Лекция №12 Диффузионные насосы

Диффузионный насос был одновременно изобретен в 1914 г в трех странах: в России, профессором Санкт-Петербургского Университета Боровиком, в Германии – инженером Геде и во Франции – Ленгмюром, поскольку к этому времени в мире появилась острая потребность в дешевом средстве получения высокого вакуума, необходимого для производства осветительных и приемно-усилительных ламп.

Принцип работы диффузионного насоса заключается в откачке молекул газа струей пара, переносящей откачиваемые молекулы из области впуска к выпускному патрубку. На рис. 27 показан принцип работы насоса с “прямым” диффузионным соплом. Главной частью такого насоса является расположенное в центре охлаждаемого водой или воздухом корпуса прямоточное расширяющееся сопло (сопло Ловаля).Струя паров масла или ртути выходящая из сопла со сверхзвуковой скоростью образует расходящийся конус и касаясь холодного корпуса, конденсируется на нем.

Рис.27

Молекулы откачиваемого газа, находящиеся в области впускного патрубка, попадая в струю пара переносятся этой струей к области выпускного патрубка насоса (к форвакуумной области насоса). Прямое сопло образует струю высокой плотности , в которую откачиваемым молекулам газа трудно проникнуть (диффундировать), что снижает скорость откачки (т.к. большая часть молекул газа отражается от струи обратно).

Если использовать сверхзвуковую струю пары малой плотности, то можно достигнуть высокой эффективности откачки. Такая струя образуется в так называемом “обращенном” сопле (зонтичном сопле), рис. 28

Рис.28

Геометрическая быстрота откачки такого сопла может быть рассчитана:

где V₁– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени,

V₁=117м³/м²*с;

F - площадь поверхности (сопла) откачивающей газ, м²;

D - внутренний диаметр корпуса насоса, м;

d - наружный диаметр сопла, м.

Действительная быстрота откачки должна быть рассчитана с учетом обратного потока газов (как сумма прямого и обратного потоков):

Q = Q_п – Q_о

где Q_п - прямой поток; Q_п =V₁*P_вп*F;

Q_o- обратный поток; Q_о = V₁*P_обр*F

Согласно определению, предельное давление это минимальное давление достигаемо на впускном патрубке насоса, когда насос не качает газ, т.е.

если Р_вп=Р¹, то Q = Q_п – Q_о= 0 =V₁P_впF – V₁P_обрF

что означает: P¹ =P_обр

Таким образом, в общем виде можно записать:

Q =V₁P_впF – V₁P¹F= V₁F(P_вп -P¹)

По определению: ,

с учетом отраженных обратно от струи молекул газа: ,

где γ – фактор качества (откачки),

Это означает, что только 25-30% молекул, ударяющихся о струю проникают в нее и могут быть откачены. Кроме того, обратное давление Р_обр = Р¹ в зоне работы рассматриваемого сопла должно быть минимальным, чтобы уменьшить обратный поток газа. В одноступенчатом диффузионном насосе не удается обеспечить малое обратное давление, поэтому обычно используются многоступенчатые диффузионные насосы, где обратное давление растет от ступени к ступени. На рис.29 показан насос в котором использованы три последовательных диффузионных “обращенных” (зонтичных) сопла и одно прямоточное инжекторное сопло.

Рис. 29 Конструкция четырехступенчатого диффузионного насоса:

1. охлаждаемая водой ловушка – колпачок, которая уменьшает обратный (в сторону вакуумной камеры) поток паров масла из сопла на 90 %, незначительно уменьшая при этом скорость откачки насоса;

2. Центральный паропровод, в который из кипятильника попадают только тяжёлые фракции масла с меньшим давлением насыщающих паров (которые кипят при большей температуре, только в центре кипятильника);

3. Инжекторное прямоточное сопло;

4. Козырёк внутри наружной трубы паропровода, служит для отражения капель при кипячении масла;

5. Днище кипятильника, обеспечивающее хорошую теплопередачу, не допускающее перегрева зон кипятильника свыше 240⁰С, чтобы избежать образования лёгких фракций масла, не улавливаемых ловушкой;

6. Нагреватель (печь);

7. Выпускной патрубок;

8. Форвакуумная ловушка – лабиринт, уменьшающая потери (выбрасывание в форвакуумную линию) масла.

Поскольку в отличии от ртути (мономера) вакуумное масло – полимер, состоящий из смеси фракций со слегка различающимся давлением насыщающих паров необходимо не допустить лёгкие (легкокипящие) фракции ко впускному патрубку. Показанный на рис.29 насос разгоночный , так как отделяет (разгоняет) лёгкие фракции, кипящие в зоне внешнего паропровода от тяжёлых, достигающих центральной, более нагретой зоны кипятильника 5 и кипящих в зоне внутреннего паропровода, поз.2 . Таким образом, достигается улучшения предельного вакуума примерно на порядок (на вакуумном масле ВМ-5 достигается Па).

Пример:

Рассчитать фактор качества (откачки) насоса HIC, имеющего следующие геометрические параметры:

D=86 мм; d=40 мм.

Насос создаёт предельный вакуум Па.

При впускном давлении Р_вп=10^-2Па, насос обеспечивает быстроту откачки S_Н=120 л/с = 0,12 м³/с

Геометрическая быстрота действия насоса:

[м³/с ];

Тогда фактор качества:

Такой низкий показатель, характеризующей недостаточно конструктивное совершенство рассмотренного насоса.

[м³/с ]