Насос вакуумный что это: принцип работы, устройство, правила выбора – Вакуумный насос — это… Что такое Вакуумный насос?

Виды и типы вакуумных насосов

В нормальных условиях для создания вакуума в вакуумной системе требуется удаление газов, содержащихся в атмосферном воздухе, из данного сосуда или камеры. Таким образом, технология высокого вакуума предполагает разрежение атмосферы на 15 порядков (от 103 до 10-12 мбар). Процесс был бы относительно прост и насос для вакуумной камеры отлично справился, если бы стенки камеры не содержали адсорбированных и растворенных газов. Постоянное газовыделение окклюдированных и адсорбированных газов обычно делает необходимым постоянную откачку, даже если высокий вакуум должен поддерживаться только внутри камеры, в частности в пространстве между двойными стенками термоса. После откачки запаянное пространство должно содержать какие-либо средства удаления газов, например химически активные металлические пленки.

Существует несколько основных способов удаления воздуха (или другого газа) из пространства вакуумной камеры:

  1. Газ может удаляться посредством изменения объема газа с помощью насосов с возвратно-поступательным и вращательным движением поршней, вращающимися лопастями, шестернями, кулачками, шнеками с зацеплением, спиральными камерами и т. д.
  2. Другой способ заключается в частичном вытеснении газа или передаче ему импульса от быстро движущихся поверхностей (роторов или турбины), высокоскоростной струи пара или движущейся жидкости (эжектора).

В этих вакуумных насосах используются механические методы перемещения газа, который сжимается и выбрасывается в атмосферу. Поэтому данные типы насосов называются газоперекачивающими.

Работа других типов вакуумных насосов, приведенных ниже, основана на физикохимических способах создания вакуума, поэтому их называют поглощающими:

  1. Вакуум может также создаваться путем охлаждения газа до температуры, при которой газ либо переходит в твердую фазу, либо может адсорбироваться поверхностью специального пористого материала.
  2. Газ может удаляться из объема посредством химической реакции, в результате которой получается твердый продукт.
  3. Наконец, газ ионизируют и удаляют из объема либо посредством действия электромагнитных полей, либо путем внедрения молекул газа в твердую поверхность насоса благодаря высокой скорости в поле высокого напряжения.

Слово «насос», обычно ассоциируемое с жидкостями, в технологии высокого вакуума имеет всего лишь историческое значение. Газоперекачивающие насосы можно назвать «компрессорами для создания разрежения», а газопоглощающие насосы — «конденсаторами» так же существуют гасосы для вакуумных пресовс.

Рис 1. Классификация современных вакуумных насосов.

Как правило, нелегко сконструировать одно устройство откачки, которое бы эффективно функционировало в условиях изменений плотности среды в пределах 15 порядков. Все устройства откачки имеют диапазоны давления или плотности, в которых они характеризуются эффективностью работы, размером, весом, уровнем шума, стоимостью и т. д. Обычно для получения высокого вакуума используются два насоса с различными принципами действия. Они могут быть легко сконструированы в виде комбинации низковакуумных и высоковакуумных насосов. Низковакуумные насосы используются для удаления основной части газа из камеры (газа, который находился в пространстве или объеме), а высоковакуумные насосы — для поддержания вакуума путем удаления газа, натекающего с поверхностей. В общем случае можно сказать, что эти два типа вакуумных насосов работают в условиях вязкостного и молекулярного потоков.

По сравнению с обычным компрессором, который работает при давлении, близком к атмосферному, поток газа в условиях высокого вакуума характеризуется большим объемом, малой массой, высокими перепадами давления между откачиваемым объемом и внешней средой и низкими перепадами давлений внутри вакуумной системы. Перемещение молекулярного потока создает дополнительные сложности. Во-первых, в условиях молекулярного потока перепады давлений очень невелики (хотя обычно присутствуют значительные градиенты плотности). Так, например, отдельные молекулы входят в насос не под действием пониженного давления, а в результате своего нормального теплового движения. Поэтому когда молекулы отскакивают от поверхности, они с равной вероятностью могут перемещаться как к насосу, так и от него. Дополнительная сложность с откачкой молекулярного потока заключается в различном поведении молекул разных газов, присутствующих в смеси. Из-за отсутствия столкновений между молекулами откачка происходит при различной быстроте действия насосов и степенях сжатия.

Отсутствие градиентов давления создает более низкие значения максимально возможного объемного потока через отверстия. При вязкостном режиме объемный поток почти в 2 раза выше молекулярного потока (для воздуха при комнатной температуре приблизительно 20 л/(с·см

2) и 11,6 л/(с·см2) соответственно). Как правило, если диаметр отверстия меньше или равен средней длине свободного пути, объемный поток может составлять 11,6 л/(с·см2). Также в условиях молекулярного потока могут существовать относительно высокие сопротивления внутри довольно короткого элемента вакуумной системы. Например, обычное колено может создавать 50%-ное снижение объемного потока по сравнению со снижением вязкостного потока, составляющим всего несколько процентов. Поэтому проводимость каналов высоковакуумной системы играет большую роль.

Проводимость обычно измеряется в литрах в секунду (л/с). Однако правильнее было бы измерять ее в Торр·л/с производительности насоса на Торр перепада давления.

Вакуум — Википедия

Насос для демонстрации вакуума

Ва́куум (от лат. vacuus — пустота) — пространство, свободное от вещества. В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного[1]. Вакуум характеризуется соотношением между длиной свободного пробега молекул газа λ и характерным размером среды d. Под d может приниматься расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода и т. д. В зависимости от величины соотношения λ/d различают низкий (λ/d≪1{\displaystyle \lambda /d\ll 1}), средний (λ/d∼1{\displaystyle \lambda /d\sim 1}) и высокий (λ/d≫1{\displaystyle \lambda /d\gg 1}) вакуум.

\lambda /d\gg 1

На практике сильно разреженный газ называют техническим вакуумом. В макроскопических объёмах идеальный вакуум недостижим на практике, поскольку при конечной температуре все материалы обладают ненулевой плотностью насыщенных паров. Кроме того, многие материалы (в частности толстые металлические, стеклянные и иные стенки сосудов) пропускают газы. В микроскопических объёмах, однако, достижение идеального вакуума в принципе возможно.

Мерой степени разрежения вакуума служит длина свободного пробега молекул газа λ{\displaystyle \lambda }, связанной с их взаимными столкновениями в газе, и характерного линейного размера d{\displaystyle d} сосуда, в котором находится газ.

Строго говоря, техническим вакуумом называют газ в сосуде или трубопроводе с давлением ниже, чем в окружающей атмосфере. Согласно другому определению, когда молекулы или атомы газа перестают сталкиваться друг с другом, и газодинамические свойства сменяются вязкостными (при давлении около 1 мм рт.ст.), говорят о достижении

низкого вакуума (λ≪d{\displaystyle \lambda \ll d}; 1016 молекул на 1 см³). Обычно между атмосферным воздухом и высоковакуумным насосом стоит так называемый форвакуумный насос, создавая предварительное разрежение, поэтому низкий вакуум часто называют форвакуум. При дальнейшем понижении давления в камере увеличивается средняя длина свободного пробега λ{\displaystyle \lambda } молекул газа. При λ/d≫1{\displaystyle \lambda /d\gg 1} молекулы газа гораздо чаще сталкиваются со стенками, чем друг с другом. В этом случае говорят о высоком вакууме (10−5 мм рт.ст.; 1011 молекул на 1 см³). Сверхвысокий вакуум соответствует давлению 10−9 мм рт.ст. и ниже. В сверхвысоком вакууме, например, обычно проводятся эксперименты с использованием сканирующего туннельного микроскопа. Для сравнения, давление в космосе на несколько порядков ниже — 10
9
молекул на 1 см³ (миллиард молекул в кубическом сантиметре), в дальнем же космосе и вовсе может достигать 10−16 мм рт.ст. и ниже (1 молекула на 1 см³)[2].

Высокий вакуум в микроскопических порах некоторых кристаллов и в ультратонких капиллярах достигается уже при атмосферном давлении, поскольку диаметр поры/капилляра становится меньше, чем длина свободного пробега молекулы, равная в воздухе при нормальных условиях ~60 нанометрам[3].

