Вакуумные насосы: виды, устройство и принцип работы

Вакуумное оборудование удаляет воздух или другую газовую среду из герметичного объёма, создавая необходимое разрежение. Оно применяется в промышленности, научных установках, лабораториях, аналитических приборах, при нанесении покрытий и во многих других технологических процессах.

Устройство и принцип работы 

Чтобы понять, как работает вакуумный насос, сначала рассмотрим сам процесс откачки. В герметичной камере находится определённое количество вещества в газообразном состоянии. При его удалении концентрация частиц уменьшается, вслед за ней падает давление. Получить требуемое разрежение можно несколькими способами, поэтому устройство техники заметно различается.

На вопрос, как устроен вакуумный насос, также нет единого ответа. В объёмных моделях обычно предусмотрена рабочая камера с подвижными элементами. Ими могут служить пластины, винтовые или когтевые роторы, спираль, мембрана. Механизм захватывает порцию среды, перемещает её к выпуску, после этого цикл повторяется.

Таким образом, принцип работы и устройство вакуумного насоса определяются способом создания разрежения. От выбранной технологии зависят рабочий диапазон, требования к обслуживанию, совместимость с различными средами, другие эксплуатационные свойства.

Классификация 

По характеру откачки оборудование можно разделить на две большие группы: газопереносное и газосвязывающее. Первый класс удаляет рабочую среду из камеры. Здесь применяются два основных подхода:

• объёмный — порция вещества захватывается в полости, перемещается к выходу, затем вытесняется;
• кинетический — частицам передаётся направленный импульс, заставляющий их двигаться к выпускной стороне.

К объёмному типу относятся пластинчато-роторные, спиральные, мембранные, винтовые, когтевые, жидкостно-кольцевые конструкции. Кинетический способ применяется, например, в турбомолекулярных и диффузионных моделях.

Газосвязывающая техника действует иначе. Откачиваемое вещество остаётся внутри установки, где удерживается на поверхности либо конденсируется. Так работают криогенные, сорбционные, геттерные, ионно-сорбционные устройства.

В следующем разделе рассмотрим, из чего состоит вакуумный насос наиболее распространённых типов и как особенности конструкции отражаются на его характеристиках.

Типы насосов в зависимости от конструкции

Способ создания разрежения определяется устройством рабочей части. Одни машины последовательно захватывают порции откачиваемой среды, другие используют быстро движущиеся лопатки или струю пара. Рассмотрим распространённые варианты.

Пластинчато-роторные

В цилиндрическом корпусе эксцентрично установлен ротор с подвижными пластинами. При вращении они прижимаются к внутренней поверхности корпуса, разделяя пространство на камеры переменного объёма. На входе рабочая полость увеличивается, затем уменьшается по мере движения к выпуску. За счёт этого происходит всасывание с последующим сжатием.

В маслозаполненных моделях рабочая жидкость смазывает трущиеся детали, герметизирует зазоры, отводит часть тепла. Агрегаты широко применяются самостоятельно либо в качестве форвакуумной ступени.

Спиральные

Рабочий узел образован двумя спиралями. Одна остается неподвижной, вторая совершает орбитальное движение. Между ними формируются замкнутые полости, которые постепенно смещаются от периферии к центру. Их объём уменьшается, а находящаяся внутри среда сжимается перед выпуском.

Спиральная технология позволяет обойтись без масла в рабочей камере. Поэтому она востребована в лабораторных установках, аналитических приборах и процессах, чувствительных к углеводородным загрязнениям.

Винтовые

Внутри корпуса расположены два профилированных ротора. Они синхронно вращаются навстречу друг другу без непосредственного контакта. Захваченная среда перемещается вдоль оси от входного патрубка к выпускному.

Сухая схема снижает риск загрязнения технологического процесса масляными парами. Винтовые модели хорошо подходят для продолжительной эксплуатации, в том числе при значительных газовых нагрузках.

Когтевые

Основные рабочие элементы имеют характерный когтеобразный профиль. Синхронное вращение без контакта между роторами обеспечивает последовательный перенос среды через корпус. Масло в камеру сжатия не подаётся. Такая схема уменьшает количество изнашиваемых деталей, упрощает обслуживание рабочей части.

Мембранные

Здесь изменение объёма камеры обеспечивает гибкая мембрана. При её движении в одну сторону происходит всасывание, при обратном ходе — вытеснение через клапан. Рабочая среда отделена от приводного механизма мембраной, поэтому отсутствует контакт с маслом. Устройства применяются в лабораториях, аналитической технике, химических процессах, а также как предварительная ступень отдельных установок.

