27.Диффузионные насосы.

В области высокого вакуума вследствие больших значений длины свободного пробега молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю пара. Откачиваемый газ проникает в паровой поток и уносится им. Пароструйные насосы, работающие в таком режиме в области давлений, соответствующей молекулярному течению газа, на­зываются диффузионными.

Простейший диффузионный на­сос (рис. 2.28) включает: нагреватель /, испаритель, диффузионное сопло 2, закрепленное на паропроводе 6, впускной 3 и выпускной 5 патрубки. Пар рабочей жидкости поднимается по паропроводу и выходит через кольцевое тарельчатое (зонтичное) сопло (рис. 2.29), которое разворачи­вает струю пара и направляет ее вдоль внешней поверхности паро­провода вниз. Молекулы газа, по­павшие в паровой поток, увлекаются им. Корпус насоса охлаждается про­точной водой. Пар охлаждается стен­ками насоса, конденсируется, образуя жидкостный затвор, и рабочая жид­кость стекает в испаритель. Сообщен­ный молекулам газа импульс способствует их накоплению в нижней части насоса, откуда газ откачивается форвакуумным насосом.

Обычно используются многоступенчатые диффузионные насосы.

Схема зонтичного диффузионного сопла

1-подсопельник;2-зонт. Предельное давление диффузионных насосов составляет 10 -10 Па; быстрота действия - от 10 дм³/с до 10-15 м³/с (современных насосов - даже до 200 м³/с); область рабочих давлений - 10-10 Па.

28. Пароструйные бустерные насосы. Бустерные (вспомо­гательные) насосы предназначены для работы в области давле­ний 10-10 Па. Область рабочих давлений бустерных насосов характерна тем, что в ней режим течения откачиваемого газа является переходным от вязкостного к молекулярному. Увлечение газа паровой струей в бустерном насосе обусловлено вязкостным трением на границе струя-газ и диффузией газа в струю. При вы­соком давлении преобладающим является процесс вязкостного увлечения газа, при низком давлении - процесс диффузии.

Для лучшего откачивающего действия при высоком давле­нии струя должна быть достаточно плотной, при низком давле­нии - достаточно разреженной. Поскольку режим истечения паровой струи практически не зависит от давления откачивае­мого газа и остается в процессе откачки неизменным, то его . выбирают с таким расчетом, чтобы получить достаточно высо­кую быстроту действия во всей области рабочих давлений. За­висимость быстроты действия бустерного насоса от впускного давления имеет максимум при среднем давлении области рабо­чих давлений (~1 Па). Быстрота действия бустерных насосов составляет -0,5-5 м³/с.

Бустерный насос обычно используется как промежуточный между диффузионным и форвакуумным насосами. При этом он должен иметь наибольшую быстроту действия в диапазоне вы­пускных давлений диффузионного насоса и выпускное давле­ние, соответствующее максимальной быстроте действия форва­куумного насоса. Применение бустерных насосов необходимо в вакуумных системах на базе диффузионных насосов, обладаю­щих быстротой действия более 10 м³/с.

По сравнению с диффузионными в бустерных насосах уве­личена мощность нагревателя и используются более термо­стойкие рабочие жидкости, что позволяет сместить область ра­бочих давлений насоса в сторону более высоких значений.

Схема паромасляного бустерного насоса приведена на рис. 2.31. Насос состоит из охлаждаемого проточной водой корпуса 3 с впускным 1 и выпускным 9 патрубками, паропро­вода 4 с тремя зонтичными ступенями, сопла 7 и конфузора 8 выходной эжекторной ступени. Цилиндрический испаритель 5 заполнен рабочей жидкостью, окружен защитным кожухом и теплоизоляционным слоем. Внутри испарителя установлен сменный трубчатый электронагреватель 6 закрытого типа. Для измерения уровня рабочей жидкости в испарителе предусмот­рен уровнемер, в нижней части испарителя имеется сливное от­верстие. Рабочую жидкость заливают в испаритель либо через впускной патрубок насоса (как и в случае диффузионных насосов), либо через отверстие для уровнемера. Испаритель сообщается с рабочими ступе­нями насоса двумя паропро-водящими трубами.