Аппараты, используемые для достижения и поддержания вакуума, называются вакуумными насосами. Для поглощения газов и создания необходимой степени вакуума используются геттеры. Более широкий термин вакуумная техника включает также приборы для измерения и контроля вакуума, манипулирования предметами и проведения технологических операций в вакуумной камере и т. д. Высоковакуумные насосы являются сложными техническими приборами. Основные типы высоковакуумных насосов — это диффузионные насосы, основанные на увлечении молекул остаточных газов потоком рабочего газа, геттерные, ионизационные насосы, основанные на внедрении молекул газа в геттеры (например, титан) и криосорбционные насосы (в основном, для создания форвакуума).

Даже в идеальном вакууме при конечной температуре всегда имеется некоторое тепловое излучение (газ фотонов). Таким образом, тело, помещённое в идеальный вакуум, рано или поздно придёт в тепловое равновесие со стенками вакуумной камеры за счёт обмена тепловыми фотонами.

Вакуум является хорошим термоизолятором; перенос тепловой энергии в нём происходит лишь за счёт теплового излучения, конвекция и теплопроводность исключены. Это свойство используется для теплоизоляции в термосах (сосудах Дьюара), состоящих из ёмкости с двойными стенками, пространство между которыми вакуумировано.

Вакуум широко применяется в электровакуумных приборах — радиолампах (например, магнетронах микроволновых печей), электронно-лучевых трубках и т. п.

Под физическим вакуумом в квантовой физике понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. При этом такое состояние вовсе не обязательно соответствует пустоте: поле в низшем состоянии может быть, например, полем квазичастиц в твёрдом теле или даже в ядре атома, где плотность чрезвычайно высока. Физическим вакуумом называют также полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии[4][5]. Такое состояние не является абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. В некоторых конкретных теориях поля вакуум может обладать нетривиальными топологическими свойствами. В теории могут существовать несколько различных вакуумов, различающихся плотностью энергии или другими физическими параметрами (в зависимости от применяемых гипотез и теорий). Вырождение вакуума при спонтанном нарушении симметрии приводит к существованию непрерывного спектра вакуумных состояний, отличающихся друг от друга числом голдстоуновских бозонов. Локальные минимумы энергии при разных значениях какого-либо поля, отличающиеся по энергии от глобального минимума, носят название ложных вакуумов; такие состояния метастабильны и стремятся распасться с выделением энергии, перейдя в истинный вакуум или в один из нижележащих ложных вакуумов.

Некоторые из этих предсказаний теории поля уже были успешно подтверждены экспериментом. Так, эффект Казимира[6] и лэмбовский сдвиг атомных уровней объясняется нулевыми колебаниями электромагнитного поля в физическом вакууме. На некоторых других представлениях о вакууме базируются современные физические теории. Например, существование нескольких вакуумных состояний (упомянутых выше ложных вакуумов) является одной из главных основ инфляционной теории Большого взрыва.

Ложный вакуум[править | править код]

\lambda /d\gg 1

Ложный вакуум — состояние в квантовой теории поля, которое не является состоянием с глобально минимальной энергией, а соответствует её локальному минимуму. Такое состояние стабильно в течение определённого времени (метастабильно), но может «туннелировать» в состояние истинного вакуума.

Эйнштейновский вакуум[править | править код]

Эйнштейновский вакуум — иногда встречающееся название для решений уравнений Эйнштейна в общей теории относительности для пустого, без материи, пространства-времени. Синоним — пространство Эйнштейна.

Уравнения Эйнштейна связывают метрику пространства-времени (метрический тензор gμν) с тензором энергии-импульса. В общем виде они записываются как

Gμν+Λgμν=8πGc4Tμν,{\displaystyle G_{\mu \nu }+\Lambda g_{\mu \nu }={8\pi G \over c^{4}}T_{\mu \nu },}

где тензор Эйнштейна Gμν является определённой функцией метрического тензора и его частных производных, R — скалярная кривизна, Λ — космологическая постоянная, Tμν — тензор энергии-импульса материи, π — число пи, c — скорость света в вакууме, G — гравитационная постоянная Ньютона.

Вакуумные решения этих уравнений получаются при отсутствии материи, то есть при тождественном равенстве нулю тензора энергии-импульса в рассматриваемой области пространства-времени: Tμν = 0. Часто лямбда-член также принимается равным нулю, особенно при исследовании локальных (некосмологических) решений. Однако при рассмотрении вакуумных решений с ненулевым лямбда-членом (лямбда-вакуум) возникают такие важные космологические модели, как модель Де Ситтера (Λ > 0) и модель анти-Де Ситтера (Λ < 0).

Тривиальным вакуумным решением уравнений Эйнштейна является плоское пространство Минковского, то есть метрика, рассматриваемая в специальной теории относительности.

Другие вакуумные решения уравнений Эйнштейна включают в себя, в частности, следующие случаи:

G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu}, Космическое пространство является не идеальным вакуумом, разреженная плазма заполнена заряженными частицами, электромагнитными полями, а иногда звёздами

Космическое пространство имеет очень низкую плотность и давление и является наилучшим приближением физического вакуума. Но космический вакуум не является действительно совершенным, даже в межзвёздном пространстве есть несколько атомов водорода на кубический сантиметр.

Звёзды, планеты и спутники держат свои атмосферы силой притяжения, и как таковой у атмосферы нет чётко очерченной границы: плотность атмосферного газа просто уменьшается с расстоянием от объекта. Атмосферное давление Земли падает до примерно 3,2×10−2 Па на 100 км высоты — на так называемой линии Кармана, которая является общим определением границы с космическим пространством. За этой линией изотропное давление газа быстро становится незначительным по сравнению с давлением излучения от Солнца и динамическим давлением солнечного ветра, поэтому определение давления становится трудно интерпретировать. Термосфера в этом диапазоне имеет большие градиенты давления, температуры и состава, и сильно варьируется в связи с космической погодой.

Плотность атмосферы в течение первых нескольких сотен километров выше линии Кармана всё ещё достаточна для оказания значительного сопротивления движению искусственных спутников Земли. Большинство спутников работают в этой области, называемой низкой околоземной орбитой, и должны подрабатывать двигателями каждые несколько дней для поддержания стабильной орбиты.

Космическое пространство заполнено большим количеством фотонов, так называемым реликтовым излучением, а также большим количеством реликтовых нейтрино, пока не поддающихся обнаружению. Текущая температура этих излучений составляет около 3 К, или −270 °C[7].

G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu},

Идея вакуума (пустоты) была предметом споров ещё со времён древнегреческих и древнеримских философов. Атомисты — Левкипп (ок. 500 г. до н. э.), Демокрит (около 460—370 гг. до н. э.), Эпикур (341—270 гг. до н. э.), Лукреций (ок. 99—55 гг. до н. э.) и их последователи — предполагали, что всё существующее — атомы и пустота между ними, причём без вакуума не было бы и движения, атомы не могли бы двигаться, если бы между ними не было пустого пространства. Стратон (ок. 270 г. до н. э.) и многие философы в более поздние времена полагали, что пустота может быть «сплошной» (vacuum coacervatum) и «рассеянной» (в промежутках между частицами вещества, vacuum disseminatum).

Напротив, Аристотель (384—322 гг. до н. э.) и ряд других философов считали, что «природа не терпит пустоты». Концепция «боязни пустоты» (horror vacui), зародившаяся ещё до Аристотеля, у Эмпедокла (ок. 490—430 гг. до н. э.) и других философов ионийской школы, в философской мысли Средневековой Европы стала доминирующей и приобрела религиозно-мистические черты.

Некоторые предпосылки к эмпирическому исследованию вакуума существовали ещё в античности. Древнегреческие механики создавали различные технические устройства, основанные на разрежении воздуха. Например, водяные насосы, действующие путём создания разрежения под поршнем, были известны ещё во времена Аристотеля. До нашего времени сохранился рисунок пожарного насоса, изобретённого «отцом пневматики» Ктезибием (ок. 250 г. до н. э.). Водяные насосы такого типа были фактически прообразами вакуумного поршневого насоса, появившегося спустя почти два тысячелетия. Ученик Ктезибия, Герон Александрийский, разработал поршневой шприц для вытягивания гноя, тоже являющийся по существу вакуумным устройством.

