В 20-е годы 20-го века немецкий инженер С. Хинш изобрел новую систему для вращающих насосов. Эти агрегаты назвали вихревыми насосами или более правильное название центробежные самовсасывающие насосы, ну а самые современные модели именуются зубчатыми насосами.
Вакуумные насосы
В переводе с латинского “Вакуум” означает пустоту.
Началом научного этапа в развитии вакуумной техники можно считать 1643 г, когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. В 1672 году Отто фон Герике изобретает механический поршневой насос с водяным уплотнителем. Изучалось поведение различных систем и живых организмов в вакууме.
В 80-х годах 19 в. Человечество шагнуло в технологический этап создания вакуумных приборов и техники. Это было связано с открытием А.Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания с угольным электродом (1873) и открытием Т.А. Эдисоном термоэлектронной эмиссии (1883). Начинают изобретаться такие вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Дж. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913); 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”. Началось бурной развитие электроники и новых методов физики.
Области применения весьма широки. Практически ни одно технологически сложное производство не обходится без применения вакуума.
В электронной технике: осветительные лампы, газоразрядные, генераторные и сверхвысокочастотные приборы, телевизионные и рентгеновские трубки.
В производстве микросхем и приборов: нанесение тонких плёнок, ионное внедрение, плазмохимическое травление, электронолитографию.
В металлургии: плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворённых газов, что придаёт им высокую прочность, пластичность и вязкость.
Машиностроение: электроннолучевая сварка, диффузионная сварка, плазменная обработка.
Химическая промышленность: вакуумные сушильные аппараты, вакуумная пропитка, вакуумные фильтры.
Основной инструмент современной ядерной физики - ускоритель частиц - немыслим без вакуума. Поддержание почти космического вакуума требуется в установках для проведения экспериментов.
Вакуумные насосы. Общая характеристика
Все вакуумные насосы можно разделить на высоковакуумные и низковакуумные, а по физическому принципу действия - на механические, сорбционные, ионные. Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей.
Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных насосов появился раньше остальных и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.
Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают: водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно рассчитать на основании закономерностей внутреннего трения в газах.
Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из вакуумных систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными.
Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных насосов.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.
История развития вакуумных насосов
Предшественником вакуумного насоса был всасывающий насос, который был известен римлянам. Всасывающие насосы двойного действия были обнаружены в городе Помпеи.
Ранние насосы (13 век и позже)
Арабский инженер Аль-Джазари также описал всасывающие насосы в 13 веке. Он сказал, что его модель была увеличенной версией сифонов, которые византийцы использовали для сброса греческого огня. Всасывающий насос позже появился в Европе с 15-го века.
К 17 веку конструкции водяных насосов улучшились до такой степени, что они производили измеримый вакуум, но это было не сразу понято.
Известно было то, что всасывающие насосы не могли тянуть воду за определенную высоту: 18 флорентийских ярдов в соответствии с измерениями, сделанными около 1635 года. (Преобразование в метры будет не точным, но это будет около 9- 10 метров.)
Этот предел был достигнут для работы ирригационных проектов, осушении шахт и декоративных фонтанах, запланированных герцогом Тосканским. Для преодоления барьера герцог поручил Галилею исследовать механизм работы.
Галилей рекламировал головоломку другим ученым, включая Гаспаро Берти, который воспроизвел ее, построив первый водный барометр в Риме в 1639 году. Барометр Берти создал вакуум над толщей воды, но принцип работы так и остался загадкой.
Прорыв был сделан Евангелистой Торричелли в 1643 году. Основываясь на записях Галилея, он построил первый ртутный барометр и привёл убедительный аргумент, что пространство наверху было вакуумом. Высота колонны была тогда ограничена максимальным весом, который могло выдержать атмосферное давление; это предельная высота всасывающего насоса.
В 1654 году Отто фон Герике изобрел первый вакуумный насос и провел свой знаменитый эксперимент с магдебургскими полушариями. Эксперимент демонстрировал как 16 лошадей не могут разделить два полушария, из которых был удален воздух. Роберт Бойл улучшил дизайн Герике и провел эксперименты на свойствах вакуума. Роберт Гук также помог Бойлу создать воздушный насос, который помог создать вакуум.
Затем исследование вакуума прекратилось до 1855 года, когда Генрих Гайслер изобрел вытесняющий насос с ртутью и достиг рекордного вакуума около 10 Па (0,1 Торр ). На этом уровне вакуума можно наблюдать ряд электрических свойств, и это возобновило интерес к вакууму. Это, в свою очередь, привело к развитию вакуумной трубки.
В 19 веке Никола Тесла разработал аппарат, который содержит насос Шпренгеля для создания высокой степени вакуума менее 1 мПа (приблизительно 1 Ч 10 -8 атм ).
В начале 20-го века были изобретены многие типы вакуумных насосов, в том числе насос молекулярного сопротивления, диффузионный насос и турбомолекулярный насос.
Вакуумный насос -- устройство, служащее для удаления (откачки) газов или паров до определённого уровня давления (технического вакуума). Вакуумные 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.
