Пластинчато-роторные вакуумные насосы

Добавлено 30.10.2025

Пластинчато-роторные вакуумные насосы: принцип работы, конструкция, применение и технические аспекты

Пластинчато-роторные вакуумные насосы (ПРВН) представляют собой объемные насосы вытеснения с масляным уплотнением, являющиеся базовым и наиболее распространенным типом оборудования для получения низкого и среднего вакуума в промышленных и научно-исследовательских установках. Их рабочая область, как правило, лежит в диапазоне от атмосферного давления до 110^-2…510^-3 мбар (торр). Принцип действия основан на циклическом изменении объема рабочей камеры, создаваемого эксцентрично расположенным ротором с подвижными пластинами.

Принцип действия и конструктивные особенности

Основными элементами конструкции пластинчато-роторного насоса являются:

Статор (корпус): Цилиндрическая полость, внутренняя поверхность которой является рабочей камерой.
Ротор: Цилиндр, установленный внутри статора эксцентрично относительно его оси. Ротор приводится во вращение электродвигателем.
Пластины (лопатки): Прямоугольные пластины, размещенные в пазах ротора. Они могут свободольно перемещаться в радиальном направлении под действием центробежной силы и пружин, обеспечивая постоянный контакт с внутренней стенкой статора.
Рабочая жидкость (вакуумное масло): Выполняет несколько критически важных функций: уплотнение зазоров между пластинами, статором и торцевыми крышками; смазка трущихся поверхностей; охлаждение насоса за счет отвода тепла сжатия газа; защита внутренних полостей от коррозии.
Выпускной клапан: Расположен в области нагнетания. Открывается, когда давление в рабочей камере превышает атмосферное, выпуская сжатый газ в атмосферу.
Газобалластное устройство: Опциональный, но крайне важный узел, позволяющий откачивать паро-газовые смеси без конденсации паров внутри насоса.

Рабочий цикл состоит из четырех фаз: всасывания, изоляции, сжатия и выталкивания. При вращении ротора пластины, скользя по внутренней поверхности статора, образуют изолированные ячейки переменного объема. Объем ячейки, соединенной с входным патрубком, увеличивается, создавая разрежение и всасывая газ из вакуумной системы. Далее ячейка изолируется, ее объем уменьшается, что приводит к сжатию газа. Когда давление в ячейке превышает атмосферное, открывается выпускной клапан, и сжатый газ выталкивается в атмосферу через масляный сепаратор.

Классификация и основные технические характеристики

Пластинчато-роторные насосы классифицируют по нескольким признакам:

По количеству ступеней: Одноступенчатые (предельный вакуум ~110^-2 мбар) и двухступенчатые (предельный вакуум ~110^-3 мбар). В двухступенчатых насосах вторая ступень откачивает выход первой, достигая более глубокого вакуума.
По типу привода: Прямой (ротор насажен на вал двигателя) и ременной (передача через клиноременную передачу).
По наличию газобалласта: Насосы с газобалластным устройством и без него.
По производительности: От малых лабораторных моделей с быстротой действия 1-4 м³/ч до крупных промышленных установок с производительностью свыше 1000 м³/ч.

Ключевые технические характеристики, которые необходимо учитывать при выборе насоса:

Предельное остаточное давление (Предельный вакуум): Минимальное давление, которое насос может создать на входе при закрытом входном фланце.
Номинальная быстрота действия (Производительность): Объем газа, откачиваемый насосом в единицу времени, измеряется в м³/ч, л/с, куб. фут/мин (CFM). Указывается при определенном давлении на входе (чаще при атмосферном).
Мощность двигателя: Зависит от производительности насоса и требуемого рабочего давления.
Требуемое давление на выходе (форвакуумное давление): Максимальное давление на выходе насоса, при котором он сохраняет номинальную производительность. Важно при работе в качестве форвакуумного насоса для высоковакуумных агрегатов.

**Сравнительная таблица типовых параметров пластинчато-роторных насосов**
Тип насоса	Быстрота действия (м³/ч)	Предельный вакуум (без газобалласта), мбар	Мощность двигателя, кВт	Типичная область применения
Одноступенчатый, малый	4 — 20	510^-2 – 110^-2	0.37 — 0.75	Лабораторные установки, дегафикация, вакуумные печи малой мощности
Двухступенчатый, средний	25 — 70	510^-3 – 110^-3	1.1 — 3.0	Вакуумное напыление, сушка, криогенные системы, упаковка
Двухступенчатый, крупный	100 — 1000+	510^-3 – 110^-3	4.0 — 30.0	Промышленные вакуумные печи, литье под давлением, крупные вакуумные системы

Роль газобалластного устройства

Газобалласт (или эжектор разрежения) — система, позволяющая впускать контролируемое количество атмосферного воздуха (или инертного газа) в камеру сжатия насоса на этапе сжатия. Это предотвращает конденсацию паров (например, водяных или растворителей) внутри насоса, разбавляя пар до давления, при котором его точка росы становится ниже температуры масла. Без газобалласта конденсирующиеся пары растворяются в масле, ухудшая его смазывающие и уплотняющие свойства, приводя к коррозии и резкому снижению предельного вакуума. При работе с газобалластом предельный вакуум ухудшается, но насос может эффективно откачивать влажные среды. После завершения откачки конденсируемых паров рекомендуется продолжить работу с закрытым газобалластом для восстановления глубокого вакуума.