Эмпирическое изучение вакуума началось лишь в XVII веке, с концом Возрождения и началом научной революции Нового времени. К этому моменту уже давно было известно, что всасывающие насосы могут поднимать воду на высоту не более 10 метров. Например, в трактате Георгия Агриколы (1494—1555) «О горном деле» приведено изображение цепочки водяных насосов для откачки воды из шахты.

Галилей в своих «Беседах и математических доказательствах двух новых наук»[8] (1638), книге, которая завершила разгром аристотелевской физики, указывал, ссылаясь на практику, что высота, до которой всасывающие насосы поднимают воду, всегда одна и та же — около 18 локтей. В этой книге он, в частности, описывает фактически вакуумный прибор с поршнем, необходимый для сравнения сопротивления на разрыв воды и твёрдого тела, хотя и объясняет сопротивление растяжению, характерное для твёрдых тел и жидкостей, боязнью пустоты, предполагая существование между частицами вещества мельчайших пустых пор, расширяющихся при растяжении.

Под влиянием трактата Галилея, где указывалось на ограниченность «боязни пустоты», в 1639—1643 гг. Гаспаро Берти на фасаде своего дома в Риме соорудил устройство (в более поздней терминологии, барометрическую водяную трубу), которое можно считать первой установкой для физического исследования вакуума. В верхней, стеклянной закрытой части трубы высотой более 10 м, над водяным столбом, уравновешенным атмосферным давлением, обнаруживалось пустое пространство (на самом деле оно было заполнено водяными парами под давлением, равным упругости паров воды при температуре окружающей среды, а также выделившимся из воды растворённым воздухом, то есть давление в полости составляло около 0,1 атмосферы). Эмануэль Маньяно закрепил в этой полости колокольчик и молоток. Воздействуя на молоток магнитом, он ударял молотком по колокольчику. В результате этого первого в истории эксперимента в вакууме (точнее, в разреженном газе) было обнаружено, что звук колокольчика был приглушённым[9].

Учёный Рафаэло Маджотти[10] (1597—1656) из Рима сообщил об опытах Берти и Маньяно ученику Галилея, флорентийцу Эванджелисте Торричелли. При этом Маджотти высказал мысль, что более плотная жидкость остановилась бы на более низком уровне[11]. В 1644 году Торричелли (с помощью Винченцо Вивиани, другого ученика Галилея) сумел создать первую вакуумную камеру. Его работы, связанные с теориями атмосферного давления, послужили основой дополнительных экспериментальных методик. Вакуум по методу Торричелли (торричеллиева пустота) достигается путём наполнения ртутью длинной стеклянной трубки, запаянной с одного конца, а затем переворачиванием её таким образом, чтобы открытый конец трубки оказался под поверхностью ртути в более широком открытом сосуде[12]. Ртуть будет вытекать из трубки, пока сила тяжести ртутного столба не будет скомпенсирована атмосферным давлением. В свободном от ртути пространстве в верхнем, запаянном конце трубки образуется вакуум. Этот метод лежит в основе работы ртутного барометра. При стандартном атмосферном давлении высота ртутного столба, уравновешенного атмосферным давлением, равна 760 мм.

G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu},

Около 1650 года немецкий учёный Отто фон Герике изобрёл первый вакуумный насос (поршневой цилиндр с водяным уплотнением), позволивший легко откачивать воздух из герметичных ёмкостей и экспериментировать с вакуумом[13]. Насос, названный автором antlia pneumatica, был ещё очень далек от совершенства и требовал не менее трёх человек для манипуляций с поршнем и кранами, погруженными в воду, для лучшей изоляции образующейся пустоты от наружного воздуха. Однако с его помощью Герике сумел продемонстрировать многие свойства вакуума, в частности, поставив знаменитый опыт с Магдебургскими полушариями. Герике создал также водяной барометр, по принципу действия аналогичный ртутному барометру Торричелли, хотя из-за меньшей плотности воды по сравнению с ртутью высота водяного столба, уравновешивающего атмосферное давление, в 13,6 раз больше — около 10 метров. Герике впервые выяснил, что вакуум не проводит звук и что горение в нём прекращается[14].

Вакуумный насос Герике был значительно усовершенствован Робертом Бойлем, что позволило ему выполнить ряд экспериментов для выяснения свойств вакуума и его влияния на различные объекты. Бойль обнаружил, что в вакууме гибнут мелкие животные, огонь потухает, а дым опускается вниз (и, следовательно, так же подвержен влиянию силы тяжести, как и другие тела). Бойль выяснил также, что поднятие жидкости в капиллярах происходит и в вакууме, и тем самым опроверг господствовавшее тогда мнение, что в этом явлении участвует давление воздуха. Напротив, перетекание жидкости через сифон в вакууме прекращалось, чем было доказано, что это явление обусловлено атмосферным давлением. Он показал, что при химических реакциях (таких, как гашение извести), а также при взаимном трении тел тепло выделяется и в вакууме.

Люди и животные, подвергшиеся воздействию вакуума, теряют сознание через несколько секунд и умирают от гипоксии в течение нескольких минут, но эти симптомы, как правило, не похожи на те, которые показывают в популярной культуре и СМИ. Снижение давления понижает температуру кипения, при которой кровь и другие биологические жидкости должны закипеть, но упругое давление кровеносных сосудов не позволяет крови достичь температуры кипения 37 °С[15]. Хотя кровь не вскипает, эффект образования газовых пузырьков в ней и других жидкостях тела при низких давлениях, известный как эбуллизм (воздушная эмфизема), является серьёзной проблемой. Газ может раздувать тело в два раза больше его нормального размера, но ткани достаточно эластичны, чтобы предотвратить их разрыв[16]. Отёки и эбуллизм можно предотвратить специальным лётным костюмом. Астронавты шаттлов носили специальную эластичную одежду под названием Crew Altitude Protection Suit (CAPS), которая предотвращает эбуллизм при давлении более 2 кПа (15 мм рт.ст.)[17]. Быстрое испарение воды охлаждает кожу и слизистые оболочки до 0 °С, особенно во рту, но это не представляет большой опасности.

Эксперименты на животных показывают, что после 90 секунд нахождения организма в вакууме обычно происходит быстрое и полное восстановление организма, однако более долгое пребывание в вакууме фатально и реанимация бесполезна[18]. Имеется лишь ограниченный объем данных о влиянии вакуума на человека (как правило, это происходило при попадании людей в аварию), но они согласуются с данными, полученными в экспериментах на животных. Конечности могут находиться в вакууме гораздо дольше, если дыхание не нарушено[19]. Первым показал, что вакуум смертелен для мелких животных, Роберт Бойль в 1660 году.

Степень вакуума определяется количеством вещества, оставшимся в системе. Вакуум, в первую очередь, определяется абсолютным давлением, а полная характеристика требует дополнительных параметров, таких как температура и химический состав. Одним из наиболее важных параметров является средняя длина свободного пробега (MFP) остаточных газов, которая указывает среднее расстояние, которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего. Если плотность газа уменьшается, MFP увеличивается. MFP в воздухе при атмосферном давлении очень короткий, около 70 нм, а при 100 мПа (~1×10−3 торр) MFP воздуха составляет примерно 100 мм. Свойства разреженного газа сильно изменяются, когда длина свободного пробега становится сравнима с размерами сосуда, в котором находится газ.