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.
Виды вакуумных насосов
Вакуумные насосы делятся на проточные, которые удаляют газ из объёма наружу, и сорбционные, связывающие газ внутри насоса. Существуют также спец. имплантационные, палладиевые и каталитические вакуумные насосы для откачки водорода. Основные параметры В. н.: 1) предельное остаточное давление рост; 2) быстрота откачки S -- объём газа, откачиваемый в ед. времени при определенном впускном давлении
Рис. 1. Области действия различных типов вакуумных насосов: 1 -- водокольцевых; 2 -- поршневых; 3 -- паро-масляных бустерных; 4 -- механических бустерных; 5 -- диффузионных; 6 -- сорбционных
3) производительность Q -- кол-во газа (помимо паров рабочей жидкости), удаляемое вакуумным насосом в ед. времени; 4) наибольшее давление запуска, при котором вакуумный насос может начать работать; 5) наибольшее выпускное давление, при котором вакуумный насос ещё может осуществлять откачку. Вакуумные насосы бывают форвакуумные (для создания в системе низкого и среднего вакуума при 760 мм рт. ст.) и высоковакуумные, создающие высокий и сверхвысокий вакуум, иногда между ними ставят промежуточный вакуумный насос (рис. 1).
По принципу действия проточные вакуумные насосы подразделяются на механические, струйные (эжекторные и пароструйные), молекулярные (турбомолекулярные) и ионные. Механические вакуумные насосы-- форвакуумные, они основаны на всасывании откачиваемого газа при периодическом увеличении объёма рабочей камеры и выталкивании газа на выход при уменьшении этого объёма и сжатии газа до давлений, достаточных для открывания выпускных клапанов.
Рис. Поршневой насос: V0 -- откачиваемый объём; П -- поршень
Рис. Вращательный водокольцевой насос
Механические вакуумные насосы бывают поршневые (рис. 2) и вращательные. Во вращательных водокольцевых вакуумных насосах (рис. 3) вода центробежной силой прижимается к стенкам корпуса, образуя водяное кольцо 7 и рабочую камеру 2 (свободную от воды). Газ откачивается в результате изменения объёма рабочей камеры между лопатками ротора. Эти насосы могут откачивать смесь газа с парами воды, запылённые газы, кислород и др. взрывоопасные газы.
Рис. Многопластинчатый насос
Многопластинчатые вакуумные насосы (рис. 4) также содержат эксцентрично расположенный ротор, в прорези которого вставлены пластины, прижимаемые центробежной силой к внутренним поверхности корпуса. При этом образуются рабочие ячейки с изменяющимся объёмом. У наиболее распространённых вращается вакуумные насосы (рис. 5) -- насосах Геде, внутренний объём заполнен маслом, которое служит смазкой и препятствует натеканию воздуха в область низкого давления за счёт образования плёнки между вращающимися и неподвижными частями. Конденсация или растворение газов и паров в масле ухудшает параметры вакуумного насоса. Это предотвращается напуском в рабочую камеру вакуумного насоса (после отделения её от впускного отверстия) атм. воздуха в таком кол-ве, чтобы к моменту выхлопа парциальное давление паров не достигало давления насыщения.
Рис. Вращательные масляные насосы: а -- пластинчато-роторный; б -- пластинчато-статорный; в -- плунжерный; 1 -- статор; 2 -- ротор; 3 -- разделительная пластина; 4 -- пружина; 5 -- выпускной клапан; 6 -- рычаг; 7 -- плунжер; 8 -- золотник
Рис. Двухроторный насос (насос Рутса)
Действие двухроторных вакуумных насосов (насоса Рутса) основано на встречном вращении двух роторов (рис. 6) (предварит. разрежение 5--1 мм рт. ст.).
В струйных вакуумных насосах откачиваемый газ всасывается струёй жидкости или пара. Различают эжекторные (вихревые) и пароструйные вакуумные насосы. В эжекторных вакуумных насосах газ увлекается турбулентной струёй жидкости (воды) или пара (воды или ртути), истекающей со сверхзвук. скоростью из сопла эжектора (рис. 7) за счёт турбулентного перемешивания или вязкостного трения граничных слоев струи и откачиваемого газа в камере смешения. Парогазовая смесь из камеры смешения поступает в расширяющийся диффузор, где скорость потока уменьшается, а статическое давление становится значительно выше, чем давление всасывания.
Рис. Пароструйный насос
В вихревых вакуумных насосах используется разрежение, развивающееся вдоль оси вихревого потока, создаваемого сжатым воздухом или перегретым паром.
В пароструйных вакуумных насосах -- насосах Ленгмюра (рис. 8) струя пара 2 истекая с большой скоростью
Рис. Насос Ленгмюра
Заключение
В заключении, необходимо отметить, что насосы довольно широко распространены в любых отраслях в наше время. Любой тип насоса имеет свою область применения, свои уникальные характеристики, что позволяет им оставаться востребованными и по сей день. Но прогресс не стоит на месте и необходимо разрабатывать все новые и более усовершенствованные установки.