Коллектив авторов - Большая энциклопедия техники

В струйных насосах, откачивающих газ с 10—10 -1Па, струя не разрушается при меньшей плотности пара в ней. В данном случае увлечение откачиваемого газа струей пара происходит в результате трения между поверхностью струи пара и прилегающими к ней слоями газа (вязкостный захват), а также вследствие частичной диффузии молекул газа в приповерхностную часть струи (зона струи). Подобный механизм увлечения откачиваемого газа паровой струей используется в бустерных насосах. При более низком давлении откачиваемого газа плотность струи пара может быть еще меньше, так как в механизме увлечения газа струей наряду с вязкостным захватом все большую роль начинает играть диффузия газа в струю. Наконец, при давлении откачиваемого газа меньше 10 -2Па, когда длина свободного пути его молекул становится соизмеримой с размерами рабочей камеры насоса, роль вязкостного захвата газа становится малой, и механизм увлечения газа целиком определяется диффузией молекул газа в струю. В этих условиях молекулы в результате столкновений с частицами пара получают составляющую скорости в направлении движения струи. Подобный механизм увлечения откачиваемого газа паровой струей используется в высоковакуумных диффузионных насосах.

Конструкции и характеристики.Бустерные (вспомогательные) насосы обладают наибольшей быстротой действия в диапазоне давлений 10—10 -1Па и применяются совместно с механическими вакуумными насосами с масляным уплотнением, быстрота действия которых в этом диапазоне давлений практически близка к нулю. В бустерных насосах обеспечивается повышенная плотность струи масляного пара за счет применения легколетучих сортов вакуумного масла, увеличения мощности подогревателей и использования обращенных сопл зонтичного типа. Последняя ступень бустерных насосов часто выполняется в виде эжекторного сопла с диффузором, чтобы обеспечить высокое выпускное давление. Диффузионные насосы предназначены для работы в области высокого и сверхвысокого вакуума, т. е. при давлениях ниже 10 -1Па. Отличительной особенностью характеристики диффузионных насосов является постоянство быстроты действия в рабочем диапазоне давлений.

Конструктивно диффузионные насосы схожи с бустерными. Однако их выпускное давление обычно на порядок ниже, чем у бустерных, и составляет 10—40 Па. Диффузионные насосы обычно работают при меньших давлениях пара в кипятильнике и требуют относительно меньшую мощность нагревателя.

Конструкции паромасляных диффузионных насосов имеют ряд особенностей, связанных с использованием в качестве рабочих жидкостей масла или сложных эфиров. 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 обеспечиваются низкое предельное 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. Сварной корпус насоса выполнен из малоуглеродистой стали с наваренной на него рубашкой водяного охлаждения. Паропровод с двумя зонтичными соплами изготовлен из алюминия. Последней выходной ступенью насоса является эжектор.

Фракционирование масла, стекающего в кипятильник с периферии по стенке корпуса, осуществляется с помощью лабиринтных колец, удлиняющих путь масла 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. В непрогреваемых вакуумных системах с резиновыми уплотнителями паромасляные диффузионные насосы обеспечивают предельное остаточное давление около 5 × 10 -4Па без ловушек и около 5 × 10 -5Па с ловушками, охлаждаемыми кипящим жидким азотом. Характерна зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления.

Предельное остаточное давление пароструйного диффузионного насоса в значительной мере определяется качеством фракционирования масла и содержанием газов в масле, стекающем в кипятильник, так как чем лучше обезгазено масло, тем меньше газов заносится паровой струей на впуск насоса. Лабиринтные кольца не прилегают плотно к днищу кипятильника, в связи с чем не обеспечивают достаточно полного фракционирования масла. Для улучшения фракционирования масла в современных насосах лабиринтные кольца выполняют непосредственно в днище кипятильника, а паропроводящие трубы сопл плотно надеваются на перегородки соответствующих каналов лабиринтных колец. Обезгазивание масла в насосах улучшено тем, что нижняя часть корпуса не охлаждается (для этого водяную рубашку укорачивают), так что температура масла в нижней части достигает 140 °С, а также благодаря удлинению пути конденсата в горячей зоне, для чего на стенке корпуса ниже выпускного патрубка предусмотрена винтовая канавка, по которой конденсат стекает в кипятильник.

Насос с улучшенным фракционированием и обезгазиванием способен на обычном минеральном масле без применения азотной ловушки создавать предельное остаточное давление 1 × х 10 -6Па. Ухудшение условий охлаждения насоса при повышении температуры воды ведет к заметному повышению предельного остаточного давления и уменьшению быстроты действия. Однако в ряде случаев, особенно в передвижных вакуумных установках, например в масс-спектрометрическом течеискателе, эксплуатация насосов с водяным охлаждением неудобна, и здесь используются небольшие диффузионные насосы с принудительным воздушным охлаждением. Таким образом, что основные характеристики паромасляных насосов (диффузионных и бустерных) определяются как конструкцией насоса, так и родом рабочей жидкости. У всех насосов существует порог мощности подогрева, ниже которого насос не работает совсем. Наибольшее выпускное давление возрастает по мере увеличения мощности подогрева; это объясняется увеличением плотности струи. Рост предельного остаточного давления вначале уменьшается, что связано с уменьшением противодиффузии газов через струю по мере увеличения плотности струи. И у паромасляных диффузионных насосов предельное остаточное давление проходит через минимум, лежащий вблизи пороговой мощности подогрева; дальнейшее увеличение предельного остаточного давления объясняется разложением масла в кипятильнике и заносом образующихся легких фракций в сопло первой ступени. Заметим, что в парортутных насосах этого не происходит. Быстрота действия S нпроходит через максимум, что связано с изменением плотности струи.