Вакуумный насос — это тип насосного устройства, которое вытягивает частицы газа из герметичного объема , чтобы оставить после себя частичный вакуум . Первый вакуумный насос был изобретен в 1650 году Отто фон Герике , и ему предшествовал всасывающий насос, появившийся в древности. [1]
Предшественником вакуумного насоса был аспирационный насос. Всасывающие насосы двойного действия были найдены в городе Помпеи . [2] Позже арабский инженер Аль-Джазари описал всасывающие насосы двойного действия как часть водоподъёмных машин 13 века. Он также сообщил, что в сифонах использовался всасывающий насос для сброса греческого огня . [3] Всасывающий насос появился в средневековой Европе позже, в 15 веке. [3] [4] [5]
К 17 веку конструкции водяных насосов улучшились до такой степени, что они создавали измеримый вакуум, но это не сразу поняли. Что было известно, так это то, что всасывающие насосы не могли поднимать воду выше определенной высоты: 18 флорентийских ярдов по измерениям, проведенным около 1635 года, или около 34 футов (10 м). [6] Это ограничение было проблемой в ирригационных проектах, дренажных шахтах и декоративных фонтанах, запланированных герцогом Тосканы , поэтому герцог поручил Галилео Галилею исследовать эту проблему. Галилей в своей книге «Две новые науки» (1638 г.) ошибочно предположил, что колонна водяного насоса сломается под собственным весом, когда вода поднимется на высоту 34 фута. [6] Другие учёные приняли этот вызов, в том числе Гаспаро Берти , который повторил его, построив первый водный барометр в Риме в 1639 году. [7] Барометр Берти создавал вакуум над толщей воды, но он не мог объяснить это. Прорыв был сделан учеником Галилея Евангелистой Торричелли в 1643 году. Опираясь на записи Галилея, он построил первый ртутный барометр и убедительно доказал, что пространство наверху представляет собой вакуум. Затем высота колонны была ограничена максимальным весом, который могло выдержать атмосферное давление; это предельная высота всасывающего насоса. [8]
В 1650 году Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос. [9] Четыре года спустя он провел свой знаменитый эксперимент с Магдебургскими полушариями , показав, что упряжки лошадей не могут разделить два полушария, из которых был откачан воздух. Роберт Бойль усовершенствовал конструкцию Герике и провел эксперименты по изучению свойств вакуума. Роберт Гук также помог Бойлю создать воздушный насос, который помогал создавать вакуум.
К 1709 году Фрэнсис Хоксби еще больше усовершенствовал конструкцию, создав свой двухцилиндровый насос, в котором два поршня работали по реечной конструкции, которая, как сообщается, «давала идеальный вакуум с точностью до одного дюйма ртутного столба». [10] Этот дизайн оставался популярным и лишь незначительно менялся вплоть до девятнадцатого века. [10]
Генрих Гейсслер изобрел ртутный поршневой насос в 1855 году [10] и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 Торр ). На этом уровне вакуума становится возможным наблюдать ряд электрических свойств, а также возобновился интерес к вакууму. Это, в свою очередь, привело к разработке вакуумной лампы . [11] Насос Шпренгеля был широко используемым вакуумным устройством того времени. [10]
В начале 20 века были изобретены многие типы вакуумных насосов, в том числе молекулярный насос , [10] диффузионный насос , [12] и турбомолекулярный насос . [13]
Насосы можно разделить на три категории: объемное вытеснение, передача импульса и захват. [14] [15] [16] В объемных насосах используется механизм многократного расширения полости, позволяющий газам течь из камеры, герметизировать полость и выбрасывать ее в атмосферу. Насосы для передачи импульса, также называемые молекулярными насосами, используют высокоскоростные струи плотной жидкости или высокоскоростные вращающиеся лопасти, чтобы выбивать молекулы газа из камеры. Улавливающие насосы улавливают газы в твердом или адсорбированном состоянии; сюда входят крионасосы , геттеры и ионные насосы . [14] [15]
