Лекции по вакуумной технике

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 2.4.

Ротационные вакуумные насосы имеют несколько конструктивных

модификаций. Пластинчато-роторный насос, рис .2.5. содержит цилиндрический

Рис . 2.5.

корпус 7 с впускным 4 и выпускным 3 патрубками и эксцентрично расположенный

ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под действием центробежной

силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей

камеры.

Уплотнение зазоров, предотвращающее перетечку газа, осуществляется вакуумным

маслом.

Предельное давление одноступенчатых роторных насосов достигает 1 Па,

двухступенчатых 0,001 Па. Оно определяется кроме газовыделения материалов

насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.

Пластинчато-статорный насос, рис .2.6., состоит из следующих основных

Рис. 2.6.

элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины

5, пружины 4, входного патрубка 6. При вращении по часовой стрелке за

первый

оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй происходит

сжатие и выхлоп газа. Пластина под действием пружины герметично разделяет

области всасывания и сжатия откачиваемого газа.

Золотниковый насос, рис. 2.7., состоит из корпуса 1, эксцентрично уста-

новленного ротора 2, золотника 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3,

Рис .2.7.

шарнира 7 и входного патрубка 4. Газ из откачиваемого объема через входной

патрубок и отверстия 5 в золотнике поступает в камеру всасывания А,

увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем

камеры В уменьшается, и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через

выхлопной патрубок. Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в

масляной ванне. Характеристики их примерно одинаковы, но золотниковые насосы

имеют большие быстроты откачки. Предельные давления одноступенчатых насосов

достигают 10 Па, двухступенчатых 0,1 Па. Давление запуска и выпускное давление

насосов обычно равны атмосферному.

Для работы с большой быстротой действия при малых степенях сжатия

применяют ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями.

Вращение роторов обеспечивается синхронизирующей передачей. К таким насосам

относятся двухроторные насосы (насосы Рутса), имеющие роторы с леминиска-

нтными профилями, рис. 2.8. За один оборот каждый из роторов дважды

Рис. 2.8.

перебрасывает заштрихованный объем газа из области высокого вакуума в

область предварительного разрежения. Двухроторные насосы при тех же габаритах

имеют значительно большие быстроты действия, чем пластинчатые и

золотниковые. Быстрота действия современных двухроторных насосов лежит в

пределах от 5 до 5000 л/с. Предельное давление одноступенчатых насосов 0,5 Па,

двухступенчатых 0,05 Па. Наибольшее выпускное давление одноступенчатых

насосов от 10

до 10

Па.

Работа объемных вакуумных насосов может сопровождаться проникновением

паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, загрязнением насоса

откачиваемыми веществами и т.д. Для защиты откачиваемого объекта от паров

откачиваемой жидкости используются ловушки: механическкие, адсорбционные,

ионные. Устройство и принцип их действия подробнее будет рассмотрен в разделе

"Пароструйные насосы. Значения предельного давления с применением ловушек

существенно снижаются и достигают у ротационных насосов 10

-3

Па.

2.3 Молекулярная откачка

Удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей

называется молекулярной откачкой. Существуют две схемы молекулярной откачки.

Первая - откачка через канал, одна из стенок которого совершает

относительное перемещение со скоростью v

параллельно оси канала, рис.2.9.

Рис .2.9.

Молекулы газа в канале соударяются с движущейся поверхностью, получая

приращение количества движения. При этом создается перепад давлений: Р

>Р

Максимальная быстрота действия пропорциональна скорости стенки vр:

max

= γF

, (2.10)

где F

- площадь поперечного сечения канала;

γ =

/(f

Здесь f

- движущаяся, f

- неподвижная часть периметра канала. Номинальная

быстрота действия

max







. (2.11)

Вторая - использует для удаления газов зависимость проводимости

наклонного канала, движущегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью

от направления течения газа, рис.2.10. Примем, что пластину с наклонным

каналом с обеих сторон бомбардируют перпендикулярно к поверхности пластины

потоки молекул газа q

и q

. Остановив

пластину и сложив вектор относительной

скорости молекул v

с векторами тепловых скоростей молекул v

ар

получим измененное направление движения молекул, поток q

входит параллельно,

Рис. 2.10.

а поток q

перпендикулярно оси канала. Это приводит к тому, что проводимости

канала для потоков q

и q

различны. Для установившегося режима течения газа

-U

. (2.12)

где U

и U

- проводимости канала для потоков q1 и q2 соответственно. Откуда

быстрота действия

-U

/Р

. (2.13)

Конструкция молекулярных насосов

Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки

имеют много конструктивных разновидностей. Например, насос, на статоре которого

выполнен набор цилиндрических канавок, входные и выходные отверстия в которых

разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с частотой, при которой его линейная

скорость близка к тепловой скорости молекул, рис. 2.11.

