Вакуумные насосы классифицируются по принципу действия и по диапазонам давлений, причем в основном эти группы совпадают, так как для различных разрежений разработаны насосы с различными принципами Существует три больших класса насосов: механические, пароструйные и сорбционные.
Механические насосы бывают двух видов.
-
1. Объемные насосы имеют периодически расширяющуюся и сжимающуюся рабочую полость, которая соответственно соединяется то с откачиваемым объемом, то с окружающей атмосферой. Эти насосы могут быть поршневыми с возвратно-поступательным движением, однако наибольшее распространение получили ротационные насосы, в которых расширение и сжатие рабочего объема достигается при вращении ротора. Широко применяемые масляно-ротационные насосы делятся на три типа: пластинчато-роторные, пластинчато-статорные и золотниковые или плунжерные. К объемным относятся также двухроторные насосы.
ства могут образовывать с гидроксилами водородные связи, поэтому полная дегидратация уменьшает активность силикагелей. С помощью силикагеля СШ-19 с поверхностью 790 м2/г был получен предельный вакуум Ю~8 ТОр
В последнее время в качестве сорбентов изучают воду, сконденсированную при температуре жидкого азота, и слои твердых газов (в основном СО2) при температуре жидкого водорода. Эффект поглощения водорода твердым углекислым газом при 20° К оказался очень мощным и может служить новым средством откачки Н2 [32—35].
2. Молекулярные насосы сообщают молекулам газа, соударяющимся с быстро вращающимся ротором, преимущественные скорости, направленные к выходному патрубку. Промышленное распространение получили только турбомолекулярные насосы.
Насосы по назначению классифицируются например на газобалластные для откачки газов с большим содержанием паров; на герметичные насосы, предназначенные для откачки без потерь ценных или вредных газов. Существуют другие разновидности механических насосов: водокольцевые, многопластинчатые и т. д.
Пароструйные насосы работают по принципу увлечения молекул газа быстрой струей паров ртути или масла Они делятся на две группы по роду рабочей жидкости. Существует три вида пароструйных насосов: эжекторные — низковакуумные; бустерные — средневакуумные и диффузионные — высоковакуумные.
Сорбционные насосы не перекачивают газ из объема наружу, а поглощают его на своих внутренних поверхностях. Они бывают трех видов.
-
1. Геттерные (хемосорбционные) насосы с возобновляемой пленкой титана по способу ее осаждения делятся на два типа: геттерно-испарительные и магниторазрядные. Сорбционно-ионные насосы снабжены ионизирующими устройствами для усиления откачки инертных газов, азотитные насосы оснащены охлаждаемыми жидким азотом поверхностями для использования низкотемпературной сорбции и т. д.
-
2. Адсорбционные насосы используют пористые поглотители газа (цеолиты, угли и другие).
-
3. Конденсационные насосы поглощают газы за счет их конденсации, т. е. перевода в твердую фазу на поверхностях, охлаждаемых до температур жидкого водорода и гелия. Иногда их называют криогенными.
Любые насосы независимо от принципа действия характеризуются следующими общими параметрами.
-
1. Начальное давление Рнач — это наибольшее давление на входе насоса, при котором он может начать нормальную работу. Механические и адсорбционные насосы могут начинать откачку с атмосферного давления; насосы пароструйные и сорбционно-ионные требуют предварительного разрежения.
-
2. Наибольшее выпускное давление Рвып — максимальное допустимое давление на выходе насоса, не нарушающее его работы. Обычно Рвыа одного порядка С Рнач-
-
3. Предельный вакуум, или остаточное давление насоса Рвр, — важнейший параметр: это самое низкое давление, которое насос может обеспечить при работе «на себя», т. е. с закрытым входным патрубком. Как правило, для любого насоса РПр определяется равновесием откачиваемого потока газа и обратных потоков (вследствие растворимости газа в масле насоса, газоотделения со стенок насоса и т. д.).
-
4. Быстрота откачки насоса (S = dV/dt\pBi!) в литрах в секунду — объем газа, удаляемый насосом в единицу времени при том давлении, которое существует на входе насоса; с другой стороны, S = QHac/PBX; быстрота откачки есть отношение потока газа, откачиваемого насосом, ко входному давлению. Быстрота откачки в широкой области рабочих давлений обычно не зависит от давления.
