Vakuumpumbad: tüübid rakendused ja nende toimimine

Vakuumipumb on seade, mis eemaldab gaasimolekuleid suletud kammistikust või konteynerist, luues osalise või täieliku vakuumi. Vakuumipumpe kasutatakse laialdaselt erinevates tööstusharudes ja teadusvaldkondades, nagu kosmosetehnoloogia, elektronika, metallurgia, keemia, meditsiin ja biotehnoloogia. Vakuumipumpe kasutatakse ka rakendustes, nagu vakuumipakkimine, vakuumimuotoutmine, vakuumikattepanek, vakuumikurkmine ja vakuumifiltratsioon.

Selles artiklis selgitame, mida vakuumipumbrid on, kuidas need töötavad, millised on nende peamised omadused ja tüübid ning millised on nende ühised rakendused.

Mis on vakuumipumb?

Vakuumipumb defineeritakse kui seade, mis vähendab kammiku või konteyneri sisemist rõhkust, eemaldades sellest gaasimolekuleid. Vakuumipumliga saavutatava vakuumi tase sõltub mitmest tegurist, nagu pumba disain, pompiletava gaasi tüüp, kammiku tilavus, gaasi temperatuur ja süsteemi lekke kiirus.

Esimene vakuumipumb leiutas Otto von Guericke aastal 1650. Ta demonstreeris oma seadet, kasutades kahte poolkuuglit, mille ta evakueeris oma pumbaga ja seejärel neid üksteisega liidis. Ta näitas, et isegi hobusemeeskond ei suutnud neid segi ajada atmosfäärilise rõhu toimingu tõttu. Hiljem parandasid Robert Boyle ja Robert Hooke Guericke’i disaini ja läksid vakuumi omaduste uurimisele.

Mis on vakuumipumbriga peamised omadused?

On kolm peamist omadust, mis iseloomustavad vakuumipumbra:

• Lähtev rõhk

• Vakuumi tase

• Pommituse kiirus

Lähtev rõhk

Lähtev rõhk on pumba väljundlaua mõõdetud rõhk. See võib olla võrdne või väiksem kui atmosfääriline rõhk. Erinevad vakuumipumbrid on mõõdustatud erinevate lähtevate rõhkudega. Tavaliselt on kõrge vakuumi loomiseks mõeldud pumbadel madal lähtev rõhk. Näiteks kõrge vakuumi (10-4 või 10-7 Torr) loomiseks on vajalik väga madal lähtev rõhk.

Mõned kõrge vakuumi loomiseks mõeldud pumbrid vajavad tagapumprit, et enne nende tööalustamist saavutada madal lähtev rõhk. Tagapumb võib olla teine tüübi vakuumipumb või kompressor. Tagapumbi loodud rõhk nimetatakse tagarõhkuna või esirõhkuna.

Vakuumi tase

Vakuumi tase on minimaalne rõhk, mida vakuumipumb suutub luua kammiku või konteyneri sees. Seda nimetatakse ka lõplikuks rõhkuks või alusrõhkuks. Teoreetiliselt on võimatu luua absoluutset vakuumi (null rõhk) kammiku sees, kuid praktiliselt on võimalik luua väga madal rõhk umbes 10-13 Torr või väiksem.

Vakuumipumbriga saavutatava vakuumi tase sõltub mitmest tegurist, nagu pumba disain, pompiletava gaasi tüüp, kammiku tilavus, gaasi temperatuur ja süsteemi lekke kiirus.

Pommituse kiirus

Pommituse kiirus defineeritakse kui pumba võime eemaldada gaasimolekuleid kammiku või konteynerist antud rõhkus. See mõõdetakse ruumala ja aja ühikutes, nagu liiter sekundis (L/s), kuupjalgs minutis (CFM) või kuupmeetrit tunnis (m3/h). Pommituse kiirust nimetatakse ka suvituskapasitiks või läbilaskemäära.

Pommituse kiirus sõltub mitmest tegurist, nagu pumba disain, pompiletava gaasi tüüp, rõhku erinevus pumba sisse- ja väljundlaua vahel ning süsteemi juhtivus.

Mis on vakuumipumbade tüübid?

Turul on saadaval palju erinevat tüüpi vakuumipumpe. Need saab klassifitseerida kahe peamise kategooriaks: positiivsel ruumal põhinevad pumbrid ja kinetilised pumbrid.