Вакуум подразделяется на диапазоны в соответствии с технологией, необходимой для его достижения или измерения. Эти диапазоны не имеют общепризнанных определений, но типичное распределение выглядит следующим образом[20][21]:

Давление (мм рт.ст.) Давление (Па)
Атмосферное давление 760 1,013×10+5
Низкий вакуум от 760 до 25 от 1×10+5 до 3,3×10+3
Средний вакуум от 25 до 1×10−3 от 3,3×10+3 до 1,3×10−1
Высокий вакуум от 1×10−3 до 1×10−9 от 1,3×10−1 до 1,3×10−7
Сверхвысокий вакуум от 1×10−9 до 1×10−12 от 1,3×10−7 до 1,3×10−10
Экстремальный вакуум <1×10−12 <1,3×10−10
Космическое пространство от 1×10−6 до <3×10−17 от 1,3×10−4 до <1,3×10−15
Абсолютный вакуум 0 0
G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu},

Вакуум полезен для многих процессов и применяется в разных устройствах. Впервые для массово используемых товаров он был применён в лампах накаливания с целью защиты нити от химического разложения. Химическая инертность материалов, обеспечиваемая вакуумом, также полезна для электронно-лучевой сварки, холодной сварки, вакуумной упаковки и вакуумной жарки. Сверхвысокий вакуум используется при изучении атомарно чистых субстратов, так как только очень высокий вакуум сохраняет поверхности чистыми на атомарном уровне в течение достаточно длительного времени (от минут до суток). При высоком и сверхвысоком вакуумировании устраняется противодействие воздуха, позволяя пучкам частиц осаждать или удалять материалы без загрязнения. Этот принцип лежит в основе химического осаждения из газовой фазы, вакуумного напыления и сухого травления, которые применяются в производстве полупроводников и оптических покрытий, а также в химии поверхности. Снижение конвекции обеспечивает теплоизоляцию в термосах. Глубокий вакуум понижает температуру кипения жидкости и способствует низкой температуре дегазации, которое используется в сублимационной сушке, приготовлении клея, перегонке, металлургии и вакуумной очистке. Электрические свойства вакуума делают возможными электронные микроскопы и вакуумные трубки, включая катодные лучевые трубки. Вакуумные выключатели используются в электрических распределительных устройствах. Вакуумный пробой имеет промышленное значение для производства определенных марок стали или материалов высокой чистоты. Исключение трения воздуха полезно для накопления энергии маховика и ультрацентрифуг.

Управляемые вакуумом машины[править | править код]

Вакуум обычно используется, чтобы произвести всасывание, которое имеет ещё более широкий спектр применения. Паровой двигатель Ньюкомена использовал вакуум вместо давления, чтобы управлять поршнем. В XIX веке вакуум был использован для тяги на экспериментальной пневматической железной дороге Изамбарда Брунеля. Вакуумные тормоза когда-то широко использовались на поездах в Великобритании, но, за исключением исторических железных дорог, они были заменены пневматическими тормозами.

G_{\mu\nu} + \Lambda g_{\mu\nu} = {8 \pi G \over c^4} T_{\mu\nu}, Этот насос мелководной скважины уменьшает давление атмосферы внутри собственной камеры. Разрежение атмосферы расширяется вниз в скважину и заставляет воду течь вверх по трубе в насос, чтобы выровнять пониженное давление. Насосы с наземной камерой эффективны только до глубины около 9 метров, за счет веса столба воды уравнивающего атмосферное давление.

Вакуум впускного коллектора можно использовать для того, чтобы управлять вспомогательным оборудованием на автомобилях. Наиболее известное применение — это вакуумный усилитель для увеличения мощности тормозов. Ранее вакуум применялся в вакуум-приводах стеклоочистителя и топливных насосах Autovac. Некоторые авиационные приборы (авиагоризонт и указатель курса) обычно управляются вакуумом, как страховка от выхода из строя всех (электрических) приборов, поскольку ранние самолеты часто не имели электрических систем, и поскольку есть два легкодоступных источников вакуума на движущемся самолете, двигатель и трубка Вентури. При вакуумноиндукционной плавке применяют электромагнитную индукцию в вакууме.

Поддержание вакуума в конденсаторе важно для эффективной работы паровых турбин. Для этого используется паровой инжектор или водокольцевой насос. Обычный вакуум, поддерживаемый в паровом объёме конденсатора на выхлопном патрубке турбины (еще его называют давление конденсатора турбины), находится в диапазоне от 5 до 15 кПа, в зависимости от типа конденсатора и условий окружающей среды.

Дегазация[править | править код]

Испарение и сублимация в вакууме называется дегазацией. Все материалы, твердые или жидкие, немного парят (происходит газовыделение), и их дегазация необходима когда давление вакуума падает ниже давления их пара. Парение материалов в вакууме имеет такое же эффект как натекание и может ограничить достижимый вакуум. Продукты испарения могут конденсироваться на близлежащих более холодных поверхностях, что может вызвать проблемы, если они покроют оптические приборы или вступят в реакцию с другими материалами. Это вызывает большие трудности при полётах в космосе, где затемненный телескоп или элемент солнечной батареи может сорвать высокозатратную операцию.

Самым распространенным выделяющимся продуктом в вакуумных системах является вода, поглощенная материалами камер. Её количество может быть уменьшено сушкой или прогревом камеры и удалением абсорбирующих материалов. Испаряющаяся вода может конденсироваться в масле пластинчато-роторных насосов и резко уменьшить их рабочую скорость, если не используется газобалластное устройство. Высоковакуумные системы должны быть чистыми, в них не должно оставаться органических веществ, чтобы свести к минимуму газовыделение.

Сверхвысокие вакуумные системы, как правило, отжигаются, желательно под вакуумом, чтобы временно повысить испарение всех материалов и выпарить их. После того, как большая часть испаряющихся материалов выпарена и удалена, система может быть охлаждена, для уменьшения парения материалов и минимизации остаточного газовыделения во время рабочей эксплуатации. Некоторые системы охлаждают существенно ниже комнатной температуры с помощью жидкого азота для полного прекращения остаточного газовыделения и одновременно создания эффекта криогенной откачки системы.

Откачка и атмосферное давление[править | править код]

Газы вообще нельзя вытолкнуть, поэтому вакуум не может быть создан всасыванием. Всасывание может распространить и разбавить вакуум, позволяя высокому давлению вводить в него газы, но, прежде чем всасывание может произойти, необходимо вакуум создать. Самый простой способ создать искусственный вакуум — расширить объем камеры. Например, мышца диафрагмы расширяет грудную полость, что приводит к увеличению объема легких. Это расширение уменьшает давление и создает низкий вакуум, который вскоре заполняется воздухом, нагнетаемым атмосферным давлением.

Чтобы продолжать опустошение камеры бесконечно, не используя постоянно её увеличение, вакуумирующий её отсек может быть закрыт, продут, расширен снова, и так много раз. Это принцип работы насосов с принудительным вытеснением (газопереносных), например, ручной водяной насос. Внутри насоса механизм расширяет небольшую герметичную полость для создания вакуума. Из-за перепада давления часть жидкости из камеры (или колодца, в нашем примере) вталкивается в маленькую полость насоса. Затем полость насоса герметично закрывается от камеры, открывается в атмосферу и сжимается до минимального размера, выталкивая жидкость.

Приведенное выше объяснение представляет собой простое введение в вакуумирование и не является типичным для всего диапазона используемых насосов. Разработаны много вариаций насосов с принудительным вытеснением, и множество конструкций насосов основаны на радикально других принципах. Насосы передачи импульса, которые имеют некоторое сходство с динамическими насосами, используемыми при более высоких давлениях, могут обеспечить намного более высокое качество вакуума, чем насосы с принудительным вытеснением. Газосвязывающие насосы способные захватывать газы в твердом или поглощенном состоянии, работают часто без движущихся частей, без уплотнений и без вибрации. Ни один из этих насосов не является универсальным; каждый тип имеет серьезные ограничения применения. У всех есть трудности с откачкой газов с малой массой молекул, особенно водорода, гелия и неона.

Самое низкое давление, которое может быть достигнуто в системе, кроме устройства насосов, также зависит от многих факторов. Несколько насосов могут быть соединены последовательно, в так называемые ступени, для достижения более высокого вакуума. Выбор уплотнений, геометрии камеры, материалов и процедур откачки — всё будет иметь эффект. В совокупности всё это называют вакуумной техникой. И иногда, итоговое давление — не единственная существенная характеристика. Насосные системы отличаются масляным загрязнением, вибрацией, избирательной откачкой определенных газов, скоростями откачки, прерывистостью эксплуатации, надежностью или устойчивостью к высоким скоростям натекания.

В системах со сверхвысоким вакуумом необходимо учитывать некоторые очень «странные» пути натекания и источники парения. Неприемлемым источником испарений становится способность к водопоглощению алюминия и палладия, приходится учитывать даже адсорбционную способность твердых металлов, таких как нержавеющая сталь или титан. Некоторые масла и смазки будут кипеть при высоком вакууме. Возможно, придется учитывать проницаемость металлических стенок камер, и направление зёрен металлических фланцев должно быть параллельным торцу фланца.

Самые низкие давления, которые в настоящее время достижимы в лабораторных условиях, составляют около 10-13 торр (13 пПа). Однако, давления ниже, чем 5×10-17 торр (6.7 фПа) были косвенно измеряемы криогенной вакуумной системе. Это соответствует ≈100 частиц / см3.

