Vakuumske pumpe: Vrste, uporabe in delovanje

Vakuumski pumpa je naprava, ki odstrani molekule plina iz zaprtog prostora ali posode, s tem ustvarja delni ali popoln vakuum. Vakuumski pompe se široko uporabljajo v različnih industrih in raziskovalnih področjih, kot so vesoljski programi, elektronika, kovinska industrija, kemija, medicina in biotehnologija. Vakuumski pompe se lahko uporabljajo tudi za aplikacije, kot so vakuumsko pakiranje, vakuumsko oblikovanje, vakuumsko prelivanje, vakuumsko sušenje in vakuumsko filtriranje.

V tem članku bomo razložili, kaj so vakuumski pompe, kako delujejo, kateri so njihovi glavni značilnosti in vrste ter kateri so nekatere njihove skupne uporabe.

Kaj je vakuumski pump?

Vakuumski pumpa je definirana kot naprava, ki zmanjša tlak znotraj prostora ali posode z odstranitvijo molekul plina. Stopnja vakuma, dosežena z vakuumskim pumpom, odvisna je od več dejavnikov, kot so načrt pompe, vrsta plina, ki se pomaže, prostornina prostora, temperatura plina in stopnja utrjevanja sistema.

Prvi vakuumski pump je leta 1650 izumil Otto von Guericke. S svojo napravo je pokazal, da dve polkrogli, ki sta bile izčrpali s pumpo, nista mogli biti ločeni, tudi z ekipo konj, zaradi atmosferskega tlaka, ki je deloval na njih. Kasneje sta Robert Boyle in Robert Hooke izboljšala Guerickeev načrt in izvedla poskuse o lastnostih vakuma.

Kateri so glavni značilnosti vakuumskih pompa?

Obstaja tri glavne značilnosti, ki karakterizirajo vakuumski pump:

• Izhodni tlak

• Stopnja vakuma

• Pompna hitrost

Izhodni tlak

Izhodni tlak je tlak, merjen na izhodu pompe. Lahko je enak ali nižji od atmosferskega tlaka. Različne vakuumski pompe so označene za različne izhodne tlake. Običajno imajo pompe za ustvarjanje visokih vakuma nizki izhodni tlak. Na primer, za ustvarjanje zelo visokih vakuma 10-4 ali 10-7 Torr (enota za tlak) je potreben zelo nizki izhodni tlak pompe.

Nekatere pompe za visoki vakum zahtevajo podporni pump, da bi vzdrževali nizki izhodni tlak, preden lahko delujejo. Podporni pump lahko obstaja kot druga vrsta vakuumskih pompe ali kompresor. Tlak, ustvarjen s podpornim pumpom, se imenuje podporni tlak ali predtlak.

Stopnja vakuma

Stopnja vakuma je najnižji tlak, ki ga lahko ustvari vakuumski pump znotraj prostora ali posode. Tudi znano kot končni tlak ali osnovni tlak. Teoretično je nemogoče ustvariti absolutnega vakuma (nič tlaka) znotraj prostora, vendar praktično je mogoče ustvariti zelo nizki tlak okoli 10-13 Torr ali nižje.

Stopnja vakuma, dosežena z vakuumskim pumpom, odvisna je od več dejavnikov, kot so načrt pompe, vrsta plina, ki se pomaže, prostornina prostora, temperatura plina in stopnja utrjevanja sistema.

Pompna hitrost

Pompna hitrost je definirana kot hitrost, s katero pumpa lahko odstrani molekule plina iz prostora ali posode pri določenem tlaku. Meri se v enotah prostornine na čas, kot so litri na sekundo (L/s), kubični čeviji na minuto (CFM) ali kubični metri na uro (m3/h). Pompna hitrost se tudi imenuje kapaciteta suha ali progon.

Pompna hitrost odvisna je od več dejavnikov, kot so načrt pompe, vrsta plina, ki se pomaže, razlika v tlaku med vhodom in izhodom pompe in provoznost sistema.

Kaj so vrste vakuumskih pompa?

Na trgu je na voljo veliko vrst vakuumskih pompa. Lahko jih razdelimo na dve glavni kategoriji: pompe s pozitivnim premikom in kinetične pompe.

