Тэг: Диапазоны вакуума

Описание принципов работы вакуумных насосов, области применения вакуумных насосов.

Введение
В этой статье представлена отраслевая информация о вакуумных системах и вакуумных насосах.  Читайте дальше, чтобы узнать больше.

Обзор вакуумного насоса
Диапазоны вакуума
Виды вакуумных насосов и принципы их работы.
Разница между жидкой и сухой смазкой
И многое другое...

Глава 1: Что такое вакуумный насос?

Вакуумный насос — это оборудование, способное создавать вакуум частичного или низкого давления путем выталкивания молекул газа или воздуха из герметичной камеры. Вакуум — это относительное состояние, при котором давление в камере ниже, чем в окружающей атмосфере или соседних системах. Это отличается от абсолютного вакуума, где давление составляет 0 Па и нет молекул газа.

Одним из ключевых элементов вакуумного насоса является атмосферное давление, которое представляет собой вес воздуха, давящего на землю. Это давление создается за счет веса молекул воздуха, который уменьшается на больших высотах. Давление воздуха или атмосферное давление оказывает существенное влияние на работу машин, особенно вакуумных насосов. Давление всегда пытается выровняться, когда молекулы движутся от высоких областей к низким, чтобы заполнить пространство, и этот процесс основан на идее сталкивания молекул.

Целью всех вакуумных насосов является преобразование энергии в давление. Количество энергии, необходимой для работы насоса, меняется в зависимости от атмосферного давления. Чем выше атмосферное давление, тем эффективнее работает вакуумный насос. Поскольку атмосферное давление играет жизненно важную роль в эффективности работы вакуумного насоса, оно является важным фактором стоимости эксплуатации вакуумного насоса и будет меняться в зависимости от температуры, влажности и высоты над уровнем моря.

Можно создать разную степень вакуума. Они могут варьироваться от низкого вакуума с диапазоном абсолютного давления от 1 до 0,03 бара до высокого вакуума с давлением в одну миллиардную долю Паскаля. Низкий и средний вакуум обычно встречается в промышленных системах, таких как вакуумные захваты, пылесосы, лампы накаливания, малярные, пескоструйные, вакуумные печи и вентиляция с отрицательным давлением. Системы более высокого вакуума используются в лабораторных технологиях, таких как реакторы частиц и ускорители.


Существует две основные категории создания частичного вакуума. Один из них — путем переноса газа или подачи газа, а другой — путем улавливания. Вакуумные насосы газоперекачивающего типа работают путем механического удаления газов посредством положительного смещения или передачи импульса. Вакуумные насосы объемного типа имеют камеры, которые поочередно расширяются и сжимаются с помощью обратных клапанов для всасывания и выброса потока. Насосы для передачи импульса работают за счет ускорения газов, создавая за собой область низкого давления. С другой стороны, вакуумные насосы улавливания захватывают молекулы газа с помощью различных принципов, таких как конденсация, сублимация, адсорбция, ионизация и так далее.

Глава 2: Диапазоны вакуума

Диапазоны вакуума характеризуются измерением абсолютного давления системы. Что представляет собой количество оставшихся молекул в системе. Остальные молекулы газа обычно представляют собой азот, кислород и водяной пар со следами неона, гелия и водорода. По мере того как удаляется все больше и больше молекул, удалить дополнительные становится все труднее. Чем меньше молекул необходимо удалить, тем больший вакуум требуется для более интенсивной работы и использования большего количества энергии, поскольку меньшее количество молекул снижает показания давления.

Различные диапазоны вакуума требуют разных методов откачки. Диапазоны низкого и среднего вакуума могут быть достигнуты с помощью вакуумных насосов объемного типа. Они подходят для большинства промышленных систем. Достижение высоких и сверхвысоких диапазонов вакуума для специальных технологий, таких как методы анализа поверхности, микроскопия и нанолитография, достигается как с помощью насосов для передачи импульса, так и с помощью насосов для улавливания.

