Вакуумные насосы: типы применение и принцип работы

Вакуумный насос — это устройство, которое удаляет газовые молекулы из герметичной камеры или контейнера, создавая частичный или полный вакуум. Вакуумные насосы широко используются в различных отраслях промышленности и научных областях, таких как аэрокосмическая, электроника, металлургия, химия, медицина и биотехнологии. Вакуумные насосы также могут использоваться для таких применений, как вакуумная упаковка, вакуумное формование, вакуумное покрытие, вакуумная сушка и вакуумная фильтрация.

В этой статье мы объясним, что такое вакуумные насосы, как они работают, какие их основные характеристики и типы, а также какие у них общие применения.

Что такое вакуумный насос?

Вакуумный насос определяется как устройство, которое снижает давление внутри камеры или контейнера, удаляя из него газовые молекулы. Степень вакуума, достигаемая вакуумным насосом, зависит от нескольких факторов, таких как конструкция насоса, тип перекачиваемого газа, объем камеры, температура газа и скорость утечки системы.

Первый вакуумный насос был изобретен Отто фон Герике в 1650 году. Он продемонстрировал свое устройство, используя две полусферы, которые были эвакуированы его насосом, а затем соединены вместе. Он показал, что даже команды лошадей не могли их разделить из-за атмосферного давления, действующего на них. Позже Роберт Бойль и Роберт Хук улучшили дизайн Герике и провели эксперименты по свойствам вакуума.

Какие основные характеристики вакуумного насоса?

Есть три основные характеристики, характеризующие вакуумный насос:

• Давление на выходе

• Степень вакуума

• Производительность насоса

Давление на выходе

Давление на выходе — это давление, измеряемое на выходе насоса. Оно может быть равно или ниже атмосферного давления. Разные вакуумные насосы рассчитаны на разные давления на выходе. Обычно, насосы для создания высокого вакуума имеют низкое давление на выходе. Например, для создания очень высокого вакуума 10-4 или 10-7 Торр (единица давления), требуется очень низкое давление на выходе насоса.

Некоторые насосы для высокого вакуума требуют резервного насоса, чтобы поддерживать низкое давление на выходе перед началом работы. Резервный насос может быть другим типом вакуумного насоса или компрессором. Давление, создаваемое резервным насосом, называется резервным давлением или предварительным давлением.

Степень вакуума

Степень вакуума — это минимальное давление, которое может создать вакуумный насос внутри камеры или контейнера. Она также известна как конечное давление или базовое давление. Теоретически невозможно создать абсолютный вакуум (нулевое давление) внутри камеры, но практически возможно создать очень низкое давление около 10-13 Торр или ниже.

Степень вакуума, достигаемая вакуумным насосом, зависит от нескольких факторов, таких как конструкция насоса, тип перекачиваемого газа, объем камеры, температура газа и скорость утечки системы.

Производительность насоса

Производительность насоса определяется как скорость, с которой насос может удалить газовые молекулы из камеры или контейнера при заданном давлении. Она измеряется в единицах объема за время, таких как литры в секунду (л/с), кубические футы в минуту (CFM) или кубические метры в час (м3/ч). Производительность насоса также известна как способность всасывания или пропускная способность.

Производительность насоса зависит от нескольких факторов, таких как конструкция насоса, тип перекачиваемого газа, разница давления между входом и выходом насоса, и проводимость системы.

Какие существуют типы вакуумных насосов?

На рынке существует множество типов вакуумных насосов. Их можно классифицировать на две основные категории: насосы с положительным перемещением и кинетические насосы.

Насосы с положительным перемещением

Насосы с положительным перемещением работают, запирая фиксированный объем газа на входе, а затем сжимая его до более высокого давления на выходе. Они могут создавать низкие и средние вакуумы (до 10-3 Торр). Некоторые примеры насосов с положительным перемещением:

• Роторно-лопастные насосы

• Поршневые насосы

• Мембранные насосы

• Шнековые насосы

• Скребковые насосы

• Рутс-дутьевые машины

Роторно-лопастные насосы

Роторно-лопастные насосы — один из самых распространенных типов насосов с положительным перемещением.

Они состоят из цилиндрического ротора с радиальными лопастями, которые скользят вперед и назад, когда ротор вращается внутри статора. Лопасти делят пространство между ротором и статором на камеры, объем которых изменяется, когда они перемещаются от входа к выходу. Когда камера перемещается от входа к выходу, она запирает газ при низком давлении, а затем сжимает его до высокого давления, прежде чем выпустить его через выход.

Масляные роторно-лопастные насосы используют масло в качестве смазки и уплотнения между лопастями и статором. Масло также помогает охладить и удалить некоторые газовые молекулы из системы. Безмасляные роторно-лопастные насосы не используют масло, а полагаются на другие материалы или покрытия для уменьшения трения и износа между лопастями и статором.

Роторно-лопастные насосы могут создавать вакуум до 10-3 Торр с производительностью от 0.5 до 1000 л/с.

Поршневые насосы

Поршневые насосы — еще один тип насосов с положительным перемещением, которые используют один или несколько поршней для сжатия газа внутри цилиндров. Поршни движутся взад и вперед внутри цилиндров, которые имеют клапаны на обоих концах для контроля потока газа. Когда поршень движется вперед, он выталкивает газ из одного конца своего цилиндра, одновременно втягивая газ через входной клапан. Когда он движется назад, он закрывает входной клапан, открывая выходной клапан, чтобы выпустить сжатый газ.

Поршневые насосы могут быть одно- или многоступенчатыми. Одноступенчатые поршневые насосы имеют только один цилиндр на поршень, тогда как многоступенчатые поршневые насосы имеют два или более цилиндров, соединенных последовательно на каждый поршень. Многоступенчатые поршневые насосы могут создавать более высокий вакуум, сжимая газ несколько раз, прежде чем выпустить его.

Поршневые насосы могут создавать вакуум до 10-3 Торр с производительностью от 1 до 1000 л/с.

Мембранные насосы

Мембранные насосы — еще один тип насосов с положительным перемещением, которые используют гибкие мембраны для сжатия газа внутри камер. Мембраны прикреплены к штокам, которые движутся взад и вперед с помощью электродвигателя или эксцентрической шестерни. Когда мембрана движется вперед, она выталкивает газ из своей камеры через выходной клапан, одновременно втягивая газ из другой камеры через входной клапан. Когда она движется назад, она закрывает выходной клапан, открывая входной клапан, чтобы позволить поток газа.

Мембранные насосы — это сухие насосы, которые не используют масло или другие жидкости в качестве смазки или уплотнителя. Они подходят для перекачивания коррозионных, горючих или чувствительных газов, которые нельзя загрязнять маслом. Они также могут работать в любом положении, не влияя на свою производительность.

Мембранные насосы могут создавать вакуум до 10-3 Торр с производительностью от 0.1 до 100 л/с.

Шнековые насосы

Шнековые насосы — еще один тип насосов с положительным перемещением, которые используют две взаимодействующие шнеки для сжатия газа внутри камер. Шнеки вращаются в противоположных направлениях внутри цилиндрических корпусов, которые имеют входные и выходные порты на обоих концах. По мере вращения шнеки перемещают газ вдоль своих витков от входа к выходу, уменьшая его объем и увеличивая давление.