2. Форвакуумний насос для створення попереднього розрідження.

Свою назву пластинчаті насоси отримали через наявність у їх конструкції пластин, котрі в одному типі насосів обертаються разом з роботом (пластинчато-роторні і багатопластинчаті насоси), а в іншому – розташовані у статорі (пластинчато-статорні насоси). Робота обертального пластинчатого насоса ґрунтується на використанні закону Бойля-Маріотта.

Пластинчато-роторний насос складається з циліндричного ротора 1 (рис. 1), вісь обертання котрого розташована ексцентрично відносно осі статора 2 так, що ротор і статор торкаються одне одного по твірній аb. Ротор по діаметру має прорізь, у котру поміщені дві пластини S1 і S2, що притискаються до циліндричної поверхні статора пружиною 3. Крім того, в корпусі статора є вхідний отвір і випускний канал, в котрому змонтований шариковий клапан. Таким чином, ротор, статор і пластини створюють три об’єми А, В, С. Об’єм А, розташований з боку вхідного отвору, називається порожниною впуску, В, відокремлений пластинами від вхідного і вихідного отворів, порожниною переносу і об’єм С – порожниною випуску.

Рис. 1. Пластинчато-роторний насос.

При обертанні ротора в напрямі, вказаному стрілкою, об’єм порожнини А збільшується і відбувається засмоктування газу, а порожнина випуску зменшується, що приводить до стиску газу і виштовхування його назовні. Після того як пластина S2 пройде випускний отвір, порожнина переносу стає порожниною випуску, а засмоктування ще триває. Коли ж пластина S2 пройде спільну твірну і вхідний отвір, порожнина всмоктування переходить у порожнину переносу і процес починається заново. За час повного обороту ротора видаляється об’єм газу, приблизно рівний об’єму порожнини статора мінус об’єм ротора.

Об’єми, розташовані між спільною твірною і отворами в статорі, є „шкідливими”. Шкідливість області біля вихідного отвору полягає в тому, що в ньому газ сильно стиснутий, в той час як у порожнині всмоктування створюється розрідження, в результаті чого стає можливим прорив газу у відкачувану систему.

Поверхні пластинчатих насосів, що труться, повинні бути добре оброблені і потребують постійної змазки. Змазка, крім того, слугує для заповнення простору С (рис. 1) в кінці стиску. Це необхідно для відкривання випускного клапана, коли вакуум, що створюється насосом, наближається до граничного, і тиску стиснутого газу є недостатньо для відкриття вихлопного клапану. Граничний вакуум, що створюється пластинчато-роторними насосами, залежить не лише від величини шкідливого простору, але також від якості обробки поверхонь, їх змазки і сорту масла. Як правило, цей тиск достягає 10^-1 – 10^-2 мм рт.ст.

3. Молекулярний дифузійний насос.

При вивченні роботи обертальних вакуумних насосів газ розглядався з мікроскопічної точки зору, коли не бралася до уваги його молекулярна будова. Такий газ є неперервним середовищем, в цілому нерухомим, хоча кожна його молекула бере участь у тепловому русі. При переході до вивчення роботи молекулярних насосів, слід застосовувати інший підхід і розглядати газ з мікроскопічної точки зору, що враховує поведінку і властивості окремих молекул газу. Дифузійні насоси призначені для роботи у області високого і надвисокого вакууму, тобто при тисках 10^-3-10^-7 мм рт.ст. і нижче. Для запуску і нормальної роботи насоса треба на його виході створити попереднє розрідження 10^-2 мм рт.ст., що і забезпечується форвакуумним насосом.

Робота дифузійних молекулярних насосів грунтується на принципі передачі імпульсу молекулам відкачуваного газу. Відкачувані молекули отримують направлену швидкість при зіткненнях з більш важкими молекулами струменя пари робочої рідини, до якого вони потрапляють шляхом дифузії.

Робочою рідиною для дифузійних насосів служать ртуть (парортутні насоси) і спеціальні вакуумні масла (паромасляні насоси).

