Конструкции вакуумных диффузионных насосов

Рабочие жидкости для диффузионных насосов должны обладать следующими свойствами: 1) небольшой упругостью паров при комнатной температуре для улучшения предельного вакуума; 2) большой упругостью паров при высокой температуре нагревателя для получения плотной струи. Из этих условий следует, что зависимость упругости паров от температуры должна резко возрастать; 3) малой теплотой парообразования для экономии мощности; 4) однородностью состава для сохранения свойств рабочей жидкости при длительной работе; 5) термической стабильностью при рабочей температуре и стабильностью к окислению при контакте с воздухом, так как продукты окисления и разложения рабочей жидкости портят вакуум; 6) небольшой растворимостью газов; 7) рабочая жидкость не должна взаимодействовать с материалами насоса [38—40].

Ртуть представляет собой жидкий металл с плотностью 13,6 г]см? и температурой твердения —39° С. Она активно образует амальгамы с цветными металлами и не реагирует с железом. Пары ртути ядовиты. Она однородна по составу, обладает хорошей термической стабильностью и мало растворяет газы. В диффузионных насосах применяют очищенную ртуть с примесями не более 0,1%. Упругость паров ртути при 20° С сравнительно высока (2• 10^-3 тор), однако с использованием ловушек предельный вакуум ртутных насосов лучше, чем у масляных.

Для диффузионных насосов используют масло трех типов.

1. Минеральное масло. Это продукт вакуумной ди стилляции нефтяных вазелиновых масел в диапазоне температур от 180 до 220° С. Оно неоднородно по составу, представляет смесь углевородоров и обладает невысокой термической стабильностью и стойкостью к окислению. Горячее масло следует беречь от контакта с воздухом при аварийном прорыве атмосферы в установку. Минеральные масла сравнительно дешевы. В СССР выпускаются масла марок ВМ-1, ВМ-2 и ВМ-5 (последнее наиболее однородно по составу). Молекулярный вес этих масел около 450, предельный вакуум (2—3) • 10-⁶ и 5-10-³ тор (ВМ-5).

2. Сложные эфиры — однородные вещества — продукты синтеза фталевой и себациновой кислот. Их недостаток — сравнительно невысокая окислительно-термическая стабильность. В СССР выпускают масла ОФ и ОС — изооктиловые эфиры указанных кислот (иностранное название таких масел—октойли). Предельный вакуум насосов с ними порядка 10~⁸ тор. К этим же маслам относятся полифениловые эфиры (ПФЭ) — полимеры из бензольных колец, соединенных через кис-цепочке очень прочные, поэтому масла пфэ стаоильны. В экспериментальных диффузионных насосах с ПФЭ получен предельный вакуум 10~⁸—10^-10 тор с примерным составом газов 50% Н₂, 20% СН4, 20% Н₂О и значительно меньшим содержанием углеводородов, чем у насосов с минеральными маслами.

3. Кремний-органические масла — это полимеры силоксановых цепочек вида —Si—О—Si—О— с прочной связью, обладающие очень высокой термоокислительной стабильностью. Эти масла менее других ухудшают свои свойства при контакте с атмосферой в нагретом состоянии. Свободные валентности кремния в цепочке насыщены углеводородными радикалами. Чем длиннее цепочка и больше молекулярный вес, тем меньше упругость паров масла. При числе звеньев 11 — 12 упругость пара порядка 10~¹⁰ тор. В СССР выпускают кремний-органические масла ВКЖ-94АБ с этиловыми радикалами и полифенилметил-силоксановые соединения ПФМС. Их молекулярный вес около 700, предельный вакуум порядка 10^-е тор; эти масла сравнительно дороги.

В конструкциях паромасляных насосов для обеспечения фракционирования масла применяют раздельные концентрические паропроводы (рис. 18). При движении к центру днища насоса стекающего в кипятильник масла из него сначала испаряются легкие фракции на наименее нагретых краях днища; они попадают в нижнее сопло. В наиболее горячем центре днища испаряются тяжелые фракции и попадают в верхнее сопло.

Промышленность выпускает единую серию паромасля-ных насосов, подобных по конструкции, но отличающихся размерами (рис. 19, табл. 12). Выходные патрубки их снабжены эжекторными соплами для увеличения допустимого выходного давления [41—45].

Существуют насосы с воздушным охлаждением от вентилятора (НВО-40), не требующие подвода воды [46].

Тип насоса

Иностранные диффузионные насосы имеют характеристики такого же порядка, что и отечественные. Например фирма «Balzers» (Лихтенштейн) выпускает трехступенчатые насосы с быстротой откачки от 60 до 14 000 л!сек.