Насосы объемного действия наиболее эффективны при низком вакууме. Насосы для передачи импульса в сочетании с одним или двумя объемными насосами представляют собой наиболее распространенную конфигурацию, используемую для достижения высокого вакуума. В этой конфигурации объемный насос служит двум целям. Сначала он создает грубый вакуум в откачиваемом сосуде, прежде чем насос для передачи импульса можно будет использовать для получения высокого вакуума, поскольку насосы для передачи импульса не могут начать откачку при атмосферном давлении. Во-вторых, объемный насос поддерживает насос передачи импульса, откачивая в низкий вакуум скопление перемещенных молекул в высоком вакуумном насосе. Для достижения сверхвысокого вакуума можно добавить улавливающие насосы, но они требуют периодической регенерации поверхностей, улавливающих молекулы или ионы воздуха. Из-за этого требования их доступное время работы может быть неприемлемо коротким в низком и высоком вакууме, что ограничивает их использование сверхвысоким вакуумом. Насосы также различаются такими деталями, как производственные допуски, материал уплотнений, давление, расход, допуск или отсутствие пропуска масляных паров, интервалы технического обслуживания, надежность, устойчивость к пыли, устойчивость к химическим веществам, устойчивость к жидкостям и вибрации. [14] [15] [16]
Частичный вакуум можно создать за счет увеличения объема контейнера. Чтобы продолжать вакуумирование камеры бесконечно, не требуя бесконечного роста, вакуумный отсек можно неоднократно перекрывать, опорожнять и снова расширять. На этом принципе основан поршневой насос , например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость, чтобы снизить давление ниже атмосферного. Из-за перепада давления некоторое количество жидкости из камеры (или скважины, в нашем примере) выталкивается в небольшую полость насоса. Затем полость насоса изолируется от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до мельчайших размеров. [14] [16]
Для большинства промышленных применений используются более сложные системы, но основной принцип циклического удаления объема тот же: [17] [18]
Базовое давление системы поршневого насоса с резиновым и пластиковым уплотнением обычно составляет от 1 до 50 кПа, в то время как спиральный насос может достигать 10 Па (в новом состоянии), а пластинчато-роторный масляный насос с чистой и пустой металлической камерой может легко достигать 0,1. Па.
Вакуумный насос объемного типа перемещает один и тот же объем газа в каждом цикле, поэтому его скорость откачки постоянна, если она не преодолевается обратным потоком.
В насосе передачи импульса (или кинетическом насосе [16] ) молекулы газа ускоряются от стороны вакуума к стороне выпуска (которая обычно поддерживается при пониженном давлении с помощью поршневого насоса). Накачка с передачей импульса возможна только при давлении ниже около 0,1 кПа. Вещество течет по-разному при разных давлениях в зависимости от законов гидродинамики . При атмосферном давлении и умеренном вакууме молекулы взаимодействуют друг с другом и толкают соседние молекулы в так называемом вязком потоке. Когда расстояние между молекулами увеличивается, молекулы взаимодействуют со стенками камеры чаще, чем с другими молекулами, и молекулярная накачка становится более эффективной, чем накачка положительного вытеснения. Этот режим обычно называют высоким вакуумом. [14] [16]
Молекулярные насосы очищают большую площадь, чем механические, и делают это чаще, что позволяет им обеспечивать гораздо более высокие скорости откачки. Делают они это за счет уплотнения между вакуумом и выхлопом. Поскольку уплотнения нет, небольшое давление на выпуске может легко вызвать обратный поток через насос; это называется стойло. Однако в высоком вакууме градиенты давления мало влияют на потоки жидкости, и молекулярные насосы могут полностью раскрыть свой потенциал.
Двумя основными типами молекулярных насосов являются диффузионный насос и турбомолекулярный насос . Оба типа насосов выдувают молекулы газа, которые диффундируют в насос, сообщая молекулам газа импульс. Диффузионные насосы выдувают молекулы газа струями масла или паров ртути, а турбомолекулярные насосы используют высокоскоростные вентиляторы для выталкивания газа. Оба этих насоса заглохнут и перестанут перекачивать, если скачать их непосредственно до атмосферного давления, поэтому их необходимо откачивать до вакуума более низкой степени, создаваемого механическим насосом, в данном случае называемым форвакуумным насосом. [16]
Как и в случае с поршневыми насосами, базовое давление будет достигнуто, когда утечка, выделение газа и обратный поток будут равны скорости насоса, но теперь минимизация утечки и газовыделения до уровня, сравнимого с обратным потоком, становится намного сложнее.
