Войти
Воздуходувка Рутса - один из примеров вакуумного насоса. A Вакуумный насос - устройство который удаляет молекулы газа из герметичного объема, чтобы оставить после себя частичный вакуум. Первый вакуумный насос был изобретен в 1650 году Отто фон Герике, ему предшествовал всасывающий насос, появившийся в древности.
Предшественником вакуумного насоса был всасывающий насос. Всасывающие насосы двойного действия были обнаружены в городе Помпеи. Арабский инженер Аль-Джазари позже описал всасывающие насосы двойного действия как часть водоподъемных машин 13 века. Он также сказал, что в сифонах использовался всасывающий насос для отвода греческого огня. Всасывающий насос позже появился в средневековой Европе с 15 века.
Студентка Смольного института Екатерина Молчанова с вакуумным насосом, автор Дмитрий Левицкий, 1776 К XVII веку, конструкция водяных насосов была улучшена до такой степени, что они производили измеримый вакуум, но это не сразу стало понятно. Что было известно, так это то, что всасывающие насосы не могут откачивать воду выше определенной высоты: 18 флорентийских ярдов согласно измерениям, сделанным около 1635 года, или около 34 футов (10 м). Это ограничение было проблемой в проектах ирригации, дренажа шахт и декоративных фонтанов, запланированных герцогом Тосканы, поэтому герцог поручил Галилео Галилею исследовать проблему. Галилей ошибочно предполагает в своей работе Две новые науки (1638), что колонна водяного насоса сломается под собственным весом, когда вода будет поднята на 34 фута. Другие ученые приняли вызов, в том числе Гаспаро Берти, который повторил его, построив первый водный барометр в Риме в 1639 году. Барометр Берти создал вакуум над водяным столбом, но он не мог его объяснить. Прорыв был сделан учеником Галилея Евангелистой Торричелли в 1643 году. Основываясь на записях Галилея, он построил первый ртутный барометр и написал убедительный аргумент, что пространство на сверху был вакуум. Затем высота колонны была ограничена максимальным весом, который могло выдержать атмосферное давление; это предельная высота всасывающего насоса.
В 1654 году Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос и провел свой знаменитый эксперимент Магдебургские полушария, показав, что команды лошади не могли разделить два полушария, из которых был удален 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.
вакуумный аппарат Теслы, опубликованный в 1892 г. Исследование вакуума прекращалось до 1855 г., когда Генрих Гайсслер изобрел ртутный вытеснительный насос и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 торр ). На этом уровне вакуума можно наблюдать ряд электрических свойств, и это возродило интерес к вакууму. Это, в свою очередь, привело к разработке вакуумной трубки. Насос Sprengel был широко распространенным производителем вакуума того времени.
В начале 20 века были изобретены многие типы вакуумных насосов, в том числе молекулярный тормозной насос, диффузионный насос, и турбомолекулярный насос.
Насосы можно в общих чертах разделить на три метода:
Насосы прямого вытеснения используют механизм для многократного расширения полости, позволяя газам течь внутрь из камеры, закрыть полость и выпустить ее в атмосферу. Насосы для переноса импульса, также называемые молекулярными насосами, используют высокоскоростные струи плотной жидкости или высокоскоростные вращающиеся лопасти для выбивания молекул газа из камеры. Улавливающие насосы улавливают газы в твердом или адсорбированном состоянии. Сюда входят крионасосы, геттеры и ионные насосы.
Насосы прямого вытеснения являются наиболее эффективными для низкого вакуума. Насосы для перекачки импульса в сочетании с одним или двумя поршневыми насосами являются наиболее распространенной конфигурацией, используемой для достижения высокого вакуума. В этой конфигурации поршневой насос прямого вытеснения служит двум целям. Сначала создается грубый вакуум в вакуумированном сосуде, прежде чем насос передачи импульса может быть использован для получения высокого вакуума, поскольку насосы передачи импульса не могут начать откачку при атмосферном давлении. Во-вторых, поршневой насос прямого вытеснения поддерживает насос передачи импульса, откачивая до низкого вакуума скопление смещенных молекул в высоковакуумном насосе. Улавливающие насосы могут быть добавлены для достижения сверхвысокого вакуума, но они требуют периодической регенерации поверхностей, удерживающих молекулы или ионы воздуха. Из-за этого требования их доступное рабочее время может быть неприемлемо коротким при низком и высоком вакууме, что ограничивает их использование до сверхвысокого вакуума. Насосы также различаются такими деталями, как производственные допуски, уплотнительный материал, давление, расход, допуск или недопуск паров масла, интервалы обслуживания, надежность, устойчивость к пыли, устойчивость к химическим веществам, устойчивость к жидкостям и вибрации.
