительная пластина; 6 — пружина

Эксцентрично расположенный ротор приводится в движение электрическим двигателем. Разделительная пластина ротора имеет постоянный контакт со статором благодаря пружине. В результате вращения ротора объем насоса, соединенный с вакуумной линией, увеличивается и понижает в ней давление. Газ эвакуируется из откачиваемого объема и поступает на вторую ступень насоса, где степень вакуумирования увеличивается благодаря пониженному давлению на входе второй ступени.

Иногда экономически целесообразно комбинировать вакуумные насосы различных типов на разных ступенях откачки газа.

Действие двухроторных вакуумных насосов (насосов Рутса) основано на встречном вращении двух роторов.

В струйных вакуумных насосах откачиваемый газ всасывается струей жидкости или пара. Различают эжекторные и пароструйные вакуумные насосы.

В эжекторных вакуумных насосах, или эжекторах, вакуум может образовываться с помощью сжатого воздуха (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Схема эжектора:

1 — корпус: 2 — входной дроссель; 3 — выходной дроссель

Сжатый воздух подается на входной дроссель, где он ускоряется и далее попадает в выходной дроссель большего диаметра. В результате в объеме между дросселями возникает область пониженного давления, к которой и подключается вакуумная линия нагрузки.

Конструкция эжектора наиболее компактна по сравнению с другими вакуумными генераторами и не имеет подвижных механических частей, обладает практически неограниченным ресурсом работы и не нагревается.

Эффективность эжектора вычисляется по формуле:

где t — время откачки (эвакуации), Q — расход воздуха, V — объем нагрузки, к — конструктивный коэффициент пропорциональности. Эффективность эжектора является линейной функцией, которая приведена на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Эффективность эжектора в функции глубины ваккума

Типичная рабочая характеристика эжектора в функции входного давления показана на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Рабочая характеристика эжектора в функции входного давления

Из этой характеристики следует, что оптимальная рабочая зона лежит в диапазоне входного давления от 5 до 6 бар. При выходе из этой зоны глубина генерируемого вакуума снижается.

Условное обозначение эжектора дано на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Условное обозначение эжектора

Пароструйные вакуумные насосы делятся на бустерные, основанные на вязкостном трении и диффузии, и диффузионные, основанные на молекулярном эффекте.

Пример диффузионного пароструйного вакуумного насоса приведен на рис. 6.7.

Рис. 6.7. Диффузионный вакуумный насос:

• 1 — корпус: 2 — нагреватель; 3 — рабочая жидкость; 4 — пар; 5 — сопло; б — ускоритель; 7 — эвакуируемый газ; 8 — фланец соединения с нагрузкой;
• 9 — радиатор; 10 — выпускная линия

Насос содержит нагреватель и рабочую жидкость. Нагреватель испаряет рабочую жидкость в сопло, которая отражается от ускорителя со сверхзвуковой скоростью. Организованный таким образом поток придает момент движения молекулам газа из вакуумируемого объема по направлению к выпускной линии. При этом пар конденсируется с помощью радиатора, и конденсат возвращается в зону нагревания.

Эффективность насоса можно определить, используя выражение:

где V- вакуумируемый объем, Л — начальное давление в нагрузке, Р/- конечное давление в нагрузке, t — время работы насоса.

В пароструйных вакуумных насосах Ленгмюра захват газа в диапазоне давлений до 10'² мм рт. ст. происходит за счёт вязкостного трения между поверхностными слоями струи и прилегающими слоями газа, а при давлении 10‘³ мм рт. ст. — за счёт диффузии газа в струю и конвективного переноса молекул газа струей в сторону форвакуума. При этом часть молекул откачиваемого газа, сталкиваясь с движущимися навстречу более тяжёлыми рассеянными из струи молекулами пара, отражается обратно. Часть газа, попавшего в струю, оказывается растворенной в конденсате и вместе с ним попадает в кипятильник, откуда затем выносится с парами через сопло. Этот процесс ограничивает получаемое остаточное давление до 1СГ⁶ мм рт. ст. и скорость откачки до 200 л/с.

В турбомолекулярных вакуумных насосах молекулы откачиваемого газа увлекаются быстро вращающимся ротором, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения молекул, улавливаются и удаляются из откачиваемого объёма. Перепад давления между входом в насос и выходом из него пропорционален скорости и длине движущейся поверхности, соприкасающейся с потоком газа, и молекулярному весу газа. Этот насос напоминает осевой многоступенчатый компрессор. Роторные и статорные диски такого насоса имеют радиальные косые прорези, боковые спгенки которых наклонены относительно плоскости диска под углом от 15 до 90°, причём прорези роторных дисков зеркальны относительно прорезей статорных дисков. При быстроте вращения ротора до 90 000 об/мин молекулы газа получают дополнительную скорость и увлекаются в каналы, образуемые прорезями в дисках, в направлении откачки. Эти насосы обеспечивают остаточные давления до 10‘¹² мм рт. ст. и скорость откачки до 10 000 л/с.

