Vakuové čerpadlo: Typy, aplikace a princip fungování

Vakuové čerpadlo je zařízení, které odstraňuje plynové molekuly z uzavřené komory nebo nádoby, což vytváří částečný nebo úplný vakuum. Vakuová čerpadla se široce používají v různých odvětvích a oblastech výzkumu, jako je letecký průmysl, elektronika, hutnictví, chemie, medicína a biotechnologie. Vakuová čerpadla lze také použít pro aplikace, jako je vakuové balení, vakuové formování, vakuové pokrývání, vakuové sušení a vakuové filtrace.

V tomto článku vysvětlíme, co jsou vakuová čerpadla, jak fungují, jaké jsou jejich hlavní vlastnosti a typy a jaké jsou některé z běžných aplikací.

Co je vakuové čerpadlo?

Vakuové čerpadlo se definuje jako zařízení, které snižuje tlak uvnitř komory nebo nádoby tím, že odebere z ní plynové molekuly. Úroveň vakuu dosažená vakuovým čerpadlem závisí na několika faktorech, jako je konstrukce čerpadla, typ pumpy, objem komory, teplota plynu a míra unikání systému.

První vakuové čerpadlo vynalezl Otto von Guericke v roce 1650. Ukázal své zařízení pomocí dvou hemisfér, které byly evakuovány jeho čerpadlem a pak spojeny dohromady. Ukázal, že i družstva koní nemohou tyto hemisféry oddělit kvůli atmosférickému tlaku, který na ně působí. Později Robert Boyle a Robert Hooke vylepšili Guerickeho návrh a prováděli experimenty s vlastnostmi vakuu.

Jaké jsou hlavní vlastnosti vakuového čerpadla?

Existuje tři hlavní vlastnosti, které charakterizují vakuové čerpadlo:

• Výfukový tlak

• Úroveň vakuu

• Pumping speed

Výfukový tlak

Výfukový tlak je tlak měřený na výstupu čerpadla. Může být stejný nebo nižší než atmosférický tlak. Různá vakuová čerpadla jsou určena pro různé výfukové tlaky. Obvykle mají čerpadla pro vytváření vysokého vakuu nízký výfukový tlak. Například pro vytvoření velmi vysokého vakuu 10-4 nebo 10-7 Torr (jednotka tlaku) je vyžadován velmi nízký výfukový tlak čerpadla.

Některá vysokovakuová čerpadla vyžadují podporovací čerpadlo k udržení nízkého výfukového tlaku, než mohou fungovat. Podporovací čerpadlo může být jiný typ vakuového čerpadla nebo kompresor. Tlak vytvořený podporovacím čerpadlem se nazývá podporový tlak nebo předtlak.

Úroveň vakuu

Úroveň vakuu je minimální tlak, který může vakuové čerpadlo vytvořit uvnitř komory nebo nádoby. Je také známá jako konečný tlak nebo základní tlak. Teoreticky je nemožné vytvořit absolutní vakuum (nulový tlak) uvnitř komory, ale prakticky je možné vytvořit velmi nízký tlak asi 10-13 Torr nebo nižší.

Úroveň vakuu dosažená vakuovým čerpadlem závisí na několika faktorech, jako je konstrukce čerpadla, typ pumpy, objem komory, teplota plynu a míra unikání systému.

Pumping Speed

Rychlost pumpování je definována jako rychlost, s jakou čerpadlo může odstranit plynové molekuly z komory nebo nádoby při daném tlaku. Měří se v jednotkách objemu za čas, jako jsou litry za sekundu (L/s), kubíky za minutu (CFM) nebo kubíky za hodinu (m3/h). Rychlost pumpování je také známá jako kapacita nasávání nebo propustnost.

Rychlost pumpování závisí na několika faktorech, jako je konstrukce čerpadla, typ pumpy, rozdíl tlaku mezi vstupem a výstupem čerpadla a konduktivita systému.

Jaké jsou typy vakuových čerpadel?