-
5. Производительность насоса — поток газа, откачиваемый насосом (QHac = SPBX) в единицах л-мтор/сек. Производительность насоса сильно убывает с уменьшением давления.
Кроме этих основных вакуумных параметров существуют еще дополнительные эксплуатационные параметры насосов, такие, как потребляемая мощность, число ступеней откачки, габариты и вес, количество рабочей жидкости, стоимость и эксплуатационная надежность. Насос выбирают, исходя из конкретного назначения вакуумной установки с учетом необходимого разрежения и быстроты откачки, а также условий работы; например, сорбционные насосы применяют для получения «чистого» (безмасляного вакуума). Как правило, механические насосы — низковакуумные (до IO-2—10~3 тор), пароструйные (диффузионные) — высоковакуумные (до 10”в—10~7 тор)-, сорбционные — сверхвысоковакуумные (до 10-9 тор).
Эффективная быстрота откачки убывает сравнительно с номинальной быстротой откачки So при приближении давления к предельному вакууму насоса из-за малых обратных потоков газа в установку через насос Qo6P. Очевидно откачиваемый насосом поток газа равен Qnac = S0P, причем входное давление Рвх предполагается равным давлению в откачиваемой системе. Но эффективный откачиваемый поток равен Фэфф = = <Энас—<2обр- В условиях предельного вакуума Q3<h> = 0, Р=Рщ>', введем 5Э(м> = QaWb/P, в результате получим
Когда давление сравнительно велико (Р^>Рпр), то 5эфф~50; когда давление понижается (Р->РПр), эффективная быстрота откачки уменьшается 5Эфф~*0.
Для измерения быстроты откачки насосов применяют два метода.
1. Метод постоянного объема пригоден для насосов с небольшой быстротой откачки. Механический насос присоединяют к объему V, большому для замедления падения давления, через трубопровод с большой пропускной способностью. Если можно пренебречь течами и газоотделением, то —PS~\'dP!dt, откуда получим
Здесь Р\ и Р2 — две точки на измеренной зависимости падения давления во времени, разделенные интервалом времени А/. Метод не предполагает постоянства 8, т. е. можно измерить меняющуюся быстроту откачки при любом давлении. Однако он непригоден для высоковакуумных условий, когда особенно сказывается влияние течей и газоотделения. Кроме того, для диффузионного насоса с быстротой откачки S = 500 л)сек пришлось бы использовать объем V не менее 5 'м3, чтобы давление уменьшалось не быстрее чем в 2,7 раза за 1,5 мин.
2. Метод постоянного давления для измерения быстроты откачки высоковауумных насосов дает хорошую воспроизводимость условий и результатов измерения (рис. 8). При открытом атмосферном вентиле натека-телем устанавливают такую величину потока газа в насос, которая обеспечивает необходимое давление для измерения быстроты откачки (P — Q/S). Манометр измеряет давление на уровне входной плоскости насоса, при этом рассеивающие диски с отверстиями в измерительном колпаке исключают погрешность из-за направленного потока. Затем закрывают вентиль и измеряют высоту подъема масла в бюретке за время опыта t. Пусть Ра — атмосферное давление, Ко — объем бюретки от начального уровня масла до натекателя. За время t из бюретки откачивается количество газа А(Ра Ко) = V0AP+PaA V; здесь AV=/zncf2/4; d — диаметр бюретки; AP = /zpM/pPT (рм и ррт— плотности масла и ртути).
Через насос прокачивается поток газа Q = = f\(PaVo)lt=k^h/t, причем постоянная бюретки зависит только от ее размеров и равна k§ = Pa--НКо-^- Она
4 Ррт может быть определена заранее. Обычно уменьшение давления в бюретке мало (АР-СРа); тогда искомая быстрота откачки определяется по формуле
Бюретку градуируют в делениях, а постоянную задают в единицах литр • миллитор. Опыт повторяют при нескольких значениях Р для снятия зависимости S(P) в необходимом диапазоне давлений.
