Форвакуумный насос

Форвакуумный насос — это тип вакуумного насоса, предназначенный для создания предварительного (форвакуума) разрежения в вакуумной системе, как правило, в диапазоне давлений от 1 до 10⁻³ мм рт. ст. (от 133 до 0,133 Па). Форвакуумные насосы используются в качестве первой ступени в многоступенчатых вакуумных установках, где они обеспечивают необходимый уровень давления для работы высоковакуумных насосов (например, диффузионных, турбомолекулярных или сорбционных), которые не могут функционировать при атмосферном давлении. Основными характеристиками форвакуумных насосов являются предельное остаточное давление, быстрота действия (производительность) и диапазон рабочих давлений.

История

Первые попытки создания вакуума для научных и промышленных целей относятся к XVII веку, когда Отто фон Герике изобрёл вакуумный насос с поршнем. Однако форвакуумные насосы как отдельный класс оборудования сформировались в конце XIX — начале XX века с развитием вакуумной техники. В 1905 году немецкий инженер Вольфганг Геде (Wolfgang Gaede) разработал первый масляный ротационный вакуумный насос, который стал прообразом современных форвакуумных агрегатов. В 1915 году он же создал молекулярный насос, но именно ротационные масляные насосы получили широкое распространение в качестве форвакуумных. В середине XX века, с развитием атомной, электронной и химической промышленности, началось массовое производство форвакуумных насосов различных типов, включая золотниковые, пластинчато-роторные и спиральные. В СССР и России выпуск форвакуумных насосов был налажен на заводах «Вакууммаш» (Казань), «Мелитопольский компрессорный завод» и других предприятиях.

Принцип действия

Форвакуумные насосы работают по принципу механического вытеснения газа из замкнутого объёма. В большинстве конструкций используется вращающийся ротор, который захватывает порцию газа из впускного патрубка, сжимает её и выбрасывает через выпускной клапан в атмосферу или в систему откачки. Процесс откачки происходит циклически, что обеспечивает непрерывное снижение давления в откачиваемом объёме. Для герметизации зазоров между ротором и корпусом, а также для смазки трущихся деталей часто применяется вакуумное масло, которое одновременно выполняет функцию уплотнителя и охлаждающей жидкости. В безмасляных конструкциях (сухие насосы) герметизация достигается за счёт точной механической обработки деталей и использования специальных полимерных материалов.

Классификация

Форвакуумные насосы классифицируются по нескольким признакам: конструктивному исполнению, типу рабочего тела, области применения и диапазону рабочих давлений.

По конструктивному исполнению

• Пластинчато-роторные (пластинчатые) насосы — наиболее распространённый тип. Ротор с двумя или более пластинами (шиберами), вращающимися в эксцентрично расположенном цилиндре, захватывает газ и сжимает его. Отличаются простотой конструкции, надёжностью и высокой производительностью. Предельное остаточное давление — до 10⁻³ мм рт. ст. (0,133 Па).
• Золотниковые насосы — конструкция с вращающимся золотником, который скользит по внутренней поверхности корпуса. Используются для создания форвакуума в системах с большим объёмом откачки. Предельное давление — до 10⁻² мм рт. ст. (1,33 Па).
• Спиральные насосы — в них газ сжимается между двумя спиральными элементами, один из которых вращается. Обеспечивают высокую чистоту вакуума (безмасляные) и низкий уровень шума. Предельное давление — до 10⁻² мм рт. ст. (1,33 Па).
• Мембранные насосы — работают за счёт возвратно-поступательного движения мембраны, что исключает контакт газа с маслом. Применяются в лабораториях и в химической промышленности для откачки агрессивных сред. Предельное давление — до 10⁻¹ мм рт. ст. (13,3 Па).
• Винтовые насосы — газ перемещается вдоль винтовых канавок ротора, сжимаясь по мере продвижения. Используются в промышленных установках с высокой производительностью.

По типу рабочего тела

• Масляные насосы — используют вакуумное масло для смазки и уплотнения. Обеспечивают низкое предельное давление, но могут загрязнять откачиваемый объём парами масла.
• Сухие (безмасляные) насосы — работают без масла в рабочей камере. Применяются в тех случаях, когда требуется высокая чистота вакуума (например, в микроэлектронике, фармацевтике, пищевой промышленности).

По области применения

• Лабораторные насосы — компактные, с низкой производительностью (от 0,5 до 10 м³/ч), используются в научных исследованиях, химических анализах, в вакуумных сушильных шкафах.
• Промышленные насосы — высокой производительности (от 10 до 1000 м³/ч и более), применяются в металлургии, вакуумной плавке, вакуумном напылении, упаковочном оборудовании.

Характеристики

Основные технические характеристики форвакуумных насосов включают:

• Предельное остаточное давление — минимальное давление, которое может создать насос в закрытом объёме. Для форвакуумных насосов обычно составляет от 10⁻¹ до 10⁻³ мм рт. ст. (13,3–0,133 Па).
• Быстрота действия (производительность) — объём газа, откачиваемый насосом за единицу времени при определённом входном давлении. Измеряется в м³/ч или л/с. Для лабораторных насосов — до 10 м³/ч, для промышленных — до 1000 м³/ч и выше.
• Диапазон рабочих давлений — интервал давлений, в котором насос сохраняет эффективность. Обычно от атмосферного (760 мм рт. ст.) до предельного остаточного давления.
• Мощность электродвигателя — от 0,1 до 10 кВт и более в зависимости от производительности.
• Уровень шума — для масляных насосов составляет 60–80 дБ, для сухих — 50–70 дБ.
• Тип охлаждения — воздушное или водяное.

Применение

Форвакуумные насосы являются неотъемлемой частью большинства вакуумных систем. Их основные области применения:

• Научные исследования — создание вакуума в ускорителях частиц, масс-спектрометрах, электронных микроскопах, установках для физики низких температур.
• Промышленность — вакуумная плавка и литьё металлов, вакуумное напыление покрытий (в том числе в производстве полупроводников), вакуумная сушка, вакуумная упаковка продуктов.
• Медицина — в вакуумных стерилизаторах, медицинских анализаторах, в системах аспирации.
• Энергетика — в вакуумных выключателях, в системах охлаждения и конденсации пара на тепловых электростанциях.
• Химическая и нефтегазовая промышленность — откачка агрессивных газов, создание вакуума в реакторах и дистилляционных колоннах.

Примеры

• НВР-1Д (Россия) — пластинчато-роторный масляный насос с производительностью 1 м³/ч и предельным остаточным давлением 1,33 Па.
• 2НВР-5ДМ (Россия) — двухроторный масляный насос с производительностью 5 м³/ч, предельное давление 0,133 Па.
• Edwards nXDS10i (Великобритания) — сухой спиральный насос с производительностью 10 м³/ч, предельное давление 0,1 Па.
• Pfeiffer Vacuum Duo 5 M (Германия) — масляный пластинчато-роторный насос с производительностью 5 м³/ч, предельное давление 0,03 Па.

Критика

Основные недостатки масляных форвакуумных насосов связаны с загрязнением откачиваемого объёма парами масла, что может быть критично для чистых вакуумных процессов. Для устранения этого недостатка применяются масляные ловушки (конденсаторы) или использование сухих насосов, которые, однако, имеют более высокую стоимость и меньший ресурс работы. Кроме того, масляные насосы требуют регулярной замены масла и обслуживания, а при работе с агрессивными газами — специальных материалов и уплотнений. В России и других странах постсоветского пространства распространены устаревшие модели насосов (например, серии НВР), которые уступают зарубежным аналогам по энергоэффективности и уровню шума.

Интересные факты

• Первый форвакуумный насос, созданный Вольфгангом Геде в 1905 году, имел производительность всего 0,5 м³/ч, но позволил достичь давления 10⁻² мм рт. ст., что было рекордом для своего времени.
• В современных вакуумных системах форвакуумные насосы часто работают в паре с турбомолекулярными или диффузионными насосами, образуя так называемые «вакуумные посты».
• В России и странах СНГ для обозначения форвакуумных насосов часто используется аббревиатура «НВР» (насос вакуумный ротационный), а также «НВЗ» (насос вакуумный золотниковый).

Источники

• Розанов Л. Н. «Вакуумная техника». — М.: Высшая школа, 1990.
• Лойцянский Л. Г. «Механика жидкости и газа». — М.: Наука, 1978.
• Дэшман С. «Научные основы вакуумной техники». — М.: Мир, 1964.
• ГОСТ 14777-76 «Насосы вакуумные. Термины и определения».
• Каталог продукции АО «Вакууммаш» (Казань, Россия).
• Техническая документация Edwards Vacuum (Великобритания) и Pfeiffer Vacuum (Германия).