Крупный недостаток паромасляных насосов связан с миграцией масла: пары распространяются вверх от струи в откачиваемую систему и загрязняют ее. Если бы миграция определялась равновесием жидкого масла и насыщенного пара, то для масла ВМ-1 (Р = 3-10~⁸ гор при 20° С) поток масла составил бы 7 • 10~³ л/г/ (ч- см²). В действительности поток масла из насоса вверх больше естественного испарения за счет распыления струи, достигает 1—5 мг/(ч-см²) и зависит от мощности нагревателя, от расширения сопла и угла струи к стенке

Таблица 12

и т. Д. Поток миграции масла резко возрастает в процессе остановки и пуска насоса при несформированной струе.

Вред от миграции масла помимо потери рабочей жидкости и ухудшения предельного вакуума состоит в том, что пленка масла загрязняет поверхность и ухудшает условия экспериментов и технологических процессов в вакууме. Например, резко снижается электрическая прочность высоковольтных промежутков, повышаются коэффициенты затухания и отражения в волноводах и т. д.

Для ослабления миграции масла в диффузионных насосах применяют ловушки и маслоотражатели. Источник миграции — загибающиеся вверх крайние линии тока струи у сопла. Охлаждаемый маслоотражатель экранирует истечение масла, снижая миграцию до 0,1 — —0,02 мг/ (ч-см²). В ловушках происходит сорбция молекул масла на поверхностях, охлаждаемых жидким азотом (—196° С) или полупроводниковыми элементами. Ловушки должны быть непросматриваемыми, т. е. с таким расположением охлаждаемых крыльев, когда невозможен пролет молекулы по прямой линии без соударения с их поверхностью. Существуют неохлаждаемые ловушки сорбционного типа с гранулами цеолита, с медной фольгой и с окисью железа, ловушки электрораз-рядного типа с разложением углеводородных радикалов и т. д. Из-за высокой упругости паров ртути ртутные насосы применяют, как правило, с ловушками. Использование наиболее совершенных ловушек с масляными насосами позволяет получить предельный вакуум порядка 10~⁹—10^{_ 10} тор с практически безуглеродным спектром остаточных газов [47—51].

Промышленность освоила выпуск диффузионных насосов серии «2» с улучшенными характеристиками [52]. В них применяют плотную посадку паропроводов на кольцевые ребра днища для улучшения фракционирования, нижняя часть корпуса не охлаждается для обезгаживания масляного конденсата. У насосов этой серии предельный вакуум улучшен до 5-10⁷ тор, наибольшее выпускное давление увеличено до 0,4 тор, верхний предел по давлению поднят до 10^-3 тор.

Дальнейшее усовершенствование диффузионных насосов возможно в направлении улучшения их теплового режима. Из мощности, подводимой к насосу, только небольшая часть, порядка 0,1%, расходуется непосредственно на откачку, т. е. на сжатие газа от Р_вх до Р_вых Около 60% мощности тратится на парообразование, при мерно 40% составляют тепловые потери. В лучших кон струкциях с теплоизоляцией нагревателей потери тепл< через корпус насоса снижены до 10%.

М. М. Сорокин [53] исследовал теплообмен межд^ нагревателем и маслом ВМ-1 при низких давлениях. Oi изучал коэффициент теплопередачи от греющей поверх ности к маслу в зависимости от теплового потока чере: днище нагревателя. Оказалось, что существует крити ческая тепловая нагрузка 8—14 вт!см² при давлении на; маслом 5 тор, превышение которой меняет характер ки пения: спокойное выделение пузырьков сменяется бур лением, коэффициент теплопередачи уменьшается скач ком от 3-10⁴ до 5-Ю³ ккал/ (м²- ч • град). Было установ лено, что наилучший коэффициент теплопередачи от корпуса насоса к маслу имеет место для днища из нержавеющей стали Х18Н9Т; такие насосы более экономичны, чем из стали Ст. 20.

На базе диффузионных насосов заводы выпускают вакуумные агрегаты, представляющие собой удобный комплект откачного оборудования. Агрегаты крепят на раме, они содержат ловушку типа жалюзи, охлаждаемую жидким азотом, и створчатый затвор для герметичного отделения насоса от откачиваемого объема. Управлять задвижкой можно вручную или дистанционно электродвигателем с концевыми контактами. Агрегаты имеют также гидравлическое реле, блокирующее включение нагревателя без водяного охлаждения насоса и переходный колпак с грибковыми вводами манометров для присоединения насоса к откачиваемому объему.