Ручной водяной насос забирает воду из колодца, создавая разрежение, которое вода устремляется для заполнения. В некотором смысле он действует для вакуумирования скважины, хотя высокая скорость утечки грязи не позволяет поддерживать высококачественный вакуум в течение любого периода времени. 
Механизм спирального насоса Частичный вакуум может быть создан посредством увеличение объема тары. Для продолжения вакуумирования камеры бесконечно, не требуя бесконечного роста, отсек вакуума можно многократно закрывать, откачивать и снова расширять. Этот принцип лежит в основе поршневого поршневого насоса, например ручного водяного насоса. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость, чтобы снизить ее давление ниже атмосферного. Из-за разницы давлений часть жидкости из камеры (или скважины в нашем примере) выталкивается в небольшую полость насоса. Затем полость насоса изолируется от камеры, открывается в атмосферу и снова сжимается до минимального размера.
Для большинства промышленных применений используются более сложные системы, но основной принцип циклического удаления объема тот же:
Базовое давление поршневого насоса с резиновым и пластиковым уплотнением система обычно составляет от 1 до 50 кПа, тогда как спиральный насос может достигать 10 Па (когда новый), а пластинчато-роторный масляный насос с чистой и пустой металлической камерой может легко достичь 0,1 Па.
Вакуумный насос прямого вытеснения перемещает са me объем газа в каждом цикле, поэтому его скорость откачки постоянна, если она не преодолевается за счет обратного потока.
Вид в разрезе турбомолекулярного насоса высокого вакуума В насосе для передачи импульса молекулы газа ускоряются от стороны вакуума к стороне выпуска (что обычно поддерживается при пониженном давлении поршневым насосом прямого вытеснения). Перекачивание импульса возможно только при давлении ниже примерно 0,1 кПа. Материя течет по-разному при разных давлениях в соответствии с законами гидродинамики. При атмосферном давлении и небольшом вакууме молекулы взаимодействуют друг с другом и давят на 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 с положительным вытеснением. Этот режим обычно называют высоким вакуумом.
Молекулярные насосы охватывают большую площадь, чем механические насосы, и делают это чаще, что делает их способными к гораздо более высоким скоростям откачки. Они делают это за счет уплотнения между вакуумом и выхлопом. Поскольку уплотнения нет, небольшое давление на выходе может легко вызвать обратный поток через насос; это называется стойлом. 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, передавая импульс молекулам газа. Диффузионные насосы выдувают молекулы газа струями масла или ртути, в то время как турбомолекулярные насосы используют высокоскоростные вентиляторы для выталкивания газа. Оба этих насоса остановятся и откажутся от откачки, если их откачать напрямую до атмосферного давления, поэтому они должны откачиваться до вакуума более низкого уровня, создаваемого механическим насосом.
Как и в случае поршневых насосов прямого вытеснения, базовое давление будет достигнуто при утечке, удалении газа и равной скорости насоса, но теперь минимизация утечки и выделения газа до уровня, сопоставимого с обратным потоком, становится намного больше. трудно.
Регенеративные насосы используют вихревое поведение жидкости (воздуха). Конструкция основана на гибридной концепции центробежного насоса и турбонасоса. Обычно он состоит из нескольких наборов перпендикулярных зубцов на роторе, циркулирующих молекулы воздуха внутри неподвижных полых канавок, как у многоступенчатого центробежного насоса. Они могут достигать 1 × 10 мбар (0,001 Па) (в сочетании с насосом Holweck) и напрямую выходить до атмосферного давления. Примерами таких насосов являются Edwards EPX (технический документ) и Pfeiffer OnTool ™ Booster 150. 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 выпуска, этот тип насосов используется для блокировки нагрузки в процессах производства полупроводников.
Этот тип насоса отличается высоким потреблением энергии (~ 1 кВт) по сравнению с турбомолекулярным насосом (<100W) at low pressure since most power is consumed to back atmospheric pressure. This can be reduced by nearly 10 times by backing with a small pump.
Улавливающий насос может быть крионасос, в котором используются 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 продвижения ионов в твердую подложку. В криомодуле используется крионасос. Другие типы: сорбционный насос, не испарительный геттер насос и титановый сублимационный насос (тип испарительного геттера, который можно использовать многократно).