Применения:

  1. Chambers, Austin. Modern Vacuum Physics (неопр.). — Boca Raton: CRC Press, 2004. — ISBN 0-8493-2438-6.
  2. Tadokoro, M. A Study of the Local Group by Use of the Virial Theorem (англ.) // Publications of the Astronomical Society of Japan (англ.)русск. : journal. — 1968. — Vol. 20. — P. 230. — Bibcode: 1968PASJ…20..230T.
  3. Родин А. М., Дружинин А. В. Вакуум // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1: Ааронова — Бома эффект — Длинные линии. — С. 235—236. — 707 с. — 100 000 экз.
  4. Werner S. Weiglhofer. § 4.1 The classical vacuum as reference medium // Introduction to complex mediums for optics and electromagnetics (англ.) / Werner S. Weiglhofer and Akhlesh Lakhtakia, eds. — SPIE Press, 2003. — P. 28, 34. — ISBN 978-0-8194-4947-4.
  5. Tom G. MacKay. Electromagnetic Fields in Linear Bianisotropic Mediums // Progress in Optics, Volume 51 (неопр.) / Emil Wolf. — Elsevier, 2008. — С. 143. — ISBN 978-0-444-52038-8.
  6. ↑ Физическая энциклопедия, т.5. Стробоскопические приборы — Яркость/ Гл. ред. А. М. Прохоров. Ред.кол.: А. М. Балдин,А. М. Бонч-Бруевич и др. — М.:Большая Российская Энциклопедия,1994, 1998.-760 с.:ил. ISBN 5-85270-101-7 , стр.644
  7. ↑ Температура излучения (неопр.). elementy.ru. Дата обращения 27 сентября 2019.
  8. Галилей Г. Избранные труды в двух томах. / Составитель У. И. Франкфурт. — Том 2. — М.: Наука, 1964.
  9. ↑ Schotti H.G. Technica Curiosa. 1664.
  10. ↑ Horror Vacui? — Raffaello Magiotti (1597—1656) — IMSS.
  11. ↑ Cornelis De Waard. L’experience barometrique. Ses antecedents et ses explications. Thouars, 1936. P. 181.
  12. How to Make an Experimental Geissler Tube, Popular Science monthly, February 1919, Unnumbered page, Scanned by Google Books: https://books.google.com/books?id=7igDAAAAMBAJ&pg=PT3
  13. В. П. Борисов (Институт истории естествознания и техники им. С. И. Вавилова РАН.). Изобретение, давшее дорогу открытиям: В 2002 г. исполнилось 400 лет со дня рождения изобретателя вакуумного насоса Отто фон Герике // Вестник Российской академии наук. — 2003. — Т. 73, № 8. — С. 744—748.
  14. ↑ В. П. Борисов, Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «Боязни Пустоты» // Вопросы истории естествознания и техники, № 4, 2002
  15. Landis, Geoffrey Human Exposure to Vacuum (неопр.) (недоступная ссылка). www.geoffreylandis.com (7 августа 2007). Дата обращения 25 марта 2006. Архивировано 21 июля 2009 года.
  16. Billings, Charles E. Chapter 1) Barometric Pressure // Bioastronautics Data Book (неопр.) / Parker, James F.; West, Vita R.. — Second. — NASA, 1973. — С. 5.
  17. Webb P. The Space Activity Suit: An Elastic Leotard for Extravehicular Activity (англ.) // Aerospace Medicine : journal. — 1968. — Vol. 39, no. 4. — P. 376—383. — PMID 4872696.
  18. Cooke J. P., RW Bancroft. Some Cardiovascular Responses in Anesthetized Dogs During Repeated Decompressions to a Near-Vacuum (англ.) // Aerospace Medicine : journal. — 1966. — Vol. 37, no. 11. — P. 1148—1152. — PMID 5972265.
  19. Harding, Richard M. Survival in Space: Medical Problems of Manned Spaceflight (англ.). — London: Routledge, 1989. — ISBN 0-415-00253-2..
  20. American Vacuum Society. Glossary (неопр.). AVS Reference Guide. Дата обращения 15 марта 2006. Архивировано 15 июня 2013 года.
  21. National Physical Laboratory, UK. What do ‘high vacuum’ and ‘low vacuum’ mean? (FAQ – Pressure) (неопр.). Дата обращения 22 апреля 2012. Архивировано 15 июня 2013 года.
  • Борисов В.П. Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса. — М.: НПК «Интелвак», 2001.
  • Научные основы вакуумной техники. — М., 1964.
  • Грошковский Я. Техника высокого вакуума. — М., 1975.
  • Основы вакуумной техники. 2-е изд. — М., 1981.
  • Розанов Л. И. Вакуумная техника. 2-е изд. — М., 1990.

Вакуумный насос — Википедия. Что такое Вакуумный насос

Вакуумный насос — устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума).

История развития вакуумной техники

Началом научного этапа в развитии вакуумной техники можно считать 1643 г., когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. Около 1650 года Отто фон Герике (Otto von Guericke) изобретает механический поршневой насос с водяным уплотнителем. Изучалось поведение различных систем и живых организмов в вакууме.[1]

Наконец, во второй половине XIX в. человечество шагнуло в технологический этап создания вакуумных приборов и техники. Это было связано с изобретением ртутно-поршневого насоса в 1862 году и потребностью в вакуумировании со стороны нарождающейся электроламповой промышленности.[2] Начинают изобретаться такие вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Дж. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913)[3]; манометры: компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).

В СССР становление вакуумной техники началось с организации вакуумной лаборатории на ленинградском заводе «Светлана».[4] Началось бурное развитие электроники и новых методов физики.

Принципы работы

Объёмные насосы осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. В основном они используются для получения предварительного разрежения (форвакуума). К ним относятся поршневые, жидкостно-кольцевые, ротационные (вращательные). Наибольшее распространение в вакуумной технике получили вращательные насосы.

Схема ротационного насоса: 1, 3 — лопасти, 2 — кожух.

К высоковакуумным механическим насосам относятся: пароструйные насосы (парортутные и паромасляные), турбомолекулярные насосы. Молекулярные насосы осуществляют откачку за счёт передачи молекулам газа количества движения от твёрдой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. К ним относятся водоструйные, эжекторные, диффузионные молекулярные насосы с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа и турбомолекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением твёрдых поверхностей и откачиваемого газа.

Классификация

Вакуумные насосы классифицируют как по типу вакуума, так и по устройству. Область давлений, с которой имеет дело вакуумная техника, охватывает диапазон от 105 до 10−12 Па. Степень вакуума характеризуется коэффициентом Кнудсена Kn{\displaystyle Kn}, величина которого определяется отношением средней длины свободного пробега молекул газа к линейному эффективному размеру вакуумного элемента Lэф. Эффективными размерами могут быть расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора.

Вакуумные насосы по назначению подразделяются на сверхвысоковакуумные, высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия — на механические и физико-химические. Условно весь диапазон давлений для реальных размеров вакуумных приборов может быть разделён на поддиапазоны следующим образом:[5]

  • Низкий вакуум
    λ << Lэф
    Kn ≤ 5·10−3
    Давление 105…102 Па (103…100 мм рт.ст.)
  • Средний вакуум
    λ ≥ Lэф
    5·10−3 < Kn <1/3
    Давление 102…10−1 Па (100…10−3 мм рт.ст.)
  • Высокий вакуум
    λ > Lэф
    Kn ≥ 1/3
    Давление 10−1…10−5 Па (10−3…10−7 мм рт.ст.)
  • Сверхвысокий вакуум
    λ >> Lэф
    Kn >> 1/3
    Давление 10−5 Па и ниже (10−7…10−11 мм рт.ст.)

Классификация насосов по конструктивному признаку

Klasifikacia vakuumnyh nasosov.jpg
  • Механические
  • Магниторазрядные
  • Струйные
    • Паромасляные диффузионные
    • Паромасляные бустерные
  • Сорбционные
  • Криогенные

Вакуумные насосы также делят по физическим принципам их работы на газопереносные насосы и газосвязывающие насосы. Газопереносные насосы транспортируют частицы либо через некий рабочий объем (Поршневые насосы), либо путём передачи механического импульса частице (за счет столкновения). Некоторые насосы нуждаются в молекулярном течении переносимого вещества, другие — в ламинарном. Механические насосы подразделяются на объёмные и молекулярные.

