10.8. Получение вакуума и избыточного давления. Часть 2

Пластинчато-роторные масляные насосы часто использую не по назначению: их применяют как вакуум-насосы для перегонки органических веществ, как воздуходувки и т.п. После такой эксплуатации от насоса нельзя ожидать получения вакуума, необходимого для диффузионного насоса. В качестве форвакуумного необходимо иметь отдельный насос, который не следует применять ни для каких других целей. Применение сортовых масел, не соответствующих паспортным данным, также приводит к быстрому выходу насоса из строя.

Для поддержания нужного вакуума в откачиваемой системе в нее вводят после форвакуумного насоса балластный сосуд, на зываемый форбаллоном (рис. 260,6). Чем больше объем форбаллона, тем большее количество натекающего газа и паров воды он может принять при выключенном форвакуумном насосе без заметного снижения вакуума. Объем форвакуумных круглодонных и толстостенных колб обычно составляет 2 - 5 л. Колбы снабжают коротким ртутным манометром, заполняемым ртутью отдельно от колбы, а затем припаянным к ней при помощи ручной паяльной горелки.

Баллон обязательно окружают тонкой металлической или капроновой сеткой, предохраняющей экспериментатора от осколков при разрыве баллона.

Помимо насосов с двумя пластинками выпускают пластинчато-роторные насосы с четырьмя пластинками.

Существуют и безмасляные, не имеющие клапанов, двухроморные насосы. В таком насосе в корпусе 1 (рис. 260,в) вращаются два ротора: ведущий 4 и ведомый 2. Между корпусом и роторами имеются зазоры, исключающие необходимость подачи масла в рабочую полость насоса. При вращении роторов большая часть газа захватывается ведущим ротором и сжимается внутри полости. Меньшая часть газа переносится ведомым ротором из всасывающего патрубка 5 к нагнетающему 3 без внутреннего сжатия.

К недостаткам двухроторных насосов относятся высокий уровень шума при работе, большая внутренняя перетекаемость газа через зазоры и значительные затраты электроэнергии.

Действие другого двухроторного насоса - насоса Рутса понятно из приведенной схемы (рис. 260,г). Роторы 2 и 4 при синхронном вращении (4000 об/мин) входят один в другой и при соответствующем предварительном разряжении перед патрубком 1 производят быструю откачку газа. В любой момент времени роторы отделяют пространство, сообщающееся с впускным патрубком 1, от пространства, соединенного с выпускным патрубком 3. Роторы не соприкасаются ни между собой, ни со стенками корпуса (зазор 0,1 - 0,3 мм). В насосе Рутса происходит не сжатие газа, а лишь перемещение его в нужном направлении.

Насос Рутса называют также бустерным насосом, т. е. вспомогательным или усилительным. Вначале откачку газа производят насосом предварительного разряжения через неработающий насос Рутса, который практически не оказывает сопротивления потоку газа. Когда давление газа до патрубка 1 становится равным около 10 торр (1300 Па), включают электродвигатель и насос Рутса быстро удаляет остатки газа. Без насоса предварительного разряжения насос Рутса может создать вакуум только До 250 торр.

Диффузионные насосы применяют для получения вакуума Порядка 10-7 - 10-6 торр (10-5 - 10-4 Па). Рабочим телом в таких Насосах является кипящая ртуть или кипящая при высокой температуре жидкость. В диффузионных насосах сочетаются два процесса: захват откачиваемого газа струей пара за счет вязкостного трения между ее поверхностными слоями и прилегающими Слоями газа и диффузия молекул газа в струю пара жидкости, втекающей из сопла. Разделить эти два процесса трудно.

Рис. 261. Принципиальная схема диффузионного насоса

Когда обладает первый, диффузионный насос называют пароструйным, или насосом Ленгмюра, если доминирует процесс диффузии, на называют диффузионным.

На рис. 261 приведена принципиальная схема пароструйного насоса, предложенного в 1916 г. Ленгмюром. Из зонтичного сопла 3 через диффузионный зазор 4 вытекает струя пара жидкости, образующегося в колбе 8, нагреваемой электрической плиткой 10. Расширяясь в сопле, струя пара приобретает сверхзвуковую скорость. Молекулы газа, поступающие из патрубка 7, увлекаются струей пара подталкиваемые его молекулами, приобретают дополнительную скорость в направлении движения потока пара. Пар конденсируется на охлаждаемых стенках сосуда 2, а конденсат стекает колбу через трубки 9. Молекулы газа выбрасываются через патрубок 7 на вход форвакуумного насоса, с помощью которого удаляются окончательно из вакуумируемой системы.

Предельный вакуум, создаваемый диффузионным насос определяется главным образом температурой стенки охлаждающей рубашки 5, но отчасти зависит и от давления насыщенного пара рабочей жидкости, от обратной диффузии молекул от откачиваемого газа, от выделения газообразных продуктов из конструкционных материалов насоса и газообразных примесей рабочей жидкости.

(Ленгмюр Ирвинг (1881—1957) - американский фиэикохимик, лауреат Нобелевской премии.)