Скорость откачки относится к объемному расходу производительность насоса на входе, часто измеряемая в объеме в единицу времени. M Насосы для перекачки и улавливания сальника более эффективны для одних газов, чем для других, поэтому скорость откачки может быть разной для каждого перекачиваемого газа, а средний объемный расход насоса будет варьироваться в зависимости от химического состава газов, остающихся в камера.
Производительность означает скорость откачки, умноженную на давление газа на входе, и измеряется в единицах давление · объем / единицу времени. При постоянной температуре производительность пропорциональна количеству молекул, перекачиваемых за 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 стороне вакуума утечки, поэтому пропускную способность утечки можно сравнить с производительностью насоса.
Объемные насосы прямого вытеснения и передающие импульс 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, утечки, испарение, сублимация и обратный поток продолжают обеспечивать постоянную пропускную способность в системе.
Вакуумные насосы объединяются с камерами и рабочими процедурами в самые разные вакуумные системы. Иногда в одном приложении используется более одного насоса (в серии или в параллельно ). Частичный вакуум или грубый вакуум может быть создан с помощью поршневого насоса прямого вытеснения, который транспортирует газовую нагрузку от впускного отверстия к выпускному (выпускному) отверстию. Из-за своих механических ограничений такие насосы могут достигать только низкого вакуума. Затем для достижения более высокого вакуума необходимо использовать другие методы, обычно последовательно (обычно после начальной быстрой откачки с помощью объемного насоса). Некоторыми примерами могут быть использование масляного роторно-пластинчатого насоса (наиболее распространенный поршневой насос прямого вытеснения), поддерживающего диффузионный насос, или насоса сухой спирали, поддерживающего турбомолекулярный насос. Возможны и другие комбинации в зависимости от требуемого уровня вакуума.
Достижение высокого вакуума затруднено, потому что все материалы, подвергающиеся воздействию вакуума, должны быть тщательно оценены на предмет их свойств дегазации и давления пара. Например, масла, смазки и резиновые или пластиковые прокладки, используемые в качестве уплотнений для вакуумной камеры, должны не выкипать под воздействием вакуума, иначе выделяемые ими газы помешали бы созданию желаемой степени вакуума. Часто все поверхности, подвергающиеся воздействию вакуума, должны быть обожжены при высокой температуре для удаления адсорбированных газов.
Выделение газа также может быть уменьшено простым осушением перед вакуумной откачкой. Для систем высокого вакуума обычно требуются металлические камеры с металлическими уплотнениями, такими как фланцы Кляйна или фланцы ISO, а не резиновые прокладки, более распространенные в уплотнениях камер низкого вакуума. Система должна быть чистой и не содержать органических веществ, чтобы свести к минимуму газовыделение. Все материалы, твердые или жидкие, имеют небольшое давление пара, и их дегазация становится важной, когда давление вакуума падает ниже этого давления пара. В результате многие материалы, которые хорошо работают в условиях низкого вакуума, такие как эпоксидная смола, станут источником выделения газа при более высоком вакууме. При соблюдении этих стандартных мер предосторожности вакуум в 1 МПа легко достигается с помощью набора молекулярных насосов. При тщательном проектировании и эксплуатации возможно значение 1 мкПа.
Несколько типов насосов могут использоваться последовательно или параллельно. В типичной последовательности откачки для удаления большей части газа из камеры может использоваться поршневой насос, начиная с атмосферы (760 Торр, 101 кПа) до 25 Торр (3 кПа). Затем с помощью сорбционного насоса давление снизится до 10 Торр (10 МПа). Крионасос или турбомолекулярный насос можно использовать для снижения давления до 10 Торр (1 мкПа). Дополнительный ионный насос может быть запущен при давлении ниже 10 Торр для удаления газов, которые не обрабатываются крионасосом или турбонасосом должным образом, таких как гелий или водород.
Обычно требуется сверхвысокий вакуум. оборудование, изготовленное по индивидуальному заказу, строгие рабочие процедуры и изрядное количество проб и ошибок. Системы сверхвысокого вакуума обычно изготавливаются из нержавеющей стали с металлическими прокладками вакуумными фланцами. Система обычно запекается, предпочтительно под вакуумом, чтобы временно повысить давление паров всех газообразующих материалов в системе и выпарить их. При необходимости дегазация системы также может быть выполнена при комнатной температуре, но это займет гораздо больше времени. После того, как основная масса материалов, выделяющих газ, испаряется и откачивается, систему можно охладить до более низкого давления пара, чтобы минимизировать остаточное выделение газа во время реальной работы. Некоторые системы охлаждаются значительно ниже комнатной температуры жидким азотом для отключения остаточного выделения газа и одновременного крионасоса системы.
