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 изобрел 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, пластинчато-роторные и ротационные (вращательные, роторно-кулачковые). Наибольшее распространение в вакуумной технике получили вращательные и пластинчато-роторные насосы.

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

К высоковакуумным механическим насосам относятся: пароструйные насосы (парортутные и паромасляные), турбомолекулярные и молекулярные насосы, для их работы необходим форвакуум. 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 числом Кнудсена ${\displaystyle Kn}$, определяемое как отношение средней длины свободного пробега молекул газа ${\displaystyle \lambda }$ к линейному эффективному размеру вакуумного элемента ${\displaystyle L.}$ Эффективным размером принимается, например, расстояние между стенками вакуумной камеры, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами прибора, размер пор в пористых телах.

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:

${\displaystyle \lambda \ll L;}$

${\displaystyle Kn\leq 5\cdot 10^{-3};}$

давление 10⁵…10² Па (10³…10⁰ мм рт. ст.).

• Средний вакуум:

${\displaystyle \lambda \geq L;}$

${\displaystyle 5\cdot 10^{-3}<Kn<1/3;}$

давление 10²…10⁻¹ Па (10⁰…10⁻³ мм рт. ст.).

• Высокий вакуум:

${\displaystyle \lambda >L;}$

${\displaystyle Kn\geq 1/3;}$

давление 10⁻¹…10⁻⁵ Па (10⁻³…10⁻⁷ мм рт. ст.).

• Сверхвысокий вакуум:

${\displaystyle \lambda \gg L;}$

${\displaystyle Kn\gg 1/3;}$

давление 10⁻⁵ Па и ниже (10⁻⁷…10⁻¹¹ мм рт. ст.).

Классификация насосов по конструктивному признаку

• Механические
  • Поршневые (в том числе ртутно-поршневые)
  • Диафрагменные
  • Пластинчато-роторные (в том числе водокольцевые)
  • Винтовые
  • Рутса
  • Золотниковые
  • Спиральные
• 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 объём (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.

Применение

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.