Матириалз Лаб, ООО
Компания ООО «Матириалз Лаб» решает научно-технические задачи. Устанавливает и обслуживает
аналитическое, промышленное и исследовательское оборудование. Предлагает готовые
комплексные решения технологических задач для предприятий в различных областях промышленности.
Предоставляем услуги по расчету фазового и химического состава.
ukr | rus | eng
тел: +380(44)596­-06­-25, +380 (67)504-96-94, e-mail: info@materials-lab.com.ua
Лабораторное оборудование


Партнеры
Элватех

CSM Instruments SA

Linseis

Pfeiffer Vacuum GmbH

BIP - Industrietechnik GmbH

OPTIKA MICROSCOPES

Presi

Alexanderwerk AG

FCT-ACTech

PROTO Manufacturing

Lighthouse Worldwide Solutions

 Formulaction

KRUSS GmbH

LaborTech

Endecotts

Across International

CILAS

NanoAmor

СОЛ Инструментс

CAD Instruments

Innovative Sintering Technologies Ltd.

Casella CEL Inc.

МАГНИС ЛТД, НТЦ ООО

WiggenHauser

Seron Technologies Inc.

TTS Unlimited, Inc.

AMETEK Scientific Instruments

Aalborg Instruments & Controls, Inc.

HSR AG

DEWINTER OPTICAL INC


 

Что такое вакуум

Вакуумом (от латинского vacuum – пустота) называется состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление (разница между атмосферным и вакуумным). В широком смысле вакуумом называют область давлений ниже 105 Па (750 мм рт. ст.). Соответственно, чтобы достичь вакуума, в емкости необходимо создать такое давление газа, которое будет ниже давления внешней среды. Ввиду наличия гравитационной силы Земли атмосферное давление изменяется в зависимости от высоты, что делает невозможным чётко определить верхний предел вакуума.
Вакуум разделют на низкий (давление 103-133 Па), средний (давление 133-1,33х10-1 Па), высокий (давление 1,33х10-1-1,33х10-5 Па) и сверхвысокий (давление <<1,33х10-6 Па). Каждый из диапазонов вакуума имеет своё применение в технике, к примеру изготовление различных видов ламп, электронно-зондовые методы анализа, получение сверхчистых металлов не обходится без применения вакуумных систем.
Рисунок 1 – Применения вакуума [4]
 
Одной из важнейших характеристик вакуума является критерий Кнудсена, являющийся соотношением между длиной свободного пробега молекул (среднее расстояние, которое пролетают молекулы между столкновениями друг с другом и со стенками сосуда) и характерным размером сосуда.
,
где λ – длина свободного пробега молекул газа; l – характерный размер сосуда (габариты вакуумной камеры, длина и диаметр трубопровода).
По значению критерия Кнудсена определяют степень вакуума. При Kn << 1 достигается низкий вакуум, при Kn ≈ 1 – средний вакуум, при Kn > 1,5 – высокий вакуум, при Kn >> 1,5 – сверхвысокий.
Для получения вакуума используются вакуумные системы, состоящие из вакуумных насосов различных типов, датчиков измерения вакуума, течеискателей, вакуумной камеры, трубопровода, соединяющего все перечисленные компоненты и различной арматуры, такой как вауумные затворы и клапаны. Пример вакуумной системы приведен ниже.
Рисунок 2 – Вакуумная система [4]
 
Вакуумные насосы
Для решения конкретных задач существует множество видов вакуумных насосов. По принципу действия все вакуумные насосы делятся газоперекачивающие и газопоглощающие. В свою очередь, газоперекачивающие насосы подразделяют на вакуумные насосы, основанные на вытеснении газа и на кинетические. Основная классификация вакуумных насосов приведена ниже.
 
 
 Рисунок 3 – Классификация вакуумных насосов
 
Для расчета вакуумных систем и правильного выбора вакуумных насосов необходимо знать особенности и принцип работы различных типов насосов.
Принцип работы вакуумных насосов, основанных на вытеснении газа, заключается в попеременном изменении объёма рабочей камеры. К таким насосам относят следующие классы:
Возвратно-поступательные вытесняющие насосы – это механические насосы газовытесняющего действия, в которых сжатие и нагнетание происходит при вращательно-поступательном движении мембраны (диафрагменный насос), поршня (поршневой насос) или спирали (спиральный насос).
 
Диафрагменный насос – это насос, в котором изменение объёма рабочей камеры происходит за счёт деформации частей её стенок, изготовленных в виде эластичных пластин.
 
