Вакуумные насосы Для создания вакуума используются вакуумные насосы

Вакуумные насосы Для создания вакуума используются вакуумные насосы различных типов. По принципу действия они делятся на несколько групп: механические (с масляным уплотнением и без него), пароструйные, конденсационные, сорбционные, ионные. Общими характеристиками вакуумных насосов являются следующие. Начальное давление, т. е. давление, начиная с которого насос может осуществлять откачку. Не все насосы могут начинать откачку с атмосферного давления, некоторые требуют создания предварительного определенного вакуума. Противодавление насоса — максимальное давление, которое насос может развить на выходном патрубке. Часто противодавление и начальное давление совпадают по величине. Предельный вакуум насоса — минимальное давление, которое насос может создать при закрытом входном патрубке, т. е. когда насос работает сам на себя. Предельный вакуум является важнейшей характеристикой при выборе типа насоса.

Вакуумные насосы (2) Быстрота (скорость) действия насоса (SН) определяется отношением количества откачиваемого газа в единицу времени к давлению на входе в насос. Расход газа Q в вакуумной технике принято выражать произведением объемного расхода V на давление газа, т. е. Q = Vp, Па • м 3/с. В этом случае быстрота действия насоса SН, (м 3/с) при давлении на входе в насос рн будет (11) Механические вращательные насосы с масляным уплотнением

Механические вращательные насосы с масляным уплотнением (2) Широко используемая группа насосов применяется для создания разрежения (100— 1) Па, а также в качестве насосов предварительного разрежения при работе совместно с другими насосами. Принцип действия их основан на том, что при вращении ротора внутри неподвижного статора происходит забор газа из откачиваемого объема в камеру А, сжатие его до давления выше атмосферного в камере Б и выхлоп газа в атмосферу через клапан (рис. ). Насосы работают при начальном давлении и противодавлении, равными атмосферному. Рис. Схемы механических вращательных насосов с масляным уплотнением: а — пластинчато роторный; б — пластинчато статорный; в — золотниковый; А — камера разрежения; Б камера сжатия; 1 - входной патрубок; 2 статор; 3 ротор; 4 пружина; 5 пластина; 6 выпускной клапан; 7 плунжер; 8 золотник

Механические вращательные насосы с масляным уплотнением (3) Насосы трех типов, приведенные на рис. , различаются устройством для разделения камер разрежения А и сжатия Б. В пластинчато роторном насосе разделение осуществляется двумя пластинами в роторе, которые пружиной все время прижимаются к внутренней поверхности статора, и соприкосновением ротора со статором. Натекание газа из камеры Б в ка меру. А возможно в трех местах (примыкание ротора и пластин к статору). В пластиичато статорном насосе, где разделительная пластина перемещается в отверстия статора, натекание возможно в двух местах (примыкание ротора к статору и пластины к ротору). В золотниковом насосе натекание происходит только в одном месте — там, где плунжер примыкает к статору, Последний тип насоса наиболее совершенный.

Механические вращательные насосы с масляным уплотнением (4) Для уменьшения натекания газа в камеру разрежения соприкасающиеся поверхности тщательно обрабатывают и подгоняют друг к другу. Повысить плотность примыкания позволяет тонкий слой смазки на соприкасающихся поверхностях. Это значительно снижает и разогрев насоса за счет трения. Применяются вазелиновые масла ВМ 4 и ВМ 6, давление насыщенных паров которых при 20 °С составляет 5 · 10 3 и 4 · 10 4 Па соответственно. При работе масло насыщается газами и летучими соединениями, что требует периодической его смены. Последовательное соединение двух насосов (обычно объединенных в одном корпусе) уменьшает перепад давления между камерой разрежения и сжатия в насосе первой ступени и повышает предельный вакуум до 10 1 Па. Такие насосы называют двухступенчатыми. Общим недостатком насосов с масляным уплотнением является возможное попадание паров масла в вакуумируемый объем. Присутствие даже незначительного количества паров масла может отрицательно сказаться на качестве переплавляемого металла, что было отмечено при плавке молибдена и получении металлических пленок.

Механические насосы без масляного уплотнения К этой группе относятся двухроторный и молекулярный насо сы. На рис. показана схема устройства двухроторного на соса, работающего без масляного уплотнения, но с небольшим зазором (~ 0, 2 мм) между соприкасающимися поверхностями. Рис. Схема двухроторного насоса Два ротора, выполненных в форме восьмерок, забирают и пе ремещают газ от входного к выходному патрубку насоса. Ро торы вращаются с большой скоростью (до 3000 об/мин), что позволяет получить большую скорость откачки. Насос работа ет при низких давлениях, когда длина свободного пути моле кул превышает размеры зазора, что препятствует обратному движению газа в насосе.

