Конструкции основных типов вакуумных насосов

Вращательные масляные насосы.

Из различных типов враща­тельных вакуумных насосов наиболее широкое распространение в вакуумной технике получили вращательные масляные насосы.

Эти насосы работают с выхлопом в атмосферу и служат для откачки газов из вакуумных систем от атмосферного давления до давлений порядка 10^-2—10^-3 мм рт. ст.

Промышленностью выпускаются насосы с быстротой действия от 0,2 до 150 л/сек.

Существуют три типа вращательных масляных насосов: пла­стинчато-роторные, пластинчато-статорные и золотниковые

Устройство пластинчато-роторного насоса представлено на рис. 2. Камера 1 насоса помещена в бак 2. Насос имеет впускной патрубок 3, соединенный с откачным пространством 4. В этом пространстве вращается поршень насоса, состоящий из бараба­на 5 (ротора) и двух пластин 6, расположенных в его прорезях. Между этими двумя пластинами находятся стальные пружины, обеспечивающие плотное прилегание пластин к цилиндрической стенке камеры насоса. Ось вращения барабана совпадает с его геометрической осью, но смещена вверх относительно центра ка меры таким образом, чтобы барабан при своем вращении постоян­но соприкасался со стенкой камеры насоса. При работе насоса пластины перемещаются вдоль прорезей в барабане, разграничи­вая область всасывания газа от области, где происходит его сжатие.

В процессе перемещения барабана в направлении, указанном стрелкой, объем, соединенный с впускным патрубком насоса, увеличивается и газ из вакуумной системы засасывается в этот объем.

При дальнейшем перемещении бара­бана пластины, расположенные в его прорезях, отсоединяют этот объем от впускного патрубка 3, после чего объем уменьшается, газ в нем сжи­мается, открывает выпускной кла­пан 7 и через выпускной патрубок 8 выбрасывается за пределы насоса.

Для создания надежного уплотнения в местах соприкосновения подвиж­ных и неподвижных деталей насоса весь насос погружается в бак, запол­ненный вакуумным маслом При этом смазка подвижных деталей обеспечи­вается за счет непрерывного поступ­ления к ним масла через выпускной клапан, сальники и специально про­точенные для этой цели каналы.

Выпускной клапан насоса располо­жен ниже уровня масла в баке; слой масла над клапаном обеспечивает дополнительное уплотнение клапана и затрудняет обратное проникновение атмосферного воздуха внутрь насоса.

Поочередная работа пластин при вращении поршня обеспечи­вает непрерывное всасывание и выбрасывание газа, а следова­тельно, откачку вакуумной системы, к которой насос присоеди­няется своим впускным патрубком.

Описанный насос является одноступенным. Для получения лучших значений предельного вакуума используют специальные двухступенные насосы, имеющие один впускной патрубок и один выпускной патрубок, но состоящие из двух секций, последователь­ное соединение которых выполнено под уровнем масла в баке, в котором помещены обе секции. При этом благодаря последова­тельному соединению двух ступеней первая ступень работает при сравнительно малом выпускном давлении, вследствие чего сущест­венно уменьшается переток газа через неплотности из камеры сжатия в камеру всасывания первой ступени.

Пластинчато-роторные насосы применяются главным образом в электровакуумной промышленности в виде многократных насо­сов, представляющих собой группу (до 12 шт.) отдельных насосов (одно- или двухступенных), смонтированных в общем масляном баке. Такого рода многократные насосы широко применяются в автоматах откачки приемно-усилительных и осветительных ламп.

На рис. 3 представлен схематический чертеж пластинчато-ста­торного насоса. Ротор 2, эксцентрич­но насаженный на вал 1, вращается вокруг оси, совпадающей с геометри­ческой осью камеры (для смещения центра тяжести к оси вращения в ро­торе высверливаются соответствующие полости). Одной из своих обра­зующих ротор при вращении все вре­мя скользит по цилиндру камеры. Разделение впускной и выпускной сторон осуществляется уплотнитель­ной пластиной 4, перемещающейся & прорези статора 3. Пластина 4 под давлением рычага 7, натянутого пру­жиной 8, плотно прилегает к поверх­ности ротора. Процесс всасывания и выбрасывания газа насосом заключается таким образом в изменении соответствующих объемов рабочей камеры.

Чаще всего пластинчато-статор­ные насосы делаются двухступенными. При этом оба ротора вращаются на одном валу и расположены таким образом, что, когда в первой ступени происходит всасывание, то во вто­рой — выхлоп.

Устройство золотникового (плунжерного) насоса показано на рис. 4. На эксцентрично сидящий на валу ротор 1 надета цилинд­рическая обойма (плунжер) 2, от которой отходит открытая сверху полая направляющая 3 с отверстием 4. При вращении ротора обойма катится с очень малым зазором по стенке камеры, направляющая совершает колебательное движение, скользя вверх и вниз в золотнике. Откачиваемый газ засасывается в ра­бочую камеру через верхнее отверстие направляющей, проходит через отверстие 4 и выбрасывается через выпускной патрубок с клапаном 5. Путь газа при откачке показан на рис. 4 стрелками

Благодаря небольшому трению между подвижными частями в насосах такого типа нет необходимости погружать весь корпус насоса в бак с маслом. Поэтому- в крупных насосах иногда при­меняется принудительная циркуляция масла. Масло в виде весьма мелких брызг вместе с откачиваемым воздухом попадает из выпускного патрубка в так называемый сепаратор, откуда по мере накопления в охлажденном виде поступает обратно в насос.

Стенки корпуса у крупных насосов золотникового типа имеют водяные рубашки для охлаждения проточной водой. Золотнико­вые насосы самые высокопроизводительные из всех типов враща­тельных масляных насосов, быстрота действия у них достигает сотен литров в секунду.

Вращательные масляные насосы находят широкое применение для обеспечения требуемой степени вакуума в целом ряде техно­логических процессов, при которых выделяется большое количество конденсирующих­ся паров (вакуумная сушка, дистилляция, пропитка под вакуумом и т. д ). Однако вращательные масляные на­сосы обычной конструкции не приспособлены для откачки водяных или других конден­сирующихся паров и парога­зовых смесей. Для пояснения этого рассмотрим процесс от­качки объема, в котором со­держится большое количест­во водяного пара, с помощью обычного вращательного масляного насоса пластинча­то-роторного типа.

В положении I (рис. 5, а) рабочая камера насоса сооб­щается с разрежаемым объе­мом 1. При этом парогазовая смесь засасывается в рабо­чую камеру насоса.

В положении II закончен цикл всасывания, рабочая камера насоса отсечена пластиной 3 от откачиваемого объема. Начи­нается цикл сжатия парогазовой смеси в насосе. Сжатие продол­жается до тех пор, пока не будет достигнуто полное давление смеси, несколько большее атмосферного, необходимое для откры­тия выпускного клапана 5. При этом возрастает соответственно и парциальное давление водяного пара в смеси. Как только оно достигнет значения, равного давлению насыщения при темпера­туре камеры сжатия насоса (при комнатной температуре давле­ние насыщения водяного пара равно 17 мм рт. ст.), начинается конденсация водяного пара. Дальнейшее сжатие уже не приво­дит к повышению парциального давления пара, лишь возрастает количество образующегося конденсата.

В положении III цикл сжатия закончен, открывается выпускной клапан и начинается выпуск влажного газа; вода остается в рабочей камере насоса.

Многократное повторение процесса сжатия приводит к обога­щению насосного масла водой. Смешиваясь с маслом, вода обра­зует с ним эмульсию, которая, попадая с циркулирующим в насосе маслом в камеру всасывания, испаряется, снова выделял водяной пар в откачиваемый объем.

Такова основная причина непригодности обычных вращатель­ных насосов для эффективной откачки конденсирующихся паров.

Попадание воды в насосное масло крайне нежелательно также ввиду того, что в результате взаимодействия воды с окислами металлов, постоянно присутствующими в насосе за счет непре­рывных процессов окисления его трущихся частей, образуются гидраты окислов. Эти гидраты, в свою очередь, взаимодействуя с растворенными в масле органическими кислотами, образуют мыла, являющиеся катализаторами процессов окисления и осмо- ления масла. Масло становится более густым и менее пригодным для использования в качестве уплотнителя. Трущиеся поверх­ности насоса покрываются пленкой смолообразных продуктов окисления масла. Ротор насоса, работающего продолжительное время без промывки и замены масла, в результате осмоления начинает туго проворачиваться. В конечном итоге сильное осмоление может привести к поломке насоса или выходу из строя электродвигателя.

С целью предотвращения конденсации паров при их сжатии в процессе откачки вращательные насосы снабжаются специальными устройствами, с помощью которых в определенный момент времени в камеру сжатия насоса впускается атмосферный воздух. Такого рода усовершенствованные насосы, предназначенные для эффективной откачки паров и парогазовых смесей, носят назва­ние газобалластных насосов.

Рассмотрим процесс откачки объема, в котором содержится большое количество водяного пара с помощью вращательного насоса пластинчато-роторного типа, снабженного газобалластным устройством.

В положении I (рис. 5, б) происходит всасывание парогазовой смеси (аналогично положению I в обычном насосе, рис. 5, а).

В положении II в начале цикла сжатия открывается отвер­стие 6, через которое в рабочую камеру насоса напускается ат­мосферный воздух (балластный газ). При этом парциальное дав­ление газа в сжимаемой смеси возрастает, а парциальное давле­ние пара соответственно уменьшается. Количество балластного газа выбирается таким, чтобы при достижении полного давления смеси в конце цикла сжатия, необходимого для открытия выпуск­ного клапана, парциальное давление пара в смеси было меньше давления насыщения. В этом случае конденсации пара не про­исходит.

В положении III открывается выпускной клапан и пар в смеси с газом выбрасывается в атмосферу.

Газобалластными устройствами могут быть снабжены враща­тельные масляные насосы всех трех рассмотренных выше типов.

Высоковакуумные пароструйные насосы.

Высоковакуумные пароструйные насосы предназначены для создания и поддержания в вакуумных системах низких давлений (10^-4— 10^-7 мм рт. ст.). Откачивающее действие высоковакуумных пароструйных насосов основано на диффузии газа в паровую струю, непрерывно исте­кающую из сопла со сверхзвуковой скоростью. Так как скорость диффузии обратно пропорциональна плотности чреды, то для получения возможно большей быстроты действия насоса плот­ность струи должна быть достаточно малой. Поэтому в высоко­вакуумном насосе паровая струя истекает в вакуум, создаваемый вращательным масляным насосом, устанавливаемым последовательно с пароструйным. При этом перед запуском пароструйного насоса вакуумная система и объем самого пароструйного насоса предварительно откачиваются вращательным насосом до давле­ния, меньшего величины наибольшего выпускного давления пароструйного насоса; затем запускается пароструйный насос. Наи­большее выпускное давление для большинства высоковакуумных пароструйных насосов составляет 100—200 мм рт. ст.

На рис. 6 показана схема устрой­ства одноступенного пароструйного на­соса. Насос состоит из цилиндрического корпуса, имеющего впускной патру­бок 4, выпускной патрубок 5, рубашку водяного охлаждения 6, из паропрово­да 2 с зонтичным соплом 3 и электро­нагревателя 7 в кипятильник 1 насоса заливается рабочая жидкость (специ­альное вакуумное масло или ртуть). Образующиеся в результате нагрева в кипятильнике пары рабочей жидкости по паропроводу 2 устремляются к соп­лу 3 и истекают из него в виде расхо­дящейся сверхзвуковой струи Струя направлена под углом 60—80° к стенке насоса Газ, поступающий из вакуумнной системы через впускной патрубок 4, диффундирует в струю пара и уносит­ся ею к холодной стенке насоса.

Пар на стенке конденсируется и конденсат стекает по стенке в кипятиль­ник, где снова испаряется, вследствие этого обеспечивается не­прерывная циркуляция рабочей жидкости в насосе. Газ, попадая со струей на стенку, перетекает вдоль нее к выпускному патруб­ку 5 и уносится насосом предварительного разрежения (враща­тельным насосом).

Так как паровая струя истекает в вакуум и имеет малую плотность, то она выдерживает сравнительно небольшие перепады давления. Поэтому наибольшее выпускное давление одноступен­ного насоса мало. Однако малая плотность струи нужна лишь для обеспечения большой быстроты действия, а для получения высоких значений наибольшего выпускного давления, наоборот, струя должна иметь достаточно высокую плотность. Поэтому со­временные насосы выполняются многоступенными (чаще всего 2—3-ступенными). При этом ступени работают обычно последо­вательно в одном корпусе, питаясь паром из общего кипятиль­ника. Первая со стороны впуска газа струя имеет малую плот­ность и большую скорость, остальные струи обладают значитель­но большей плотностью, увеличивающейся от ступени к ступени так, что последняя ближайшая к выпускному патрубку струя обладает наибольшей плотностью. Многоступенные конструкции позволяют получать большую быстроту действия при высоком значении наибольшего выпускного давления.

Предельный вакуум, быстрота действия и другие параметры пароструйных насосов зависят как от их конструкции, так и от свойств рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости перво­начально применялась ртуть Достоинством ртути, как рабочей жидкости, является то, что она не портится при перегреве и крат­ковременном соприкосновении в горячем состоянии с атмосфер­ным воздухом и не разлагается при длительной работе насоса. Поскольку ртуть является химическим элементом, то ее достоин­ством, как рабочей жидкости, является также определенная вели­чина давления насыщенного пара и постоянная температура кипения.

Однако ртуть обладает рядом существенных недостатков. Во- первых, ртуть имеет высокое давление насыщенных паров при комнатной температуре, порядка 10^-3 мм рт. ст Поэтому, если не принимать специальные меры, то с помощью ртутного насоса, являющегося неизбежным источником проникновения паров рту­ти в откачиваемую систему, нельзя получить предельный вакуум лучше 10^-3 мм рт. cт. Это обстоятельство заставляет применять специальные охлаждаемые до низкой температуры ловушки меж­ду ртутным насосом и откачиваемой системой с тем, чтобы пони­зить давление насыщенных паров ртути Так, при применении в качестве охлаждающего агента для ловушки жидкого азота ( t= -193°) давление насыщенного пара ртути составляет все­го 10^-23 мм рт. ст. Во-вторых, пары ртути, проникающие через насос предварительного разрежения в производственное помеще­ние, даже в небольших количествах, вредны для здоровья чело­века

По указанным причинам область применения парортутных насосов за последние годы значительно сократилась, и в настоя­щее время наиболее широкое распространение имеют паромасля­ные насосы, использующие в качестве рабочей жидкости очищен­ные нефтяные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот и кремнеорганические соединения. Путем фракционной перегонки исходных нефтяных продуктов удается получить масла, имеющие низкое давление насыщенного пара, благодаря чему отпадает необходимость, за редкими исключениями, в применении ловушек для вымораживания паров.

В отличие от ртути нефтяные масла не имеют однородного состава, а следовательно, и определенной точки кипения Они представляют собой смеси узких фракций с различной темпера­турой кипения При продолжительной работе в насосе легкие фракции масла, обладающие большой упругостью насыщенных паров, могут уходить из насоса, например, за счет откачки насо­сом предварительного разрежения. По этой причине состав масла в кипятильнике меняется, что приводит к изменению и характеристик насоса. Кроме того, нефтяное масло чувствительно к пере­греву и не допускает соприкосновения в горячем состоянии сатмосферным воздухом, так как при этом происходит разложение масла (термический крекинг) и его окисление, в результате кото­рых масло приходит в негодность.

От этих недостатков свободны силиконовые жидкости (эфиры

фосфорной и кремниевой кислот), а также органо- полисилоксановые смеси. Они не чувствительны к перегреву и обеспечивают надежную работу насоса в том случае, если в про­цессе его эксплуатации в рабочий объем насоса по­падает атмосферный воз­дух.

Наиболее совершенны­ми конструкциями паро­масляных насосов являют­ся разгоночные насосы, которые отличаются тем, что в процессе их работы в них самих происходит разделение масла на фракции (разгонка). Ти­пичным насосом разгоноч­ного типа является изо­браженный на рис. 7 стек­лянный двухступенный паромасляный насос с воз­душным охлаждением.

Фракционирование в насосе осуществляется

следующим образом: пары масла, истекающие из обоих сопел, конденсируются на стенках насоса и конденсат по соединительной трубке 10 стекает в кипя­тильник 1, в котором в первую очередь испаряются легкие фрак­ции масла, кипящие при наиболее низкой температуре, так что масло, перетекающее по трубке 11 в кипятильник 2, состоит в ос­новном из тяжелых фракций. Таким образом, ив сопла низкова­куумной ступени истекают пары, обогащенные легкими фракция­ми масла, что обеспечивает получение высокого значения наи­большего выпускного давления насоса; из сопла высоковакуум­ной ступени истекают пары, обогащенные тяжелыми фракциями масла, что обеспечивает получение низкого остаточного давления в насосе (так как давление насыщенных паров тяжелых фракций очень мало). Кроме того, в насосе осуществляется дополнительное фрак­ционирование масла за счет конденсации самых легких фракций пара, истекающего из низковакуумного сопла, на стенках выпуск­ного патрубка, снабженного специальными маслоприемниками 7.

Описанная конструкция стеклянного насоса имеет быст­роту действия несколько литров в секунду. Крупные разгоноч­ные паромасляные насосы, быстрота действия которых до­ходит до нескольких тысяч лит­ров в секунду, изготовляются, как правило, из металла.

На рис. 8 изображен метал­лический двухступенный паро­масляный насос разгоночного типа с быстротой действия око­ло 100 л/сек. Насос имеет два сопла, причем для каждого соп­ла предусмотрен свой паро­провод.

