Vakuumpumpas: Tipi, lietojums un to darbības princips

Vakuumu dzesētājs ir ierīce, kas nozīmē gāzu molekulu izņemšanu no aizslēgtas kameru vai konteineru, radot daļēju vai pilnu vakuumu. Vakuumu dzesētāji plaši tiek izmantoti dažādos nozarēs un pētniecības jomās, piemēram, kosmosa tehnikā, elektronikā, metallurgijā, ķīmijā, medicīnā un biotehnoloģijās. Vakuumu dzesētāji var tikt izmantoti arī citiem pielietojumiem, piemēram, vakuumpakotne, vakuumformēšana, vakuumapklājums, vakuumdzēšana un vakuumfiltrācija.

Šajā rakstā mēs izskaidrosim, kas ir vakuumu dzesētāji, kā tie darbojas, kādi ir to galvenie īpašības un veidi, un kādi ir daži no tiem biežāk sastopamie pielietojumi.

Kas ir vakuumu dzesētājs?

Vakuumu dzesētājs definēts kā ierīce, kas samazina spiedienu kamērā vai konteinerī, izņemot no tā gāzu molekulas. Vakuumu līmenis, ko sasniedz vakuumu dzesētājs, atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, dzesētāja dizainam, dzesējamā gāzes tipam, kameras tilpumu, gāzes temperatūrai un sistēmas noplūdes ātrumam.

Pirmo vakuumu dzesētāju izgudroja Otto von Guericke 1650. gadā. Viņš demonstrēja savu ierīci, izmantojot divus puslodestnes, kas tika evakuēti ar viņa dzesētāju un tad savienoti kopā. Viņš parādīja, ka pat zirgu komandas nevarēja atdalīt šos puslodestnes, jo atmosfēras spiediens uz tiem darbojās. Vēlāk Robert Boyle un Robert Hooke uzlaboja Guericke dizainu un veica eksperimentus par vakuuma īpašībām.

Kādas ir vakuumu dzesētāja galvenās īpašības?

Ir trīs galvenas īpašības, kas raksturo vakuumu dzesētāju:

• Izplūdes spiediens

• Vakuumu līmenis

• Dzesēšanas ātrums

Izplūdes spiediens

Izplūdes spiediens ir spiediens, kas mērots dzesētāja izplūdes priekšgalā. Tas var būt vienāds ar vai zemāks par atmosfēras spiedienu. Dažādi vakuumu dzesētāji ir aprēķināti ar dažādiem izplūdes spiedieniem. Parasti, dzesētāji, kas radīti augstu vakuumu, ir ar zemu izplūdes spiedienu. Piemēram, lai radītu ļoti augstu vakuumu 10-4 vai 10-7 Torr (spiediena mērvienība), nepieciešams ļoti zems dzesētāja izplūdes spiediens.

Daži augsta vakuuma dzesētāji prasa uzsardzības dzesētāju, lai uzturētu zemu izplūdes spiedienu pirms to darbības. Uzsardzības dzesētājs var būt cits vakuumu dzesētāju tips vai kompresors. Spiediens, ko radījis uzsardzības dzesētājs, sauc par uzsardzības spiedienu vai priekšspiedienu.

Vakuumu līmenis

Vakuumu līmenis ir minimālais spiediens, ko vakuumu dzesētājs var radīt kamērā vai konteinerī. To arī sauc par galveno spiedienu vai pamatspiedienu. Teorētiski, ir neiespējami radīt absolūtu vakuumu (nulle spiediens) kamērā, bet praktiski ir iespējams radīt ļoti zemu spiedienu aptuveni 10-13 Torr vai zemāku.

Vakuumu līmenis, ko sasniedz vakuumu dzesētājs, atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, dzesētāja dizainam, dzesējamā gāzes tipam, kameras tilpumu, gāzes temperatūrai un sistēmas noplūdes ātrumam.

Dzesēšanas ātrums

Dzesēšanas ātrums definēts kā ātrums, ar kādu dzesētājs var izņemt gāzu molekulas no kamērā vai konteinerī pie dotā spiediena. Tā mēra vienībās, piemēram, tilpums laika vienību dēļ, litri sekundē (L/s), kubikfeeti minūtē (CFM) vai kubikmetri stundā (m3/h). Dzesēšanas ātrumu arī sauc par sukcijas spēju vai caurstrāvi.

Dzesēšanas ātrums atkarīgs no vairākiem faktoriem, piemēram, dzesētāja dizainam, dzesējamā gāzes tipam, spiediena atšķirībai starp dzesētāja ieplūdes un izplūdes priekšgali, un sistēmas konduktivitātei.