Na trhu je k dispozici mnoho typů vakuových čerpadel. Lze je klasifikovat do dvou hlavních kategorií: čerpadel s pozitivním posuvem a kinetických čerpadel.

Čerpadla s pozitivním posuvem

Čerpadla s pozitivním posuvem fungují tím, že zachycují pevný objem plynu na vstupu a pak ho stlačí na vyšší tlak na výstupu. Mohou vytvářet nízké až střední vakuu (až 10-3 Torr). Některé příklady čerpadel s pozitivním posuvem jsou:

• Rotativní vanečková čerpadla

• Pístová čerpadla

• Membránová čerpadla

• Screw čerpadla

• Scroll čerpadla

• Roots ventilátory

Rotativní vanečková čerpadla

Rotativní vanečková čerpadla jsou jedním z nejčastějších typů čerpadel s pozitivním posuvem.

Skládají se ze válcového rotoru s radiálními vanečky, které se pohybují dovnitř a ven, když rotor rotuje uvnitř statoru. Vanečky dělí prostor mezi rotor a stator na komory, jejichž objem se mění, když se pohybují od vstupu k výstupu. Když se komora pohybuje od vstupu k výstupu, zachytí plyn s nízkým tlakem a pak ho stlačí na vysoký tlak, než ho uvolní do výstupu.

Rotativní vanečková čerpadla mohou být buď olejově zapečetěná, nebo suchá.

Olejově zapečetěná rotativní vanečková čerpadla používají olej jako mazivo a zapečetění mezi vanečkami a statorom. Olej také pomáhá ochladit a odstranit některé plynové molekuly z systému. Suchá rotativní vanečková čerpadla nepoužívají olej, ale spoléhají na jiné materiály nebo povlaky ke snížení tření a opotřebení mezi vanečkami a statorom.

Rotativní vanečková čerpadla mohou vytvářet vakuum až 10-3 Torr s rychlostí pumpování od 0,5 do 1000 L/s.

Pístová čerpadla

Pístová čerpadla jsou dalším typem čerpadel s pozitivním posuvem, které používají jeden nebo více pístů k stlačení plynu uvnitř válců. Písty se pohybují vpřed a vzad uvnitř válců, které mají ventily na obou koncích k řízení toku plynu. Když se píst pohybuje dopředu, vytlačí plyn z jednoho konce válce, zatímco přitahuje plyn z druhého konce přes vstupní ventil. Když se pohybuje zpět, zavře svůj vstupní ventil, zatímco otevře výstupní ventil k uvolnění stlačeného plynu.

Pístová čerpadla mohou být jednoetapová nebo víceetapová. Jednoetapová pístová čerpadla mají pouze jeden válec na píst, zatímco víceetapová pístová čerpadla mají dva nebo více válců spojených v sérii na píst. Víceetapová pístová čerpadla mohou vytvářet vyšší vakuum než jednoetapová pístová čerpadla tím, že plyn stlačují několikrát, než ho uvolní.

Pístová čerpadla mohou vytvářet vakuum až 10-3 Torr s rychlostí pumpování od 1 do 1000 L/s.

Membránová čerpadla

Membránová čerpadla jsou dalším typem čerpadel s pozitivním posuvem, které používají pružné membrány k stlačení plynu uvnitř komor. Membrány jsou připojeny k tyčím, které se pohybují vpřed a vzad elektromotorem nebo excentrickým kuličkovým ložiskem. Když se membrána pohybuje dopředu, vytlačí plyn z její komory přes výstupní ventil, zatímco přitahuje plyn z druhé komory přes vstupní ventil. Když se pohybuje zpět, zavře svůj výstupní ventil, zatímco otevře vstupní ventil k umožnění toku plynu.

Membránová čerpadla jsou suchá čerpadla, která nepoužívají olej nebo jiné tekutiny jako maziva nebo zapečetění. Jsou vhodná pro pumpování korozivních, hořlavých nebo citlivých plynů, které nelze kontaminovat olejem. Mohou také fungovat v libovolné orientaci bez ovlivnění jejich výkonu.