Вакуум. Производство вакуума

В насосе двойного действия колесо 1 располагается в овальном корпусе 4 концентрично. При вращении колеса в насосе образуется две серпообразные полости, и соответственно необходимо выполнять два всасывающих А и нагнетательных В окна. Теоретически в насосе двойного действия быстрота действия должна быть в 2 раза выше, чем в насосе простого действия при одинаковых размерах рабочих колес и условиях эксплуатации. Однако вследствие потерь и особенно большого переноса газа в зазоре С с нагнетания на всасывание быстрота действия этих насосов на 40 ... 60 % выше быстроты действия насоса простого действия.

По тину подвода и  отвода откачиваемого газа эти насосы делятся на насосы с осевым (рис. 5.2, б, в) и радиальным (рис. 5.2, г) подводом и отводом газа.

При осевом подводе газа в торцовых крышках выполняют  всасывающие окна В, через которые  откачиваемый газ подастся в рабочие  ячейки, и нагнетательные С, через  которые газ отводится в нагнетательный патрубок. При радиальном подводе откачиваемого газа в торцовых крышках 2 (рис. 5.2, г) устанавливают неподвижные конусы 1, в которых выполняют всасывающие Л1 и нагнетательные окна. R ступице колеса 3 между лопатками выполняют отверстия Н. Когда отверстия Н располагаются над всасывающим окном Л1, газ через всасывающий патрубок, всасывающую полость G в торцовых крышках, полость Р в конусах 15, окна М и отверстии Н поступает в рабочие ячейки. В то время, когда отверстия II располагаются над нагнетательным окном, газ вытесняется из рабочих ячеек в нагнетательные полости F конусов 15, а оттуда – в нагнетательный патрубок.

Конструкция насоса с  радиальным подводом газа сложнее, чем  конструкция насоса с осевым подводом газа, но площадь проходных сечений всасывающих и нагнетательных окон и в них больше, чем в насосах с осевым подводом газа, что приводит к уменьшению потерь давления на всасывании н нагнетании.

По используемой в  кольце жидкости насосы разделяют на водокольцевые и жидкостно-кольцевые. В водокольцевых насосах в качестве рабочей жидкости используется вода, в жидкостно-кольцевых – кислоты, щелочи, органические жидкости и др.

Благодаря наличию большой поверхности теплообмена между газом и

 

 

 

 

 

Рис.  5.2. Насос  (а)  с  осевым  (б, в)  и радиальным  (г)  подводом  и отводом откачиваемого газа

 

 

жидкостным кольцом, процесс сжатия газа в насосе близок к изотермическому. Обычно показатель n политропы сжатия в водокольцевых вакуумных насосах не превышает значений 1,1 ... 1,15. Температура жидкости в кольце поддерживается в заданных пределах, благодаря подводу в него охлажденной и отводу нагретой жидкости. В кольцо жидкость обычно подводится через торцовые зазоры D (рис. 5.2, б) или через всасывающее окно; из кольца жидкость отводится через нагнетательное окно, нагнетательные полости в торцовых крышках S (рис. 5.3) и нагнетательный патрубок 4. Для того чтобы отделить откачиваемый газ от жидкости, за нагнетательным патрубком 4 устанавливают сборник жидкости 5. Насос соединяют непосредственно с электродвигателем 1 через упругую муфту 2.

 

 

Рис. 5.3. Принципиальная  схема  установки  насоса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6  ПЛУНЖЕРНЫЕ   НАКУУМНМЕ  НАСОСЫ

 

Плунжерные вакуумные  насосы (принятое дли заводской маркировки обозначение НВЗ – насос вакуумный золотниковый) применяют для  откачивания воздуха, неагрессивных газов, паров и парогазовых смесей, предварительно очищенных от механических загрязнений. Предельное остаточное давление, создаваемое насосами. 1,0 ... 0,1 Па; быстрота действия в диапазоне от атмосферного давления до 150 Па в пределах 20 ... 500 дм³/с.

Плунжерные насосы, выпускаемые  в одно- или двухступенчатом исполнении, используют, как правило, в качестве форвакуумных для высоковакуумных насосов различного типа или насосов предварительного разрежения, предназначенных дли понижения давления в откачиваемом обмыт от атмосферного до значения, при котором начинает работу другой вакуумный насос или система насосов.

В корпусе (рис. 6.1) одноступенчатого плунжерною насоса находится плунжер 2, который приводится в движение с помощью эксцентрика 3, расположенною на валу 4. При вращении эксцентрика вокруг центра корпуса плунжер обкатывает внутреннюю поверхность цилиндра, вследствие чего положение серповидной полости, образуемой поверхностью плунжера и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, непрерывно изменяется в зависимости от угла поворота эксцентрика. Прямоугольный в сечении участок плунжера перемещается и цилиндрических направляющих 5. вращающихся вокруг оси.

