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:

  1. Полное отсутствие масляных паров – в системе и среде. Это позволяет использовать спиральные насосы для создания в вакууме химически чистых веществ.
  2. В процессе эксплуатации внутри полостей не скапливаются частицы износа. Отсутствие абразива – это прибавка к долговечности механических деталей и более высокий коэффициент стабильности.
  3. Практически полное отсутствие шумов, низкий уровень вибрации и пульсации. Компрессоры могут использоваться в помещениях, где работают люди.
  4. Сбалансированный рабочий механизм. Для запуска агрегата и начала работы нужны минимальные усилия.
  5. Малый вес и простота транспортировки. Агрегат можно перенести вручную, нет необходимости сооружать станину или раму для этого.
  6. Компактная конструкция. Для решения некоторых задач выпускают даже модели в настольном исполнении.
  7. Надежность комплектующих и узлов. Механические детали имеют большую износостойкость, электроника работает без сбоев.
  8. На спиральные вакуумные агрегаты устанавливаются вспомогательные системы для герметизации подшипников и полости насоса, удаления твердых частиц и влаги, уплотнения для вала и другие модификации.
  9. Высокая производительность и КПД около 95%. Один из самых практичных и энергоэффективных насосов для автоматического поддержания вакуума
  10. Большой диапазон рабочих давлений и функция высокоточной откачки, начиная от уровня атмосферного.
  11. Полноценная система воздушного охлаждения. Минимальный уровень выделяемого избыточного тепла – это более широкие возможности по применению.
  12. Удобная и простая профилактика. Практически все актуальные модели спиральных насосов оснащены счетчиком часов наработки.
  13. 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.