С помощью нагревателя 6 рабочая жидкость нагревается до температуры, соответст­вующей давлению пара 1000-2000 Па; образующийся пар поступает по паропроводя-щим трубам к зонтичным со­плам первых трех ступеней и к соплу эжекторной ступени, выходя из них со сверхзвуко­вой скоростью. Откачивае­мый газ захватывается струей пара, выходящей из первой ступени, сжимается до выпу­скного давления ступени, и парогазовый поток увлекается к охлаждаемой стенке корпуса насоса. На стенке пар конден­сируется, конденсат стекает по ней в испаритель, а газ увле­кается парогазовой струей следующей ступени и т. д. Как и в случае диффузионного насо­са, последовательно уменьшаются сечения кольцевых зазоров между стенками корпуса и зонтичным соплом каждой после­дующей ступени; только достигается это за счет конусности корпуса. Для уменьшения потока паров рабочей жидкости из струи первой ступени в откачиваемую систему над соплом пе р-вой ступени установлен охлаждаемый водой маслоотражатель 2. Для улавливания паров рабочей жидкости за эжекторной ступенью служит водоохлаждаемая дисковая ловушка 10.

Рабочие характеристики бустерных насосов существенно за­висят от мощности, подводимой к испарителю. С увеличением подводимой мощности максимум быстроты действия насоса сдвигается в сторону более высоких впускных давлений, прои з-водительность насоса в области высоких давлений увеличива­ется, а в области низких - уменьшается, наибольшее выпускное давление насоса при этом существенно возрастает во всей об­ласти впускных давлений. Вследствие высокой плотности пар о-вых струй бустерные насосы хорошо откачивают легкие газы. Так, быстрота их действия по водороду при номинальной мощности подогрева примерно вдвое превышает быстроту действия по азоту.

31 Адсорбционные насосы. Адсорбционными (крио-адсорбционными) называют насосы, в которых откачка проис­ходит вследствие физической адсорбции молекул газа в порах материала-сорбента, охлажденного до низкой температуры, и которые обычно используются для получения предварйтельно-го разрежения - от атмосферного давления до разрежения ~1 Па. Они, как правило, предназначены для предварительной откачки вакуумных систем с высоковакуумными насосами по­верхностного действия других типов (магниторазрядными, ионно-геттерными).

В качестве адсорбентов в адсорбционных насосах использу­ются пористые материалы с размерами пор si нм и удельной поверхностью -1000-1500 м²/г. К ним относятся: силикагели -гидрированные аморфные кремнеземы (SiO2*nH2O); цеолиты -синтетические алюмосиликаты кальция либо натрия ;активированные угли, углеродные вой­локи, углеволокна и ткани на их основе. Пористая структура силикагелей и цеолитов формируется удалением из их состава при нагревании кристаллизационной воды. Силикагели и цео­литы выпускаются промышленностью в виде гранул.

Обеспечение работы адсорбционного насоса достигается сдвигом Динамического адсорбционно-десорбционного равно­весия в сторону адсорбции при охлаждении сорбента. В качест­ве криоагентов используются сжиженные газы: азот, неон, во­дород, гелий с температурами кипения при атмосферном давле­нии 77,36 К, 27,2 К, 20,38 К, 4,21 К соответственно. При дости­жении динамического равновесия при температуре криоагента откачивающее действие насоса прекращается.

Принципиальная схема откач­ки с использованием адсорбци­онного насоса представлена на рис. 2.40. Основным конструк­тивным элементом насоса являет­ся камера 1 с размещенным в ней адсорбентом. К откачиваемой вакуумной системе насос подсое­диняется через впускной вентиль 2. Вначале насос активируют прогревом до температуры -200 °С при закрытом впускном венти­ле 2 и открытом выпускном 3. При нагреве из адсорбента уда­ляются молекулы газов и паров воды, поглощенные при комнат­ной температуре. После прогрева выпускной вентиль 3 закрывает­ся, насос охлаждается, например, погружением в сосуд Дьюара 5 с жидким азотом. Затем открывается впускной вентиль 2, соединяющий насос с вакуумной системой; за счет адсорбции давление в вакуумной камере понижается.

Поскольку количество поглощенного охлажденным сорбен­том газа может в несколько раз превосходить объем камеры насоса при нормальных условиях, то в конструкции насоса пре­дусмотрен предохранительный клапан 4, который служит для сбрасывания избыточного давления при удалении криоагента после окончания откачки. Периодически после определенного срока работы требуется регенерация адсорбента путем его про­грева при открытом выпускном вентиле.

