2.2 Механические вакуумные насосы

По характеру воздействия на откачиваемые газы механические на­сосы разделяются на объемные и молекулярные. Объемные насосы осу­ществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Конструктивные варианты: поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные. Молекулярные насосы работают за счет передачи молеку­лам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. Среди них различают водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа, турбомолекуляр­ные с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемого газа.

Если выпускное давление механического насоса превысит значение Рв, произойдет т.н. срыв насоса, сопровождающийся резким ухудшением его предельного давления и быстроты откачки. Зависимость быстроты откачки (1) и предельного давления (2) от выпускного давления показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3.

Объемная откачка

В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции: 1) всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения. В зависимости от выбора конструктивной схемы объемные насосы делятся на поршневые, жид­костно-кольцевые и ротационные.

В поршневых откачка осуществляется за счет периодического из­менения объема цилиндра. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10...4000 л/с. Предельное давление достигает 10 Па. Недостатки поршневых насосов - неравномерность процесса откач­ки, неполная уравновешенность, большие потери на трение и большая удельная масса.

Быстрота действия жидкостно-кольцевых насосов лежит в преде­лах от 25 до 500 л/с. Предельное давление водокольцевых насосов 2000 Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. Недостат­ки насосов - большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе, и большая удельная масса.

Жидкостно-кольцевые насосы, рис .2.3. имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленны­ми лопатками. Жидкость внутри кор­пуса под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и создает жидкостное кольцо 4. Между кольцом и лопатками образуются ячейки, их объем вначале увеличивается, и газ через отверстие 3 поступает в насос. Затем объем уменьшается, и сжатый газ через отверстие 5 удаляется.

Рис. 2.4.

Ротационные вакуумные насосы имеют несколько конструктивных модификаций. Пластинчато-роторный насос, рис .2.5. содержит цилиндрический

Рис . 2.5.

корпус 7 с впускным 4 и выпускным 3 патрубками и эксцентрично распо­ложенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под дейс­твием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры.

Уплотнение зазоров, предотвращающее перетечку газа, осуществляется вакуумным маслом.

Предельное давление одноступенчатых роторных насосов достига­ет 1 Па, двухступенчатых 0,001 Па. Оно определяется кроме газовы­деления материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.

Пластинчато-статорный насос, рис .2.6., состоит из следующих основных

Рис. 2.6.

элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, вхо­дного патрубка 6. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачи­ваемого объекта, а за второй происходит сжатие и выхлоп газа. Пластина под действием пружины гер­метично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.

Золотниковый насос, рис. 2.7., состоит из корпуса 1, эксцентрично уста­новленного ротора 2, золотника 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3,

Рис .2.7.

шарнира 7 и входного патрубка 4. Газ из откачиваемого объема через входной патрубок и отверстия 5 в золотнике поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается, и на­ходящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок. Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в масляной ванне. Характеристики их примерно одинаковы, но золотниковые насосы имеют большие быст­роты откачки. Предельные давления одноступенчатых насосов достига­ют 10 Па, двухступенчатых 0,1 Па. Давление запуска и выпускное давление насосов обычно равны атмосферному.

Для работы с большой быстротой действия при малых степенях сжатия применяют ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями. Вращение роторов обеспе­чивается синхронизирующей передачей. К таким насосам относятся двухроторные насосы (насосы Рут­са), имеющие роторы с леминиска­нтными профилями, рис. 2.8. За один оборот каждый из роторов дважды

Рис. 2.8.

перебрасывает заштрихованный объем газа из области высокого вакуума в область предварительного разрежения. Двухроторные насосы при тех же габаритах имеют значительно большие быстроты действия, чем пластинчатые и золотниковые. Быстрота действия современных двухро­торных насосов лежит в пределах от 5 до 5000 л/с. Предельное дав­ление одноступенчатых насосов 0,5 Па, двухступенчатых 0,05 Па. На­ибольшее выпускное давление одноступенчатых насосов от 10² до 10³ Па.

Работа объемных вакуумных насосов может сопровождаться про­никновением паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объ­ект, загрязнением насоса откачиваемыми веществами и т.д. Для защи­ты откачиваемого объекта от паров откачиваемой жидкости использу­ются ловушки: механическкие, адсорбционные, ионные. Устройство и принцип их действия подробнее будет рассмотрен в разделе "Парост­руйные насосы. Значения предельного давления с применением ловушек существенно снижаются и достигают у ротационных насосов 10^-3 Па.