Механические насосы без масляного уплотнения (2) Начальное давление и противодавле ние насоса ~ 100 Па. Это требует создания предварительного разрежения, поэтому насосы такого типа могут работать только с насосами предварительного вакуума (обычно механическим масляным). В таком сочетании предельный вакуум 0, 5 Па, а при двухступенчатом двухроторном насосе 10 2 Па. Молекулярный насос Рис. Схемы молекулярного (а) и турбомолекулярного (6) насосов: 1 — ротор; 2 — корпус; 3, 4 — выходной и входной патрубки, соответственно; 5, 6 — статорные и роторные диски соответственно

Молекулярный насос (2) Молекулярный насос (рис. , а) позволяет получить еще более высокий вакуум. Здесь ротор вращается с большой ско ростью (> 10000 мин 1), окружная скорость ротора сопоста вимасо скоростью теплового движения молекул. Эффективная работа насоса возможна лишь тогда, когда длина свободного пути молекул больше зазора между ротором и статором. В этом случае молекулы, соударяясь с вращающейся поверх ностью ротора, приобретают импульс движения в направлении вращения ротора. В результате этого происходит движение газа от входного патрубка к выходному. Между ними имеется перегородка, направляющая газ в выхлопной патрубок. На чальное давление и противодавление насоса низкие (10 1 – 10 3 Па).

Турбомолекулярные насосы Идея молекулярного насоса по лучила дальнейшее развитие и нашла удачное решение в турбомолекулярных насосах (рис. , б). В этих насосах дости гается большая степень сжатия (до 5· 107), что позволяет получать остаточное давление ~ 10 6 Па при использовании масляного вращающегося насоса в качестве первой ступени откачки. Высокая степень сжатия достигается благодаря как бы многоступенчатой откачке. Для этого ротор насоса с ук репленнымина нем несколькими дисками вращается внутри статора в пазах, образованных статорными дисками. Зазоры между дисками ротора и статора небольшие (~ 1 мм). Диски имеют наклонные прорези, что обеспечивает последовательное перемещение откачиваемого газа от входного патрубка к вы ходному с постепенным увеличением его сжатия. Возможность получения безмасляного высокого вакуума делает этот тип насосов весьма перспективным. Такие насосы, в отличие от пароструйных насосов, не боятся внезапной остановки. Молекулярные насосы имеют большую производительность при откачке тяжелых газов и меньшую при откачке легких, например водорода.

Пароструйные насосы получили широкое распространение благодаря простоте конструкции и возможности получения глубокого вакуума (10 3— 10 5 Па) наряду с большой ско ростью откачки и простотой обслуживания. Они делятся на эжекторные, бустерные и диффузионные. Для получения низкого вакуума применяются эжекторные насосы типа водоструйных, используемых в лабораторной практике. При использовании водяного пара в качестве рабо чей среды и нескольких ступеней откачки можно получить ва куум 10— 102 Па. Насос не боится запыленности газов и дешев в эксплуатации. На захвате газа струей пара за счет сил трения или диф фузии газа в струю основано действие бустерных и диффузионных насосов (рис. ). Рис. Схема диффузионного насоса: 1 — входной патрубок; 2 —корпус; 3 водяное охлаждение; 4 — сопло; 5 —струи пара; 6 — выходной патрубок; 7 — электронагреватель; 8 — испаритель; 9 — паропровод

Пароструйные насосы (2) Пары, полученные в испарителе с электронагревом, подни маются вверх и с большой скоростью выходят из сопла зон тичного типа. Струя пара, увлекая за собой газ, перемещает его от входного к выхлопному патрубку насоса. Пары рабочей жидкости соприкасаются с корпусом насоса, конденсируются и стекают снова в испаритель. К рабочей жидкости насоса предъявляются следующие тре бования: она должна иметь низкое давление пара при нор мальной температуре и одновременно низкую температуру ки пения, не должна взаимодействовать с откачиваемым газом. Ранее применяемая в качестве рабочей жидкости ртуть из за большой токсичности сейчас почти не применяется. Широкое применение получили масла ВМ 1 и ВМ 5. К недостаткам этих масел относятся содержание фракций с различной летучестью и легкая окисляемость на воздухе. При попадании воздуха в горячий насос стенки последнего покрываются смолистым налетом, а масло загрязняется. После этого требуется тща тельно промывать насос и менять масло. В последнее время начали использовать кремнййорганические жидкости, которые не окисляются воздухом и имеют характеристики, близкие к маслу, — полифенилэфир, полифенилметилсилоксан, этилполисилоксан и др.

Пароструйные насосы (3) Показатели работы насоса зависят от используемой рабо чейжидкости. При легкокипящей жидкости (ВМ 3 с температу ройкипения 70— 90 °С) получают большой поток пара с плот нойструей. При этом откачка происходит за счет сил трения между газом и струей пара. Предельный вакуум невелик (до 10 1 Па), но начальное и выпускное давления достигают 102 Па. Такие насосы, получившие название бустерных или вспомогательных, применяют в качестве промежуточной ступе ни откачки между механическим и высоковакуумным насосами. Рабочие жидкости с температурой кипения 140 160 °С (ВМ 1 и ВМ 5) дают менее плотную струю пара, внутрь которой легко диффундируют молекулы откачиваемых газов. Такие насосы называются диффузионными и имеют предельный вакуум 10 3— 10 5 Па. Начальное и выпускное давления таких насосов 1— 10 1 Па. На параметры насоса сильно влияет мощность, по даваемая к нагревателю испарителя. Оптимальная мощность указывается в паспорте насоса и должна строго выдерживать ся. Использование в качестве рабочей жидкости пентафенилтрисилоксана (ФМ 1 и ФМ 2) позволяет получать вакуум 10 7 5· 10 8 Па.