32.Конденсационные вакуумные насосы. Конденсацион­ными (криоконденсационпыми) называют насосы, откачиваю­щее действие которых основано на конденсации газа на охлаж­даемых поверхностях. Молекулы газа при столкновении с ох­лажденной поверхностью осаждаются на ней, образуя жидкий или твердый конденсат, и, как следствие этого, в откачиваемом объеме понижаются парциальные давления газов.

Откачиваемый газ конденсируется на охлаждаемых криопа-нелях, которые могут быть размещены непосредственно в отка­чиваемом объекте. Благодаря этому быстрота откачки не уменьшается за счет наличия трубопроводов или вентилей.

Конденсационные насосы могут работать лишь в том слу­чае, когда откачиваемый газ по отношению к температуре криоповерхности находится в состоянии пересыщенного пара. Например, для откачки водорода при давлении 10~⁵ Па темпе­ратура поверхности должна быть ниже 4 К, а при давлении 10~⁸ Па - ниже 3,2 К. Для конденсации гелия нужны еще более низкие температуры. В идеальном случае температура поверх­ности криопанелей должна быть достаточно низкой, чтобы вы­мораживать почти все газы и пары, содержащиеся в откачивае­мом объеме. Обычно же криоповерхности охлаждают до темпе­ратур, соответствующих температурам кипения таких криоа-гентов, как жЦцкий азот (77,36 К), жидкий неон (27,2 К), жид­кий водород (20,38 К) или жидкий гелий (4,21 К).

Для работы в различных областях вакуума используются различные конструктивные схемы криоконденсационных насо­сов. Их разнообразие обусловлено как областью рабочих дав­лений, так и используемым криоагентом, составом откачивае­мого газа и т. д.

Рассмотрим вначале схему и принцип работы форвакуумного криоконденсационного насоса. Конденсационную откачку от атмосферного давления обычно осуществляют в два этапа. На первом этапе, в диапазоне давлений от атмосферного до соответствующего тройной точке, откачиваемый воздух кон­денсируется в жидкую фазу и полученная жидкость выводится из наеоса. На втором этапе откачиваемый воздух десублимирует-ся в твердую фазу на той же криоповерхности.Схема форвакуумного конденсационного насоса,охлаждаемого жидким водородом,представлена на рис. 2.43. Камера 5 на­соса подсоединена к откачиваемому объему 1 через затвор 2 и сопло 3, имеющее на входе дроссельную заслонку. В камере 5 расположе­ны змеевик б, изготов­ленный из медной трубки, и воронкооб­разный экран 7. К ниж­ней части камеры 5 че­рез затвор 8 подсоеди­нен сосуд Дьюара 9.

Вначале вход в со­пло перекрывается дроссельной заслонкой и через змеевик 6 под избыточным давлением подается криоагент (жидкий водород). После охлаждения змеевика открывается вход сопла и из откачиваемого объема в насос поступает воз­дух, который конденсируется на поверхности змеевика в жид­кую фазу и стекает в сосуд Дьюара. После понижения давления в камере до давления тройной точки сосуд Дьюара затвором 8 отсоединяется от камеры 5, и дальнейшая откачка осуществля­ется путем десублимации воздуха на поверхности змеевика. Ис­пользование сопла, работающего как газовый затвор, позволя­ет вывести из откачиваемой камеры значительную часть гелия, водорода и неона, которые наиболее трудно откачиваются крионасосами. Концентрация этих газов в камере 5 повышает­ся, они не конденсируются, но не могут вернуться в откачивае­мый объем через сверхзвуковой поток газа в сопле 3.

П ри давлении ниже давления тройной точки время работы насоса ограничено, поскольку растущий слой десублимата снижает эффективность откачки. Для длительной непрерывной откачки в форвакуумном диапазоне давлений требуется как минимум два параллельно включенных насоса, один из кото­рых регенерируется, в то время как другой находится в дейст­вии. Для непрерывного отвода из работающего насоса некон­денсирующихся газов мо­гут использоваться диффу­зионный и форвакуумный механический насосы.

В отличие от форвакуумных высоко вакуумные конденсационные насосы требуют более тщательного экранирования от теплово­го излучения и использова­ния конструктивной схемы с двумя сосудами для крио-агентов (рис. 2.44). Вначале во внешнюю полость насо­са заливается более высо­котемпературный криоа­гент (жидкий азот), а затем во внутреннюю полость -более низкотемпературный криоагент (жидкий гелий). Экраны 1 и шевронный от­ражатель 3 защищают по­верхность сосуда с низко­температурным криоагентом от теплового излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлажденной поверхности 2, на которой происходит его десублимация.