В качестве рабочей жидкости для диффузионных насос кроме ртути, применяют жидкости, обладающие очень небольшим давлением пара в обычных условиях, высокой термическая устойчивостью и незначительной окисляемостью кислородом воздуха (см. табл. 38).

Диффузионные насосы могут работать только при форвакууме не ниже 0,1 торр ( 13 Па), создаваемого механическими ротационными насосами. При более высоком давлении масла диффузионного насоса может разлагаться с образованием легколетучих продуктов, снижающих степень разряжения.

Помимо масляных диффузионных насосов существуют ртутные, не имеющие, существенных отличий как в отношении принципа действия, так и в конструкции.

Ртутные насосы работают при более высоком давлении пара (10 - 15 торр), чем масляные (1-5 торр). Поэтому расход пара в ртутном насосе значительно больше, чем в масляном, что вызывает необходимость увеличения мощности электронагревателей ртутных насосов. Давление форвакуума для ртутных насосов (10-20 торр) выше, чем давление для масляных (0,05 - 0,5 торр). Обогрев диффузионных насосов включают лишь тогда, когда достигнут необходимый форвакуум. Прекращение тока охлаждающей воды в холодильнике ртутных диффузионных насосов может привести к проникновению воздуха в насос, образованию в нем HgO и даже к взрыву.

Одноступенчатый стеклянный ртутный диффузионный насос (рис. 262,а), называемый еще "тромбонным", при весьма высоком предварительном давлении в 15 торр создает очень быстро остаточное давление порядка 0,001 торр. Слабым местом стеклянного насоса является сифон б, служащий для возвращения в колбу 7 сконденсированной ртути; он легко ломается.

В диффузионных ртутных насосах важно, чтобы кольцевой зазор между соплом 2 и инжектором 3, охлаждаемым в холодильнике 4, не был слишком мал. При небольшом зазоре в нем Могут появиться капли сконденсировавшейся ртути и образовать жидкостный затвор, который начнет препятствовать дальнейшему удалению газа из откачиваемого объема. При этом насос Перестает работать.

На производительность насоса влияет температура охлаждающей воды в холодильнике 4: чем меньше температура охлаждения, тем выше производительность насоса.

По трубке 5 газ отводится к форвакуумному насосу. Для предотвращения конденсации пара ртути до инжектора Услужит теплоизоляция 8.

Чтобы получить более высокий вакуум применяют многоступенчатые диффузионные насосы. В частности, трехступенчатый жидкостной диффузионный насос (рис. 262,6) имеет колбу 5 с кипящей жидкостью, электронагреватель 6, три сопла 2 с уменьшающимся диаметром от нижнего к верхнему и воздушные холодильники 3. Так как теплоемкость жидкостей меньше, чем ртути, в небольших насосах для конденсации пара достаточно воздушного охлаждения.

По трубке 4 газ поступает из вакуумируемого сосуда, а по трубке / отводится к форвакуумному насосу.

Сорбционные вакуумные насосы применяют для создания предварительного разряжения в ионно-геттерном насосе (сМ' ниже) и для удаления газов, выделяемых конструкционными материалами высоковакуумных установок. В таких насосах газ как правило, остается в насосе в связанном виде на поглощающих поверхностях или в приповерхностных слоях.

Насос состоит из камеры 5 (рис. 263,а) с адсорбентом(цеолиты, силикагель, активированный уголь и др.), внутри которой расположен сетчатый стакан 4.

Рис. 263. Вакуумные иасосы: адсорбционный (в) и Ионно-геттерный (б, в)

Через кран 2 камеру присоединяют к ионно-геттерному насосу, а через кран 3 - к диффузионному или ротационному насосу. Перед использованием сорбционного насоса содержащийся в нем сорбент активируют, нагревая камеру примерно до 200 °С при открытых кранах 2 и 3 для удаления пара воды - основного компонента, поглощаемого сорбентом. Затем эти краны закрывают и камеру 5 погружают в сосуд Дьюара б с жидким азотом. После этого открывают краны 2 и 3 поочередно включают насосы, начиная с ротационного. После извлечения камеры из жидкого азота, сначала открывают кран 1 для сброса избыточного давления.

Адсорбционная способность активированного угля для различных газов неодинакова и возрастает с понижением температуры. Например 1 см3 его при -185 °С поглощает: Не -15 см3, Н2 - 135 см3, N2 - 155 см3, Аr- 175 см3, СO2 - 190 см3, а O2 -230 см3.

Ионно-геттерные вакуумные насосы. Эффект ионно-геттерного откачивания газа обусловлен высокой химической активностью ионизированных молекул, способных проникать в поверхностный слой распыляемых частичек геттера и химически взаимодействовать с ним.

Геттер (от англ. getter - газопоглотитель) - вещество, способов связывать газы, кроме благородных, в химические соединения. В качестве геттеров применяют титан, барий и его сплавы с алюминием и титаном, лантан, церий и другие металлы. В частности, титан связывает кислород с образованием диоксид;; TiO2, 1 азот - с образованием нестехиометрического нитрида TiNx:

 

Другие части:

10.8. Получение вакуума и избыточного давления. Часть 1

10.8. Получение вакуума и избыточного давления. Часть 2

10.8. Получение вакуума и избыточного давления. Часть 3

 

 

К оглавлению