Kādi ir vakuumu dzesētāju veidi?

Ir daudz vakuumu dzesētāju, kas pieejami tirgū. Tos var sadalīt divās galvenās kategorijās: pozitīvas pārcelšanas dzesētāji un kinētiskie dzesētāji.

Pozitīvas pārcelšanas dzesētāji

Pozitīvas pārcelšanas dzesētāji darbojas, uztverot fiksētu gāzu tilpumu pie ieplūdes un pēc tam to komprimējot līdz augstākam spiedienam pie izplūdes. Tie var radīt zemu līdz vidējo vakuumu (līdz 10-3 Torr). Daži piemēri pozitīvas pārcelšanas dzesētājiem ir:

• Rotācijas šķautņu dzesētāji

• Stūrveida dzesētāji

• Diaphragmu dzesētāji

• Vijas dzesētāji

• Rullis dzesētāji

• Roots bloweri

Rotācijas šķautņu dzesētāji

Rotācijas šķautņu dzesētāji ir viens no visbiežāk sastopamajiem pozitīvas pārcelšanas dzesētāju veidiem.

Tie sastāv no cilindriskā rotora ar radiālajiem šķautniem, kas iziet un ietiek, kad rotors rotē cilindriskā statorā. Šķautnes dalīt telpu starp rotoru un statoru uz kamerām, kuru tilpums mainās, kad tās kustas no ieplūdes līdz izplūdei. Kad kamera pārvietojas no ieplūdes līdz izplūdei, tā uztver gāzi ar zemu spiedienu un pēc tam to komprimē līdz augstākam spiedienam pirms izplūdes.

Rotācijas šķautņu dzesētāji var būt gan eļļas apglabājamie, gan sasis.

Eļļas apglabājamie rotācijas šķautņu dzesētāji izmanto eļļu kā smaržu un apglabājamu materiālu starp šķautnēm un statoru. Eļļa palīdz arī dzesēt un izņemt dažas gāzu molekulas no sistēmas. Sasis rotācijas šķautņu dzesētāji nestrādā ar eļļu, bet paļaujas uz citiem materiāliem vai apklājumiem, lai samazinātu trieku un noslāpumu starp šķautnēm un statoru.

Rotācijas šķautņu dzesētāji var radīt vakuumu līdz 10-3 Torr ar dzesēšanas ātrumiem no 0,5 līdz 1000 L/s.

Stūrveida dzesētāji

Stūrveida dzesētāji ir vēl viens pozitīvas pārcelšanas dzesētāju veids, kas izmanto vienu vai vairākus stūrus, lai komprimētu gāzi cilindros. Stūri kustas uz priekšu un atpakaļ cilindros, kas ir ar ventilām abās galās, lai kontrolētu gāzes plūsmu. Kad stūris kustas uz priekšu, tas izspiež gāzi no vienas cilindra beigu, savienojot ar ventilu, un izņem gāzi no otras beigu, izmantojot ieplūdes ventilu. Kad tas kustas atpakaļ, tas aizver ieplūdes ventilu, atver izplūdes ventilu, lai izlaistu komprimēto gāzi.

Stūrveida dzesētāji var būt gan vienvideņu, gan vairākvideņu. Vienvideņu stūrveida dzesētājiem katram stūrim ir tikai viens cilindrs, savukārt vairākvideņu stūrveida dzesētājiem ir divi vai vairāk cilindru, kas savienoti virzienā stūrim. Vairākvideņu stūrveida dzesētāji var radīt augstāku vakuumu, nekā vienvideņu stūrveida dzesētāji, vairākkārtēji komprimējot gāzi pirms izplūdes.

Stūrveida dzesētāji var radīt vakuumu līdz 10-3 Torr ar dzesēšanas ātrumiem no 1 līdz 1000 L/s.

Diaphragmu dzesētāji

Diaphragmu dzesētāji ir vēl viens pozitīvas pārcelšanas dzesētāju veids, kas izmanto elastīgas diaphragmas, lai komprimētu gāzi kamērās. Diaphragmas ir piesaistītas šķēles, kas kustas uz priekšu un atpakaļ, palaistās ar elektromotoru vai ekcentrisku koku. Kad diaphragma kustas uz priekšu, tā izspiež gāzi no savas kameras caur izplūdes ventilu, izņemot gāzi no citas kameras caur ieplūdes ventilu. Kad tā kustas atpakaļ, tā aizver izplūdes ventilu, atver ieplūdes ventilu, lai ļautu gāzes plūsmu.