 
Рисунок 4 – Принцип работы диафрагменного насоса
 
Изолирование привода от рабочей камеры мембраной позволяет защитить механизм насоса от воздействия перекачиваемой среды. Большим преимуществом диафрагменного насоса является отсутствие масла в рабочей камере, что позволяет использовать такие насосы как форвакуумные для получения чистого вакуума при откачке высоковакуумных насосов.
Поршневой насос – это насос, в котором изменение объёма рабочей камеры происходит за счёт движения поршня. Соединительный шток с приводом от коленчатого вала поднимает и опускает поршень в цилиндре. Впускной фланец (1) сообщается с рабочим объемом через всасывающие отверстия (3), когда поршень (2) находится в крайней нижней позиции. При движении поршня вверх всасывающие отверстия (3) снова закрываются, а входящий газ сжимается. После достижения давления открытия пластина клапана (5) поднимается, и газ движется к всасывающим отверстиям (3) второй ступени через перепускной канал (7) и корпус коленчатого вала. Второе уплотнение (4) не позволяет впускному каналу сообщаться с коленчатым валом при такте сжатия. Вторая ступень работает по подобию первой и выводит газ в атмосферу через выпускной клапан (10) и глушитель (11).
Рисунок 5 – Схема поршневого насоса
 
Благодаря относительной простоте поршневые насосы являются достаточно универсальными и могут применятся при любых работах для достижения среднего вакуума.
Спиралиный насос - насос, в котором изменение объёма рабочей камеры происходит за счёт движения спирали. Вращаясь электродвигателем, подвижная спираль совершает вращение, таким образом образовавшиеся газовые полости уменьшаются, сжимая газ от периферии к центру. Спиральные насосы используют как форвакуумные, для откачки камер образцов в электронных микроскопах и для откачки рабочих камер электронно-лучевых установок.
 
 
Рисунок 6 – Схема работы спирального насоса
 
Двухроторные вытесняющие насосы – вакуумные насосы, работа которых основана на изменении объёма рабочей камеры при движении двух роторов в противоположные стороны. К двухроторным насосам относят насосы Рутса, винтовые вакуумные насосы и кулачково-поршневые вакуумные насосы.
Насосы Рутса – вакуумные насосы, в которых разрежение происходит за счёт противоположно направленного движения двух роторов, имеющих профиль в виде “восьмёрки”. Во время движения роторы не соприкасаются и имеют между собой зазор, то есть в камере всасывания отсутствует трение, благодаря чему нет необходимости в смазке поверхности роторов. Соответственно, достигается более чистый вакуум.
Недостатком такой системы является попадание газа с пониженным давлением обратно в камеру всасывания, в которой находится газ с более высоким давлением, что приводит к существенному нагреву насоса. Кроме того, следует помнить о том, что насосы Рутса требуют форвакуума для поддержания необходимой разницы давлений в системе.
 
 
Рисунок 7 – Схема работы насоса Рутса
 
Винтовой вакуумный насос – это насос, в котором изменение объёма камеры всасывания происходит за счёт противоположно направленного движения двух шнеков с зазором между ними. Отсутствие смазки в камере всасывания способствует получению чистого вакуума, а крепкая конструкция позволяет перекачивать жидкости и суспензии с абразивными частицами.
 
Рисунок 8 – Схема винтового насоса
 
Кулачковый насос – это насос, в основе работы которого заключается во вращении пары кулачков в противоположных направлениях, находящихся внутри корпуса. За счёт того, что при движении кулачков не происходит попадание откачанной среды назад в камеру всасывания, достигается плавность подачи без пульсации. Благодаря этому, кулачковые насосы применяют для подачи чернил в полиграфических машинах и для сжатия газа.
Рисунок 9 – Схема работы кулачкового насоса
 
Однороторные поршневые насосы – это вакуумные насосы, в которых разрежение происходит за счёт изменения объёма камеры всасывания при перемещении ротора по рабочему объёму.
Одним из самых распространённых представителей вакуумных однороторных поршневых насосов является пластинчато-роторный вакуумный насос. Пластинчато-роторный вакуумный насос представляет собой роторный вытесняющий насос с масляным уплотнением. Насосная система состоит из корпуса (1), внецентренно установленного ротора (2), лопастей, двигающихся радиально под силой сжатия пружины (3), а также входа и выхода (4). Выпускной клапан имеет масляное уплотнение. Впускной клапан разработан по подобию вакуумного предохранительного клапана и при работе всегда находится в открытом состоянии. Рабочая камера (5) расположена внутри корпуса.
 