Схема будови паромасляного дифузійного насоса, найпоширенішого в наш час, показана на рис.2. На дні посудини, як правило металевої, знаходиться рідина, що випаровується. Випаровування її здійснюють електричні нагрівники.

Об’єм, що відкачується, приєднується до верхнього кінця насоса, а його вихлопний патрубок – до вхідної труби форвакуумного насоса. Після того як форвакуумний насос створив необхідний тиск в насосі і відкачуваному об’ємі, включається нагрівник і рідина інтенсивно випаровується. Пара піднімається по трубі, розташованій над рідиною, з великою швидкістю викидається з сопла, котрим закінчується труба, а потім конденсується на стінках і стікає вниз на дно посудини.

Рис.2. Схема паромасляного дифузійного насоса.

Стінки посудини оточені „сорочкою”, всередині котрої тече вода. Нагрівник і холодильник насоса забезпечують, таким чином, неперервну циркуляцію пари. Молекули відкачуваного газу, що надходять з робочого об’єму, захоплюються струменем пари, що викидається з сопла, переносяться в нижню частину насоса, де вони потрапляють в патрубок і викидаються форвакуумним насосом в атмосферу.

Основне значення струменя пари зводиться до того, щоб передати частину свого імпульсу молекулам відкачуваного газу і спрямувати їх вниз до вихлопної труби. Тиск газу на вихлопі високовакуумного насоса дорівнює, очевидно, тиску, що створюється форвакуумним насосом.

Конструкції паромасляних дифузійних насосів мають ряд особливостей, пов’язаних з використанням у якості робочої рідини масла. Це перш за все пристрої, що забезпечують фракціонування (тобто розділення на фракції) неоднорідних масел, причому важкі фракції (з низьким тиском насичуючої пари спрямовуються у сопло першої (високовакуумної) ступені, чим забезпечується низький граничний залишковий тиск і висока швидкодія насоса в цілому, а легкі фракції (з високим тиском насичуючої пари) спрямовуються у сопло останньої ступені, забезпечуючи високий випускний тиск.

Фракціонування масла, що стікає в кип’ятильник по стінках корпуса, здійснюється за допомогою лабіринтних кілець, що подовжують шлях масла до центральної зони. Легкі фракції встигають випаруватися на периферії, а більш важкі в центрі, де вони випаровуються у сопло першої ступені. Граничний залишковий тиск пароструменевого дифузійного насоса сильно залежить від якості фракціонування і вмісту газу в маслі.

При робочих тисках дифузійних насосів довжина вільного пробігу молекул відкачуваного газу практично завжди більша, ніж діаметр впускного отвору насоса. При тепловому русі молекули газу направляються до парового струменя. Механізм видалення газу в дифузійних насосах зумовлений дифузійними процесами. Під дією різниці концентрацій газу над паровим струменем і в струмені (концентрація газу в струмені поблизу сопла знехтовно мала) відбувається дифузія газу у струмінь. Потрапивши в струмінь, молекули газу отримують імпульси від молекул пари у напрямі парового потоку, і виносяться разом з струменем до охолоджуваної стінки корпуса насоса, при цьому пара конденсується, а газ, стиснутий в струмені до випускного тиску ступені, перетікає вздовж стінки у простір на наступній ступені насоса. Поряд з прямою дифузією газу відбувається і зворотна дифузія, однак при оптимальних режимах роботи вона дуже мала, хоча в деяких випадках, наприклад, при відкачці легких газів суттєво впливає на характеристики насоса.

Велику роль при виборі оптимального режиму роботи паромасляного насоса відіграє правильний підбір потужності нагрівника. Це пов’язано не лише з підвищеною температурою кипіння масла (150-160°С при 10^-1 мм рт.ст.) і можливістю його розкладу, але і з ефективністю відкачуючої дії струменя. Швидкість дії насоса залежить від його розмірів і змінюється від 40 – 50 до кількох десятків тисяч літрів за секунду.