Ako funguje rotačné lopatkové čerpadlo?

Rotačné vákuové čerpadlo vo všeobecnosti obsahuje plyn nasávaný, prípadne stlačený a potom vypúšťaný rotormi, piestmi, lopatkami, ventilmi atď. podľa potreby. Proces čerpania sa spúšťa rotačným pohybom piestu v čerpadle.
Je potrebné rozlišovať medzi olejovými a suchými kompresnými objemovými čerpadlami. Tesniaci olej môže dosiahnuť vysoký kompresný pomer až do približne 105 v jednom stupni. Pri absencii oleja bude „vnútorná netesnosť“ výrazne vyššia a dosiahnuteľný kompresný pomer primerane nižší, približne 10.

Ako je zrejmé z klasifikácie v tabuľke 2,1, objemové čerpadlá s olejovým tesnením zahŕňajú rotačné lopatkové čerpadlá, jednostupňové a dvojstupňové rotačné piestové čerpadlá a jednostupňové trochoidné čerpadlá, ktoré sú v súčasnosti len historicky zaujímavé. Všetky takéto čerpadlá sú vybavené zariadením na pripúšťanie plynu, ktoré Gaede prvýkrát podrobne opísal v roku 1935. Zariadenie na pripúšťanie plynu umožňuje čerpanie pary (najmä vodnej pary) v rámci špecifikovaných technických limitov bez kondenzácie pary v čerpadle.

Rotačné lopatkové čerpadlá (pozri obr. 2,6) pozostávajú z valcovitého telesa (krúžok čerpadla) (1), v ktorom sa excentricky zavesený štrbinový rotor (2) otáča v smere šípky. Rotor má lopatku (16), ktorá je zvyčajne vytláčaná smerom von odstredivou silou pružinou, takže lopatka sa kĺže vnútri telesa. Plyn vstupujúci zo vstupu (4) je sprevádzaný lopatkou a nakoniec je vypúšťaný z čerpadla cez výstupný ventil utesnený olejom (12)

1. Prípojka nasávania
2. Lapač nečistôt
3. Spätný ventil
4. Nasávací kanál
5. Lopatka
6. Dopravná komora
7. Rotor
8. Dýzová doska
9. neaktívne pripojenie plynového stabilizátora
10. Výfukové potrubie
11. Výfukový ventil
12. Odhmlievač Spring12
13. Otvor; prípojka filtra oleja

Séria TRIVAC B (obr. 2,6) má len dve lopatky posunuté o 180°. Lopatky sú vytláčané smerom von odstredivou silou bez použitia pružín. Ak je okolitá teplota nízka, môže byť potrebné použiť riedšie oleje. Čerpadlo je vybavené čerpadlom prevodového oleja na tlakové mazanie. Séria TRIVAC B je vybavená veľmi spoľahlivým protisacím ventilom, ako aj horizontálnym alebo vertikálnym usporiadaním vstupných a výstupných otvorov. Priezor oleja a ovládač plynového stabilizátora sa nachádzajú na rovnakej strane olejovej skrine (používateľsky prívetivý dizajn). V kombinácii so systémom TRIVAC BCS ho možno vybaviť veľmi širokou škálou príslušenstva vyvinutého predovšetkým pre polovodičové aplikácie. Olejové nádrže pre rotačné lopatkové a iné objemové čerpadlá utesnené olejom sa používajú na mazanie a tesnenie, ako aj na plnenie mŕtvych priestorov a štrbín na účely chladenia na odvod tepla z kompresie plynu. Medzi rotorom a tesniacim krúžkom čerpadla je olejové tesnenie. Tieto diely sa navzájom „takmer“ dotýkajú pozdĺž rovnej čiary (vedenie plášťa valca). V krúžku čerpadla je zabudovaný takzvaný tesniaci kanál na zväčšenie povrchu olejového tesnenia (pozri obr. 2,4). Tým sa dosiahne lepšie utesnenie a umožnia sa vyššie kompresné pomery alebo nižšie koncové tlaky.