Рисунок 10 – Схема роторно-пластинчатого насоса
 
 
Ротор и лопасти разделяют рабочую камеру на два отдельных, разных по объему отсека. После включения ротора газ поступает в расширяющую камеру всасывания до тех пор, пока его не перекроет второй лопастью. Газ внутри камеры сжимается, пока не откроется выпускной клапан под атмосферным давлением.
Вакуумное масло, используемое для уплотнения и смазки, контактирует с перекачиваемой средой, насыщая её, что может плохо сказаться на прохождении процесса. По этой причине существует несколько видов вакуумного масла, которое следует применять для работы с определёнными веществами. Кроме того, в вакуумную систему можно установить специальные фильтры, которые улавливают пары масла и сжигают их.
Также, пластинчато-роторные насосы бывают безмаслянными, так называемые ”сухие”, в которых для изготовления лопаток применяются самосмазывающиеся материалы. Такие насосы обеспечивают чистый вакуум, но имеют более низкую производительность в сравнении с ”мокрыми”. Для повышения производительности используют многосекционную конструкцию пластинчато-роторных насосов.
Жидкостно-кольцевой вакуумный насос– это насос, в котором всасывание происходит за счёт движения рабочего колеса, которое вращается в цилиндрическом корпусе, частью заполненного жидкостью, и являет собой эксцентрично расположенный ротор с радиально расположенными лопатками.
В цилиндрическом корпусе (1) эксцентрично расположено рабочее колесо (2) с лопатками, которые при вращении колеса отбрасывают воду к стенкам корпуса, образуя вращающееся кольцо жидкости (4).
Рисунок 11 – Схема жидкостно-кольцевого насоса
 
Рабочим объемом насоса является серповидное пространство между водяным кольцом и ступицей рабочего колеса, которое лопатками делится на отдельные рабочие ячейки. В зависимости от объема ячейки происходит либо всасывание (при ее увеличении), либо сжатие и нагнетание (при уменьшении ячейки).
Жидкостно-кольцевые вауумные насосы применяют для обеспечения противопожарной безопасности, а также для обезгаживания. Основным преимуществом таких насосов является их простота конструкции.

В роторно-поршневых вакуумных насосах вытеснение достигается за счёт радиально расположенных поршней. Основным элементом насоса является ротор (1) с поршнями (2), который вращается относительно корпуса (3) насоса. Ротор (1) установлен в корпусе (3) со смещением оси. Полости всасывания и нагнетания располагаются в центре насоса и разделены цапфой (4). При работе насоса поршни (2) вращаются вместе с ротором (1) и одновременно скользят по корпусу (3). За счет этого и пружин внутри рабочих камер обеспечивается возвратно-поступательное движение поршней (2) относительно ротора (1). Когда рабочая камера перемещается из верхнего положения в нижнее, ее объем увеличивается. При этом перемещении она через отверстие в роторе соединена с полостью всасывания, поэтому обеспечивается ее заполнение рабочей жидкостью — всасывание. При обратном перемещении — из нижнего положения (5) в верхнее (6) — камера уменьшается и происходит вытеснение жидкости в полость нагнетания.

Рисунок 12 – Схема роторно-поршневого насоса
 
Механические кинетические насосы вытесняют газ путем его ускорения в направлении откачивания с помощью системы механического привода.
Вакуумные газокольцевые (вихревые) насосы с боковым каналом работают по принципу динамического сжатия - преобразуя энергию потока в энергию давления. Кольцо формирующее рабочую камеру, имеет круглое поперечное сечение. Одна половина этого поперечного сечения сформирована рабочим колесом (3) с его радиальными лопатками (2) с одной стороны, а вторая половина сформирована корпусом. Рабочая камера имеет впускное отверстие (1) и выпускное отверстие (4) с рабочим колесом (3), вращающимся против часовой стрелки. В процессе работы воздух сжимается в рабочем колесе (3) ступенчато, постепенно дожимая его до конечного значения.
1 – впускное отверстие; 2 – лопатки; 3 – рабочее колесо; 4 – выпускное отверстие (глушитель)
Рисунок 13 – Схема работы газокольцевого насоса с боковым каналом
 
