Спиральные насосы – подробный обзор технологии сухого вакуума
Спиральные вакуумные насосы внутреннего сжатия – устройства электро-механического типа, которые активно используются в промышленности и научно-исследовательской деятельности. Сфера их применения включает технологические процессы, при которых создается так называемый глубокий вакуум (до 0,02 мбар при производительности до 35 м³/ч). Благодаря полностью сухой среде и химически стойкому покрытию контактных деталей, прибор может использоваться, в том числе, и для перекачки активных газов.
История разработки
Самым первым шагом к созданию насосного оборудования можно считать измерение атмосферного давления, которое в 1964 году провел итальянский физик Торричелли. На основе полученных данных он выдвинул предположение о существовании обратного явления – вакуума, а позже доказал свою гипотезу.
Конструкцию спирального насоса изобрели только в начале 18 века, схему предложил французский инженер – Леон Круа. Он разработал устройство на основе роторного агрегата с двумя спиралями постоянного шага: одна из них всегда остается неподвижной и жестко крепится к корпусу, а другая по орбитальной траектории «скользит» внутри. Производство таких компрессоров наладили только в 1980, первые спиральные насосы обеспечивали наддув и отвод воздуха – для двигателей и систем кондиционирования. Сегодня сфера применения вакуумного оборудования расширилась во множестве направлений – от промышленности и хозяйственной деятельности до науки и космической инженерии. Модели спирального типа используются, в основном, на предприятиях и в лабораториях.
Особенности и преимущества
Две спирали, повернутые друг к другу на 180°, образуют серповидные полости – перемещение газа обеспечивает разница давления в них. Электродвигатель передает крутящий момент на вал, спирали насоса совершают орбитальное вращение, а порции газа, постепенно сжимаясь, продвигаются к центру.
Такой тип агрегатов относится к категории сухих форвакуумных насосов внутреннего сжатия. В конструкции не используются масла для уплотнения сопряженных деталей. Спиральные модели могут применяться в условиях высокой вероятности образования конденсата.
Перечислим 12 ключевых преимуществ такого вакуумного оборудования:
- Полное отсутствие масляных паров – в системе и среде. Это позволяет использовать спиральные насосы для создания в вакууме химически чистых веществ.
- В процессе эксплуатации внутри полостей не скапливаются частицы износа. Отсутствие абразива – это прибавка к долговечности механических деталей и более высокий коэффициент стабильности.
- Практически полное отсутствие шумов, низкий уровень вибрации и пульсации. Компрессоры могут использоваться в помещениях, где работают люди.
- Сбалансированный рабочий механизм. Для запуска агрегата и начала работы нужны минимальные усилия.
- Малый вес и простота транспортировки. Агрегат можно перенести вручную, нет необходимости сооружать станину или раму для этого.
- Компактная конструкция. Для решения некоторых задач выпускают даже модели в настольном исполнении.
- Надежность комплектующих и узлов. Механические детали имеют большую износостойкость, электроника работает без сбоев.
- На спиральные вакуумные агрегаты устанавливаются вспомогательные системы для герметизации подшипников и полости насоса, удаления твердых частиц и влаги, уплотнения для вала и другие модификации.
- Высокая производительность и КПД около 95%. Один из самых практичных и энергоэффективных насосов для автоматического поддержания вакуума
- Большой диапазон рабочих давлений и функция высокоточной откачки, начиная от уровня атмосферного.
- Полноценная система воздушного охлаждения. Минимальный уровень выделяемого избыточного тепла – это более широкие возможности по применению.
- Удобная и простая профилактика. Практически все актуальные модели спиральных насосов оснащены счетчиком часов наработки.
Как устроен насос
Комплектация зависит от конкретного производителя, но практически любая схема включает базовые элементы конструкции:
- корпус спирального насоса (ковкий чугун, силумин, полутомпаковое напыление);
- неподвижная часть (расстояния до подвижной спирали 0,05-0,01 мм);
- противовес;
- подвижная часть (совершает вращательное орбитальное движение, эксцентриситет до 5 мм);
- противоповоротное устройство (препятствует заклиниванию);
- эксцентриковый вал (передает вращение от электропривода);
- сильфон (обеспечивает герметичность подвижных соединений, предотвращает проникновение масляных паров);
- стойкий к воздействию смазывающих материалов уплотнитель (нитрильный каучук).
Принцип работы
Спиральный насос, при вращении подвижной части, создает две серии серповидных объемов, выталкивая газ от периферии к центру. Там отдельные полости образуют парную, а из нее газ нагнетается через отверстие в центре торцевого диска неподвижной части.
Количество оборотов, за которые будет произведен полный рабочий цикл с одной порцией газа, равен количеству витков самой спирали. Для образования кривой может использоваться спираль Архимеда, эвольвента, различные дуги окружностей и их комбинации.
Главная отличительная особенность работы спирального насоса заключается в том, что процессы всасывания, сжатия и нагнетания происходят одновременно – сразу в нескольких полостях. Объемы разделены между собой, что значительно снижает диффузию газа между областями низкого и высокого давления. Благодаря такому решению, в конструкции спирального вакуумного насоса удалось полностью отказаться от применения клапанов (нагнетательных и всасывающих).
Область применения
Насос спирального типа уже много лет успешно используется в различных сферах. Вот список ключевых направлений:
- медицина – для очистки веществ в условиях практически полного вакуума, в аппаратах искусственного дыхания (и вентиляции легких);
- фармацевтика – одна из ступеней очистки антибиотиков (удаление продуктов жизнедеятельности продуцирующих активное вещество микроорганизмов);
- промышленность – при сборке турбомолекулярных или диффузионных высоковакуумных насосов (в качестве форвакуумного устройста);
- физические исследования – изучение фоточувствительных полимеров и разреженных газов (в приближенных к мезосфере условиях);
- испытания – имитация космического пространства и волнообразного вакуума (тестирование летательных аппаратов, ракет, орбитальных модулей, метеорологических зондов, спутников);
- биологические исследования – изучение воздействия вакуума на различные формы жизни;
- микроэлектроника – производство полупроводников (в условиях отсутствия окислительных процессов);
- химическая промышленность – создание непрерывного потока сырья для расщепления на фракции (при больших объемах перегонки – для создания эфиров и т.д.);
- пищевое производство – набивка продукта в пластиковую упаковку (рукав);
- изготовление сложных оптико-механических приборов – создание вакуума между линзами (электронные микроскопы).
Это далеко не полный список. Такое оборудование облегчает множество видов деятельности и является незаменимым в ситуациях, когда необходимо создать безмасляный вакуум. Это одно из самых перспективных направлений индустрии производства насосного оборудования.