В высоковакуумное сопло 2 пары масла из кипятильника 1 подают по внутреннему паро­проводу 3, в низковакуумное сопло 4 — по внешнему паро­проводу 5, охватывающему внутренний. Оба паропровода установлены в кипятильнике 1 таким образом, что все заливае­мое в насос масло распреде­ляется по концентрическим ка­мерам, соединенным системой отверстий, образующих своеобразный лабиринт, препятствующий быстрому перемешиванию отдельных частей масла в процессе работы насоса.

Пары масла, истекающие их обеих ступеней, конденсируются на охлаждаемых стенках насо­са и конденсат стекает по стенке в кипятильник. Двигаясь от стенки к центру насоса, конденсат поступает сначала в камеру кипятильника, заключенную между внутренним 3 и внешним 5 паропроводами; здесь в первую очередь испаряются легкие фрак­ции, поступающие к низковакуумному соплу 4 ; в центральную камеру поступает таким образом масло, состоящее в основном из тяжелых фракций, питающих паром высоковакуумное сопло 2.

Паромасляные насосы широко применяются в различных от­раслях промышленности: в электровакуумной для откачки радио­ламп, электронно-лучевых и телевизионных трубок, в металлур­гии для откачки вакуумных печей, в установках для нанесения покрытий, в дистилляционных установках и т д. Промышлен­ностью выпускаются паромасляные насосы с быстротой действия от 5 до 8000 л/сек.

Вспомогательные (бустерные) насосы

Почти все высоко­вакуумные насосы удовлетворительно работают при впускных давлениях, не превышающих 10^-4 мм рт. ст, так как имеют паровые струи малой плотности. При более высоких впускных давлениях паровая струя разрушается и быстрота действия высо­ковакуумного насоса резко падает.

Вращательные масляные насосы наиболее эффективно рабо­тают в диапазоне давлений 760—10^-1 мм рт. ст. При более низ­ких давлениях (10^-2 — 10^-3 мм рт. ст ) быстрота действия враща­тельных насосов резко снижается, почти до нуля.

Таким образом, ни высоковакуумные, ни вращательные мас­ляные насосы не могут удовлетворительно работать в области давлений 10^-2— 10^-4 мм рт. ст Между тем имеется много отрас­лей промышленности, где требуются откачные средства, эффек­тивно работающие именно в этой области давлений (плавка и обезгаживание под вакуумом, сушка, пропитка под вакуумом и т. д.).

Для этой цели чаще всего используются вспомогательные (бустерные) насосы. В паромасляных бустерных насосах, которые по внешнему виду почти не отличаются от высоковакуумных, не­сколько видоизменены сопла и повышено давление пара в кипя­тильнике за счет использования легко кипящего сорта масла, а также подведения более высокой мощности к кипятильнику

В отличие от высоковакуумных насосов, где откачивающее действие обусловлено диффузией откачиваемого газа в струю пара, в бустерных насосах решающую роль играет явление вяз­костного захвата откачиваемого газа струей пара, которая в этом случае имеет значительно большую плотность. Такого рода паро­масляный насос может быть использован непосредственно для откачки системы со значительным газовыделением или же сов­местно с высоковакуумным насосом, обладающим большой быстротой действия, будучи включен между ним и насосом пред­варительного разрежения.

Паромасляные бустерные насосы, обладая рядом положитель­ных качеств, имеют вместе с тем и существенные недостатки. Так, увеличение давления в откачиваемом объеме выше несколь­ких миллиметров ртутного столба приводит к срыву работы на­соса Попадание в работающий насос атмосферного воздуха приводит к порче рабочей жидкости.

От этих недостатков свободны механические бустерные на­сосы. Механический бустерный насос представляет собой установку, в которой последовательно соединены один или два бессмазочных двухроторных насоса и вращательный масляный насос, снабженный газобалластным устройством.

Устройство бессмазочного двухроторного насоса показано на рис. 9. В рабочей камере этого насоса в направлении, указанном стрелками, вращаются два ротора — лопасти. Форма и синхронное вращение этих лопастей подобраны таким образом, чтобы между самими лопастями, а также между лопастями и стенками рабочей камеры, сохранялся небольшой зазор (0,1—0,2 мм), не уплотняемый маслом. Отсутствие трения между движущимися деталями позволяет создать большую скорость вращения' лопастей (до 3000 об/мин).

Действие двухроторного насоса основано на чисто механическом перекачивании определенного объема газа. При этом рабочими являются оба ротора, образующие со стенками корпуса насоса две параллельно работающие камеры.

Наибольшее выпускное давление двухроторной ступени составляет 10—20 мм рт. ст. Существенной особенностью этих ступеней является постоянство степени сжатия (10—15 для одной ступени). Поэтому величина давления, создаваемого этими насосами в откачиваемой системе, зависит от величины давления на выпускном патрубке, создаваемого насосом предварительного разрежения.

Современные двухроторные насосы имеют быстроту действия до 5000 л/сек в области давлений 10^-1 — 10^-3 мм рт. ст.

Молекулярные насосы

Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки канала имеют много конструктивных разновидно­стей, часть из которых показана на рис. 4.28.

Насос (рис. 4.28, а) имеет в статоре 3 набор цилиндрических канавок, входные и выходные отверстия в которых разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с большой частотой так, что его линейная скорость близка к тепловой скорости молекул.

Спиральный паз 1 на поверхности статора 2 и цилиндриче­ская поверхность ротора 3 образуют рабочий канал (схема на рис. 4.28, б). Спиральные канавки на торцевых поверхностях ста­тора 1, отстоящие на минимальном расстоянии от вращающегося диска 2, используются для молекулярной откачки в схеме рис. 4.28, в. Через зазор между статором и ротором происходит воз­врат газа из камеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов. Нормальная работа таких на­сосов возможна при зазоре между ротором и статором, не пре­вышающем 0,1 мм.

Такие насосы применяются в качестве ступеней высокого давле­ния при совместной работе с насосами, имеющими взаимно перпен­дикулярное перемещение газа и рабочих поверхностей, а также при откачке газов с большой молекулярной массой.

Проникновение паров масел, применяемых для смазки подшип­никовых узлов, в откачиваемый объект во время работы насоса очень мало, но сильно возрастает при остановке насоса.

Быстрота действия насосов прямо пропорциональна частоте вра­щения ротора, которая в современных насосах может достигать 10... 40 тыс. об/мин. Максимальная быстрота действия обычно не превышает 100 л/с из-за малого поперечного сечения каналов. Предельное давление 10^-5 Па при коэффициенте компрессии 10⁵…10⁶. Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих по­верхностей и потока откачи­ваемого газа получили ши­рокое распространение. Конструкции турбомолекулярного насоса, использую­щие этот принцип, класси­фицируются по расположе­нию вала ротора — гори­зонтальные или вертикаль­ные; по устройству и фор­ме рабочих органов — цилиндровые, конусовые, дисковые с радиальным потоком, дисковые с осевым потоком, бара­банные. Большое вли­яние на характеристи­ки насоса оказывает конструкция опорных узлов: на смазываемых подшипниках качения, на магнитных опорах или газовой подушке.

Схемы насосов с го­ризонтальным и вер­тикальным расположе­нием вала ротора по­казаны на рис. 4.29, а,б. В корпусе 2 уста­новлены неподвижные статорные колеса 4,

между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1. Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В ста­торных колесах имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру.

При горизонтальном положении ротора движение газа в насосе после входа во всасывающий патрубок разветвляется на два потока, которые соединяются в выхлопном патрубке.

В связи с малыми коэффициентами компрессии каждой ступени в турбомолекулярном насосе можно увеличить рабочие зазоры. При диаметре рабочих колес 200 мм осевой (между колесами) и радиаль­ный (между корпусом и роторным колесом или ротором и статор­ным колесом) зазоры могут составлять 1... 1,2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы. Увеличение зазоров, снижая коэффициент компрессии насоса, слабо влияет на его быст­роту действия.

Быстрота откачки турбомолекулярных насосов слабо зависит от рода газа. Предельное давление насосов 10^-7... 10~⁸ Па. С увеличе­нием молекулярной массы коэффициент компрессии растет за счет уменьшения перетечек через зазоры и увеличения отношения линей­ной скорости ротора к тепловой скорости молекул v_p/v_ap. Наиболь­шее выпускное давление таких насосов для воздуха I... 10 Па.

К достоинствам турбомолекулярного насоса относятся: высокая Удельная быстрота действия ~2 л/с на 1 см² площади входного се­чения; достаточно широкий диапазон рабочих давлений 10^-6... 10 Па; быстрый запуск насоса в течение 5... 10 мин; практически безмасляный спектр остаточных газов при напуске сухого азота во время запуска и остановки насоса.

Недостатком насоса является наличие высокоскоростного ротора со смазываемыми быстро изнашивающимися подшипниками или сложными системами подвеса.

Адсорбционные насосы

Откачивающее действие адсорбционных насосов определяется относительной адсорбционной способностью применяемого адсорбента. Рациональная конструкция насоса должна обеспечить наиболее полное использование возможностей адсорбента.

Основные требования к конструкции адсорбционного насоса можно сформулировать следующим образом:

1) полное охлаждение адсорбента (вплоть до температуры хладагента);

2) минимальное сопротивление элементов насоса подводу откачиваемого газа к адсорбенту;

3) небольшой эксплуатационный расход хладагента, обеспечивающий длительную работу насоса без обслуживания (например, в течение суток и более);

4) быстрота регенерации и охлаждения адсорбента;

5) простота и технологичность конструкции;

6) возможность переохлаждения хладагента;

7) размещение возможно большего количества адсорбента;

8) защита адсорбента от загрязнения легко конденсирующими парами.

Наиболее просты по конструкции адсорбционные насосы предварительного разрежения (рис 47). Цилиндрическая колба, являющаяся корпусом насоса, заполнена адсорбентом (как правило, цеолит). Сетчатый патрон небольшого диаметра предназначен для улучшения подвода газа к адсорбенту в удаленной части насоса. Наличие внешнего сосуда для жидкого азота сильно упрощает конструкцию, но создает некоторые эксплуатационные неудобства, связанные с необходимостью поочередной замены сосуда для хладагента и печи для регенерации, а также с изменением температуры по мере расходования жидкого азота. Большая толщина слоя адсорбента приводит к возникновению заметных градиентов концентрации откачиваемого газа и температуры, что в значительной степени определяет время достижения предельного давления

В другой конструкции условия охлаждения слоя адсорбента, помещенного в концентрические полости, значительно улучшены, но путь для адсорбирующегося газа остался очень большим (рис. 48). Более удачна конструкция многолоткового насоса в котором адсорбент расположен на кольцевых лотках тонким слоем (рис. 49) Доступность газа к адсорбенту и хорошие условия охлаждения обеспечивают значительное ускорение достижения предельного давления по сравнению с рассмотренными конструкциями. Для повышения эффективности охлаждения адсорбента в насосах предварительного разрежения применяют ребра, металлические шарики, выполняют конструктивные элементы из материалов с высокой теплопроводностью и т. д.

Насосы предварительного разрежения способны снизить давление в откачиваемом объеме от атмосферного до 10^-4—10^-5 мм рт. ст., но не пригодны для обеспечения низкого динамического давления в области высокого вакуума. Для получения высокой и устойчивой скорости откачки высоковакуумного насоса необходимо обеспечить беспрепятственный подвод откачиваемого газа к адсорбенту, который для этой цели располагают слоем толщиной в несколько зерен. Наименьшим сопротивлением подводу газа обладает насос с адсорбентом, расположенным на внешней поверхности сосуда с хладагентом. Это приводит к нарушению самого важного требования к адсорбционному насосу — полноты охлаждения адсорбента. Лучистое тепло от стенок установки, а в области давлений выше 10^-5 мм рт. ст. и молекулярная теплопроводность газа приводят к сильному нагреву адсорбента и соответственно — к резкому снижению адсорбционной способности. Конструкция адсорбционного насоса должна обеспечить в первую очередь полное охлаждение адсорбента, так как стабильность скоростной характеристики насоса обеспечивается динамической адсорбируемостью газа.

