1.6. Вакуумные насосы

По назначению:

• Низковакуумные ( Па). Обычно их называют форвакуумные.

• Среднего вакуума ( Па).

• Высоковакуумные ( Па).

По принципу действия:

• Механические (объёмные и молекулярные)

• Струйные

• Электрофизические

• Сорбционные

Схема простейшей вакуумной системы

Рис.1.31. Схема вакуумной системы

1 – Откачиваемый объект.

2,3 – Манометрические преобразователи.

4 – Насос.

5 – Соединительный трубопровод.

Течение газа из откачиваемого объекта в насос в такой системе обеспечивается за счёт разности давлений и и выполнения соотношения .

Основными параметрами вакуумного насоса являются:

• Быстрота откачки насоса – объём газа, проходящий через сечение трубопровода в единицу времени.

• Быстрота откачки объекта (эффективная быстрота откачки насоса) – объём газа, поступающий в трубопровод из откачиваемого объекта в единицу времени (при давлении ).

• Быстрота действия насоса – объём газа, удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок при давлении .

• Коэффициент использования насоса – отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия.

• Производительность – поток газа, проходящий через входное сечение насоса.

Зависимость быстроты действия насоса от давления:

Рис. 1.32. Зависимость быстроты действия от давления на входе в насос

- номинальная быстрота действия насоса.

– минимальное давление, которое может обеспечить насос при откачке с самого себя (не путать с другими ). Предельное давление большинства насосов определяется газовыделением материалов, из которых изготовлен насос, перетеканием газов через зазоры и другими явлениями, возникающими в процессе откачки.

– минимальное давление, при котором длительное время сохраняется номинальная быстрота откачки. Оно на порядок выше предельного. Промежуток от предельного давления до минимального не используется для работы, так как это экономически невыгодно.

– максимальное давление, при котором длительное время сохраняется номинальная быстрота откачки. Диапазон от до характеризует рабочий диапазон насоса. Внутри этого диапазона

– максимальное давление, при котором насос можно запускать, чтобы он не вышел из строя.

Ещё одной характеристикой является давление на выходе насоса. При давлениях ниже, чем максимальное выпускное давление быстрота действия насоса практически не зависит от этого давления. При давлениях выше она резко падает. Например, в форвакуумном насосе быстрота откачки зависит от атмосферного давления; т.е. если мы создадим какую-то искусственную область, где давление будет нагнетать, то насосу некуда будет сбрасывать газ, который он будет откачивать и в этом случае быстрота его действия будет падать. Такая же характеристика у паромасляных насосов. Они всегда работают в паре с форвакуумными насосами, так как форвакуумный насос обеспечивает необходимое выходное давление для работы паромасляного.

1.6.1. Объёмная откачка

Основные операции, выполняющиеся в ходе объёмной откачки:

1. Всасывание газа за счёт расширения рабочей камеры насоса.

2. Уменьшение объёма рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа.

3. Удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения.

Объёмные насосы осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Наиболее распространены следующие конструкционные варианты объёмных насосов:

• Поршневой;

• Жидкостно-кольцевой;

• Ротационный;

Рассмотрим пример объёмного насоса – пластинчато-роторный насос, относящийся к ротационным насосам.

Давление запуска – атмосферное давление.

Рис. 1.33 Схема пластинчато-роторного насоса

1 – Корпус;

2 – Ротор;

3 – Рабочая камера;

4 – Лопасть;

5 – Выход;

6 – Вход;

Обеспечивает предельное давление Па. Номинальная быстрота откачки от 5 л/с до 5 . Удельная масса таких насосов от 10 до 30 кг/(л/с), а удельный расход мощности от 0,1 до 0,3 кВт/(л/с).

Принцип работы: после включения ротора, газ поступает в расширяющую камеру всасывания до тех пор, пока его не перекроет второй лопастью. Газ внутри камеры сжимается, пока не откроется выпускной клапан под атмосферным давлением. Масло, которое находится внутри насоса обеспечивает герметичность работы и обеспечивание скольжения и трения лопасти.

Зависимость эффективной быстроты откачки от давления газа для объёмного насоса:

Рис.1.34. Зависимость быстроты действия от входного давления для пластинчато-роторных насосов

Диаграмма работы насоса объёмного действия:

Рис. 1.35. Диаграмма работы насоса объёмного действия

В начале, когда происходит напуск газа в камеру, объём увеличивается, а давление сохраняется постоянным на уровне (здесь – это предельное давление, до которого можем откачать). В момент времени лопасть ротора пересекает входное отверстие. В этот момент времени объём в камере насоса максимален. Объём камеры уменьшается ( ), а давление возрастает в промежутке времени от до . В момент времени происходит перекрытие клапана второй лопастью, что соответствует максимальному давлению в рабочей камере. После происходит выхлоп газа и объёма насоса.

Предельное давление объёмной откачки:

Рис. 1.36. pV-диаграмма объёмных насосов

Предельное давление таких насосов определяется кроме газовыделения материалов насоса объёмом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла. Также, при работе с маслом, возникает требование к откачиваемому газу: откачиваемый газ не ложен вступать в химическую реакцию с газом, и газ не должен растворяться в этом масле. Таким образом, масло может выступать как источник загрязнения и, в связи с этим используются специальные ловушки, которые позволяют понизить .

Предельное давление объёмной откачки можно улучшить уменьшая общий обратный поток из насоса. Для этого применяются ловушки, предотвращающие проникновение паров рабочей жидкости насоса в откачиваемый объект. Так же, для этих целей последовательно соединяют две ступени откачки. Это уменьшает прорыв газов из камеры сжатия в камеру всасывания.

Двухроторные насосы (насосы Рутса)

Рис. 1.37. Схема двухроторного насоса с леминискатными профилями (насос Рутса)

Стрелками указано направление потока откачиваемого газа и вращения ротора.

Принцип работы: два идентичных ротора, снабженных лопастями, синхронно вращаются в нагнетательной полости, выполняя роль вращающихся поршней. При вращении они захватывают входящий поток газа из всасывающего патрубка, постепенно изолируют его в полостях между лопастями и корпусом, сжимают, перемещают его к выхлопному патрубку и выталкивают его через выходное отверстие. 

Зависимость эффективной быстроты откачки от давления газа для двухроторного насоса:

Рис. 1.38. Зависимость быстроты действия от давления для насоса Рутса

Используются для работы с большой быстротой при малых степенях сжатия. При этом, габариты таких насосов сопоставимы с пластинчато-роторными. Нормальная работа такого насоса возможна только при наличии насоса предварительного разрежения.

Достоинства: отсутствие трения и дисбаланса; высокая частота вращения роторов (порядка 3000 ); высокая производительность при малых габаритных размерах; отсутствие масла в рабочей камере насоса.

Недостатки: наличие обратных перетеканий; невысокое рабочее отношения давления выхода ко входу (коэффициент компрессии) (от 10…20 в СВ до 1,5…2 в НВ) и селективность откачки газов с различными молекулярными массами.

По диапазону рабочих давлений занимают промежуточную область между высоковакуумными насосами (турбомолекулярными, диффузионными) и вакуумными насосами с масляным уплотнением(пластинчато-роторными). Поэтому такие насосы называют бустерными насосами.