Вакуумный насос — это специальное устройство, предназначенное для удаления (откачки) газов или паров из замкнутого объема с целью создания в нем разреженной среды, то есть вакуума. Существует несколько основных категорий таких насосов: механические, струйные, сорбционные и криогенные. Каждый тип имеет свои особенности конструкции и принципа действия, которые определяют область его применения.
1. Водокольцевые насосы
Эти насосы относятся к объемным. Их работа основана на создании водяного кольца внутри корпуса. При быстром вращении ротора с радиальными лопатками вода отбрасывается к стенкам, образуя кольцо постоянной толщины. Поскольку ось ротора смещена относительно оси корпуса, объемы полостей между лопатками циклически меняются. Это создает разрежение на стороне всасывания, затягивающее газ, и сжатие на стороне нагнетания, выталкивающее его через выпускной клапан. Излишки воды также удаляются через выпускное отверстие, что поддерживает постоянство водяного кольца. Предельное остаточное давление такого насоса ограничено давлением паров воды и составляет около 2×10³ Па при комнатной температуре. Водокольцевые насосы находят применение в системах предварительного разрежения, сушильных установках и там, где требуется безмасляная откачка.
2. Механические вакуумные насосы с масляным уплотнением
Это также насосы объемного действия, работа которых основана на периодическом изменении объема рабочей камеры. Они делятся на несколько видов: пластинчато-роторные, пластинчато-статорные и плунжерные (золотниковые).
В пластинчато-роторном насосе в цилиндрической камере эксцентрично вращается ротор с подвижными пластинами. При вращении пластины прижимаются к стенкам корпуса, создавая полости переменного объема для всасывания и сжатия газа. Масло в таких насосах выполняет несколько функций: уплотняет зазоры, предотвращая обратный переток газа, смазывает трущиеся детали и отводит тепло. Оно циркулирует между рабочей камерой и масляным резервуаром.
Ключевые параметры этих насосов, такие как предельное остаточное давление, сильно зависят от свойств используемого масла. Газы и пары, поглощенные маслом в резервуаре, могут выделяться обратно в камеру, создавая обратный поток. Одноступенчатые насосы обычно обеспечивают остаточное давление в диапазоне 2–6.6 Па. Для достижения более глубокого вакуума (до 10⁻³ Па) применяют двухступенчатые конструкции, где высоковакуумная ступень изолирована от прямого контакта с масляным резервуаром.
Работа при высоком давлении на входе может приводить к уносу масла и образованию масляного тумана. Для борьбы с этим на выхлопе устанавливают маслоотделители. Важной особенностью многих современных механических насосов является наличие газобалластного устройства. Оно позволяет откачивать конденсирующиеся пары (например, водяные), предотвращая их конденсацию внутри насоса за счет подмешивания балластного газа (обычно воздуха) в камеру сжатия.
При эксплуатации важно следить за уровнем и качеством масла, избегать работы с полностью открытым впуском от атмосферного давления и предотвращать попадание твердых частиц в механизм.
3. Механические насосы с деформируемой камерой
Эти насосы созданы для получения «чистого» вакуума, без загрязнения парами масла. Принцип их действия основан на циклической деформации эластичной камеры (например, из полиуретана) вращающимися роликами. Это создает разрежение, перемещающее газ от впуска к выпуску. Обычно в корпусе установлены две такие камеры: одна для откачки рабочего объема, другая — для создания разрежения внутри самого насоса.
Главный недостаток — ограниченный ресурс (500–1000 часов) из-за износа эластичного элемента. Насосы чувствительны к перепадам давления и не имеют газобалластного устройства, что затрудняет откачку конденсирующихся паров. Предельное остаточное давление обычно составляет около 10⁻¹ Па.
4. Двухроторные (роторные) насосы
Эти насосы, работающие по принципу воздуходувки Рутса, состоят из двух синхронно вращающихся роторов сложного профиля. Роторы не соприкасаются друг с другом и со стенками, что позволяет достигать высоких скоростей вращения и быстроты действия. Газ переносится постоянными объемами между роторами и корпусом.
Из-за значительных зазоров двухроторные насосы не могут самостоятельно создавать низкое давление и всегда работают в паре с форвакуумным насосом (обычно механическим с масляным уплотнением). Их быстрота действия максимальна в области среднего вакуума и падает при очень низких давлениях. Основные преимущества — отсутствие трения в рабочей камере, высокая производительность и надежность. Они широко используются в системах централизованного вакуума, для сушки и обезгазивания.
5. Эжекторные и струйные насосы
Принцип действия основан на увлечении откачиваемого газа высокоскоростной струей рабочего тела (вода, пар, газ). Рабочее тело, имеющее высокое давление, разгоняется в сопле, создавая зону низкого давления, куда затягивается откачиваемый газ. Смесь затем тормозится в диффузоре, где ее давление повышается до уровня, достаточного для выброса.
- Водоструйные насосы используют струю воды под давлением. Их предельное остаточное давление определяется давлением паров воды и составляет около 100 Па. Применяются для безмасляной предварительной откачки.
- Пароэжекторные насосы используют струю пара (чаще всего водяного) и могут создавать давление до 1–10⁻¹ Па. Обычно выполняются многоступенчатыми, с промежуточными конденсаторами для пара. Широко применяются в промышленности для откачки больших объемов.
9. Испарительные геттерные насосы
Это сорбционные насосы, в которых поглощение газов происходит на свежеосажденную пленку активного металла, чаще всего титана. Титан испаряется с нагреваемого источника и конденсируется на охлаждаемых поверхностях внутри насоса, образуя активный слой, который химически связывает большинство активных газов (N₂, O₂, CO, H₂).
Для повышения эффективности, особенно по инертным газам и углеводородам, применяют ионизацию откачиваемого газа. Так появились ионно-геттерные насосы, сочетающие геттерную откачку с ионной. В них ионы газа, образованные в разряде или электронным пучком, внедряются в титановую пленку. Конструкции разнообразны: с термокатодом и анодной сеткой, орбитронные насосы с длинным пробегом электронов.
Такие насосы обеспечивают чистый, безмасляный вакуум с предельным давлением до 10⁻⁷ – 10⁻¹¹ Па. Они бесшумны, не создают вибраций, не боятся аварийного отключения. Недостатки — необходимость периодической очистки от наслоений титана и наличие накаленных элементов в некоторых конструкциях.
13. Криогенные (конденсационные) насосы
Принцип действия основан на конденсации газов на поверхностях, охлажденных до сверхнизких температур. При температуре жидкого водорода (около 20 К) конденсируются почти все газы, кроме гелия, водорода и неона. При температуре жидкого гелия (4.2 К) конденсируется и водород.
Современные криогенные насосы часто используют встроенные криогенераторы (машины Стирлинга и др.), что избавляет от необходимости постоянно подавать криоагент извне. Они обеспечивают высокую быстроту действия (до 10⁵ л/с и более) и предельное остаточное давление ниже 10⁻⁷ Па. Основные области применения — научные исследования, космическое моделирование, полупроводниковая промышленность, где требуется сверхвысокий и чистый вакуум.