Эксплуатация, обслуживание и выбор вакуумного масла

Надежная работа ПРВН напрямую зависит от правильной эксплуатации и регулярного технического обслуживания. Критически важным является контроль состояния и уровня вакуумного масла. Масло подлежит регулярной замене в соответствии с регламентом производителя или при визуальном загрязнении, эмульгировании, повышении давления насыщенных паров. Выбор масла определяется требованиями процесса:

Минеральные вакуумные масла: Стандартный выбор для большинства применений, неагрессивных сред.
Синтетические масла (например, на основе сложных эфиров или перфторполиэфиров — PFPE): Используются в агрессивных средах (кислород, галогены, агрессивные пары), при высоких температурах или для достижения более низкого предельного давления.

Обслуживание также включает замену масляных фильтров, проверку и очистку входных фильтров (при наличии), контроль состояния пластин и уплотнений. Необходимо избегать попадания в насос абразивной пыли, конденсируемых паров без использования газобалласта, а также откачки агрессивных газов без соответствующих мер защиты (холодные ловушки, нейтрализаторы, коррозионностойкие масла).

Преимущества и недостатки пластинчато-роторных насосов

Преимущества:

Высокая надежность и долговечность при правильном обслуживании.
Относительно низкая стоимость владения.
Широкий диапазон рабочих давлений.
Возможность откачки парогазовых смесей с использованием газобалласта.
Постоянная и стабильная быстрота действия в широком диапазоне давлений.

Недостатки:

Риск загрязнения откачиваемого объема парами масла (обратный поток).
Чувствительность к попаданию твердых частиц и конденсатов.
Необходимость регулярного обслуживания (замена масла, фильтров, пластин).
Ограниченный предельный вакуум (~10^-3 мбар), требующий для высокого вакуума применения дополнительных насосов (бустерных, турбомолекулярных, криогенных).
Шум и вибрация по сравнению с безмасляными типами насосов.

Области применения

Пластинчато-роторные насосы являются универсальным инструментом в вакуумной технике. Основные области применения включают:

Вакуумная металлургия: Плавка, литье, спекание, термообработка.
Химическая и нефтехимическая промышленность: Вакуумная дистилляция, сушка, дегазация.
Производство электроники и оптики: Вакуумное напыление, CVD, PVD процессы.
Пищевая промышленность: Вакуумная упаковка, лиофильная сушка.
Медицина и фармацевтика: Стерилизация, производство препаратов.
Научные исследования: Ускорительная техника, масс-спектрометрия, экспериментальные стенды.
Кондиционирование воздуха и холодильная техника: Обеспечение вакуума при монтаже и обслуживании систем.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Как часто необходимо менять вакуумное масло в пластинчато-роторном насосе?

Периодичность замены зависит от режима работы и характера откачиваемой среды. При откачке чистых, неагрессивных газов и работе в номинальном режиме замена требуется каждые 1000-2000 моточасов. При работе с парами, пылью или в интенсивном режиме интервал сокращается до 500 часов и менее. Обязательна внеплановая замена при изменении цвета масла на темно-коричневый или черный, появлении эмульсии (молочный цвет), резком ухудшении вакуума.

Чем отличается одноступенчатый насос от двухступенчатого?

Одноступенчатый насос имеет одну рабочую камеру. Его предельный вакуум ограничен упругостью паров масла и внутренними перетечками. Двухступенчатый насос имеет две последовательные камеры: вторая ступень откачивает выход первой, что позволяет достичь давления на порядок ниже (до ~10^-3 мбар). Двухступенчатые насосы дороже, сложнее, но обеспечивают более глубокий вакуум.

Можно ли использовать пластинчато-роторный насос для откачки агрессивных газов (хлор, фтор, HCl)?

Стандартные насосы не предназначены для этого. Откачка агрессивных сред приводит к быстрой коррозии внутренних деталей и деградации минерального масла. Для таких задач применяются специальные «коррозионностойкие» исполнения, выполненные из стойких материалов (специальные покрытия, нержавеющая сталь) и заправленные инертными синтетическими маслами (например, PFPE). Даже в этом случае часто требуются дополнительные меры: нейтрализующие адсорбенты, холодные ловушки.

Что такое «обратный поток» масла и как его минимизировать?

Обратный поток (backstreaming) — это миграция паров вакуумного масла из насоса в откачиваемую вакуумную камеру. Это явление нежелательно в чистых процессах. Для его снижения применяют: использование масел с низким давлением насыщенных паров; установку ловушек (холодных, сорбционных) между насосом и камерой; поддержание давления на входе насоса выше давления, при котором обратный поток максимален; применение насосов с системой «Gas Ballast» в режиме продувки.

Почему насос сильно нагревается при длительной работе?

Нагрев до 60-80°C является нормальным рабочим режимом, так как энергия сжатия газа преобразуется в тепловую. Перегрев (выше 90°C) может быть вызван: работой при высоком впускном давлении (близком к атмосферному) в течение длительного времени; неисправностью системы охлаждения (забит радиатор, не работает вентилятор); использованием масла неправильной вязкости; износом внутренних деталей, приводящим к повышенному трению; недостаточным уровнем масла. Длительный перегрев ускоряет старение масла и износ насоса.

Как правильно подобрать производительность насоса для конкретной вакуумной системы?

Выбор осуществляется на основе расчета. Необходимо знать требуемое рабочее давление в камере (P_раб), объем камеры (V), скорость газовыделения (Q) из материалов и через неплотности, а также желательное время выхода на рабочее давление. Быстрота действия насоса S выбирается с запасом (обычно на 20-50% больше расчетной) по формуле, связывающей эти параметры. Ключевым является обеспечение того, что насос может обеспечить быстроту откачки, достаточную для поддержания P_раб при заданном газопритоке Q: P_раб = Q / S + P_предел. Также необходимо учитывать проводимость вакуумной арматуры.

Пластинчато-роторные вакуумные насосы