Жидкостно-кольцевые

В корпусе вращается рабочее колесо, частично заполненное жидкостью. Под действием центробежной силы она образует кольцо. Между его внутренней поверхностью и лопатками появляются полости, объём которых последовательно увеличивается, затем уменьшается.

Эта технология хорошо подходит для потоков с высоким содержанием паров или влаги. Поэтому жидкостно-кольцевые агрегаты распространены в химической, нефтегазовой, пищевой промышленности.

Рутс

Два профилированных ротора синхронно вращаются в противоположных направлениях. Между ними, стенками корпуса сохраняются небольшие зазоры, поэтому трущиеся поверхности отсутствуют в рабочей полости. 

Одноступенчатые Рутс чаще применяют как бустер совместно с форвакуумной техникой. Такое сочетание позволяет увеличить быстроту откачки в определённой области разрежения. Многоступенчатые сухие исполнения способны работать как самостоятельные первичные агрегаты.

Турбомолекулярные

В турбомолекулярных моделях используется иной механизм. Ротор с системой лопаток вращается с очень высокой скоростью, передавая частицам направленный импульс. Последовательно проходя через роторные и статорные ступени, поток движется к выпуску.

Эти устройства предназначены для высокого и сверхвысокого вакуума. Непосредственно на атмосферу они не откачивают, поэтому применяются вместе с форвакуумной ступенью.

Чем отличаются вакуумные насосы

При сравнении разных технологий одной глубины разрежения недостаточно. Значение имеют производительность, состав откачиваемой среды, чистота процесса, режим эксплуатации. Основные характеристики вакуумного насоса удобно оценивать в комплексе:

Для чего нужен вакуумный насос

Разрежение требуется во множестве процессов — от лабораторного анализа до промышленного производства. Оно позволяет удалять воздух из закрытых камер, снижать температуру кипения жидкостей, проводить дегазацию, сушку, термообработку, формировать контролируемую среду.

На практике вакуумную технику применяют:

• при нанесении тонкоплёночных покрытий;
• в металлургических печах;
• при производстве полупроводников;
• в аналитических приборах;
• для дегазации материалов;
• в химических процессах;
• при сушке и пропитке;
• в упаковочных линиях;
• в научно-исследовательских установках.

Ответ на вопрос, для чего необходим вакуумный насос, всегда связан с конкретным процессом. В одном случае требуется быстро удалить большой объём воздуха, в другом — получить глубокое разрежение при минимальном загрязнении рабочей камеры. Поэтому одинаковые по производительности агрегаты не обязательно взаимозаменяемы.

Как выбрать

Сначала определяют рабочий диапазон, необходимую быстроту откачки, состав удаляемой среды. Не менее важны объём камеры, продолжительность цикла, требования к чистоте, наличие паров или механических примесей.

При подборе учитывают:

• требуемое конечное разрежение;
• производительность;
• свойства откачиваемой среды;
• допустимость масляных паров;
• непрерывный или периодический режим;
• необходимость предварительной откачки;
• условия обслуживания.

Глубокий вакуум часто получают не одним агрегатом, а сочетанием нескольких ступеней. Например, турбомолекулярная техника работает совместно с форвакуумной. Первая ступень предварительно снижает давление, после этого подключается высоковакуумная.

Не стоит выбирать модель только по максимальной производительности или минимальному остаточному давлению. Эти показатели нужно рассматривать вместе с рабочей областью, газовой нагрузкой, требованиями технологического процесса. Избыточные параметры могут неоправданно увеличить стоимость установки, не дав практической пользы.

Как пользоваться вакуумным насосом

Порядок эксплуатации зависит от конструкции, поэтому при запуске нужно руководствоваться инструкцией производителя. Особенно это важно для многоступенчатых комплексов, где отдельные элементы включаются в определённой последовательности.

Перед запуском проверяют соединения, герметичность магистралей, состояние фильтров, уровень рабочей жидкости — если она предусмотрена конструкцией. Во время эксплуатации контролируют показания измерительных приборов, температуру, шум, вибрацию. Резкое изменение привычных параметров может указывать на загрязнение, износ деталей или нарушение герметичности.

Регламентное обслуживание проводят с периодичностью, установленной изготовителем. Масляные модели требуют контроля состояния смазочного материала. В сухих машинах внимание уделяют уплотнениям, подшипниковым узлам, фильтрам и другим элементам, предусмотренным конкретной конструкцией.

После завершения процесса установку останавливают в соответствии с инструкцией. Для некоторых систем требуется напуск воздуха или инертного газа, а высоковакуумные комплексы могут иметь собственную последовательность отключения.

Правильно подобранный вакуумный насос применяется в расчётном диапазоне и соответствует характеру рабочей среды. При выборе важно учитывать не отдельную паспортную цифру, а весь технологический процесс.