При вращении эксцентрика  в определенные моменты зона всасывания насоса через всасывающее окно в прямоугольном участке плунжера соединяется с рабочей полостью, которая заполняется откачиваемым газом. Всасывание заканчивается при разъединении полостей цилиндра и всасывания; при этом ротор совершает практически полный оборот. В течение следующего оборота замкнутый объем, занимаемый откачиваемым газом или паро-газовой смесью, уменьшается, происходит сжатие до давлении, при котором открывается нагнетательный клапан 6 и осуществляется нагнетание газа через маслоотделитель в атмосферу. Таким образом, полный цикл работы плунжерного вакуумного насоса совершается за два оборота вала.

В корпус насоса заливают вакуумное масло, которое, наряду с  уменьшением трения между движущимися  деталями, заполняет  радиальные и торцовые зазоры, мертвый объем, способствуя повышению герметичности рабочих полостей, а также охлаждению сжимаемого газа. Наличие масла в рабочей полости определяет предельное остаточное давление, достигаемое насосом, вследствие выделении из его состава легких фракций.

Положительные качества плунжерных вакуумных насосов состоят  в высокой надежности, простоте обслуживания и практически мало меняющейся быстроте действия в широком диапазоне  давлений   всасывания.

К недостаткам плунжерных насосов следует отнести значительную    неуравновешенность движущихся масс, тихоходность, низкие массогабаритные характеристики, невозможность непосредственного соединении с двигателем.

 

 

Рис. 6.1.   Конструктивная  схема  плунжерного  насоса: 1 – корпус;  2 – плунжер;  3 – эксцентрик;  4 – вал;  5 – направляющие  плунжера;  6 – нагнетательный  клапан

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7 МОЛЕКУЛЯРНЫЕ  ВАКУУМНЫЕ  НАСОСЫ

 

Молекулярные вакуумные  насосы представляют собой разновидность кинетических вакуумных насосов, принцип действия которых основан на передаче дополнительного импульса движения молекулам газа от вращающегося ротора в направлении откачки.

Молекулярные вакуумные  насосы работают в области молекулярного режима течения газа, обеспечивая значительные отношения давлений (до 10⁶... 10⁷) при относительно небольшой быстроте действия 10^-4... 10^-1 м³/с.

В связи с повышением требований к «чистоте» высокого вакуума для обеспечения технологических процессов особенно актуальной представляется проблема создания высоковакуумных насосов, не загрязняющих откачиваемый объем парами рабочих тел, особенно углеводородов. Одним из направлений по разработке такого насоса является создание комбинированного турбомолекулярного вакуумного насоса, обеспечивающего откачивание газа непосредственно из объема в атмосферу. В таких насосах в качестве промежуточных ступеней откачивания могут быть использованы молекулярные ступени, работающие при молекулярном и вязкостном режимах течения газа.

Конструктивно молекулярные вакуумные насосы разделены на три группы: цилиндрического типа с кольцевыми каналами на роторе (насос Геде), цилиндрического тина со спиральным каналом вдоль поверхности ротора (насос Хольвека), дискового типа со спиральным каналом от внешнего диаметра к центру диска (насос Зигбана).

Каналы образуются между  поверхностями неподвижного корпуса и паза, выточенного в роторе, или ротора и паза, выточенного в корпусе. В первом случае с газом взаимодействует относительно большая движущаяся поверхность, чем во втором.

Рисунок  7.1 – Схема  молекулярного  вакуумного  насоса  Геде

 

В корпусе 4 (рис. 7.1) молекулярного вакуумного насоса Геде вращается цилиндрический ротор с рядом кольцевых каналов, симметрично расположенных относительно середины насоса. Молекулы газа, поступая через всасывающий патрубок 3 во внутреннюю полость насоса, получают дополнительный импульс при столкновении с движущейся поверхностью ротора и перемещаются по каналам 5 до выхода 7 из них. Для увеличения отношения давлений, создаваемого насосом, каналы соединены последовательно, выход каждого канала соединен с входом последующего. Вход и выход 2 отделены одни от другого отсекателем 1, установленным с малым зазором к поверхности ротора. Молекулы газа, перемещаясь из канала в канал вправо и влево от центра насоса, попадают в полости 7, из которых удаляются форвакуумным насосом. Глубина каналов уменьшается от центра к периферии. Ротор вращается в опорах 6, обеспечивающих герметичность фор вакуум них  полостей.