Диапазон вакуума.....................................................Абсолютное давление (Па)
Атмосферный.............................................................101 325
Низкий вакуум (грубая, грубая обработка).............от 1,01 х 105 до 3,33 х 103
Средний вакуум...........................................................от 3,33 x 103 до 1 x 10−1
Высокий вакуум..........................................................от 1 х 10−1 до 1x10−7
Сверхвысокий вакуум.................................................от 1 х 10−7 до 1 х 10−10

Глава 3: Типы вакуумных насосов и принципы их работы

Двумя основными классификациями принципов вакуумной откачки являются перенос газа и улавливание. Перенос газа далее делится на положительное вытеснение и передачу импульса. Чтобы лучше понять концепцию вакуумных насосов, лучше всего понять три типа потока: вязкий, переходный и молекулярный. Вязкий или непрерывный поток возникает при высоком давлении и среднем вакууме. В этом типе потока газ достаточно плотный, чтобы молекулы газа могли сталкиваться друг с другом. Средняя длина свободного пробега или среднее расстояние, пройденное молекулой газа, меньше размеров камеры. Когда достигается более высокий вакуум, молекулы газа имеют тенденцию сталкиваться со стенками камеры больше, чем с другими молекулами газа. Переходное течение возникает, когда вязкое течение начинает превращаться в молекулярное течение. Молекулярный поток характеризуется хаотическим движением газов, при котором длина их свободного пробега намного превышает размеры камеры.

Газы, текущие под вязким потоком, можно перекачивать механически объемными насосами. Однако молекулярный поток будет достигнут, когда газ не может быть откачан из-за разницы давлений. На этом этапе используется другая система откачки: передача импульса или захват. Большинство систем высокого вакуума имеют два насоса, соединенных в тандеме. Одних объемных насосов недостаточно при более высоком вакууме. Насосы для передачи импульса не будут работать, если система будет работать с вязким потоком. Насосы улавливания будут часто регенерироваться или истощаться, когда газ невозможно уловить, особенно при вязком потоке.

Вакуумные насосы обьемного действия

Вакуумные насосы объемного действия работают за счет расширения и сжатия герметичной камеры, в которой поток газа контролируется односторонними клапанами. Процесс создания вакуума начинается с расширения герметичной камеры, создающей вакуум. Этот вакуум втягивает газ в камеру через впускной клапан. При достижении максимального расширения впускной клапан закрывается, а выпускной открывается. Газ выбрасывается из камеры по мере ее сжатия. Цикл повторяется несколько раз в секунду, создавая пульсирующий поток.

Как и обычные насосы, объемные вакуумные насосы классифицируются в зависимости от движения и конструкции камеры. Есть две основные категории: возвратно-поступательные и вращательные.

Поршневые вакуумные насосы.

Эти типы вакуумных насосов имеют камеры, которые расширяются и сжимаются за счет возвратно-поступательных или повторяющихся движений вперед и назад. Диапазон движения движущегося поршня называется ходом. Поршневые вакуумные насосы имеют два односторонних клапана: один для впуска, другой для выпуска. Поочередное открытие и закрытие этих клапанов позволяет создавать вакуум и выбрасывать газ. Тремя основными типами поршневых вакуумных насосов являются поршневые, плунжерные и диафрагменные вакуумные насосы.
Поршневой вакуумный насос с возвратно-поступательным движением: этот тип насоса создает вакуум и сжатие за счет движения поршня, прижатого к цилиндру. Поршень соединен с коленчатым валом через шатун. Когда коленчатый вал вращается, поршень перемещается вперед и назад внутри цилиндра. Поршни обычно изготавливаются из чугуна, бронзы или стали.

Плунжерный вакуумный насос:

этот тип вакуумного насоса работает так же, как поршневой вакуумный насос. Поршень или плунжер этого вакуумного насоса представляет собой длинный прочный цилиндр, обычно изготовленный из керамики с твердым покрытием. Длинный профиль плунжера позволяет уплотнению высокого давления быть неподвижным относительно цилиндра, в отличие от поршневых насосов, в которых уплотнение прикреплено к поршню. Это позволяет использовать более сложные системы уплотнений. Плунжерные вакуумные насосы больше подходят для более сложных условий, чем поршневые вакуумные насосы.

Мембранный вакуумный насос.

В мембранных вакуумных насосах используется деформируемая металлическая или эластомерная мембрана, постоянно соединенная с камерой, образующая герметичное уплотнение. Поршневые вакуумные насосы имеют преимущество с точки зрения надежности и мощности, тогда как диафрагменные вакуумные насосы в основном подходят для удаления опасных или коррозионно-активных веществ.