Улавливающий насос может представлять собой крионасос , который использует низкие температуры для конденсации газов до твердого или адсорбированного состояния, химический насос, который реагирует с газами с образованием твердого остатка, или ионный насос , который использует сильные электрические поля для ионизации газов и продвигать ионы в твердую подложку. Криомодуль использует криооткачку . Другими типами являются сорбционный насос , неиспарительный геттерный насос и титановый сублимационный насос (тип испарительного геттера, который можно использовать повторно). [14] [15]
Регенеративные насосы используют вихревое поведение жидкости (воздуха). Конструкция основана на гибридной концепции центробежного насоса и турбонасоса. Обычно он состоит из нескольких наборов перпендикулярных зубьев на роторе, циркулирующих молекулы воздуха внутри неподвижных полых канавок, как в многоступенчатом центробежном насосе. Они могут достигать давления 1×10 -5 мбар (0,001 Па) (в сочетании с насосом Holweck) и напрямую выбрасывать воздух до атмосферного давления. Примерами таких насосов являются Edwards EPX [19] (технический документ [20] ) и Pfeiffer OnTool™ Booster 150. [21] Иногда его называют насосом с боковым каналом. Благодаря высокой скорости откачки из атмосферы в высокий вакуум и меньшему загрязнению, поскольку подшипник может быть установлен на стороне выхлопа, насосы этого типа используются для блокировки нагрузки в процессах производства полупроводников.
Этот тип насоса отличается высоким энергопотреблением (~ 1 кВт) по сравнению с турбомолекулярным насосом (<100 Вт) при низком давлении, поскольку большая часть энергии расходуется на поддержание атмосферного давления. Это можно уменьшить почти в 10 раз, используя небольшой насос. [22]
Дополнительные типы насосов включают в себя:
Скорость откачки относится к объемному расходу насоса на входе, часто измеряемому в объеме в единицу времени. Насосы для передачи импульса и улавливания более эффективны для одних газов, чем для других, поэтому скорость откачки может быть разной для каждого из перекачиваемых газов, а средний объемный расход насоса будет варьироваться в зависимости от химического состава газов, остающихся в камера. [23]
Пропускная способность представляет собой скорость откачки, умноженную на давление газа на входе, и измеряется в единицах давление·объем/единица времени. При постоянной температуре производительность пропорциональна количеству молекул, перекачиваемых в единицу времени, и, следовательно, массовому расходу насоса. При обсуждении утечки в системе или обратного потока через насос под пропускной способностью понимается объемная скорость утечки, умноженная на давление на вакуумной стороне утечки, поэтому пропускную способность утечки можно сравнить с производительностью насоса. [23]
Насосы объемного действия и передачи импульса имеют постоянный объемный расход (скорость откачки), но по мере падения давления в камере этот объем содержит все меньше и меньше массы. Таким образом, хотя скорость откачки остается постоянной, производительность и массовый расход падают экспоненциально. Между тем, скорости утечки, испарения , сублимации и обратного потока продолжают обеспечивать постоянную пропускную способность системы. [23]
Вакуумные насосы объединяются с камерами и рабочими процедурами в самые разнообразные вакуумные системы. Иногда в одном приложении используется более одного насоса (последовательно или параллельно ) . Частичный вакуум или грубый вакуум можно создать с помощью поршневого насоса, который транспортирует газовую нагрузку от впускного отверстия к выпускному (выпускному) отверстию. Из-за своих механических ограничений такие насосы могут создавать только низкий вакуум. Для достижения более высокого вакуума затем необходимо использовать другие методы, обычно последовательно (обычно после первоначальной быстрой откачки с помощью объемного насоса). Некоторыми примерами может быть использование пластинчато-роторного насоса с масляным уплотнением (наиболее распространенный насос объемного типа), работающий в сочетании с диффузионным насосом, или насос с сухой спиралью, работающий в качестве поддержки турбомолекулярного насоса. Существуют и другие комбинации в зависимости от искомого уровня вакуума.
