Пароструйные насосы

Конденсирующиеся пары используются в качестве откачивающего средства в двух главных типах вакуумных насосов — диффузионных и эжекторных.

Диффузионные насосы, как правило, применяются при давлениях 10~²—10^-7 мм рт. ст. Разрез типичного диффузионного насоса показан на фиг. 9. Корпус насоса представляет собой водоохлаждаемый цилиндр. Нагреватель расположен вне цилиндра внизу или встроен через нижнюю часть этого цилиндра в резервуар для масла или ртути. Насосная жидкость испаряется в кипятильнике и поднимается по внутреннему паропроводу вверх. Пары удаляются через два или три кольцевых отверстия (сопла), которые направляют струю пара на охлаждаемые стенки насоса. Молекулы газа из камеры диффундируют в струю пара и в момент движения последнего вниз попадают внутрь насоса. После прохождения через два или три сопла молекулы достигают форвакуумной линии, по которой они движутся в пластинчато-роторный или плунжерный форвакуумные насосы. Работа диффузионного насоса возможна, если противодавление, создаваемое форвакуумным насосом, ниже 1 мм рт. ст. Вообще работа диффузионного насоса не зависит от величины форвакуумного давления до тех пор, пока не будет достигнут максимально возможный предел противодавления. За величину предела противодавления принимается такое давление, создаваемое форвакуумным насосом, при котором давление на входе в диффузионный нассс изменяется йа 10%. Диффузионные насосы, работающие в области давлений 10^-2—10~⁷ мм рт. ст., имеют допустимое противодавление в пределах 0,2—0,3 мм рт. ст.

Бустерный диффузионный насос отличается от описанного выше некоторыми изменениями в форме сопел и большей потребляемой мощностью. Кроме того, в этих насосах применяют хлорированное масло. Бустерные насосы работают в области давлений от 0,1 до 500 мк рт. ст. при допустимом противодавлении около 1 мм рт. ст. Эти характеристики бустерных вакуумных насосов позволяют широко использовать их в вакуумной металлургии. Диапазон рабочих давлений пригоден для различных областей, а допустимое высокое противодавление позволяет применять небольшие и недорогие форвакуумные насосы. Бустерные масляные насосы строятся с различными диаметрами всасывающего патрубка — от 25 до 400 мм, что соответствует скоростям откачки 8—4200 л/сек,. Возможность откачки больших объемов с помощью этих насосов оправдывает капитальные затраты на их изготовление. Насосы удобны в эксплуатации из-за отсутствия каких-либо движущихся частей и малых отверстий, подверженных быстрому засорению. Главный их недостаток состоит в том, что часть масла попадает в высоковакуумную камеру.

Диффузионные и бустерные насосы используются параллельно или последовательно в одной и той же системе для создания глубокого вакуума. Однако при подобном сочетании необходимо следить, чтобы откачивающая жидкость не переносилась из одного типа насоса в другой, поскольку эти жидкости в бустерных и диффузионных йасосах обычно неодинаковы. Улучшенная термическая стойкость недавно предложенных кремнийорганических масел обеспечила расширение применения бустерных и диффузионных насосов. Насосы с таким маслом часто могут работать без высоковакуумных клапанов; ремонтируются эти насосы реже, чем насосы, работающие на обычных маслах.

Ртутные диффузионные и бустерные насосы предпочитают использовать в тех случаях, когда термическое разложение насосной жидкости Недопустимо. В силу этого ртутные Насосы нашли широкое применение в аналитической аппаратуре. Они используются также там, где загрязнение парами масла недопустимо. Главные недостатки ртутных насосов: токсичность ртути и необходимость установки на входе насоса вымораживающей ловушки, так как при комнатной температуре давление паров ртути относительно велико (около 2 мк рт. ст.).

На фиг. 10 показан разрез типичного диффузионного эжекторного ртутного насоса. Изготовляется много типов этих насосов, и размеры их колеблются в широких пределах.

Эжекторы работают с парами конденсирующихся газов, обычно ртути, масла или водяного пара. Пар при относительно высоком давлении, проходя через коническое сопло, расширяется. В результате струя пара приобретает высокую скорость и увлекает откачиваемый газ. Пар, несущий газ, проходит через диффузор, из которого в свою очередь газ выделяется в атмосферу или в другую ступень более высокого давления. Для насосов этого типа благодаря высокой скорости потока пара допустимы очень большие противодавления. Применяют эжекторные масляные насосы с допустимым противодавлением в 12 мм рт. ст.

Так как одноступенчатые эжекторные насосы имеют очень узкий интервал давлений, обычно практикуют сочетание эжекторной ступени с несколькими диффузионными ступенями. На фиг. 11 представлена рабочая характеристика подобного сочетания. Возможно также последовательное включение эжекторов, при котором обеспечивается желательная степень откачки.

Так как одноступенчатые эжекторные насосы имеют очень узкий интервал давлений, обычно практикуют сочетание эжекторной ступени с несколькими диффузионными ступенями. На фиг. 11 представлена рабочая характеристика подобного сочетания. Возможно также последовательное включение эжекторов, при котором обеспечивается желательная степень откачки.

Кривая скорости откачки шестиступенчатого пароструйного эжекторного насоса, который может работать в диапазоне давлений от 6 мк до 760 мм рт. ст., показана на фиг. 12.

Использование эжекторов постепенно вытесняет применение механических насосов, а при наличии в системе пароструйных эжекторных насосов механические насосы полностью исключаются. На заводах, где имеется пар, особое внимание должно быть привлечено к пароструйным эжекторным блокам. Капитальные затраты и эксплуатационные расходы, связанные с использованием эжекторных насосов, такие же, как и для других ранее упомянутых систем. В некоторых случаях можно сочетать масляные диффузионные насосы или насосы-воздуходувки в качестве высоковакуумной ступени с пароструйными эжекторными насосами в качестве вспомогательных.

Большинство современных исследований в области вакуумных насосов направлено на получение вакуума ниже 10~⁶ мм рт. ст. Работа этих ультравысоковакуумных насосов основана либо на принципе химического взаимодействия откачиваемых газов с насосными парами, либо на принципе ионизации. В последнем случае газовые молекулы ионизируются и направляются электростатическим полем на абсорбирующую поверхность. Новая высоковакуумная технология быстро развивается на основе применения насосов такого типа и использования металлических или стеклянно-металлических систем, которые прокаливают при высоких температурах (400° и выше) для десорбции газов. Эти высоковакуумные системы пока на вышли за пределы исследовательских лабораторий, но, по-видимому, в течение следующих пяти лет они войдут в практику промышленного применения.