Эффективного охлаждения адсорбента можно добиться обеспечением хорошего теплового контакта между адсорбентом и охлажденной поверхностью (что характерно для криопанелей) или размещением слоя адсорбента внутри охлаждаемой полости, причем входное отверстие можно закрывать жалюзной ловушкой. Последнее конструктивное решение наиболее характерно для высоковакуумных адсорбционных насосов, охлаждаемых жидким азотом.

Одна из первых конструкций насосов такого типа изображена на рис. 50. Отсутствие радиационной защиты (жалюзная ловушка) на входе приводит к заметному нагреву адсорбента и соответственно к уменьшению адсорбируемости.

Достаточно прост по конструкции вертикальный насос, входной фланец которого обращен вниз. Насос такого типа имеет большой запас жидкого азота, до статочный для работы (рис. 51) в течение 1—2 суток. Нагреватель, встроенный в азотный бачок, упрощает и ускоряет температурную регенерацию адсорбента непосредственно в насосе. Тщательная полировка поверхностей и установка отражающих экранов вокруг азотного бачка Позволяли снизить эксплуатационный рас*с жидкого азота до 0,06 л/ч.

Более простая конструкция насоса разработана и опробована автором (рис. 52). Азотный бачок выполнен и. двух тонкостенных (толщина <1 мм) труб с небольшой разностью диаметров (10—20 мм) и сварен непосредственно с тонкостенным корпусом насоса, который является одновременно температурной развязкой. Материалом тонкостенных труб служит сталь Х18Н10Т. Внешняя теплоизоляция из пенопласта позволяет избежать контакта азотного бачка и корпуса насоса с окружающим воздухом. Испарившийся азот проходит через зазор между корпусом и теплоизоляцией и «отдает» часть своего «холода», в результате чего уменьшается эксплуатационный расход хладагента. Заполнение насоса жидким азотом происходит через съемную крышку в верхней части теплоизоляции. Внутренний нагреватель, расположенный по оси адсорбционного патрона, обеспечивает быстрый и экономичный нагрев адсорбента при регенерации. Входная ловушка выполнена черненой для полного исключения нагрева адсорбента вследствие теплоизлучения.

Насосы такой конструкции опробованы трех размеров: с диаметром условного прохода по адсорбционному патрону 75, 130 и 300 мм. Эксплуатационный расход жидкого азота для насоса с D_y=130 мм (при полированной ловушке) составляет 0,16 л/ч.

Все насосы, входной фланец которых обращен вниз, имеют один эксплуатационный недостаток: мелкие и пылевидные частицы адсорбента проваливаются через сетку и попадают в откачиваемый объем, что в ряде случаев недопустимо.

Этого недостатка лишены насосы с обращенным вверх входным фланцем, хотя конструкция их значительно сложнее. В этом случае трудно создать настолько большой запас жидкого азота в бачке, чтобы при изменении его уровня для всей полости с адсорбентом обеспечивался непосредственный контакт с жидким азотом. В противном случае по мере снижения уровня жидкого азота температура адсорбента может заметно повыситься. Насосы такой конструкции требуют более частого пополнения жидким азотом.

Насос с обращенным вверх фланцем (рис. 53). Слой адсорбента расположен вдоль медного стакана, припаянного к медному резервуару шаровидной формы. Охлаждение обеспечивается благодаря очень высокой теплопроводности меди. Насос заполняется хладагентом по трубкам, выведенным через днище насоса. Жалюзная ловушка и входное отверстие в полость адсорбционного патрона ограничивают начальную скорость откачки насоса.

Условия подвода газа к адсорбенту можно значительно улучшить, расположив его на внешней стороне резервуара для хладагента. Полученные изотермы адсорбции сами авторы признали аномальными.

А. Л. Донде создал насос аналогичной конструкции, но расположил вокруг слоя адсорбента жалюзный экран, имеющий ту же температуру, что и резервуар для хладагента (рис. 54). Развитая поверхность жалюзной тепловой защиты увеличивает входную пропускную способность насоса, а следовательно, и начальную скорость откачки. Для обеспечения эффективного охлаждения необходимо чернить экран, что при такой конструкции насоса приводит к резкому увеличению эксплуатационного расхода хладагента.

В процессе работы адсорбционный насос, особенно насос предварительного разрежения, может поглотить большое количество газа, в результате чего при размораживании давление в объеме насоса может во много раз превысить атмосферное. Это приводит к деформации тонкостенных элементов, нарушению герметичности и т. д.

Для предотвращения такого явления применяют предохранительные устройства, через которые при превышении давления избыточное количество газа выходит в атмосферу. Простейшим видом этого устройства является резиновая пробка, закрывающая отверстие трубки. В случае превышения давления алюминиевая фольга толщиной 0,025 до 0,076 мм прорывалась при накалывании об острие регулировочного винта. С успехом можно применять также пружинные предохранительные клапаны.

Рассмотренные устройства необходимы в основном для систем с адсорбционными насосами предварительного разрежения, предназначенными для откачки установок большого объема от атмосферного давления. Для высоковакуумных насосов, которые обычно откачивают относительно небольшое количество газа, предохранительные устройства могут понадобиться лишь в аварий ных ситуациях, например, при случайном попадании атмосферного воздуха в вакуумную систему с адсорбционным насосом.

Емкость резервуара для жидкого азота определяет одно из основных преимуществ адсорбционного насоса— продолжительность работы без наблюдения. Для уменьшения эксплуатационного расхода жидкого хладагента наружную поверхность резервуара и связанных с ним элементов полируют. В ряде конструкций применяют тонкостенные радиационные экраны из алюминиевой фольги, что способствует снижению лучистого теплообмена (см. рис. 51).

Испарительные насосы

Конструкция испарительного насоса в основном определяется типом испарителя. Испарители бывают прямонакальные, подогревные, электронно-лучевые и дуговые.