Применения

Для получения той или иной степени вакуума требуются соответствующие насосы или их комбинация. Выбор насоса определяется родом и количеством пропускаемых насосом газов и диапазоном рабочих давлений насоса и его параметрами. Не существует такого насоса, с помощью которого можно было бы обеспечить получение вакуума во всем диапазоне давлений с приемлемой эффективностью.

Примечания

  1. ↑ В.П. Борисов (Институт истории естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН.), ИЗОБРЕТЕНИЕ, ДАВШЕЕ ДОРОГУ ОТКРЫТИЯМ: В 2002 г. исполнилось 400 лет со дня рождения изобретателя вакуумного насоса Отто фон Герике. // ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК том 73, № 8, с. 744-748 (2003)
  2. ↑ В.П. Борисов, Изобретение вакуумного насоса и крушение догмы «Боязни Пустоты» // Вопросы истории естествознания и техники, №4, 2002
  3. ↑ *Борисов В.П. Глава 4. Формирование основ современной вакуумной техники // Вакуум: от натурфилософии до диффузионного насоса. — М.: НПК «Интелвак», 2001.
  4. ↑ «Светлана»: История Ленинградского объединения электронного приборостроения «Светлана» — Л.:Лениздат, 1986 — 246 с., ил.
  5. ↑ nano.nnov.ru/UserFiles/seminar/92_pestov.ppt Понятие вакуума. Вакуумная техника. // ИФМ РАН

Литература

Ссылки

077 | Виды вакуумных насосов и их краткое описание.

Очень часто приходиться слышать вопросы: Какой вакуумный насос выбрать? Как правильно выбрать вакуумный насос? 

На данные вопросы ответить сложно, потому что существует огромное количество вакуумных насосов отличающихся по конструктивным признакам и предназначенным для разных целей и условий эксплуатации. Поэтому разобраться тут довольно сложно, но есть ряд основных требований которые помогают сделать правильный выбор, а это позволит сэкономить часть денег и получить то, что действительно нужно.

К ним можно отнести две необходимые технические характеристики:

    Номинальная производительность — это наибольшая скорость с которой насос может откачать газ из определенного резервуара в течении времени. Единицами измерения как правило являются м3/ч, л/мин. Чем выше производительность, тем мощнее насос, тяжелее и соответственно дороже. В интернете есть множество формул по которым можно определить необходимую производительность вакуумного насоса, но все они имеют множество коэффициентов и полученный результат не всегда соответствует действительности. Поэтому при использовании данных формул нужно быть аккуратным.

   Проводился небольшой эксперимент по вакуумированию емкости объемом 20л с использованием вакуумного насоса Value VE135N с производительностью 100 л/мин. и предельным остаточным давлением 2 Па. В ходе эксперимента было выявлено, что номинальное остаточное давление в емкости достигается за 75 сек. Полученные показатели сравнили в теоритически рассчитанными, погрешность составила более 100%. Поэтому по возможности рекомендуем все таки исходить из полученных результатов на практике, чем лезть в теорию…

   Предельное остаточное давление — это максимальный достигаемый вакуум в замкнутом объеме, т.е. достигая такого вакуума насос уже дальше продолжает работать лишь для поддержания давления. Единицами измерения являются Па, бары. Остаточное давление у всех вакуумных насосов разное. У многоступенчатых (0,2 Па) вакуумных насосов оно выше чем у одноступенчатых (2 Па), но и по стоимости они гораздо дороже. В таблице 1 указано остаточное давление для одноступенчатых вакуумных насосов в разных единицах измерения (к примеру остаточное давление одноступенчатых вакуумных насосов Value). Так же существуют и специальные вакуумные насосы которые могут достигать очень высокого предельного остаточного давления, но такие насосы предназначены для специальных научных лабораторий и учебных учреждений, для промышленного применения они не используются, их цена слишком высокая.

Единицы измерения

Атмосферное давление

Предельное остаточное давление создаваемое вакуумным насосом

Паскали [Па, Pa]

127989,12

2

Бары [бар, bar]

1,27989

0,00002

Мегапаскали [Мпа, MPa]

0,127989

0,000002

Килопаскали [кПа, kPa]

127,98912

0,002

Гектопаскали [гПа, gPa]

1279,8912

0,02

Миллибары [мБар, mbar]

1279,8912

0,02

Торры [Torr]
959,997347
0,015001234
Стандартная атмосфера [атм, atm]
1,263154
0,000019738
Миллиметры ртутного столба (0C) [мм рт. столба]
960
0,015001275
Дюймы ртутного столба (32F) [inHg]
37,795262197
0,000590601
Микроны [uk]
959918,4
15

Зная данные технические характеристики уже не сложно определиться с вакуумным насосом.

Теперь давайте рассмотрим основные типы вакуумных насосов представленные на рынке, изучим их технические возможности и опишем область применения.

Пластинчато роторные вакуумные насосы с масляным уплотнение предназначены для откачки воздуха, химически неактивных газов, паров и парогазовых смесей, не воздействующих на материалы конструкции и рабочую жидкость насосов. Бывают одноступенчатые и двухступенчатые. Один из самых популярных типов вакуумных насосов благодаря низкой цене и высокой производительности.

Производительность от 2,5 м3/ч (41 л/мин.) до 300 м3/ч (5000 л/мин.).

Остаточное давление: от 1,5 мбар для одноступенчатых до 0,002 мбар для двухступенчатых.

Область применения:

— оборудование для ремонта кондиционеров;

— оборудование для вакуумной инфузии;

— прессы мембранно-вакуумные.

 

Сухие механические насосы — это те которые создают абсолютно чистый не содержащий углеводородов вакуум. К ним относятся мембранные, спиральные, винтовые вакуумные насосы. Рассмотрим все по порядку:

Мембранные вакуумные насосы удовлетворят почти всем требованиям для использования в химических лабораториях. В основном все они стойкие к действию растворителей и коррозии.

Бывают двухступечатые и трехступенчатые.

Производительность: от 0,5 до 16,8 м3/ч 

Остаточное давление: от 500 до 0,5 мбар 

Область применения:

— Ротационные испарители
— Сушильные камеры
— Фильтровентиляционные установки (ФВУ)
— Процессы дистилляции

Спиральные вакуумные насосы — работают по принципу компрессора спирального типа. Каждый насос состоит из 2 спиралей Архимеда расположенных со смещением 180°. Подвижная спираль совершает орбитальное вращение, таким образом образовавшиеся газовые полости уменьшаются, сжимая газ от периферии к центру. Насосы данной серии создают абсолютно чистый вакуум и работают с высокой эффективностью в течение всего процесса. 

Производительность: от 5,4 до 72 м3/ч

Остаточное давление:  0,0133 мбар

Область применения: 

— Электронно-лучевая сварка
— Лазеры
— Системы обнаружения утечек
— Ускорители частиц / синхротроны
— Инструменты анализа поверхности
— Сканирующие электронные микроскопы
— Cпектроскопия
— В качестве форвакуумных насосов для систем с турбомолекулярными насосами 

 

Винтовые вакуумные насосы — форвакуумные насосы сухого сжатия, принцип работы основан на вращении винтов. Полость сжатия вакуумного насоса образуется двумя синхроно вращающимися роторами и поверхностью корпуса. Из-за вращения роторов в противоположных направлениях полость сжатия постепенно перемещается со стороны всасывания к стороне выхлопа, осуществляя таким образом процесс откачки.

Производительность: от 0,6 до  1,3 м3/ч

Остаточное давление: от 8 до 2 мбар

Область применения: 

— Промышленные печи
— Технология нанесения покрытий
— Металлургические системы
— Технология упаковки
— Процессы сушки
— Дегазация
— Научные исследования и разработки
— Автомобильная промышленность
— Упаковочная промышленность
— Моделирование космических условий
— Электротехника
— Исследования в области энергетики

 

Вакуумные насосы РУТСА. В насосах Рутса два синхронно противоположно вращающихся ротора вращаются бесконтактно в одиночном корпусе. Роторы имеют конфигурацию в виде восьмерки и отделяются друг от друга узким зазором. Благодаря отсутствию трения в камере всасывания вакуумный насос Рутса способен функционировать при высоких скоростях вращения. Отсутствие массы, совершающей возвратно-поступательные движения, также обеспечивает надежную динамическую балансировку, при которой вакуумные насосы Рутса, несмотря на высокие скорости, работают крайне бесшумно. В качестве форвакуумных насосов могут использоваться пластинчато-роторные насосы, роторно-поршневые насосы или винтовые насосы. Данные типы комбинированных насосов могут применяться во всех областях, где требуются низкий и средний вакуум и высокие скорости откачивания.

