Физика вакуума

Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса Р_м - это минимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Оно примерно на порядок выше предельного. Эксплуатация насоса при давлениях между предельным и наименьшим рабочим не оправдана экономически.

  Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса Рб - это максимальное давление, при котором насос сохраняет номинальную быстроту действия. Давление запуска Р_з - это максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Для большинства насосов оно совпадает с наибольшим выпускным давлением Рв, - максимальным давлением выпускного патрубка, при котором еще обеспечивается нормальная работа насоса. Если это давление превышено, насосы прекращают работу или могут прийти в негодность из-за окисления рабочих деталей. Данные параметры показаны на основной характеристике вакуумного насоса - зависимости быстроты действия от его входного давления.

В качестве дополнительных характеристик  вводят такие параметры насосов, как производительность (количество газа, удаляемое из входного патрубка в единицу времени), потребляемая мощность, длительность рабочего цикла и ресурс работы, время запуска и т.д.

 

2.2 Механические вакуумные насосы

По характеру воздействия на откачиваемые газы механические насосы разделяются на объемные и молекулярные. Объемные насосы осуществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Конструктивные варианты: поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные. Молекулярные насосы работают за счет передачи молекулам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. Среди них различают водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа, турбомолекулярные с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемого газа.

Если выпускное  давление механического  насоса превысит значение Рв, произойдет т.н. срыв   насоса,   сопровождающийся резким ухудшением его предельного давления и быстроты откачки.  Зависимость быстроты откачки (1) и предельного давления (2) от выпускного давления показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3.

Объемная откачка

В процессе объемной откачки выполняются  следующие основные операции: 1)  всасывание  газа  за  счет расширения рабочей камеры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения.  В зависимости от  выбора конструктивной схемы объемные  насосы делятся на поршневые,  жидкостно-кольцевые и ротационные.

В поршневых откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10...4000 л/с. Предельное давление достигает 10 Па. Недостатки поршневых насосов - неравномерность процесса откачки, неполная уравновешенность, большие потери на трение и большая удельная масса.

Быстрота  действия жидкостно-кольцевых насосов  лежит в пределах от 25 до 500 л/с. Предельное давление водокольцевых насосов 2000 Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. Недостатки насосов - большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе, и большая удельная масса.

Жидкостно-кольцевые насосы, рис .2.3. имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Жидкость внутри корпуса под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и создает  жидкостное кольцо 4. Между кольцом и лопатками образуются ячейки, их объем вначале увеличивается, и газ через отверстие 3 поступает в насос. Затем объем уменьшается, и сжатый газ через отверстие 5 удаляется.

 

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 установленного 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 леминискантными 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 10² до 10³ 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_р 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: Р₂>Р₁. Максимальная быстрота действия пропорциональна скорости стенки vр:

S_max = γF_кv_р,                          (2.10)

где F_к - площадь поперечного сечения канала;

γ = f_д/(f_д+f_н).

Здесь f_д - движущаяся, f_н - неподвижная часть периметра канала. Номинальная быстрота действия

.               (2.11)

 Вторая - использует для удаления  газов зависимость проводимости наклонного канала, движущегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью v_р от направления течения газа, рис.2.10. Примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют перпендикулярно к поверхности пластины потоки молекул газа q₁ и q₂. Остановив пластину  и  сложив вектор  относительной скорости молекул v_р с векторами тепловых скоростей молекул v_ар,

получим измененное направление движения молекул, поток q₁ входит параллельно,

Рис. 2.10.

а поток q₂ перпендикулярно оси канала. Это приводит к тому, что проводимости канала для потоков q₁ и q₂ различны. Для установившегося режима течения газа

Q = S_нР₁ = U₁₂P₁-U₂₁P₂.                       (2.12)

где U₁₂ и U₂₁ - проводимости канала для потоков q1 и q2 соответственно. Откуда быстрота действия

S_н = U₁₂-U₂₁Р₂/Р₁.                            (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 пропорциональна 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.