В молекулярном насосе цилиндрического типа со спиральным каналом вдоль поверхности ротора (рис. 7.2) (насос Хольвека), в отличие от насоса Геле, каналы образованы поверхностью ротора 1 и винтовой канавкой 3, выполненной в корпусе 2. В такой конструкции объем перетекающего газа уменьшен путем устранении отсекателей. Газ, поступая через всасывающий патрубок 5 в полость 4 в центре насоса, попадает в винтовые канавки 3 и,  разделяясь на два потока, перемещается вправо и влево до выхода в нагнетательные полости 6, на которых откачивается форвакуумным насосом. Ротор насоса приводится во вращение электродвигателем, роторная обмотка 8 которого расположена на валу консольно и отделена от статора 7 электродвигателя тонкостенным герметичным стаканом 9. При таком выполнении передачи вращения на ротор внутренняя полость Насоса полностью изолирована от внешней среды. Глубина паза изменяется от центра к периферии, В молекулярном насосе Зигбана (рис. 7.3) дискового типа спиральные каналы выполнены в торцовых крышках. Внутри корпуса 3 вращаете и диск. Газ из всасывающего патрубка 1 поступает в спиральные каналы 4. 5 и 6. Таких каналов может быть несколько, например, на рисунке показаны три спирали. Газ по спиральным каналам от периферии диска перемещается к центру и через отверстия 7 откачивается форвакуумным насосом.

Основной недостаток приведенных конструкций молекулярных вакуумных насосов заключается в высокой точности изготовления и сборки. При увеличении зазоров между вращающимся ротором и корпусом более (2...5) 10^-5 м возрастает количество перетекающего газа из канала в канал или со стороны всасывания на сторону нагнетания, что значительно ухудшает его откачные характеристики. Поэтому сами по себе молекулярные вакуумные насосы не получили распространения в промышленности. Однако молекулярные ступени могут быть использованы в качестве промежуточных ступеней в комбинированных турбомолекулярных насосах.

Одним из возможных конструктивных решений может быть схема вакуумного насоса, приведенная на рис. 7.4. Проточная часть этого насоса представляет собой совокупность турбомолекулярных 1, молекулярных 2 и вихревых 3 ступеней, работающих последовательно и размещенных на одном

 

 

 

 

 

Рисунок  7.2 – Схема  молекулярного  вакуумного  насоса  Хольвека

 

 

    

 

 

Рисунок 7.3 – Схема  молекулярного  вакуумного  насоса  Зигбана

Рисунок 7.3 – Схема  комбинированного  турбомолекулярного  вакуумного  насоса

 

 

валу 4. Работающие в качестве второго пакета молекулярные ступени в диапазоне 0,1 ... 10³ Па создают отношение давления 10³ ... 10⁴ и при сравнительно небольшой быстроте действия обеспечивают откачивание того количества газа, которое поступает из первого пакета рабочих колес турбомолекулярного насоса. При работе молекулярных ступеней в диапазоне давлений больших чем 10² ... 10³ Па откачные характеристики ухудшаются и предпочтительно использовать другие ступени, например вихревые. Такое построение пакета рабочих колес обеспечивает сжатие газа до атмосферного давления и абсолютно безмасляное откачивание.

8. ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ   ВАКУУМНЫЕ   НАСОСЫ

 

Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН), относящиеся к кинетическим вакуумным насосам (вакуумным турбонасосам), широко используют  для откачивания газов в области давлений всасывания вплоть до 10^-8…10^-10 Па из различных объектов, используемых   в электротехнической,   электронной,   атомной, авиационной, химической и других отраслях  промышленности.

Насосы обладают следующими достоинствами: не «загрязняют» откачиваемый объем парами углеводородов или  другими рабочими телами в сравнении  с другими высоковакуумными насосами, например диффузионными, с распылением титана; имеют быстроту действия, мало изменяющуюся при откачивании газов и паров с различной молекулярной массой; просты в обслуживании, надежны и в работе; стойки к прорыву атмосферного воздуха.

Турбомолекулярные насосы применяют в установках напыления металлов, масс-спектрометрии, ускорителях элементарных частиц, установках для имитации космических условий и др.

Конструктивная схема  двухпоточного насоса, предложенного  Бсккером, представлена на рис. 8.1, а. В корпусе 2 с установленными в нем неподвижными статорными дисками 4 вращается ротор 1, представляющий собой вал с расположенными на нем рабочими колесами 3, которые выполнены в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточных колес; их лопатки установлены под определенным углом к торцовой поверхности втулки. Когда рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статор них колесах такой же формы прорези выполняют зеркально по отношению к прорезям роторных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса выполняют с лопатками, обычно с тем же углом установки, но зеркально отраженными по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса. Для удобства монтажа статорные колеса разрезают по диаметру.

Рисунок  8.1 – Конструктивные  схемы  турбомолекулярного  вакуумного  насоса

Ротор насоса устанавливают  на подшипниках качения. Всасывающий патрубок выполнен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса насоса, объединены общим, патрубком, к которому подсоединен форвакуумный насос.

Наибольшее распространение  получили однопоточные насосы (см. рис. 8.1, б), отличающиеся, как правило, меньшим сопротивлением на всасывании. Насос приводится в движение от электродвигателя, ротор которого обычно расположен на валу насоса. В насосе допускаются сравнительно большие осевые и радиальные зазоры (до 1,0 ... 2,5 мм) в зависимости от размеров рабочих колес.