С чего начинается выбор
«Какой вакуумный насос лучший?» — на этот вопрос можно ответить только после другого: «Что требуется сделать?». Лучшим для конкретной задачи будет насос, который соответствует требованиям технологического процесса. Один тип насоса не может обеспечить все характеристики для любых условий откачки.
Рациональный выбор начинается с анализа процесса и требований к откачке. По мере сопоставления условий эксплуатации с возможностями оборудования круг подходящих решений сужается. Для первичной оценки полезно разделить насосы на отдельные группы по принципу работы и области создаваемого вакуума.
Вопросы при выборе насоса
- Какое предельное остаточное давление требуется?
- Какие газовые нагрузки будут присутствовать?
- Есть ли особенности технологического газа?
- Какие требования предъявляются к чистоте вакуумной среды?
- Будет ли систему часто открывать?
- Потребуются ли клапаны и форвакуумный насос?
- Соответствует ли кривая зависимости скорости откачки от давления задаче?
- Насколько легко интегрировать насос в систему?
- Какие требования к техническому обслуживанию необходимо учесть?
- Какова стоимость ремонта и эксплуатации?
Давление, газовая нагрузка и стоимость владения
Насос должен создавать и поддерживать предельное остаточное давление, необходимое для процесса, а также справляться с газовыми нагрузками, поступающими извне или возникающими внутри системы. Кривые зависимости скорости откачки от давления из документации производителя следует анализировать и сопоставлять с рабочим режимом.
Скорость откачки определяет объёмный расход, а пропускная способность — массовый расход. Их связь с газовой нагрузкой обычно рассматривают через выражение Q = S × P, где Q — газовая нагрузка, S — скорость откачки, P — давление. При оценке также учитывают состав газа, коррозионные свойства, чистоту среды, безопасность и эксплуатационные особенности выбранного типа насоса.
После технического отбора важно оценить стоимость владения: эксплуатационные затраты, техническое обслуживание, расходные материалы и вспомогательное оборудование, включая форвакуумные насосы и клапаны.
Форвакуумные насосы
Форвакуумные насосы применяются там, где требуется снизить давление в камере относительно атмосферного. Это относится и к серийным системам с частыми циклами, и к установкам, которые длительное время поддерживают высокий вакуум.
Их можно разделить на насосы с масляным уплотнением и безмасляные. Если риск масляного загрязнения критичен или технологические газы взаимодействуют с маслом, насосы с масляным уплотнением исключают из рассмотрения. К безмасляным относят нагнетательные, диафрагменные, поршневые, винтовые и спиральные насосы; особенности каждого типа нужно сопоставлять с требованиями процесса.
Для форвакуумных насосов особенно важна форма кривой скорости откачки: максимальная скорость обычно достигается при атмосферном давлении или вблизи него и снижается с уменьшением давления. Заявленное в спецификации предельное остаточное давление следует оценивать вместе с методом измерения, газовым составом и условиями реальной системы.
Насосы для высокого вакуума
Насосы для высокого вакуума разделяют на газопереносные и газосвязывающие. Газопереносные насосы удаляют газ из технологической камеры и передают его через форвакуумный насос в атмосферу. К этой группе относятся диффузные и турбомолекулярные насосы.
Диффузные насосы
Для циклических процессов им могут потребоваться водяное охлаждение, форвакуумный насос и система клапанов. При работе с маслом для предотвращения натекания его паров в технологическую камеру применяют вымораживающую ловушку с жидким азотом. При этом насосы способны работать с большими газовыми нагрузками, что делает их применимыми для металлургического плавления, пайки, термообработки, вакуумной дистилляции и сушки.
Турбомолекулярные насосы
Отличаются сравнительно простой интеграцией, допускают быстрое отключение между циклами и используют механическое вращение для передачи импульса газу. Для работы им нужен форвакуумный насос; в системах с повышенными требованиями к чистоте их применяют с безмасляной форвакуумной ступенью.
В некоторых исполнениях турбомолекулярных насосов используется магнитный подвес, не требующий смазки подшипников. При выборе необходимо учитывать изменение скорости откачки с давлением: у форвакуумных насосов она обычно уменьшается при снижении давления, а у высоковакуумных — возрастает в соответствующем рабочем диапазоне.
Газосвязывающие насосы
Газосвязывающие насосы удерживают откачиваемые молекулы в насосе постоянно или временно, а не передают их в атмосферу. К ним относятся криогенные, ионно-распылительные и геттерные насосы. Их работу оценивают не только по скорости откачки, но и по способности связывать определённые газы без перегрузки.
Криогенные насосы поглощают откачиваемые газы при низкой температуре — за счёт конденсации, вымораживания или интенсивного поглощения лёгких газов молекулярным ситом либо угольными слоями. Они имеют высокую скорость откачки водяного пара, а возможности по лёгким газам, таким как гелий и водород, требуют отдельной оценки. В циклических системах для предотвращения перегрузки при напуске воздуха применяют впускные клапаны; регенерация выполняется прогревом насоса для высвобождения поглощённых газов.
Ионно-распылительные и геттерные насосы связывают активные газы в результате взаимодействия с активным металлом. Их производительность ограничена количеством активного материала и условиями работы с конкретным газом. Геттерные насосы не откачивают инертные газы, такие как гелий и аргон, тогда как ионно-распылительные могут использоваться для их откачки. Водород в газопоглощающем материале образует однородный раствор и может быть удалён нагревом в вакууме с последующей откачкой другим высоковакуумным насосом.
Выбор как инженерное решение
После последовательного сравнения требований процесса, типов насосов и характеристик конкретных моделей выбор становится более обоснованным. Сравнивать стоит не только паспортные данные и цену, но и опыт эксплуатации, требования к обслуживанию, состав технологических газов и условия интеграции в установку.
Единственного лучшего во всех смыслах насоса не существует. Есть насос, наиболее подходящий для конкретного технологического процесса, установки и ожиданий — и этот выбор всегда связан с техническими компромиссами.