Газокольцевые насосы с боковым каналом используют в аерожелобах для пневматической транспортировки, в машинах для вакуумной упаковки, в вентиляционных установках.
Вакуумный турбонасос – кинетический вакуумный насос, где импульс движения передается газу от вращающихся твердых поверхностей. Различают осевой и центробежный турбонасосы. В осевом импульс движения передается газу вдоль оси вращения, а в центробежном - в радиальном направлении.
Принцип действия центробежного (импеллерного) насоса: газ заходит во всасывающий патрубок, после чего попадает на центр вращающегося импеллера, который вращает жидкость в полостях между лопастями и обеспечивает, таким образом, центробежное ускорение. После того как газ покидает центр рабочего колеса создается область низкого давления, и происходит процесс всасывания. Поскольку лопасти рабочего колеса изогнуты, газ выталкивается в нагнетательный патрубок в радиальном направлении под действием центробежной силы.
Рисунок 14 – Схема работы центробежного турбонасоса
 
Осевой турбонасос - лопастной вакуумный насос, в котором газ перемещается через рабочее колесо в направлении его оси.
Рисунок 15 – Схема работы осевого турбонасоса
 
Вакуумные турбонасосы применяют для пневмотранспорта, в сушильных камерах, для аерации и для вакуумного прижима в различных машинах и станках.
Турбомолекулярный вакуумный насос - кинетический вакуумный насос, в котором молекулам газа в результате их соприкосновения с поверхностью высокоскоростного ротора сообщается импульс движения, заставляющий их перемещаться в направлении к выходу насоса.
Рисунок 16 – Схема работы турбомолекулярного насоса
 
Конструктивно молекулярные вакуумные насосы разделены на три группы: цилиндрического типа с кольцевыми каналами на роторе (насос Геде), цилиндрического типа со спиральным кана­лом вдоль поверхности ротора (насос Хольвека), дискового типа со спиральным каналом от внешнего диаметра к центру диска (насос Зигбана). Для обеспечения работоспособности турбомолекулярного насоса необходимо обеспечить на выходе из его последней ступени молекулярный режим течения газа любым насосом предварительного разрежения (форвакуумным насосом) с выхлопом в атмосферу. Турбомолекулярные насосы используются для создания высокого вакуума при изготовлении микроэлектроники, в аналитических приборах, для нанесения тонких плёнок.
 
Газоструйные насосы – газоперекачивающие вакуумные насосы, в которых откачка происходит за счет захвата газа струей рабочего тела (жидкости, пара или газа). Работа СВН основана на использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной струи, т.е. на принципе передачи импульса молекуле газа от движущейся с высокой скоростью молекулы рабочего тела (газа, пара, жидкости). К газоструйным относятся жидкоструйный, пароструйный, диффузионный и диффузионно-эжекторный насосы.
Принцип действия жидкоструйных вакуумных насосов следующий: жидкость в виде турбулентной струи с большой скоростью под давлением вытекает через сужающееся сопло (1) в приемную камеру (2). В результате перемешивания и вязкостного трения струя захватывает и увлекает в камеру смешения частицы откачиваемой среды (3). В камере смешения (4) давления рабочей жидкости и откачиваемой среды начинают выравниваться. Дальнейшее повышение давления откачиваемой среды происходит в расширяющейся насадке – диффузоре (5).
Рисунок 17 – Схема работы жидкоструйного насоса
 
Пароструйные вакуумные насосы имеют тот же принцип работы, что и жидкоструйные с тем отличием, что в качестве рабочей среды, создающей разрежение при смешивании с газом, используют пар. Рабочийводянойпарчерезпатрубок(1)поступаетвсопло(2), формирующеевысокоскоростнуюструю. Проходяпотрубке(3), водянойпарпонижаетдавлениевкамере, вкоторуюприэтомчерезвпускноеотверстиезасасываютсяпарыизоткачиваемогоаппарата. Водянойпарпереноситоткачиваемыепарыквыпускномуотверстию (4).
Рисунок 18 – Схема работы пароструйного насоса
 
Диффузионный вакуумный насос имеет водоохлаждаемый корпус в виде цилиндра с днищем, в которое вставлены паропроводы с соплами. Рабочую жидкость заливают в насос, и она подогревается электрическим нагревателем. Пары жидкости поднимаются по паропроводам к соплам, выходят через них в объем насоса, конденсируются на стенках, и образующийся конденсат по стенкам стекает вниз и вновь попадает в кипятильник. В результате постоянного испарения и конденсации рабочей жидкости между паропроводами и объемом насоса поддерживается значительный перепад давлений. Вследствие этого, а также вследствие специальной конструкции сопел пар истекает в объем корпуса насоса со сверхзвуковой скоростью. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю пара, при соударении с более тяжелыми частицами пара получают направленное движение вниз и к стенкам корпуса и скапливаются в зоне конденсации пара. Там они увлекаются в движение следующей ступенью откачки, последовательно сжимаются каждой ступенью, пока не попадут в зону действия механического насоса и удалятся из диффузионного вакуумного насоса.
А – отражатель; V – трубка; В – кипятильная камера
Рисунок 19 – Схема диффузионного насоса
 