Производительность: от 180 до 550 м3/ч

Остаточное давление: 0,0013 мбар

Область применения. Широко применяется для откачки газа совместно с форвакуумным насосом в металлургической промышленности

Водокольцевые вакуумные насосы. Высокая надежность, простота конструкции, низкий уровень шума и вибрации, способность откачивать любые газы и пары, в том числе загрязненные, пожаровзрывоопасные, содержащие капельные жидкости, обуславливает применение водокольцевых вакуумных насосов и агрегатов на их базе в очень широком спектре вакуумных технологий.

Производительность: от 3 до 45000 м3/ч 

Остаточное давление: от 100 до 33 мбар 

  

На рынке так же представлены и другие вакуумные насосы, высоковакуумные, к ним относятся бустерные паромасляные, турбомолекулярные, дифузионные паромасляные вакуумные насосы. Так как эти насосы являются более специализированными, то в данной статье рассматриваться не будут.

апрель 03, 2016

Методы создания высокого вакуума — Википедия

Первые исследования вакуума можно отнести ко временам Торричелли, когда после создания им манометра начались исследования так называемой Торричеллиевой пустоты, возникающей в ртутном манометре над поверхностью ртути. Долгое время шли споры о степени разрежения в этой области. Сейчас очевидно, что давление в этой области было около 10−3 мм рт.ст. (давление насыщенного пара ртути при комнатой температуре), что по современным классификациям относится к области низкого вакуума. Однако такой метод откачки хотя и даёт возможность создавать достаточно неплохой вакуум, достаточный для проведения некоторых экспериментов, однако откачивание таким методом значительных объёмов не представляется возможным. Кроме того для многих экспериментов необходим высокий (10−6) либо сверхвысокий (10−9) вакуум.

Для получения столь высокого вакуума используются специальные насосы (кроме того, для создания сверхвысокого вакуума необходимо использовать прогреваемые системы со специальными тефлоновыми или металлическими прокладками). Для получения высокого и сверхвысокого вакуума используется комбинированная откачка. Форвакуумная откачка осуществляется например механическим насосом, либо, если высоковакуумный насос является орбитроном, форвакуум создаётся криосорбционным насосом, который позволяет получить вакуум, достаточный для запуска высоковакуумных насосов.

Используется два типа высоковакуумных насосов: магниторазрядные и диффузионные (их использование связано с возможностью их использования без дефицитного на данный момент (вследствие недостаточного финансирования) жидкого азота).

Принцип работы магниторазрядных насосов основан на нескольких эффектах. Первый это гетерные свойства свеженапыленной плёнки титана (она захватывает молекулы остаточных газов), которые используется в насосах типа орбитрон, в которых создание свеженапыленной плёнки осуществляется термическим распылением титана, и воздействии на ионизированные молекулы газа электромагнитным полем, которое внедряет их в титан и при этом распыляет титан, создавая свеженапыленную плёнку титана.

Принцип работы диффузионного насоса подобен пылесосу, который используется для побелки. Создаётся поток молекул рабочего газа, увлекающий за собой молекулы остаточных газов.

Кроме того для создания сверхвысокого вакуума, как средство предварительной откачки используются криосорбционные насосы, создающие вакуум, достаточный для запуска орбитронов, принцип работы криосорбционных насосов основан на зависимости абсорбционных свойств материала от температуры. Для откачки гетер (которым часто является активированный уголь) охлаждается жидким азотом, при этом его гетерные свойства улучшаются и он активно абсорбирует газ, создавая вакуум. Так же сверхвысокий вакуум, можно получить в космосе, при помощи разгерметизации сверхпрочного баллона в космическом вакуумном пространстве с последующим герметичным закрыванием этого баллона, в момент нахождения его в этом космическом пространстве. В этом случае, при применении специальных фильтров, непозволяющих попасть в этот баллон микрочастицам находящегося в космосе космического вещества, возможно получить при этом таким способом, чистый, сверхвысокий вакуум, способы получения которого в земных условиях, в настоящее время пока еще не изобретены.

Преимущества и недостатки различных типов высоковакуумных насосов[править | править код]

Диффузионные насосы, были одними из первых типов насосов использовавшихся для создания вакуума, который был недостижим для механических насосов. Изначально рабочей жидкостью была ртуть (до создания синтетических, термически стабильных, обладающих низким давлением насыщенных паров масел), что вызывало значительные трудности, поскольку ртуть достаточно активно взаимодействует с металлами, особенно в области высоких температур, кроме того, ртуть токсична, создавало опасность для персонала как при работе насоса, так и при чрезвычайных ситуациях, например его разрушении. После создания синтетических масел от ртути отказались, однако при этом возникли проблемы с термическим разложением масла и загрязнения вакуумных систем маслом. Серийные модели диффузионных насосов позволяют получать вакуум 10−4 возможно 10−5 мм.рт.ст. В случае, если применяется вымораживающая ловушка, может быть достигнуто давление где-то на порядок лучше. К преимуществам диффузионных насосов относится высокая скорость откачки, возможность использования без охлаждения жидким азотом, достаточно высокое давление запуска, возможность экспонирования на атмосферу (если насос остановлен). Стоит отметить отсутствие у диффузионных насосов эффекта памяти и селективности откачки. Однако поскольку вакуумная система загрязняется маслом, использование диффузионных насосов как средств предварительной откачки происходит редко, кроме того в процессе остановки необходима откачка форвакуумным насосом, что требует наблюдения за системой при остановке. Ещё одним важным недостатком, связанным с загрязнением системы маслом является быстрый выход из строя ионизационных манометрических ламп.

Гетерионные насосы. Насосы типа НОРД — позволяют получить давление 10−7 мм.рт.ст. причём, вакуум не загрязняется маслом (если попадание паров масла из форвакуумного насоса сведено к минимуму, использованием различных, в том числе и вымораживающих, ловушек). Однако насосы данного типа плохо откачивают масло, которое может попасть в систему при её откачке форвакуумным насосом, имеют меньшую по сравнению с диффузионными быстроту откачки, в их конструкции присутствует много дефицитного титана, необходимо наличие очень мощных, дорогих магнитов, работа с которыми требует осторожности. Однако если попадание масла из форвакуумнго насоса сведено к минимуму, для откачки не очень больших объёмов гетерионные насосы позволяют получить высокий вакуум, не загрязнённый маслом, стоит отметить, что ионизационные манометрические лампы, используемые для контроля вакуума создаваемого насосами этого типа работают намного дольше, по сравнению с системами откачиваемыми диффузионными насосами.

Насосы типа ОРБИТРОН. Данные насосы можно назвать неполноценными НОРДами, они позволяют получать более высокий вакуум, по сравнению с НОРДами, в прогреваемых системах можно получать вакуум 10−9 мм.рт.ст. Название «неполноценные НОРДы» обусловлено тем, что в ОРБИТРОНах используется лишь один механизм связывания остаточных газов, основанный на гетерных свойствах свеженапыленной плёнки титана. Стоит отметить, что ОРБИТРОНы, как не странно, лучше откачивают масло (хотя поскольку обычно для создания форвакуума для ОРБИТРОнах используются криосорбционные насосы-загрязнение системы маслом меньше, чем при использовании механических форвакуумных насосов). ОРБИТРОНы имеют более высокую скорость откачки (по сравнению с НОРДами). К недостаткам можно отнести — низкое давление запуска, что обуславливает необходимость использования криосорбционных насосов, требующих жидкий азот, высокий расход титана.

Криоадсорбционные насосы (в отличие от вымораживающих панелей) используются как средство предварительной откачки, для запуска орбиронов. Один из их главных недостатков, особенно заметный после развала СССР — это необходимость использовать для их работы жидкий азот. Кроме того, после откачки, требуется их восстановление достаточно длительным вакуумным прогревом. Однако они обладают и рядом преимуществ- низкое (для форвакуумного насоса) остаточное давление, достаточное для запуска насосов типа ОРБИТРОН и, что также существенно, криоадсорбционные насосы являются средствами полностью безмасляной откачки.