Рис .2.11.

Спиральный паз 1 на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность

ротора 3 образуют рабочий канал, рис. 2.12.

Рис.2.12.

Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1, отстоящие на

минимальном расстоянии от вращающегося диска 2 образуют рабочий канал в

данной схеме, рис .2.13.

Рис. 2.13.

Через зазор между статором и ротором происходит возврат газа из камеры

сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов.

Нормальная работа молекулярных насосов возможна при зазоре между ротором и

статором, не превышающем 0,1 мм. Быстрота действия насосов прямо пропорцио-

нальна частоте вращения ротора, которая может достигать 40000 об. мин.

Максимальная быстрота действия не превышает 100 л/с из-за малого сечения

каналов. Предельное давление 10

-5

Па.

Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих

поверхностей и потока откачиваемого газа (турбомолекулярные)

классифицируются по расположению вала ротора - горизонтальные или

вертикальные; по устройству рабочих органов - цилиндровые, конусные, дисковые,

барабанные.

В корпусе 2 насоса с горизонтальным валом установлены неподвижные статорные

колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1, рис.

2.13. Роторные колеса выполнены в виде дисков с прорезями. В статорных колесах

Рис .2.14.

имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства

монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру. При диаметре рабочих колес

200 мм зазоры между роторным колесом и статорным могут составлять 1...1,2 мм,

что позволяет значительно повысить надежность их работы.

Предельное давление турбомолекулярных насосов 10

-8

Па. Наибольшее

выпускное давление 10 Па. К достоинствам можно отнести широкий диапазон

рабочих давлений, высокая удельная быстрота действия, быстрый запуск насоса.

Недостатки - высокоскоростной ротор с быстроизнашиваемыми

подшипниками сложной конструкции.

Пароструйные насосы

Относятся к молекулярным насосам. Принцип их действия основан на

передаче молекулам газа количества движения от парообразной

быстродвижущейся поверхности. Подразделяются на эжекторные и диффузионные.

Взаимодействие откачиваемого газа со струей пара зависит от глубины

вакуума. При низком вакууме молекулы, находящиеся в пограничном с паровой

струей слое за счет внутреннего трения увлекают другие слои газа. По этому

принципу работают эжекторные насосы.

В области высокого вакуума все молекулы откачиваемого газа, перемещаясь

за счет самодиффузии, непосредственно взаимодействуют с движущейся струей

пара. По этому принципу работают диффузионные насосы. Пароструйный насос не

может работать самостоятельно, а всегда в комплексе с насосом предварительного

вакуума, как правило, с вращательным вакуумными насосами обьемного действия.

Корпуса пароструйных насосов изготавливают из стекла и металла. К

достоинствам стеклянных насосов относят простоту изготовления и надежную

герметичность; к недостаткам - слабую стойкость стекла к механическим и

термическим воздействиям.

Эжекторный насос, рис. 2.15., состоит из кипятильника 1, сверхзвукового -

эжекторного сопла Лаваля 2, камеры смешения 5, впускного и выпускного

фланцев 3 и 4. Камера смешения теплоизолирована от корпуса насоса. На

выпускном патрубке имеется холодильник 6, охлаждаемый проточной водой,

сконденсировавшийся на его стенках пар стекает в кипятильник по трубке 7,

обеспечивающей непрерывную циркуляцию рабочей жидкости в насосе.

Рис. 2.15.

Диффузионный насос, рис.2.16., состоит из кипятильника 1, диффузионного

сопла 2, закрепленного на паропроводе 6, холодильника 4, впускного и

выпускного патрубков 3 и 5. Пары рабочей жидкости из кипятильника проходят

по паропроводу через зонтичное сопло и конденсируются на стенках насоса,

охлаждаемых холодильником. За время движения пара от конца сопла до стенок

насоса в струю пара диффундирует откачиваемый газ. После конденсации

образовавшейся парогазовой смеси выделившийся газ откачивается через

выпускной патрубок насосом предварительного разрежения, а

сконденсировавшийся пар стекает по стенкам в кипятильник.

Рис.2.16.

Зависимость характеристик насоса от параметров диффузионного сопла:

зазора а и угла наклона α, рис. 2.17.

Рис .2.17.

При превышении зазором "а" своего оптимального значения а

уменьшается

скорость струи у стенок, что ведет к увеличению обратного потока откачиваемого

газа. Существует и оптимальная величина угла α.

Основная характеристика пароструйного насоса - зависимость быстроты

действия от давления на входе в насос, рис. 2.18. В средней области рабочих

Рис. 2.18.