Достичь высокого вакуума сложно, поскольку все материалы, подвергающиеся воздействию вакуума, должны быть тщательно оценены на предмет их дегазации и давления пара . Например, масла, смазки , а также резиновые или пластиковые прокладки, используемые в качестве уплотнений вакуумной камеры, не должны выкипать под воздействием вакуума, иначе выделяемые ими газы будут препятствовать созданию желаемой степени вакуума. Часто все поверхности, подвергающиеся воздействию вакуума, необходимо обжигать при высокой температуре, чтобы удалить адсорбированные газы. [24]
Выделение газов также можно уменьшить путем простого высушивания перед вакуумной откачкой. [24] Для систем высокого вакуума обычно требуются металлические камеры с металлическими прокладками, такими как фланцы Кляйна или фланцы ISO, а не резиновые прокладки, более распространенные в уплотнениях камер с низким вакуумом. [25] Система должна быть чистой и свободной от органических веществ, чтобы свести к минимуму выделение газа. Все материалы, твердые или жидкие, имеют небольшое давление пара, и их выделение газа становится важным, когда давление вакуума падает ниже этого давления пара. В результате многие материалы, которые хорошо работают в низком вакууме, например эпоксидная смола , станут источником газовыделения при более высоком вакууме. При соблюдении этих стандартных мер предосторожности вакуум в 1 мПа легко достигается с помощью различных молекулярных насосов. При тщательном проектировании и эксплуатации возможно значение 1 мкПа. [ нужна цитата ]
Несколько типов насосов могут использоваться последовательно или параллельно. В типичной последовательности откачки для удаления большей части газа из камеры будет использоваться объемный насос, начиная с атмосферы (760 Торр , 101 кПа) до 25 Торр (3 кПа). Затем с помощью сорбционного насоса можно было бы снизить давление до 10 -4 Торр (10 мПа). Крионасос или турбомолекулярный насос будет использоваться для дальнейшего снижения давления до 10 -8 Торр (1 мкПа). Дополнительный ионный насос может быть запущен при температуре ниже 10 -6 Торр для удаления газов, с которыми крионасос или турбонасос не справляется должным образом, таких как гелий или водород . [ нужна цитата ]
Сверхвысокий вакуум обычно требует специально изготовленного оборудования, строгих рабочих процедур и изрядного количества проб и ошибок. Системы сверхвысокого вакуума обычно изготавливаются из нержавеющей стали с вакуумными фланцами с металлическими прокладками . Систему обычно прогревают, предпочтительно в вакууме, чтобы временно поднять давление пара всех выделяющих газ материалов в системе и выпарить их. При необходимости такую дегазацию системы можно провести и при комнатной температуре, но это занимает гораздо больше времени. После того, как основная часть выделяющих газ материалов выпарится и будет вакуумирована, систему можно охладить до более низкого давления паров, чтобы свести к минимуму остаточное выделение газов во время фактической эксплуатации. Некоторые системы охлаждаются до температуры значительно ниже комнатной с помощью жидкого азота, чтобы остановить остаточную дегазацию и одновременно закачать систему в криогенном режиме. [26]
В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень странные пути утечки и источники газовыделения. Водопоглощение алюминия и палладия становится неприемлемым источником выделения газов, и необходимо учитывать даже поглощающую способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан . Некоторые масла и смазки выкипают в условиях сильного вакуума. Возможно, придется учитывать пористость металлических стенок вакуумной камеры , а направление зерен металлических фланцев должно быть параллельно их поверхности. [26]
Необходимо учитывать влияние размера молекул. Молекулы меньшего размера легче просачиваются и легче поглощаются некоторыми материалами, а молекулярные насосы менее эффективны при перекачке газов с более низкой молекулярной массой. Система может быть в состоянии откачать азот (основной компонент воздуха) до желаемого вакуума, но камера все равно может быть полна остаточного атмосферного водорода и гелия. Сосуды, облицованные материалом с высокой газопроницаемостью, таким как палладий (который представляет собой водородную губку с высокой пропускной способностью ), создают особые проблемы с выделением газа. [26]
Вакуумные насосы используются во многих промышленных и научных процессах, в том числе:
В области регенерации и повторной переработки нефти вакуумные насосы создают низкий вакуум для обезвоживания нефти и высокий вакуум для очистки нефти. [44]
Вакуум можно использовать для питания или оказания помощи механическим устройствам. В автомобилях с гибридными и дизельными двигателями насос, установленный на двигателе (обычно на распределительном валу ), используется для создания вакуума. Вместо этого в бензиновых двигателях вакуум обычно создается как побочный эффект работы двигателя и ограничения потока, создаваемого дроссельной заслонкой , но может также дополняться вакуумным насосом с электрическим приводом для повышения эффективности торможения или снижения расхода топлива. . Этот вакуум затем можно использовать для питания следующих компонентов автомобиля: [45] вакуумный сервоусилитель гидравлических тормозов , двигатели, приводящие в движение заслонки в системе вентиляции, привод дроссельной заслонки в сервомеханизме круиз-контроля , дверные замки или замки багажника.
В самолетах источник вакуума часто используется для питания гироскопов различных летных приборов . Чтобы предотвратить полную потерю приборов в случае сбоя в электросети , приборная панель специально спроектирована так, что некоторые приборы питаются от электричества, а другие приборы питаются от источника вакуума.
В зависимости от применения некоторые вакуумные насосы могут иметь либо электрический привод (с использованием электрического тока ), либо пневматический привод (с использованием давления воздуха ), либо приводиться в действие и приводиться в действие другими средствами . [46] [47] [48] [49]
Старые масла для вакуумных насосов, которые были произведены примерно до 1980 года, часто содержат смесь нескольких различных опасных полихлорированных дифенилов (ПХБ) , которые являются высокотоксичными , канцерогенными и стойкими органическими загрязнителями . [50] [51]
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )