Основы вакуумной техники

Что такое вакуум?

Вакуум (от лат. vacuus — пустой) — пространство, свободное от вещества.

В технике и прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного.

Поведение газа в вакуумных устройствах определяется соотношением между длиной свободного пробега λ молекул (или атомов) и размером d, характерным для данного прибора или процесса. Такими размерами могут быть, например, расстояние между стенками вакуумного объёма, диаметр вакуумного трубопровода, расстояние между электродами электровакуумного прибора и т.п. В зависимости от соотношения λ и d различают:

• Низкий вакуум (λ/d<<1).
• Сpeдний вакуум (λ/d≈1), λ d), .
• Высокий вакуум (λ/d>>1).

Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 10⁵ Па.

Измерение давления

Какая основная единица измерения давления?

Основной единицей измерения давления в Международной системе (СИ) служит Паскаль (1 Па = 1Н/м²). Однако, на практике встречаются и другие единицы измерения, такие как миллибары (1 мбар = 100Па) и Торры или миллиметры ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133,322 Па). Данные единицы не относятся к СИ, но допускаются для измерения кровяного давления.

Ниже приведена таблица перевода единиц измерения давления:

Общие понятия вакуумной техники

Вакуум — Состояние среды, абсолютное давление которой меньше атмосферного.

Вакуумная техника — Техника получения, поддержания вакуума и проведения вакуумных измерений.

Степень вакуума — Характеристика вакуума в интервалах давлений, определяющих соотношение средней длины свободного пути молекул с линейным размером откачиваемого сосуда, характерным для рассматриваемого процесса.

Принимают следующие интервалы давлений:

• Для низкого вакуума: от 100 кПа до 100 Па.
• Для среднего вакуума: от 100 Па до 0,1 Па.
• Для высокого вакуума: от 0,1 Па до 10 мкПа.
• Для сверхвысокого вакуума: от 0,1 Па до Ю мкПа.

Ниже приведена таблица с диапозонами рабочих давлений основных типов вакуумных насосов.

Уровни вакуума и области применения

Данные уровни вакуума в зависимости от области применения разделяют на три производственные группы.

1. Низкий вакуум: в основном используется там, где требуется откачка большого количества воздуха. Для получения низкого вакуума используют электромеханические насосы лопастного типа, центробежного, насосы с боковым каналом, генераторы потока и т.д. Низкий вакуум применяется, например, на фабриках шелкотрафаретной печати.
2. Промышленный вакуум: термин “промышленный вакуум” соотвествует уровню вакуума от -20 до -99 кПа. Данный диапазон используется в большинстве применений. Индустриальный вакуум получают с помощью ротационных, жидкостно-кольцевых,поршневых насосов и лопастных вакуумных генераторов по принципу Вентури. Область применения промышленного вакуума включает в себя захват присосками, термоформование, вакуумный зажим, вакуумная упаковка и др.
3. Технический вакуум: соответствует уровню вакуума от -99 кПа. Такой уровень вакуума получают при помощи двухуровневых ротационных насосов, эксцентриковых роторных насосов, вакуумных насосов Рутса, турбомолекулярных насосов, диффузионных насосов, криогенных насосов и т.д

Вакуумная система и ее элементы

Вакуумная система — совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов (к устройствам, обеспечивающим действие вакуумной системы, относятся, например, электродвигатель, аккумуляторы, печи).

Вакуумная установка — установка, состоящая из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие.

Вакуумный агрегат — вакуумная установка, конструктивно выполненная как единое целое.

Откачной пост — вакуумная установка, предназначенная для откачки, наполнения и тренировки изделий.

Элемент вакуумной системы — прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе (например, насос, манометрический преобразователь, ловушка и др.).

Условный проход — диаметр проходного сечения элемента вакуумной системы, определяющий присоединительные размеры по действующим стандартам.

Откачиваемый сосуд — сосуд, в котором создается вакуум.

Предохранительный баллон — сосуд, предназначенный для предохранения элементов вакуумной системы от попадания в них посторонних тел.

Вакуумный насос — устройство, предназначенное для создания, повышения и поддержания вакуума.

Вакуумная ловушка — элемент вакуумной системы, предназначенный для предотвращения проникновения паров и газов из одной части вакуумной системы в другую или для снижения их парциального давления.

Вакуумный клапан — элемент вакуумной системы, позволяющий регулировать или полностью перекрывать поступление газа в вакуумную систему.

Вакуумный затвор — вакуумный клапан, позволяющий соединять и разобщать элементы вакуумной системы.

Напускной вакуумный клапан — вакуумный клапан, предназначенный для напуска воздуха или газа в вакуумную систему.

Вакуумный натекатель — напускной вакуумный клапан, предназначенный для напуска малых потоков газа и их регулировки.

Вакуумный ввод — элемент вакуумной системы, служащий для передачи в откачиваемый вакуумный сосуд механической или электрической энергии без нарушения вакуума.

Вакуумный трубопровод — элемент вакуумной системы, представляющий собой трубопровод, по которому перемещается газ.

Форвакуумный трубопровод — вакуумный трубопровод, служащий для присоединения к форвакуумному насосу.

Байпасный трубопровод — вакуумный трубопровод, предназначенный для откачки сосуда, минуя высоковакуумный насос.

Вакуумное защитное устройство — элемент вакуумной системы, предназначенный для быстрого разобщения участка вакуумной системы, где произошел прорыв атмосферного воздуха, и остальной ее части.

Уравнительный вакуумный баллон — сосуд, предназначенный для выравнивания колебаний давления в вакуумной системе.

Виды вакуумных насосов

Вакуумный насос — устройство, предназначенное для создания, повышения и(или) поддержания вакуума.

Низковакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме, начиная от атмосферного.

Высоковакуумный насос — вакуумный насос, работающий на ступени самого низкого давления откачной системы, которая состоит из двух или более последовательно соединенных насосов.

Форвакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для поддержания выпускного давления другого насоса.

Бустерный вакуумный насос — вакуумный насос, устанавливаемый между форвакуумным и высоковакуумным насосами для увеличения быстроты откачки системы насосов при среднем вакууме либо для оптимизации давления в откачной системе и уменьшения объемного расхода, необходимого для форвакуумного насоса.

Вакуумный насос предварительного разрежения — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме или откачной системе от атмосферного давления до значения, при которой может начать работу другая откачная система или вакуумный насос.

Одноступенчатый вакуумный насос — вакуумный насос, в котором перепад давлений создается одной рабочей ступенью.

Многоступенчатый вакуумный насос — вакуумный насос, в котором перепад давлений создается последовательно несколькими рабочими ступенями (ступени откачки нумеруют, начиная от ступени, создающей наивысщий вакуум).

Механический вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, откачивающее действие которого основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса.

Вакуумный насос объемного действия — механический вакуумный насос, в котором объем, заполненный газом, периодически отсекается от входа, обеспечивай перемещение газа к выходу.

Газобалластный вакуумный насос — вакуумный насос с масляным уплотнением, снабженный устройством для дозированной подачи неконденсирующегося газа для исключения конденсации откачиваемых паров в насосе.

Поршневой вакуумный насос — вакуумный насос объемного действия, в котором сжатие и нагнетание газа происходят под действием возвратнопоступательного движения поршня.

Вращательный вакуумный насос — вакуумный насос объемного действии, в котором сжатие и нагнетание газа осуществляют вращающие поверхности твердого тела.

Пластинчатороторный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается тангенциально относительно неподвижной поверхности статора: при этом две или более пластины, скользящне в прорезях ротора и прижимающиеся к внутренней стейке статора, делят камеру статора на полости с изменяющимися объемами.

Пластинчатостаторный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается, скользя по внутренней стенке статора; при этом пластина, движущаяся относительно статора, прижимается к ротору и делит рабочую камеру на части с изменяющимися объемами.

Плунжерный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается относительно внутренней стенки статора; при этом пластина, жестко закрепленная на роторе, делит рабочую камеру на полости с изменяющимися объемами и скользит в золотнике (плунжере), колеблющемся в соответствующем гнезде статора.

Жидкостнокольцевой вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор с закрепленными на нем лопатками отбрасывает жидкость к стенке статора; жидкость принимает форму кольца, концентрично расположенного относительно статора, и вместе с лопатками ротора образует полости с изменяющимися объемами.

Двухроторный вакуумный насос (насос Рутса) — вращательный вакуумный насос, рабочая камера в котором два взаимно связанных ротора, по форме напоминающие восьмерки, синхронно вращаются в противоположных направлениях с очень малым зазором, не касаясь один другого и стенок камеры.

Трохоидный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, у которого центр тяжести эллипсообразиого ротора описывает окружность, а рабочая камера насоса имеет трохоидное поперечное сечение.

Кинетический вакуумный насос — механический вакуумный нас ос, в котором импульс движения передается молекулам газа таким образом, что газ непрерывно перемещается от входа к выходу насоса (различают струйные насосы, в которых откачка происходит вследствие захвата газа или молекул струей рабочего тела, и вращательные насосы, в которых импульс движения передается молекулам газа движущимися поверхностями нас оса).

Вакуумный турбонасос — кинетический вакуумный насос, в котором импульс движения передается газу от вращающихся твердых поверхностей.

Молекулярный вакуумный насос — кинетический вакуумный насос, в котором молекулам газа в результата их соприкосновения с поверхностью высокоскоростного ротора сообщается импульс движения, заставляющий их перемещаться в направлении к выходу насоса.

Турбомолекулярный вакуумный насос — молекулярный вакуумный насос, на валу ротора которого закреплены диски с прорезями или лопатками, которые вращаются между соответствующими дисками статора.

Осевой вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу вдоль оси вращения.

Центробежный вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу в радиальном направлении.

Струйный вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, в котором откачка происходит путем захвата газа струей рабочего тела (жидкости, пара или газа).

Эжекторный вакуумный насос — пароструйный низковакуумный насос, в котором происходит турбулентновязкостной захват газа струей.

Жидкостноструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю жидкости (обычно воду).

Газоструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю газа.

Пароструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего туш используют струю пара.

Диффузионный вакуумный насос — пароструйный высоковакуумный насос, в котором захват газа струей происходит за счет диффузии газа в струю.

Самоочищающийся диффузионный вакуумный насос — диффузионный вакуумный насос, в котором летучие примеси не возвращаются в кипятильник, а направляются к выходу.

Фракционный диффузионный вакуумный насос — многоступенчатый вакуумный паромасляный насос, из ступени самого низкого давления которого откачивается газ более плотными компонентами рабочего вещества, представляющими собой струю пара низкого давления, а из ступеней более высокого давления — менее плотными компонентами с более высоким давлением пара.

Диффузионноэжекторный вакуумный насос — пароструйный вакуумный насос, в котором ступени или ступеням, имеющим характеристики эжекторного вакуумного насоса, предшествуют ступень или ступени, имеющие характеристики диффузионного вакуумного насоса.

Ионный вакуумный насос — кинетический вакуумный насос, в котором молекулы газа ионизируются, а затем перемещаются к выходу насоса с помощью электрического и магнитного полей (или только электрического поля).

Сорбционный вакуумный насос — газоулавливающий вакуумный насос, в котором откачка происходит вследствие сорбции газа.

Адсорбционный вакуумный насос — сорбционный вакуумный насос, в котором откачка происходит вследствие физической сорбции газа пористым сорбентом при низкой температуре.

Геттерный вакуумный насос — сорбционный вакуумный насос, в котором откачка происходит преимущественно вследствие хемосорбции газа геттером.

Сублимационный вакуумный насос — геттерный вакуумный насос, поглощающая поверхность которого обновляется при конденсации на ней термически испаряемого геттера.

Геттерноионный вакуумный насос — геттерный вакуумный насос, в котором наряду с хемосорбцией происходит ионизация газа с последующим внедреннем ускоренных иоиов в поверхность распыленного геттера.

Испарительноионный вакуумный насос — геттерноионный вакуумный насос, в котором наионизированный газ направляется к поверхности геттера, получаемой в результате непрерывного или периодического испарения.

Магнитный злектрораэрядный вакуумный насос — геттерноионный вакуумный насос, в котором для распыления геттера используют газовый разряд в магнитном поле.

Вакуумный крионасос — конденсационный или сорбционный насос с рабочими поверхностями, охлаждаемыми до сверхнизких температур.

Виды вакуумных ловушек

Конденсационная вакуумная ловушка — вакуумная ловушка, действие которой основано на конденсации паров и газов на внутренних охлаждаемых поверхностях.

Сорбционная вакуумная ловушка — вакуумная ловушка, действие которой основано на сорбции паров и газов поверхностью пористого сорбента.

Ионная вакуумная ловушка — вакуумная ловушка, в которой для удаления определенных нежелательных компонентов из газовой смеси используется