Типы насосов

Пластинчато-роторный насос является наиболее старой и широко используемой конструкцией в вакуумных системах. Уже в период между 1900 и 1910 гг. с помощью пластинчато-роторных насосов снижали давление до 1 мк рт. ст. В небольших насосах эта оригинальная конструкция используется и теперь (фиг. 1). В крупных насосах применяют золотниковое или плунжерное устройство (фиг. 2). Типичные кривые скорости откачки пластинчато-роторных насосов приведены на фиг. 3.

По данным этих кривых, при понижении давления на входе в насос до 100 мк рт. ст. скорость откачки насоса уменьшается вдвое по сравнению со скоростью откачки при атмосферном давлении. Наиболее низкое давление, достигаемое с помощью одноступенчатого насоса, составляет примерно 10 лк рт. ст., а с помощью двухступенч того насоса — 1—0,1 мк. рт. ст.

В обеих конструкциях насосов для смазки и уплотнения применяется масло. Давление паров масла является одним из решающих факторов, определяющих максимальную степень разрежения, достигаемую с помощью этих насосов. Во время откачки, вследствие загрязнения масла водяным паром и другими летучими веществами, эффективная упругость паров масла обычно возрастает. Это является причиной постепенного ухудшения работы насоса в смысле достижения наиболее низкого давления. Загрязнение насосного масла устраняется за счет использования «газового балласта».

В газобалластные насосы во время цикла сжатия вводят небольшое количество атмосферного воздуха. Это снижает степень сжатия конденсирующихся газов. Кроме того, тепло, выделяющееся при сжатии введенного воздуха, повышает температуру конденсирующегося пара и тем самым уменьшает возможность его конденсации. Одноступенчатый газобалластный насос при давлении на входе ниже 20 мм рт. ст. может работать без заметного загрязнения масла конденсатом водяного пара при содержании в откачиваемом газе паров воды до 100%. Однако, как и следует ожидать, применение газобалластного устройства снижает эффективность одноступенчатого насоса в области низких давлений. Например, насос, обеспечивающий достижение давления порядка 10 мк рт. ст., при открытом газобалластном клапане может снизить давление только до 300 мк рт. ст. Применение двухступенчатых насосов позволяет в значительной степени устранить этот недостаток. Двухступенчатые насосы, работающие на второй ступени с полностью открытым газобалластным клапаном, могут обеспечить давление до 1 мк рт. ст. Однако относительное количество водяных паров в откачиваемом газе при работе двухступенчатого насоса должно быть ниже, чем при эксплуатации одноступенчатого.

Пластинчато-роторные и плунжерные ротационные насосы занимают доминирующее положение среди других конструкций вакуум-насосов. так как с их помощью можно достичь широкого диапазона давлений в пределах от 760 до 0,001 мм рт. ст. Тем не менее использование этих насосов ограничено, так как при давлениях ниже 100 мк рт. ст. их эффективность снижается ; они вообще не могут быть использованы при давлениях ниже 1 мк рт. ст. Несбалансированная конструкция пластинчато-роторных и плунжерных насосов ограничивает скорость вращения ротора; обычно число оборотов таких насосов не превышает 600 в 1 мин.

Скользящий контакт между вращающимися и неподвижными частями насоса способствует быстрому его износу. Для своих рабочих характеристик эти насосы слишком дороги и велики по габаритам. Самым мощным насосом этого типа является насос, откачивающий до 20 мР/мин.

Одним из типов вакуумных насосов является также насос-воздуходувка, использование которого в сочетании с пластинчато-роторным или золотниковым насосом имеет значительные преимущества. Насос-воздуходувка типа Рута имеет две восьмеркообразные лопасти, вращающиеся в разные стороны (фиг. 4).

В воздуходувке, в отличие от ранее рассмотренных насосов, лопасти не соприкасаются друг с другом и со стенками корпуса, что позволяет вращать их с относительно большими скоростями без внутренней смазки. В соответствии с этим большая объемная скорость откачки может быть достигнута в небольших насосах. Насосы вытеснения (воздуходувки) обеспечивают производительность до 340 мР/мин.                     _

Ротор и корпус этих насосов конструктивно аналогичны устройству этих частей в насосах для создания форвакуума или низкого положительного давления. Однако при изготовлении подобных насосов необходимо

высокое качество обработки поверхности вала для предотвращения попадания масла или воздуха в камеру лопастей.

Степень сжатия в насосе-воздуходувке обычно ограничивается отношением 10 1. Ограничение объясняется большой потребляемой мощностью при повышенных степенях сжатия и сложностью отвода тепла от вращающихся лопастей.

Поскольку степень сжатия в современных насосах-воздуходувках небольшая, их используют как высоковакуумную ступень двухступенчатого насоса. Сочетание насоса-воздуходувки с плунжерным ротационным насосом обеспечивает высокую скорость откачки в области давлений 15 мм — 1 мк. рт. ст. (фиг. 5). Такая кривая скорости откачки полностью отвечает задачам вакуумной металлургии. При использовании данного насоса почти отсутствует возможность попадания масла из насосов в откачиваемый объем, так как смазочное масло не связано с вакуумной камерой. В присутствии конденсирующихся паров работа насоса не ухудшается. Циркуляция охлаждающей жидкости через лопасти насоса дала бы возможность увеличить степень сжатия (более чем 10 : 1) и, следовательно, расширить диапазон рабочих давлений насоса (за пределы давления 15 мм рт. ст.), что позволило бы использовать в качестве вспомогательного плунжерный насос меньших размеров.*

Из многих применяемых в настоящее время механических насосов следует упомянуть еще два типа. Один из них — это молекулярный насос Геде (фиг. 6 и 7). Диск диаметром 305 мм вращается в окружающем его корпусе со скоростью 8000 об/мин. Вязкостный поток увлекает воздух от входного отверстия через спиральные каналы к выхлопному отверстию.

Этот насос можно использовать с вспомогательным форвакуумным насосом, так же как и насос-воздуходувку. Молекулярный насос позволяет получить большую степень сжатия, чем насос-воздуходувка.

Эти насосы не загрязняют откачиваемый объем парами масла; кроме того, с помощью молекулярного насоса можно достичь более низких давлений. Недостатком их является относительно высокая стоимость и частые механические повреждения. Применение подшипников более высокого качества и улучшение технологии изготовления этих насосов могут увеличить спрос на них в будущем. Характеристика молекулярного насоса свидетельствует о целесообразности его применения в лабораторных печных установках для отжига. Кривые скорости откачки этого насоса приведены на фиг. 8.

Представляет также интерес конструкция вакуумного центробежного насоса с многолопастным ротором, вращающимся в эллиптическом корпусе, частично наполненном жидкостью. Откачивающее действие насоса обусловлено изменением расстояния между круглым ротором и эллиптическим корпусом.

Двухступенчатая комбинация насосов может обеспечить откачку от атмосферного давления до давления в 25 мм рт. ст. со скоростью около 100 м³/мин. Этот насос особенно пригоден для откачки больших количеств конденсирующихся паров. Обычно в качестве насосной жидкости применяется вода, и поэтому сконденсированные пары выбрасываются с циркулирующей водой или используются. Расход воды и электроэнергии довольно высок.