Pompe s pozitivnim premikom

Pompe s pozitivnim premikom delujejo tako, da zajamejo fiksno prostornino plina na vhodu in ga nato stisnejo na višji tlak na izhodu. Lahko ustvarijo nizke do srednje vakume (do 10-3 Torr). Nekatere primere pompa s pozitivnim premikom so:

• Rotacijske vanjske pompe

• Stikalo pompe

• Membranske pompe

• Šrafovalne pompe

• Skrivalne pompe

• Rootsovi ventilatori

Rotacijske vanjske pompe

Rotacijske vanjske pompe so eden najpogostejših vrst pompa s pozitivnim premikom.

Sestavljajo se iz valjkastega rotora z radialnimi vanami, ki se pomicajo navzven in navznoter, ko rotor vrte v notranjosti stativa. Vanje delijo prostor med rotorjem in statorjem na komore, ki spreminjajo prostornino, ko se gibljejo od vhoda do izhoda. Ko se komora giblje od vhoda do izhoda, zajame plin pri nizkem tlaku in ga nato stisne na višji tlak preden ga izpusti na izhod.

Rotacijske vanjske pompe lahko so ali oljnate ali suhe.

Oljnate rotacijske vanjske pompe uporabljajo olje kot mazivo in zategalce med vanami in statorjem. Olje pomaga tudi ohlajati in odstraniti nekatere molekule plina iz sistema. Suhe rotacijske vanjske pompe ne uporabljajo olja, ampak se zanašajo na druge materiale ali povlake, da zmanjšajo trenje in abrazijo med vanami in statorjem.

Rotacijske vanjske pompe lahko ustvarijo vakume do 10-3 Torr z pompno hitrostjo, ki se giblje od 0,5 do 1000 L/s.

Stikalo pompe

Stikalo pompe so druga vrsta pompa s pozitivnim premikom, ki uporabljajo eno ali več stikal, da stisnejo plin znotraj cilindrov. Stikala se gibljejo nazaj in naprej znotraj cilindrov, ki imajo ventilke na obeh koncih, da nadzorujejo pretok plina. Ko se stikalo giblje naprej, izpelači plin iz enega konca svojega cilindra, medtem ko pritegne plin iz drugega konca skozi vhodni ventil. Ko se giblje nazaj, zapre svoj vhodni ventil, medtem ko odpre svoj izhodni ventil, da izpusti stisnjen plin.

Stikalo pompe lahko so enofazne ali večfazne. Enofazne stikalo pompe imajo le en cilinder na stikalo, medtem ko večfazne stikalo pompe imajo dva ali več cilindrov, povezanih zaporedno na stikalo. Večfazne stikalo pompe lahko ustvarijo višje vakume, ker večkrat stisnejo plin, preden ga izpuste.

Stikalo pompe lahko ustvarijo vakume do 10-3 Torr z pompno hitrostjo, ki se giblje od 1 do 1000 L/s.

Membranske pompe

Membranske pompe so druga vrsta pompa s pozitivnim premikom, ki uporabljajo proge membrane, da stisnejo plin znotraj komor. Membrane so priklesane na štapice, ki se gibljejo nazaj in naprej z električnim motorjem ali ekscentričnim kamom. Ko se membrana giblje naprej, izpelači plin iz svoje komore skozi izhodni ventil, medtem ko pritegne plin iz druge komore skozi vhodni ventil. Ko se giblje nazaj, zapre svoj izhodni ventil, medtem ko odpre svoj vhodni ventil, da omogoči pretok plina.

Membranske pompe so suhe pompe, ki ne uporabljajo olja ali drugih tekočin kot maziva ali zategalce. So primerni za pomanjkanje koroznive, vnetljive ali občutljive plinove, ki ne smejo biti kontaminirani s sijalko. Lahko delujejo v poljubni orientaciji brez vpliva na njihovo delovanje.

Membranske pompe lahko ustvarijo vakume do 10-3 Torr z pompno hitrostjo, ki se giblje od 0,1 do 100 L/s.

Šrafovalne pompe

Šrafovalne pompe so druga vrsta pompa s pozitivnim premikom, ki uporabljajo dve intermeshani šrafi, da stisnejo plin znotraj komor. Šrafi se vrtijo v nasprotnih smerih znotraj valjkastih kužel, ki imajo vhodne in izhodne pristanišča na obeh koncih. Ko se šrafi vrtijo, prem