Поршневые вакуумные насосы также можно классифицировать по количеству камер, главным образом для решения проблемы пульсирующего потока. Пульсирующий поток является нежелательной характеристикой поршневых насосов, в которых поток подается короткими импульсами. Добавление большего количества поршней и цилиндров создаст более постоянный поток. Это привело к разработке поршневых насосов с несколькими узлами поршень-цилиндр, известных как мультиплексные насосы.

По количеству достигаемых фаз цикла за ход поршневые насосы делятся на одно- и двустороннего действия. Насосы одностороннего действия создают только вакуум или сжатие за один ход. В этой конфигурации поршень или диафрагма соединены только с одной камерой, где только одна сторона контактирует с газом. Насос двойного действия, напротив, создает как вакуум, так и сжатие за один ход. Обычной конфигурацией является узел с двумя поршнями и цилиндрами или с двумя диафрагмами, который приводится в действие одним приводным стержнем. Другие конструкции могут иметь один поршень или диафрагму, обслуживающую две камеры. Насосы двойного действия используются чаще из-за большей эффективности, более высокой скорости потока и меньшей пульсации потока.

Роторные вакуумные насосы.

Как следует из названия, эти типы вакуумных насосов создают области низкого давления за счет вращения движущихся компонентов относительно корпуса насоса. Сопрягаемые поверхности между ротором и корпусом имеют очень малые зазоры и покрыты самосмазывающимися материалами или материалами с низким коэффициентом трения, такими как графит, ПТФЭ (политетрафторэтилен) или ПЭЭК (полиэфирэфиркетон). Небольшой зазор предотвращает утечку газа в сторону низкого давления. По сравнению с поршневыми насосами роторные вакуумные насосы имеют меньшую пульсирующую подачу, что делает поток более непрерывным. Однако они не подходят для работы с газами, загрязненными абразивными средами, поскольку это может привести к разрушению небольших зазоров между ротором и корпусом. Роторные вакуумные насосы классифицируются по конструкции ротора.

Пластинчато-роторный вакуумный насос.

Пластинчато-роторные вакуумные насосы являются наиболее распространенным типом вакуумных насосов объемного типа. Этот насос имеет лопасти, радиально вставленные в круглый ротор. Ротор установлен эксцентрично относительно корпуса статора. Этот эксцентриситет известен как ход насоса. Отдельные камеры, разделенные лопатками, постепенно уменьшаются по мере приближения к выпускному отверстию. Лопастям разрешено радиальное перемещение, которые прижимаются к корпусу главным образом за счет центробежной силы при вращении ротора. Пружина подает напряжение на лопасти или удерживает их на месте, когда ротор не движется.

Жидкостно-кольцевой вакуумный насос:

Жидкостно-кольцевые насосы работают аналогично пластинчато-роторным насосам, но имеют другую конструкцию лопастей. Как упоминалось ранее, пластинчато-роторные насосы имеют лопасти, которые могут свободно перемещаться в радиальном направлении. Однако лопатки жидкостно-кольцевого вакуумного насоса прикреплены к ротору. При вращении ротора газ втягивается в камеру за счет расширения полостей за счет эксцентриситета ротора. Центробежные силы прижимают жидкость к корпусу, образуя кольцо жидкости, отсюда и название.

Роторно-поршневой вакуумный насос:

Роторно-поршневой вакуумный насос имеет эксцентриковое колесо в качестве ротора, прикрепленное к золотниковому клапану. Роторно-поршневые клапаны можно рассматривать как двухтактные насосы двойного действия с двумя отдельными камерами сжатия. Когда колесо вращается во время такта впуска в первой камере, золотниковый клапан открывается, обеспечивая доступ газа. Напротив этой камеры находится другая, в которой происходит такт выпуска. Эта вторая камера имеет выпускной клапан, через который выбрасывается сжатый газ. Как и поворотная лопасть, камера сжатия создается путем сопряжения ротора, в данном случае эксцентрикового колеса, с корпусом насоса. Эта камера постепенно уменьшается в конце такта выпуска.