В качестве прямонакального испарителя (рис. 5.4, а) используется биметаллическая проволока с молибденовым керном, на который иодидным способом осажден слой титана.

Подогревный испаритель (рис. 5.4, б) представляет собой сферическую оболочку из активного материала, внутри которой вставлен проволочный нагреватель. Для титана максимальная рабочая температура таких испарителей составляет 1150°С, что обеспечивает максимальную скорость испарения 1 мг/с.

Электронно-лучевой испаритель (рис. 5.5, а) представляет собой электронную пушку с вольфрамовым катодом 1, помещенную в поперечное магнитное поле. Магнитное поле позволяет разместить пушку вне зоны нанесения активного материала. Между пушкой и мишенью прикладывается ускоряющее напряжение в несколько тысяч вольт. Максимальная скорость испарения из жидкой фазы может достигать 30 мг/с.

В дуговых испарителях (рис. 5.5, б) активный материал распыляется в катодном пятне дуги постоянного тока. Катодное пятно хаотически перемещается по поверхности охлаждаемого водой ка тода из титана. Плотность тока в пятне достигает 108 А!си2. Дуга горит в парах испаряемого материала, что позволяет поддерживать разряд даже в условиях сверхвысокого вакуума. Возбуждение дуги происходит, например, при коротком замыкании подвижного электрода. Питание дуги осуществляется от источника постоянного тока с U=30...50 В и I=100... 180 А. Максимальное давление запуска не превышает 10 Па. При больших давлениях анодное пятно становится неподвижным и может расплавить стенку насоса. Скорость испарения в дуговых испарителей может достигать 20 мг/с.

В насосах испарительного типа, не имеющих устройств для ионной откачки, предельное давление составляет обычно 10^-7 Па. Охлаждение активной пленки до температуры жидкого азота снижает предельное давление до 10^-11 Па.

Верхний предел рабочих давлений, равный 10^-2 Па, лимитируется образованием во время работы испарителя оксидов, нитридов и карбидов на поверхности активного материала, что приводит к уменьшению скорости испарения. Максимальная быстрота действия насосов такого типа при откачке водорода достигает 2-105 л/с. Применение испарительных насосов неэффективно при откачке продуктов органического происхождения и инертных газов.

Испарительный насос (рис. 5.6) состоит из корпуса 4, в котором размещается испаритель 5. Атомы активного металла, вылетающие из испарителя, конденсируются на экранах 2 и обеспечивают откачку химически активных газов. Экран 3 защищает откачиваемый объект, присоединяемый к насосу через фланец 1, от проникновения паров испаряемого материала. Экраны 2 для повышения быстроты откачки могут охлаждаться жидким азотом.

Криогенные насосы

Действие криогенных насосов осно­вано на физических явлениях, происходящих при низких темпе­ратурах:

• конденсации газов на охлаждаемых металлических по­верхностях (конденсационные насосы);

• адсорбции газов на твердых охлажденных сорбентах (ад­сорбционные насосы);

• адсорбции газов на предварительно сконденсированном вспомогательном слое легко конденсируемого газа (конденсационно-адсорбционные насосы);

• одновременной конденсации откачиваемого газа и вспомо­гательного легко конденсируемого газа (криозахватные насосы);

• поглощении газов пленками геттера (криогеттерные насосы).

Принцип действия конденсационных насосов основан на конденсации газов на металлических поверхностях (криопанелях), охлажденных до температуры 20 К и ниже, а адсорбцион­ных насосов - на сорбции газов твердым сорбентом, нанесенным на криогенную поверхность. В качестве сорбентов, наносимых на поверхность криопанелей, наиболее часто используют актив­ный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов. Физи­ческая поверхность сорбентов на несколько порядков превышает геометрическую поверхность криопанели, достигая 10 см²/г.

Конденсационные криогенные насосы типа ГСВ выпуска­ются с быстротой действия 0,25 (ГСВ-250) и 4 (ГСВ-4000) m³/c; они обеспечивают предельное остаточное давление 10^-6 Па без подогрева и 10^-8 Па с подогревом.

Принцип действия конденсационно-адсорбционных насосов основан на применении других видов сорбентов - вспомогатель­ных легко конденсируемых газов. В качестве вспомогательного газа используют пары воды, диоксид углерода, пары спирта и ацетона, аргон, азот и др.

Принцип действия криозахвагного насоса заключается в поглощении («криозахвате») нсконденсируемых газов легко конденсируемыми газами, постоянно подаваемыми на криопанель. Работа криогеттерного насоса основана на физическом и химическом связывании газов на поверхности и в объеме непрерывно наносимой на криопанель пленки химически активного вещества, в качестве которого обычно используют титан.

Принципиальная схема криогенных насосов, несмотря на все многообразие их выполнения, включает, как правило, четыре основных конструктивных элемента (рис. 3.12): криопанель 1, теплозащитный экран 2, охлаждающее устройство (на рисунке не показано) и корпус 4.

Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность, охлажденную до криогенных температур. Криопанели выполняют в виде дисков, цилиндров, змеевиков и других элементов. Криооткачка - процесс экзотермический, так как во время работы насоса на охлажденной поверхности в результате перехода газа в конденсированное (связанное) состояние постоянно выделяется теплота конденсации. В связи с этим обязательное условие криооткачки - постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры охлажденной криопанели на требуемом уровне.

Конденсационные насосы имеют сравнительно малый пусковой период, причем для получения высокого и сверхвысокого вакуума нет необходимости длительного прогрева рабочего объема установки. Конструкции насосов достаточно просты и основной проблемой их эксплуатации является получение, использование и утилизация низкотемпературных хладагентов. В качестве хладагентов используют азот, водород и гелий, имеющие соответственно температуру кипения 70, 20,4 и 4,2 К. Быстрота действия насоса практически постоянна в широком диапазоне давлений. Насос обеспечивает предельный вакуум до 10 Па при полном отсутствии паров рабочей жидкости в откачиваемом объеме. По существу, криогенный насос является единственным откачным средством, которое при своей работе не вносит загрязнений в откачиваемый объем. Специфической особенностью криогенной откачки является резко выраженная зависимость парциального давления газов от температуры. Например, при увеличении температуры на 1°С (с -270 до -269°С) парциальное давление водорода увеличивается в 100 раз (с 10^-8 до 10^-6). Поэтому при повышении температуры поверхности криопанели, происходящей вследствие образования слоя конденсата паров воды или газа с малой теплопроводностью, создаваемый насосом вакуум снижается.

