Диффузионный насос

2.3 Диффузионный насос

Диффузионные насосы предназначены для работы в области высокого и сверх-высокого вакуума, т. е. при давлениях ниже 10 Па (10 мм рт. ст.).

Отличительной особенностью характеристики диффузионных насосов является постоянство быстро ты действия в рабочем диапазоне давлений, обусловленное сохранением молекулярного режима течения газа в районе первого сопла.

Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют ряд особенностей, обусловленных недостатками масел, используемых в качестве рабочих жидкостей. Это прежде всего устройства, обеспечивающие фракционирование (т. е. разделение на фракции) неоднородных масел, причем тяжелые фракции (с низким давлением насыщенного пара) направляются в сопло первой (высоковакуумной) ступени, чем обеспечивается низкое остаточное давление и высокое быстродействие насоса в целом, а легкие фракции (с высоким давлением насыщенного пара) направляются в сопло последней ступени, обеспечивая высокое выпускное давление. Насосы с таким устройством называются фракционирующими или разгоночными. На рисунке 2.5,а показано устройство металлического высоковакуумного разгоночного диффузионного насоса Н-5Т. Сварной корпус 1 насоса выполнен из мало углеродистой стали с наваренной на него рубашкой водяного охлаждения, паропровод 2 с двумя зонтичными соплами изготовлен из алюминия; последней выходной ступенью является эжектор З.

Рисунок 2.5 - Паромасляный насос Н-5Т (а) и устройство и действие лабиринтных колец для фракционирования масла (б): 1- корпус; 2 — паропровод; З — эжекторная ступень; 4 — ловушка для паров масла; 5 — электронагреватель; 6 — лабиринтные кольца.

Фракционирование масла, стекающего в кипятильник с периферии по стенке корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец, удлиняющих путь масла (рисунок 2.5,б) до поступления в центральную зону кипятильника, откуда питается паром высоковакуумное сопло, так что легкие фракции масла успевают испариться на периферии кипятильника, откуда они поступают во второе зонтичное и эжекторное сопла насоса.

Остаточное давление пароструйного насоса в значительной мере определяется степенью фракционирования масла и содержанием газов в масле, стекающем в кипятильник, так как чем лучше обезгажено масло, тем меньше газов заносится паровой струей на впуск насоса. Лабиринтные кольца, показанные на рисунке 2.5, не прилегают плотно к днищу кипятильника, в связи с чем не обеспечивают достаточного фракционирования масла.

Проведенное рассмотрение показывает, что характеристики паромасляных насосов (диффузионных и бустерных) определяются как конструкцией насоса, так и родом рабочей жидкости.

Основные характеристики пароструйных насосов существенно зависят от молекулярной массы откачиваемого газа, что связано с большей противодиффузией легких газов (водород, гелий) через паровую струю по сравнению с тяжелыми (аргон, азот, кислород).

Теоретическая быстрота действия S паровой струи при молекулярном режиме течения газа определяется как произведение величины площади А (м²) кольцевого зазора между корпусом и кромкой верхнего сопла на величину объема газа, падающего на единицу площади (при данном впускном давлении):

где Т — температура газа, К;

М — молекулярная масса газа, т. е. S также зависит от молекулярной массы газа.

Истинная быстрота действия насоса S за счет отражения части молекул газа от струи и противодиффузии газа меньше теоретического значения S; отношение  называемое вакуум-фактором  (или коэффициентом Хо) насоса (или струи), составляет обычно для воздуха величину 0,3—0,5 и также зависит от рода газа.

Так же как и для других насосов, влияние газовыделения может быть учтено членом  и быстрота действия диффузионного насоса в рабочей области давлений может быть представлена в виде

где Т - температура газа, К;

М - молекулярная масса газа;

А — площадь кольцевого зазора между корпусом насоса и кромкой верхнего сопла, м²

Состав остаточных газов паромасляного диффузвонного насоса (без ловушки) представляет собой широкий набор углеводородных соединений с массовыми числами до 250. На рисунке 2.6 показан участок спектра масс остаточных газов такого насоса до М/е = 80. С помощью эффективных ловушек из состава остаточных газов могут быть исключены практически все углеводородные соединения.

Рисунок 2.6. Участок спектра масс остаточных газов металлического фракционирующего насоса с водоохлаждаемой шевронной ловушкой; рабочая жидкость — полифенилметилсилоксан.