В сорбционных вакуумных насосах газ обычно остаётся внутри насоса в связанном виде на сорбирующих поверхностях или в подповерхностных слоях. Объем откаченного газа пропорционален площади сорбирующей поверхности. Остаточное давление зависит от процессов десорбции и доходит до 10*⁵ мм рт. ст. при скорости откачки до 10 л/с.

Сорбционные вакуумные насосы подразделяются на адсорбционные, сорбционные с термическим распылением, сорбционные с нераспыляемым геттером (ленточные), сорбционно-ионные, магниторазрядные (насос Пеннинга, ионно-распылительный) и криогенные.

В адсорбционных вакуумных насосах связывание газа происходит на поверхностях пористых материалов (цеолит, активный уголь, силикагель) при температуре окружающей среды или пониженной температуре. Используются они как самостоятельные с остаточным давлением 10*⁹ мм рт. ст. = 10‘⁷ Па или как форвакуумные насосы с остаточным давлением до КГ⁴ мм рт. ст. = 10'² Па.

В сорбционных испарительных или геттерных вакуумных насосах поглощающая поверхность создаётся напылением химически активных металлов, например циркония. Образующиеся плёнки поглощают большинство газов, присутствующих в вакуумных системах за счёт образования химических соединений и растворения. Инертные газы и углеводороды практически не поглощаются, их удаляют вспомогательным пароструйным насосом или ионной откачкой. Остаточное давление доходит до КГ³ мм рт. ст. при скорости откачки до 10 000 л/с.

В сорбционных нераспыляемых или ленточных вакуумных насосах поглощение осуществляется за счет хемосорбции ~ поглощения жидкостью или твердым телом веществ из окружающей среды с образованием химических соединений. Плёнка высокопористых сплавов активных металлов и композитных материалов наносится в виде мелкодисперсного порошка на металлическую и диэлектрическую подложки. Такой геттер обладает интенсивным диффузионным переносом газов в толщу плёнки, возрастающим с повышением температуры. Такие насосы позволяют получить вакуум до 10'¹³ мм рт. ст. при откачке активных газов до 1 л/с на см².

В сорбционно-ионных вакуумных насосах молекулы газа ионизуются при соударении с электронами, эмитированными накалёнными катодами. Положительные ионы, ускоренные электрическим полем, внедряются в покрывающий стенки насоса слой конденсированного сорбента.

В магниторазрядных вакуумных насосах рабочим элементом является газоразрядная ячейка — ячейка Пеннинга, состоящая из анода с ячеистой структурой, расположенного между катодными пластинами, покрытыми титаном. Ячейка помещена в магнитное поле, перпендикулярное плоскости катодов. При подаче на электроды высокого напряжения (от 3 до 7 кВ) между ними зажигается разряд, электроны движутся по сложным спиралям, что увеличивает вероятность ионизации в высоком вакууме глубиной до 10 ¹⁴ мм рт. ст. Ускоренные электрическим полем ионы бомбардируют катоды, вызывая катодное распыление. При этом часть ионов внедряется в катоды, а часть нейтрализуется и, обладая достаточной энергией, отражается от поверхности катода, попадает на анод и покрывается распыляемым материалом катодов. Активные газы откачиваются сорбционным и ионным способами, инертные — ионным.

Действие криогенных или конденсационных вакуумных насосов основано на конденсации и адсорбции паров и газов на поверхностях, охлаждаемых до низких температур, когда давление насыщенных паров откачиваемого вещества ниже давления, которое необходимо создать в откачиваемом объёме. Криогенный насос состоит из криопанели, защитного экрана, охлаждаемого до температур, промежуточных между температурой криопанели и стенки корпуса, и служащего для снижения тепловых нагрузок на криопанель от теплового излучения стенок корпуса насоса, а также системы охлаждения. Остаточное давление в таких насосах доходит до 10*¹⁵ мм рт. ст., а скорость откачки до 10 000 л/с. Для откачки газов, неконденсируемых в насосе, применяют вспомогательный пароструйный насос или сорбционно-ионный насос.

Для обеспечения больших расходов воздуха в нагрузке при негерметичности вакуумируемого объема используют вентиляторные вакуумные насосы. Схема такого насоса приведена на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Вентиляторный вакуумный насос:

1 — вакуумная линия; 2 — лопасти ротора; 3 — корпус; 4 — выпускная линия

Лопасти приводятся во вращение приводным валом ротора. За счет ускорения потока газа в зоне вакуумной линии в ней создается разряжение. Уровень вакуума при этом значительно ниже других типов насосов.

Сравнительные характеристики различных типов насосов по уровню вакуума и обеспечиваемому расходу воздуха в нагрузке приведены на рис. 6.9.

В зависимости от технологической задачи выбирается соответствующий тип насоса. Необходимо учитывать, что независимо от типа насоса работа в режиме сочетания высокого уровня вакуума и высокого расхода требует повышенных затрат энергии.

Рис. 6.9. Сравнительные характеристики различных типов насосов по уровню вакуума и обеспечиваемому расходу воздуха:

1 — механические насосы; 2 — эжекторы; 3 — вентиляторные насосы