На рисунке 3.13 приведена типовая конструктивная схема криогенного насоса. Сосуд 9 с жидким водородом для изоляции от корпуса 10 окружен экраном 8, который охлаждается жидким азотом с помощью хладопровода, соединенного с сосудом Дьюара 1. В корпусе 10 установлена азотная ловушка 2 с медным экраном. Жидкий водород подается в сосуд 9 через дроссельный вентиль 11 из охладителя 12. Создание предварительного разрежения и откачка неконденсирующихся при температуре жидкого водорода газов осуществляется механическим и диффузионным 7 насосами. Для предотвращения попадания в камеру сверхвысокого вакуума паров диффузионного масла последовательно через переходник 5 установлены водяная 6 и азотная 4 ловушки, соединенные с корпусом 10 вентилем 3.

Рассмотрим другие конструктивные варианты криогенных насосов. Для работы в низком вакууме используются насосы погружного типа (рис. 5.11, а), а для работы в высоком вакууме — заливного типа (рис. 5.11, б). Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Разница в конструкции насосов погружного и заливного типов состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагената 5 в насосах погружного типа выполняется съемным, а в насосах заливного типа в качестве теплоизоляции между стенками насоса и сосудом с криоагентом используется вакуум, создаваемый самим насосом. В качестве криоагентов используются сжиженные газы (табл. 5.3).

Схемы криоадсорбдионных насосов с неподвижным адсорбентом конструктивно просты, но требуют дополнительной арматуры и дублирования откачных средств для обеспечения непрерывного процесса откачки, имеют высокие эксплуатационные расходы криоагента и электроэнергии на изменение температуры не только самого адсорбента, но и корпуса насоса.

Схема криоадсорбционного насоса с движущимся адсорбентом (рис. 5.11, в) обеспечивает постоянство быстроты откачки и предельного давления независимо от времени работы насоса. Адсорбент движется по замкнутому контуру с линейной скоростью ил, проходя на своем пути камеру адсорбции 1, шлюз 2, нагреватель 5, камеру десорбции 4, шлюз 3, холодильник 6, и вновь попадает в камеру адсорбции.

Криоконденсационные насосы заливного типа имеют конструктивную схему рис. 5.11, г. В полость 2 заливается низкотемпературный криоагент (жидкий гелий или водород), а в полость 3—высокотемпературный криоагент (жидкий азот). Экраны 1 защищают поверхность сосуда низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлажденной поверхности. Очень часто в криоконденсационных насосах используется адсорбционный способ поглощения неконденсирующихся газов, для чего поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом покрывается адсорбентом в виде пористой оксидной пленки (или в процессе работы насоса на ней осаждается пористый слой хорошо конденсируемых газов).

Криоконденсационные насосы испарительного типа (рис. 5.11, д) имеют криопанели в виде змеевиков, по которым циркулируют пары криоагента, испаряющегося из сосуда Дьюара. Циркуляция может осуществляться за счет создания избыточного давления в сосуде Дьюара или всасывающего действия механического вакуумного насоса. Испаряющийся в криопанели 1 криоагент используется для охлаждения внешнего экрана 2, защищающего криопанель от излучения стенок насоса.

Криосорбционные насосы могут снабжаться автономными криогенераторами (рис. 5.11, е), в которых криопанель 1 охлаждается от автономной газовой машины 2, а экран 3 служит для уменьшения притока теплоты к криопанели.

Для откачки широко применяются адсорбенты с большой площадью внутренней поверхности активные угли, цеолиты, силикагели.

Активные угли — пористые углеродные адсорбенты, которые получают из торфа, каменного угля, опилок и других видов органического сырья путем термической обработки без доступа воздуха для удаления воды и смол с последующей активацией окислением при температуре около 900°С в присутствии С02. Так как поверхность углерода электронейтральна, то адсорбция на углях в основном определяется дисперсионными силами взаимодействия. Активные угли имеют поры различных размеров. Площадь поверхности активных углей при насыпной плотности 0,5 г/см3 может достигать 2000 м2/г.

Цеолиты — это алюмосиликаты, содержащие в своем составе Si02 и А1203, окислы щелочных и щелочноземельных металлов, а также молекулы кристаллической воды. После удаления кристаллической воды термообработкой при 400... 500°С в различных типах цеолитов появляется регулярная структура пор размером от 30 до 90 нм. Поверхность цеолитов полярна, и адсорбция во многом зависит от ориентационного эффекта взаимодействия. Цеолиты бывают природные и синтетические, получаемые кристаллизацией исходных компонентов из раствора при температуре 100°С. Активная поверхность цеолитов может достигать 1000 м2/г при насыпной плотности 0,7 г/см3.

Силикагель — аморфная форма гидратированного кремнезема (Si02nH20), получаемого при взаимодействии силикатов щелочных металлов и минеральных кислот. При высушивании гидрогеля кремниевой кислоты образуется структурная сетка из сферических частиц, поверхность пор в которой может достигать 500 м2/г при насыпной плотности 0,7 г/см3. Размеры пор изменяются от 100 до 700 нм в зависимости от режимов обработки.

К недостаткам криогенных насосов следует отнести: резко выраженную селективность при откачке газовых смесей и существенное изменение предельного вакуума даже при значительном повышении температуры криопанели: необходимость активировать криопанель сорбентом или использовать вспомогательные средства откачки для удаления водорода, гелия и неона, парциальное давление которых определяет в основном предельный вакуум, создаваемый криогенным насосом.