Стоит отметить, что указанные значения давлений нужно рассматривать как ориентировочные (условно можно предполагать наличие коэффициента около 5), известно, что вакуум определяется с точностью до порядка.

Для контроля высокого вакуума по ряду причин не применимы методы измерения давления применяемые в области обычных и умеренно высоких давлений. Одной из причин является то, обычные методы контроля давления основаны на измерении силы, а в случае даже низкого вакуума придётся иметь дело с измерением малых сил, либо малой разности сил, и хотя для давлений до 10−3 мм.рт.ст. ещё возможно с применением специальных конструкций ртутных манометров, однако для более высокого вакуума они не применимы. Кроме того следует учитывать, что жидкостные манометры не могут измерить давление меньше давления насыщенных паров рабочей жидкости, кроме этого они могут быть источником загрязнений. Вследствие этого для контроля вакуума применяют другие методы, которые не позволяют получить такую-же точность, как обычные манометры, но обладают приемлемой точностью для вопросов контроля вакуума.

Для контроля форвакуума используются термопарные манометрические лампы. Принцип их работы основан на зависимости теплоотдачи от давления. Принципиальная конструкция их достаточно проста имеется проволока, нагреваемая от источника постоянного тока, ток должен поддерживаться по возможности постоянным, к которой приварена термопара. Проволока нагревается от источника постоянного тока (сила тока — подбирается индивидуально обычно она меньше 150 мА), температура нагреваемой проволоки контролируется с помощью термопары. Поскольку подвод тепла постоянен (проволока нагревается Джоулевым теплом, тепло выделяющиеся в нагревателе полностью определяется током через проволоку и её сопротивлением), температура проволоки определяется теплоотдачей, которая, как писалось выше зависит от давления. Лампы этого типа позволяют контролировать давление соответствующие давлению форвакуума и позволяет определить давление, при котором можно запускать высоковакуумные насосы. Преимущества данных ламп — возможность их экспонирования на атмосферу, даже во включённом состоянии. Загрязнение вакуума маслом также незначительно портит лампы этого типа, однако их использование невозможно для контроля высокого вакуума.

Для контроля высокого вакуума, в котором и производится напыление, используются ионизационные типы манометрических ламп. Принцип их работы основан на зависимости ионизационного тока от степени вакуума. Лампа представляет катод, из которого, за счёт его разогрева, эмитируются электроны, между катодом и анодом прикладывается ускоряющее напряжение, благодаря которому электроны ускоряются, ионизируют молекулы остаточных газов, по развиваемому току можно судить о вакууме. К недостаткам данных ламп можно отнести выход их из строя не только при экспонировании работающей лампы на атмосферу, но и включение её в форвакууме. Кроме того загрязнение системы маслом, приводит к её быстрому выходу из строя.

Стоит отметить, что показания обоих типов ламп зависят от большого числа трудно учитываемых и трудно воспроизводимых условий и выбранных значений токов нагрева, однако эти лампы обеспечивают достаточную точность для проведения многих экспериментов.

Стоит отметить, что для контроля вакуума в случае использования НОРДов либо других типов гетерионных насосов можно использовать их ионный ток, который связан с вакуумом, причём с допустимой точностью в области их работы (не учитывая область запуска) можно считать ток обратно пропорциональным давлению в насосе, присутствующая в уравнении I(p) константа, определяется например с использованием показания например ионизационных манометрических ламп. Недостатком такого метода контроля является то, что измеряется давление в насосе, которое может значительно отличаться от давления в откачиваемой системе. Однако используя такой способ контроля можно значительно уменьшить износ ионизационных ламп.

Особенности создания сверхвысокого вакуума[править | править код]

При откачке системы остаточное давление определяется 2 факторами:

  1. скоростью откачки и остаточным давлением обеспечиваемым насосами
  2. проникновением газа в систему через различного рода течи.

При работе в области высокого вакуума остаточное давление в основном определяется используемыми насосами.

Однако при работе в области сверхвысокого вакуума важным является явление десорбции газов конструктивными элементами системы, явлении, заключающемся в десорбции молекул газа, абсорбированных системой при её экспонировании на атмосферу.

Для получения сверхвысокого вакуума необходим предварительный прогрев (обезгаживание), для того, чтобы избавится от абсорбированных газов. При этом, поскольку нагрев осуществляется (нагревается откачанная система) до максимально возможных температур, возникает ряд вопросов.

  1. Деформация разнородных деталей системы вследствие различных температурных коэффициентов расширения (например металл-стекло, различные вводы и выводы манипуляторов)
  2. термическая нестабильность прокладок.

Если первый вопрос успешно решается подбором материалов с малыми, либо близкими коэффициентами температурного расширения, то нестабильность полимерных прокладок является фактором, ограничивающим температуру прогрева (при больших температурах начинается разложение прокладок и вместо обезгаживания получаем загрязнение). Одним из наиболее стабильных полимеров, используемый в сверхвысоковакуумных системах является тефлон (другие названия — фторопласт, тетрафторэтилен), однако наряду с тем, что он может прогреваться до температур не выше 300 градусов и имеет свойство течь при приложении давления. Для работы с вакуумом выше 10^-9 мм.рт.ст. более разумным является использование металлических прокладок, вместо удобных полимерных. Однако при использовании металлических прокладок возникают сложности при открытии и закрытии системы (при этом прокладки приходят в негодность), а их изготовление непростое, как и их замена, однако для создания «рекордного» вакуума (10−11 мм.рт.ст.) использование таких прокладок является единственно возможным.

  • под редакцией Л. Майссела, Р. Гленга,. Технология тонких плёнок. Справочник / пер. с англ. под редакцией М. И. Елисона, Г. Г. Смолко. — Москва «Советское радио», 1977. — Т. 1. — 664 с. — 20 000 экз.
  • В. И. Курашов, М. Г. Фомина. Вакуумная техника: средства откачки, их выбор и применение / под ред. проф. Г. Х. Мухамедзянова. — Учеб. пособие. — КГТУ, 1997. — 57 с. — ISBN 5-7882-0022-9.

Где используется вакуумный насос

Это устройство, которое имеет простую, но и одновременно трудновыполнимую задачу. Оборудование предназначается для откачивания парогазовой смеси, газов и воздуха. Сам по себе процесс является очень трудным. Это связано с тем, что для хорошего откачивания газов необходимо предварительно создать уровень высокого вакуума. При эксплуатации прибора важно знать, как отрегулировать вакуумный насос.

Принцип действия подобного оборудования является одним из довольно спорных моментов. Это связано с тем, что у насосов различных моделей разнообразные характеристики. Это говорить о том, что у них имеются существенные отличия в плане действия.

Приобрести изделие на сегодняшний день особого труда не составляет. А всё по той причине, что выбор оборудования довольно разнообразен. Среди современных моделей можно отыскать вариации необычного типа. Основной задачей является подобрать вариант, который максимально будет подходить всем требованием пользователя.

Стоимость изделия напрямую зависит от таких показателей, как производительность и конструктивные особенности. Стоит заметить, что цена на разные серии существенно отличается.

Насос для откачки

Узконаправленным вариантом насоса для откачки воздуха является специализированный насос. Они применяются для того, чтобы откачивать жидкость. Эти устройства нашли широкое применение в пищевой, текстильной и фармацевтической деятельности.

Это может быть просушка кожи после процесса её дубления или же откачка воздуха из тары для разлива препаратов. Вакуумная техника может быть использована в металлургической отрасли, а также в химической и электротехнической, нефтегазовой.

В бытовой жизни также можно встретиться с аппаратурой вакуумного типа. Самыми распространёнными являются такие случаи:

  • При удалении кислорода из упаковки герметичной можно сэкономить объём, выкачав предварительно воздух. Для повседневной жизни это очень важно, так как приходится хранить множество различных предметов.
  • Благодаря вакуумизации можно существенно повысить период сохранности продуктов, которые очень быстро портятся. Это обусловлено тем, что кислород будет откачан.
  • Также насосы вакуумного типа применяются в кондиционированных системах.

Стоит отметить, что откачка воздуха производится даже в транспортных средствах для тормозного механизма. Благодаря этому можно существенно повысить срок эксплуатации системы.

Твитнуть

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о