давлений быстрота действия постоянна и равна S

max

. При приближении давления к

предельному быстрота действия стремится к 0 из-за наличия обратного потока

газов и паров в откачиваемом объеме. При увеличении рабочего давления за

верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается

в связи со снижением

скорости диффузии

молекул

газа в струю пара и при максимальном

входном

давлении Р

стремится

к нулю.

Предельное давление насоса Р

пр

при низких давлениях на выходном патрубке

вых

, мало зависит от последнего, рис. 2.19.

При равенстве выпускного давления и давления паровой струи Р

кр

наступает

срыв характеристики насоса, поэтому и необходимо предварительное

вакуумирование.

Рис. 2.19.

При увеличении мощности N подогрева насоса за счет увеличения скорости

струи пара быстрота действия возрастает, достигая максимального значения при

опт

, а затем снижается из-за увеличения плотности паровой струи, рис.2.20.

Максимальное выпускное давление насоса Ркр при увеличении мощности

непрерывно возрастает, см. рис. 2.21.

Рис. 2.21.

Применяют многоступенчатые насосы, например насос с двумя диффузионными

ступенями 1, 2 и эжекторной 4 ступенью откачки, рис. 2.22. На схеме 3 -

холодильник, 5 - кипятильник, общий для всех ступеней.

Рис. 2.22.

К рабочим жидкостям пароструйных насосов предьявляют следующие

требования: 1) минимальная упругость паров при комнатной температуре и

максимальная при рабочей температуре в кипятильнике; 2) стойкость к

разложению при нагревании;

3) минимальная способность растворять газы; 4)

химическая стойкость к откачиваемым газам; 5) малая теплота парообразования.

Минимальная упругость паров при 20ºС нужна для получения наименьшего

предельного давления насоса. Максимальное давление паров при рабочей

температуре увеличивает выпускное давление и снижает требуемую мощность

подогревателя. Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению

обратного потока. При малой теплоте парообразования нужна меньшая мощность

нагревателя.

В качестве рабочей жидкости применяют ртуть, минеральные масла, сложные

эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганические соединения. Ртуть

(Р1, Р2), стойка к окислению, однородна по составу, не разлагается, не растворяет

газы и обладает высокой упругостью паров при нагреве. Но ртуть ядовита,

химически активна к цветным металлам и обладает высокой упругостью паров при

20ºС.

Минеральные масла (ВМ1, ВМ5) получают из нефти. Характеризуются

низкой упругостью пара при комнатной температуре и удовлетворительной

термостойкостью, однако они образуют смолистые налеты на деталях насоса и

окисляются.

Эфиры и кремнийорганические жидкости имеют очень низкое давление паров

при комнатной температуре и высокую стойкость к окислению, но они дороги,

поэтому применяются ограниченно - для получения сверхвысокого вакуума.

При использовании неоднородных по составу или термически нестабильных

жидкостей применяют насосы с фракционирующими устройствами,

выделяющими более тяжелые фракции с низкой упругостью пара для работы в

первой ступени откачки, рис. 2.23.

Рис. 2.23.

Ловушки

Так как предельное давление пароструйных насосов обусловлено обратным

потоком паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, его можно

уменьшить, применяя ловушки: конденсирующие, диссоциирующие,

адсорбирующие. Ловушка должна удовлетворять двум противоречивым

требованиям: обладать максимальным защитным действием и наибольшей

удельной проводимостью.

Для охлаждения конденсирующих ловушек, рис. 2.24., применяют воду; смесь

льда и NaCl - позволяет достичь -18ºС; смесь льда и CaCl

- позволяет достичь -

48ºС; твердую углекислоту со спиртом -78ºС; фреон -120ºС; жидкий воздух -183ºС;

жидкий азот -186ºС.

Рис. 2.24.

В диссоциирующих ловушках углеводороды разлагаются на легкооткачиваемые

газы Н

, СО, СО

и твердый углерод, который осаждается на стенках ловушки.

Диссоциирующие поверхности разогреваются пропусканием тока.

В электронных диссоциирующих ловушках молекулы рабочей жидкости

ионизируются в разряде с холодным или горячим катодом и при этом разлагаются.

Эффективность ловушек зависит от плотности электронного тока.

Сорбционные ловушки поглощают пары масел поверхностями пористых

адсорбентов: активных углей, цеолитов, силикагелей и т.д. азот и кислород при

комнатной температуре адсорбируются мало. Очищают ловушку прогревом в

вакууме примерно до 300ºС.

2.4. Физико-химические методы получения вакуума Физико-химические

методы получения вакуума позволяют для работы в определенном диапазоне

давлений создавать насосы с лучшими,

чем у механических, технико-экономическими показателями.