Диффузионные насосы применяют в напылительных установках, системах вакуумной сушки и плавки, для получения высокого вакуума в колоннах электронных микроскопов.
Ионный вакуумный насос – это кинетический вакуумный насос, в котором молекулы газа ионизируются, а затем перемещаются к выходу насоса при помощи электрического и магнитного полей или одного электрического поля. Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов эффективны оба механизма, а для инертных - только первый. Коллекторные поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов, бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных газов.
Преимуществом насоса является то обстоятельство, что он не требует ловушек или отражателей, а также не нуждается в непрерывной работе форвакуумного насоса. Ионные насосы позволяют получить сверхвысокий вакуум для работы анализаторов и ускорителей заряженных частиц.
 
Адсорбционные насосы - это вакуумные насосы, действие которых основано на физической адсорбции откачиваемого газа на поверхности адсорбента. Адсорбентом служат цеолиты, геттера, силикагели, активный уголь. Для усиления адсорбции адсорбент охлаждается жидким азотом. К адсорбционным относят геттерные насосы, массивные геттерные насосы, сублимационно-испарительные насосы, ионно-гетерные насосы, крионасосы и конденсаторы.
Геттерные насосы работают на физическом принципе хемосорбции, то есть путем поглощения активных газов на поверхности металлов. Скорость откачки зависит от химической активности металла. Для увеличения поверхности металла при его взаимодействии с откачиваемыми газами используется распыление металла, сопровождающееся нанесением тонких пленок на электроды или корпус насоса.
В сублимационно-испарительном насосегаз откачивается благодаря сублимации титана с нити накала и конденсации его на поверхности, охлаждаемой водой или жидким азотом.Водяной пар и конденсирующиеся газы удаляются таким насосом с большой скоростью.
Конструкция сублимационно-испарительного насоса довольно проста. Насос обычно имеет цилиндрический корпус, выполненный из нержавеющей стали, с фланцами на обоих концах. Одним из них насос подсоединяется к вакуумной системе, а на второй фланец устанавливается заглушка с электрическими вводами и опорными стойками, несущими титановую нить. Сублиматор располагается вдоль оси насоса. Корпус насоса охлаждается водой или жидким азотом.
Принцип действия ионно-геттерных насосов основан на поглощении газов периодически или непрерывно наносимой пленкой титана и улучщении откачки инертных газов и углеводородов путем ионизации и улавливания положительных ионов. Испарение титана в ионно-геттерных насосах происходит, как правило, из твердой фазы.
Преимуществами ионно-гетерных насосов является большой ресурс (зависит от рабочего давления) и то, что насос сам по себе является вакуумметром.
Криогенные вакуумные насосыэто адсорбционные насосы, предназначенные для создания высокого, сверхчистого вакуума. Принцип работы основан на конденсации и адсорбции газов на рабочих поверхностях, охлажденных до криогенных температур. Для получения высоко- или сверхвысокого вакуума холодные поверхности (криопанели) должны иметь криогенный уровень температур. В зависимости от системы охлаждения различают рефриджераторные криогенные насосы, крионасосы с резервуаром хладогента, испарительные крионасосы.
 
Литература:
1. Ярмонов А.Н. Основы вакуумной техники, технологии: учеб. пособие / А.Н. Ярмонов. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 174 с.
2. Белокрылов И.В. Основы вакуумной техники / И.В. Белокрылов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. - 48с.
3. Борозденков В.И. Вакуум-насосы в химической промышленности / В.И. Борозденков. - М.: "Машиностроение",     1964. - 99 с.

 



 

 © 2012 ООО "Матириалз Лаб"
04073, г. Киев, Украина ул. Куреневская 18 skype: materials.lab тел: +380(44)596-06-25,
+380 (67)504-96-94, факс: +380(44)596-06-26, e-mail: info@materials-lab.com.ua
Разработка сайта и хостинг:
Интерактивные системы