В системах сверхвысокого вакуума необходимо учитывать некоторые очень необычные пути утечки и источники выделения газа. Водопоглощение алюминия и палладия становится неприемлемым источником выделения газа, и даже необходимо учитывать поглощающую способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан. Некоторые масла и смазки могут выкипеть в условиях сильного вакуума. Возможно, придется учитывать пористость стенок металлической вакуумной камеры, и направление зерен металлических фланцев должно быть параллельно поверхности фланца.
Необходимо учитывать влияние размера молекулы. Молекулы меньшего размера легче проникают внутрь и легче поглощаются некоторыми материалами, а молекулярные насосы менее эффективны при перекачивании газов с более низким молекулярным весом. Система может откачивать азот (основной компонент воздуха) до желаемого вакуума, но камера все еще может быть заполнена остаточным атмосферным водородом и гелием. Сосуды, облицованные материалом с высокой газопроницаемостью, таким как палладий (который является высокопроизводительной водородной губкой), создают особые проблемы с дегазированием.
Вакуумные насосы используются во многих промышленных и научных процессах, включая процессы формования композитных пластмасс, производство большинства типов электрических ламп, электронных ламп и ЭЛТ, где устройство либо оставляют откачанным, либо повторно заполняют определенным газом или газовой смесью, обработка полупроводников, особенно ионная имплантация, сухое травление и осаждение PVD, ALD, PECVD и CVD и т. д. в фотолитографии, электронной микроскопии, медицинских процессах, требующих всасывания, обогащении урана, медицинских применениях, таких как лучевая терапия, радиохирургия и радиофармацевтика, аналитическое оборудование для анализа газа, жидкости, твердых, поверхностных и биоматериалов, масс-спектрометры для создания высоких вакуум между источником ионов и детектором, нанесение вакуумного покрытия на стекло, металл и пластик для украшения, для долговечности и для экономии энергии, например, стекло с низким коэффициентом излучения, твердое покрытие для компонентов двигателя (как в Formula One ), офтальмологическое покрытие, доильные аппараты и другое оборудование в молочных фермах, вакуумная пропитка пористых продуктов, таких как дерево или обмотки электродвигателей, кондиционер обслуживание (удаление всех загрязнений из системы перед заправкой хладагентом), уплотнитель мусора, вакуумная техника, канализация (см. стандарты EN1091: 1997), сублимационная сушка, и fusion исследования. В области регенерации и повторной очистки масла вакуумные насосы создают низкий вакуум для обезвоживания масла и высокий вакуум для очистки масла. Вакуумные насосы играют важную роль в установках очистки трансформаторного масла, особенно при обслуживании трансформаторов, которые используются для продления срока службы трансформаторов в полевых условиях.
Вакуум может использоваться для питания или оказания помощи механическим устройств. В гибридных и дизельных двигателях автомобилей насос, установленный на двигателе (обычно на распределительном валу ), используется для создания вакуума. В бензиновых двигателях, наоборот, разрежение обычно получается как побочный эффект работы двигателя и ограничения потока, создаваемого дроссельной заслонкой, но он также может быть дополнен вакуумный насос с электрическим приводом для ускорения торможения или снижения расхода топлива. Затем этот вакуум можно использовать для питания следующих компонентов автомобиля: вакуумный сервопривод усилитель для гидравлических тормозов, двигатели, которые перемещают амортизаторы в системе вентиляции, водитель дроссельной заслонки в круиз-контроле сервомеханизм, замки дверей или разблокировки багажника.
В самолете источник вакуума часто используется для питания гироскопов в различных полетных приборах. Чтобы предотвратить полную потерю приборов в случае электрического отказа, приборная панель намеренно сконструирована таким образом, чтобы некоторые приборы питались от электричества, а другие приборы питались от источника вакуума.
Старые масла для вакуумных насосов, которые были произведены примерно до 1980 года, часто содержат смесь нескольких различных опасных полихлорированных дифенилов (ПХБ), которые очень токсичные, канцерогенные, стойкие органические загрязнители.
 | Викискладе есть материалы, связанные с вакуумными насосами. |