Насосы такого типа используются для высоковакуумной от­качки трудноконденсируемых газов, прежде всего водорода. Увеличение числа шевронных экранов отражателя 3, охлаждае­мого жидким азотом, приводит к существенному снижению расхода гелия и предельно достижимого давления по водороду, а также к некоторому уменьшению быстроты действия насоса. Для снижения притока теплоты за счет излучения конденси­рующая рабочая поверхность 2 покрывается пленкой серебра, а алюминиевые пластины шевронного отражателя 3 анодируют­ся. Насосы удобны и достаточно экономичны при использова­нии для поддержания сверхвысокого вакуума, могут длитель­ное время (более месяца) работать без дозаправки гелием и обеспечивать разрежение ниже 10^-9 Па.

33. Сорбционно-конденсационные насосы. Серьезным недостатком конденсационных насосов является невозможность или сложность откачки газов с очень низкими температурами конденсации, таких, как водород, гелий, неон.

Для откачки таких трудноконденсируемых газов используются усовершенствованные высоковакуумные конденсационные насосы , сочетающие принципы конденсационной и сорбционной откачки. Конденсирующая поверхность, охлаждаемая жидким гелием, покрывается пористым серебром или

цеолитом, благодаря чему достигается увеличение ее адсорбционной емкости по сравнению с емкостью непокрытой поверхности примерно в 105 раз.

Кроме того, практика показывает, что в присутствии легкоконденсируемых газов трудноконденсируемые газы могут быть откачаны до более низких давлений, чем их равновесное давление при температуре криоповерхности. Такое явление известно как сопутствующая откачка. Молекулы неконденсирующегося газа, достигая охлажденной поверхности вместе с молекулами легкоконденси рующегося газа, могут как отражаться от поверхности, так и адсорбироваться на поверхности формирующегося твердого конденсата. Адсорбированные молекулы могут прижиматься к поверхности непрерывно налетающим паром легкоконденсирующегося газа, который при своей конденсации замуровывает часть молекул неконденсирующегося газа. При этом различают: конденсационно-адсорбционную откачку, происходящую за счет адсорбции молекул труднооткачиваемых газов на слое предварительно сконденсированного легкооткачиваемого газа; криогенный захват, имеющий место при совместной одновременной конденсации откачиваемого трудноконденсируемого газа и вспомогательного легкоконденсируемого газа. Эти процессы и положены в основу принципа действия сорбционно-конденсационных насосов.

На рисунке представлена конструктивная схема такого насоса. В корпусе 1 насоса размещены охлаждаемые конденсатор 2 и защитные экраны 3 и 11. Защитный экран 3 повторяет профиль кортора осуществляется криоагентом, поступающим в змеевик 6 по трубопроводу 7, 8. Экраны охлаждаются криоагентом, подводимым по трубопроводу 9, 10. Через патрубок 4 к внутренней поверхности конденсатора 2 подводится легкоконденсирующийся газ. Подогреватель 5 используется для предотвращения конденсации газа на внутренних стенках патрубка 4.

Вакуумная камера вначале откачивается форвакуумным насосом. После достижения предварительного разрежения путем подачи криоагента охлаждаются экраны 3 и 11, которые служат не только для защиты конденсатора от теплового излучения, но и для конденсации паров воды. Затем охлаждается конденсатор, на внешней поверхности которого происходит конденсация основной массы оставшегося в системе газа. Для поглощения неконденсирующихся газов через патрубок 4 подаются порции легкоконденсирующегося газа, например СО2 или Ar, которые конденсируются на внутренней поверхности конденсатора и замуровывают адсорбированные молекулы неконденсирующихся газов.

В результате такой ступенчатой откачки в системе создается безмасляный вакуум с остаточным давлением 10−6−10−9 Па.

34 . Испарительные геттерные насосы. К чисто геттерным насосам относятся испарительные (сублимационные) геттерные насосы, в которых поглощающая поверхность обновляется за счет конденсации на ней в виде пленки термически испаряемого

геттера. В серийных вакуумных насосах в качестве геттера используется титан, который при хемосорбции образует стойчивые соединения почти со всеми активными газами, присутствующими в вакуумных системах. Схема испарительного геттерного насоса представлена на рисунке

Схема испарительного геттерного насоса: