2. Диффузионные насосы

В 1963 году в специальных журналах по вакуумной технике было отмечено 50-летие со времени изобретения диффузионного насоса. Рабочим телом в первом диффузионном насосе была ртуть. Изобретатель – немецкий ученый Геде. Мене чем через 3 года после этого изобретения Лэнгмюр создал конструкцию насоса, которая в основном сохраняется до настоящего времени. В 1928 году было показано, что ртуть можно с успехом заменить маслом с низким давлением паров.

Несмотря на изобретение новых типов насосов, обладающих преимуществом в той или иной области, диффузионный насос остался стандартным средством получения вакуума в диапазоне давлений 510^-3...10^-7 мм рт.ст. (10^-1...10^-5 Па).

Принцип действия. Диффузионные насосы применяют для откачки вакуумных систем до остаточных давлений 10^-1...10^-5 Па. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа всегда больше диаметра впускного отверстия насоса, поэтому в нем возникает молекулярный режим течения газа. Молекулы газа направляются к паровой струе. Под действием разности концентраций газа над паровой струей и в самой струе происходит диффузия газа в струю. Попав в струю, молекулы газа уносятся к стенке корпуса, пар конденсируется, а газ попадает в пространство над второй ступенью и так далее – до форвакуумного насоса.

Естественно, что одновременно с прямой диффузией газа (с прямым потоком) существует и обратный поток (происходит обратная диффузия). При оптимальном режиме работы насоса этот поток незначителен.

Устройство насосов. Диффузионные насосы подобно бустерным являются многоступенчатыми системами с соплами обращенного зонтичного типа.

В паромасляных диффузионных насосах используют различные рабочие жидкости органического происхождения с низким давлением пара при нормальной температуре.

Следует отметить, что требования к рабочей жидкости паромасляных насосов, обеспечивающие наиболее благоприятные условия работы отдельных ступеней, различны. Для первой (входной) ступени нужна жидкость с низким давлением паров, чтобы гарантировать получение низкого остаточного давления. Для последней (выходной) ступени, определяющей наибольшее выпускное давление насоса, давление пара при рабочей температуре в кипятильнике должно быть возможно большим для получения струи высокой плотности, т.е. реализации эжекторного механизма откачки. С учетом этого в конструкциях современных паромасляных диффузионных насосов предусматривают фракционирование рабочей жидкости в самом насосе: тяжелые фракции с малым давлением пара направляются к первой ступени, а легкие с большим давлением – к последней. Такие насосы называются фракционирующими (рис. 24.6).

Характеристики диффузионных насосов. В рабочем диапазоне давлений быстрота действия диффузионного насоса не зависит от впускного давления (рис.24.7) Участок I обусловлен нарастанием обратной диффузии . Участок II Q>>Q_обр .Участок III - срыв работы ступени: нерасчетный режим сопла, скачек уплотнения. Результат – переток газа из области форвакуума в области низкого давления (не диффузионный поток, не Q_обр , а поток газа).

Механизм увлечения газа струей в высоковакуумном диффузионном насосе обусловлен двумя основными процессами (диффузией газа в струю, зависящей от плотности струи, и переносом газа струей, зависящим от скорости струи). Так как действие этих параметров различно, а они пропорциональны мощности нагревателя, то зависимость быстроты действия от мощности обязательна и она имеет максимум (рис. 24.8). Для выбора оптимальной мощности нагревателя насоса при откачке различных газов можно пользоваться эмпирическим уравнением:

, (1)

где N_N2 – паспортная характеристика, М – молекулярная масса газа.

На практике часто необходимо откачивать из вакуумных систем смеси различных газов. Если известен состав смеси и известна быстрота действия насоса для каждого газа, то расходную характеристику насоса для смеси находят из объемных соотношений для газовых смесей. Если значения быстроты действия насоса для отдельных газов, входящих в смесь, неизвестны, то для ориентировочных расчетов можно воспользоваться следующим алгоритмом.

1. Известна из паспортных данных быстрота действия насоса по воздуху (или по азоту): S_N2.

2. Находим быстроту действия насоса для данного газа по зависимости ,

где S_i –быстрота действия насоса для i-го газа, М_N2 и М_i – соответствующие молекулярные массы.

3. Находим , (2)

где С_i – объемная доля газа смеси.

4. Выбирают оптимальную мощность нагревателя по экспериментальной зависимости

, (3)

а определяют по (1).

Важной характеристикой диффузионного паромасляного насоса является миграция паров масла в откачиваемый объем, т.е. «замасливание» откачиваемого объема. Эту миграцию называют обратным потоком масла. Рассмотрим причины возникновения обратного потока.

1. Неплотности в креплении сопла. Кроме того, из-за турбулентного характера движения паровой струи на выходе из сопла часть молекул огибает край сопла и движется в направлении впускного отверстия насоса (рис. 24.9-а).

2. При истечении пара из сопла вдоль его стенок и у выхода из сопла всегда имеется пленка жидкости (рис. 24.9-а). Так как сопло имеет высокую температуру, то влажные кромки сопла являются достаточно мощным источником парового потока, большая часть которого попадает в откачиваемую систему. Устранить этот источник трудно. Его можно только ослабить. (Далее анализ рис.24.9-б).

3. Третьим источником обратного потока масла является паровая опушка, образуемая молекулами пара, движущимися между кромкой сопла и основным паровым потоком. Причина этого в пограничном слое, образующимся при течении пара вдоль стенок сопла. Здесь - характерный процесс истечения погранслоя в вакуум с разворотом потока на угол Майера. (Далее рис. 24.10 и его объяснение).

Установка защитного колпачка (или защитного кольца) ослабляет отмеченные источники миграции пара. Обратный поток масла однозначно зависит от впускного давления (рис.24.11). Повышенный обратный поток масла всегда имеет место при запуске и остановке насоса (рис. 24.12). После включения нагревателя (~15 минут) обратный поток равен нулю, т.к. температура масла низкая. Далее температура масла быстро повышается, но из сопла истекает еще несформированный дозвуковой поток паров масла. Через некоторое время поток формируется, скорость становится сверхзвуковой, а обратный поток масла резко уменьшается. Температура в кипятильнике повышается до рабочей – плотность пара на выходе из сопла увеличивается. В результате уменьшается и стабилизируется обратный поток.

При выключении снижается температура пара в кипятильнике, уменьшается плотность паровой струи. При достижении температуры в кипятильнике, возникает нерасчетный режим течения в сопле (скачок уплотнения в сопле). Скорость струи становится дозвуковой, а плотность струи возрастает. Это приводит к резкому возрастанию обратного потока масла. По мере снижения температуры в кипятильнике обратный поток масла уменьшается.

Для предотвращения проникновения паров масла в откачиваемый объем из диффузионных и бустерных насосов служат вакуумные ловушки. Механической ловушкой является колпачковый маслоотражатель. Наиболее распространенные – криогенные ловушки, в которых хладоагентом является жидкий азот. Защитную способность ловушки () определяют как , где - поток пара из насоса в ловушку, - поток пара из ловушки в объем.

Для азотных криоловушек  = 10⁵. Они обеспечивают практическое отсутствие тяжелых углеводородов в откачиваемой системе.