Винтовой вакуумный насос:

Роторно-винтовой насос — один из первых разработанных насосов объемного действия, известный как винт Архимеда. В своей простейшей форме этот насос состоит из одного винта внутри полого цилиндра. Современные конструкции включают двойные или тройные винты, сцепляющиеся друг с другом. Когда газ попадает в насос, он задерживается в полостях между резьбой винта и корпусом. Давление создается вращением винта, выбрасывающего газ на другую сторону. Он подходит для работы с одно- и многофазными газами и обладает более высокой устойчивостью к работе с газами с абразивными примесями.

Шестеренчатый вакуумный насос:

этот тип поршневого насоса имеет роторы в виде двух зацепляющихся шестерен, где одна шестерня приводит в движение другую. Шестеренчатые насосы могут быть как внешними, так и внутренними. Насос с внешней шестерней имеет две сопрягаемые внешние шестерни. Внешние шестеренные насосы работают за счет создания расширенной полости, когда зубья выходят из зацепления при вращении в сторону впускного отверстия. Газ втягивается в эту полость за счет создаваемого вакуума. Когда шестерни вращаются, газ задерживается между зубьями и корпусом насоса. Газ выбрасывается на другую сторону камеры. С другой стороны, насосы с внутренней шестерней имеют роторы, состоящие из ведомой внешней шестерни и внутренней шестерни. Перекачивание осуществляется так же, как и в насосах с внешней шестерней, где газ забирается из расширяющейся полости, когда зубья шестерни выходят из зацепления.

Лопастной вакуумный насос (Рутс):

Роторные лопастные воздуходувки используются для работы с воздухом и газом, и их иногда называют «Рутс» в честь братьев Рутс, которые изобрели их в 1859 году. Они перемещают газы так же, как шестеренные насосы. Вместо сопрягающихся зубьев шестерни кулачковые насосы имеют роторы с двумя или более сцепляющимися лопастями. Лопастные роторы приводятся в движение шестернями, так что роторы не соприкасаются, что позволяет поддерживать высокие скорости вращения при меньшем износе роторов. Кулачковые насосы обеспечивают постоянный контакт жидкостного уплотнения по поверхностям кулачков.

Спиральный вакуумный насос:

этот тип насоса состоит из двух спиралей, одна из которых действует как ротор, а другая — как статор. Ротор не вращается, а движется эксцентрично относительно другого. Спиральный насос работает, всасывая газ с периферии спиралей. Газ, захваченный между спиралями, транспортируется к центру, где объем постепенно уменьшается.

Насосы для передачи импульса

Насосы для передачи импульса работают, вызывая движение молекул газа посредством передачи кинетической энергии. Это происходит при молекулярном потоке, в отличие от вязкого или непрерывного потока, имеющего место в объемных насосах. Равномерное распределение скоростей молекул постоянно меняется в предпочтительном направлении под воздействием быстро движущихся поверхностей, сталкивающихся с ними. Эти поверхности ограничиваются не только поверхностями рабочего колеса, но и другими газами. Примером является диффузионный вакуумный насос, в котором высокоскоростные струи рабочей жидкости придают импульс газам, которые должны быть втянуты из впускного отверстия. Вакуумные насосы для передачи импульса подходят для создания высокого вакуума. Однако для создания молекулярного потока во всей системе должно существовать низкое давление. Выхлопные газы не могут быть напрямую выброшены в атмосферу или при давлениях, при которых может возникнуть обратный поток. Для решения этой проблемы в тандеме с вакуумным насосом устанавливается форвакуумный насос. Форвакуумный насос может представлять собой объемный насос, работающий при более низком уровне вакуума, который может сбрасывать газ непосредственно в атмосферу.

Турбомолекулярный вакуумный насос.

Турбомолекулярный вакуумный насос имеет несколько ступеней вращающихся и неподвижных лопаток турбины. Вращающиеся лопасти расположены под таким углом, что они передают достаточный импульс молекулам газа, перемещая их в осевом направлении к последующим ступеням, пока они не достигнут выхлопа. Статор также имеет наклонные лопасти и обеспечивает правильное направление газа. Поскольку масса газа очень мала, роторы должны вращаться с очень большой скоростью. Накопление тепла от трения и отклонение ротора ограничивают конструкцию турбомолекулярных насосов.

Диффузионный вакуумный насос. 

Как упоминалось ранее, диффузионн