Spoločnosť Leybold vyrába rôzne série rotačných lopatkových čerpadiel špeciálne navrhnutých pre rôzne aplikácie, ako je vysoké nasávanie, nízky konečný tlak alebo použitie v polovodičovom priemysle. V tabuľke 2,2 sú zhrnuté najdôležitejšie charakteristiky týchto oblastí. Rotačné lopatkové čerpadlo TRIVAC je vyrobené ako dvojstupňové čerpadlo (TRIVAC D) (pozri obr. 2,7). Dvojstupňové čerpadlá s olejovým tesnením je možné použiť na dosiahnutie nižších prevádzkových a konečných tlakov v porovnaní so zodpovedajúcimi jednostupňovými čerpadlami. Dôvodom je, že v jednostupňovom čerpadle sa olej nevyhnutne dostane do kontaktu s vonkajším vzduchom, z ktorého sa absorbuje plyn, z ktorého časť uniká na vákuovú stranu, čo obmedzuje konečný tlak, ktorý možno dosiahnuť. Dvojstupňové objemové čerpadlo s olejovým tesnením od spoločnosti Leybold dodáva už odplynený olej do vákuového stupňa (stupeň 1 na obr. 2,7). Konečný tlak je od jemného po vysoké vákuum. Poznámka: Prevádzka takzvaného stupňa vysokého vákua (stupeň 1) s malým množstvom oleja alebo bez oleja, napriek veľmi nízkemu konečnému tlaku, môže viesť k značným ťažkostiam a výrazne narušiť prevádzku čerpadla.

I Stupeň vysokého vákua
II Druhý predný podtlakový stupeň
a – Zastavenie ventilu
b – listová pružina ventilu

Obr. Na obrázku 2,9 je zobrazený prierez jednoblokového rotačného piestového čerpadla. Piest (2) poháňaný excentrom (3), ktorý sa otáča v smere šípky, sa pohybuje pozdĺž steny komory. Čerpaný plyn prúdi do čerpadla cez nasávací otvor (11) a potom do komory čerpadla (14) cez nasávací kanál na posuvnom ventile (12). Posuvný ventil tvorí jednotku s piestom a posúva sa tam a späť medzi otočným vedením ventilu (tyč 13). Plyn nasávaný do čerpadla nakoniec dosiahne kompresnú komoru (4). Keď sa piest otáča, toto množstvo plynu sa stlačí, kým sa nevytlačí z ventilu s olejovým tesnením (5). Podobne ako rotačné lopatkové čerpadlá, olejové nádrže sa používajú na utesnenie, mazanie, plnenie mŕtvych priestorov a chladenie. Keďže komora čerpadla je piestom rozdelená na dve časti, každá otáčka dokončí pracovný cyklus (pozri obr. 2,10). Čerpadlá s rotačným piestom sa vyrábajú ako jedno- a dvojstupňové čerpadlá. Pri mnohých vákuových procesoch môže kombinácia Rootsových čerpadiel a jednostupňových rotačných piestových čerpadiel ponúknuť mnoho výhod oproti samostatným dvojstupňovým rotačným piestovým čerpadlám. Ak takáto kombinácia alebo dvojstupňové čerpadlo nestačí, odporúča sa použitie Rootsovho čerpadla v kombinácii s dvojstupňovým čerpadlom. To neplatí pre kombinácie rotačných lopatkových a Rootsových čerpadiel.

1. Horná úvrať
2. Štrbina sacieho kanála na posúvači je uvoľnená – čas spustenia
3. Dolná úvrať – štrbina sacieho kanála je úplne uvoľnená a čerpaný plyn (šípka) prúdi voľne do čerpacej komory (tieňovaná)
4. Otvor odsávacieho kanála sa opäť zatvorí otočením závesnej tyče – koniec času odsávania
5. Horná úvrať – maximálna vzdialenosť medzi rotujúcim piestom a statorom tesne pred začiatkom kompresného času
6. Rotačný piest uvoľňuje otvor plynového stabilizátora – začiatok vstupu plynového stabilizátora
7. Otvor plynového stabilizátora je úplne voľný
8. Koniec prívodu plynového stabilizátora
9. Koniec doby odsávania

Motory, ktoré sa dodávajú s rotačnými lopatkovými a rotačnými piestovými čerpadlami, majú okolitú teplotu 53,6 °F (12 °C) a používajú naše špeciálne oleje pre maximálne požiadavky na výkon (približne 400 mbar). V prevádzkovom rozsahu čerpadla musí pohonný systém pri prevádzkovej teplote odovzdať len približne jednu tretinu nainštalovaného výkonu motora (pozri obr. 2,11).

1. Krivka prevádzkovej teploty 1 – 89 °F (32 °C)
2. Krivka prevádzkovej teploty 2 – 104 °F (40 °C)
3. Krivka prevádzkovej teploty 3 – 140 °F (60 °C)
4. Krivka prevádzkovej teploty 4 – 194 °F (90 °C)
5. Teoretická krivka adiabatickej kompresie
6. Teoretická krivka izotermickej kompresie