Positiivsel ruumal põhinevad pumbrid

Positiivsel ruumal põhinevad pumbrid töötavad, trapitades kindla ruumala gaasi sissevedu kohal ja seejärel taastaminekuga kõrgema rõhu alla väljundlaua kohal. Nad saavad luua madalat kuni keskmist vakuumi (kuni 10-3 Torr). Mõned näited positiivsel ruumal põhinevatest pumbadest on:

• Rotatiivsed vane-pumbrid

• Pistoonipumbrid

• Diafragmapumbrid

• Viskorpumbrid

• Rullipumbrid

• Rootsi tuuletaja

Rotatiivsed vane-pumbrid

Rotatiivsed vane-pumbrid on üks kõige levinumat tüüpi positiivsel ruumal põhinevatest pumbadest.

Nad koosnevad silindrilisest rotorist, millel on radiaalsed vane, mis liiguvad sisse ja välja rotor pöörlemisel statorisse. Vaned jagavad ruumi rotor ja statori vahel kammideks, mille ruumala muutub, kui nad liiguvad sissevedu kohalt väljundlaua kohale. Kui kamm liigub sissevedu kohalt väljundlaua kohale, trapitab see gaasi madalal rõhul ja seejärel taastaminekuga kõrgema rõhu alla enne väljastamist väljundlaua kohale.

Rotatiivsed vane-pumbrid võivad olla kas õli-seglitud või kuivad.

Õli-seglitud rotatiivsed vane-pumbrid kasutavad õlit seglina ja sealantina vanede ja statori vahel. Õli aitab ka jahutada ja eemaldada mõnda gaasimolekuli süsteemist. Kuivad rotatiivsed vane-pumbrid ei kasuta õlit, vaid sõltuvad muudest materjalidest või katetest, et vähendada vanede ja statori vahelist sidumist ja tarbet.

Rotatiivsed vane-pumbrid saavad luua vakuumi kuni 10-3 Torr pommituse kiirusega 0,5 kuni 1000 L/s.

Pistoonipumbrid

Pistoonipumbrid on teine tüüp positiivsel ruumal põhinevatest pumbadest, mis kasutavad ühte või mitut pistooni, et taastaminekuga gaasi silindrites. Pistoonid liiguvad edasi-tagasi silindrites, millel on valvud mõlemal otsele, et kontrollida gaasi virtust. Kui pistoon liigub edasi, taastaminekuga ta gaasi ühest otsest välja, samal ajal sissevedu kohalt teisest otsest sisseveduvalva kaudu. Kui see liigub tagasi, sulgeb see sisseveduvalva, avades väljundvalva, et vabastada taastaminekuga gaas.

Pistoonipumbrid võivad olla kas ühe- või mitmestadiumilised. Ühe-stadiumilised pistoonipumbrid omavad üht silindrit pistooni kohta, samas kui mitmestadiumilised pistoonipumbrid omavad kaks või rohkem silindrit, mis on ühendatud sarjaliselt pistooni kohta. Mitmestadiumilised pistoonipumbrid saavad luua kõrgemat vakuumi, kui taastaminekuga gaas mitmel korral enne väljastamist.

Pistoonipumbrid saavad luua vakuumi kuni 10-3 Torr pommituse kiirusega 1 kuni 1000 L/s.

Diafragmapumbrid

Diafragmapumbrid on teine tüüp positiivsel ruumal põhinevatest pumbadest, mis kasutavad painduvat diafragmat, et taastaminekuga gaasi kammides. Diafragmid on liidetud telgedele, mis liiguvad edasi-tagasi elektrimootori või eksentriklahvi abil. Kui diafragma liigub edasi, taastaminekuga ta gaasi oma kammist väljundvalva kaudu, samal ajal sissevedu kohalt teisest kammist sisseveduvalva kaudu. Kui see liigub tagasi, sulgeb see väljundvalva, avades sisseveduvalva, et lubada gaasi virtust.

Diafragmapumbrid on kuivad pumbrid, mis ei kasuta õlit või muud vedelikut seglina ega sealantina. Need sobivad korrosiivsete, palavate või tundlike gaaside pommitamiseks, mida õlitega kontamineerida ei tohi. Need saavad töötada igas orientatsioonis ilma, et see mõjutaks nende tööd.

Diafragmapumbrid saavad luua vakuumi kuni 10-3 Torr pommituse kiirusega 0,1 kuni 100 L/s.

Viskorpumbrid