Вакуумный насос

        устройство для удаления (откачки) газов и паров из замкнутого объёма с целью получения в нём Вакуума. Существуют различные типы В. н., действие которых основано на разных физических явлениях: механические (вращательные), струйные, сорбционные, конденсационные.

         Основные параметры В. н.: предельное (наименьшее) давление (остаточное давление, предельный вакуум), которое может быть достигнуто насосом; быстрота откачки — объём газа, откачиваемый при данном давлении в единицу времени (м³/сек, л/сек); допустимое (наибольшее) выпускное давление в выпускном сечении насоса, дальнейшее повышение которого нарушает нормальную работу В. н.

         Механические насосы применяют для получения вакуума от 1 н/м² (10^-2 мм рт. ст.) до 10^-8 н/м² (10^-10 мм рт. ст.). В рабочей камере простейшего механического насоса совершает возвратно-поступательное движение поршень, который вытесняет газ, создавая при обратном ходе разрежение со стороны откачиваемой системы. Поршневые насосы (рис. 1а, 1б) были первыми механическими насосами. Их вытеснили вращательные насосы. В многопластинчатом вращательном насосе (рис. 2а, 2б) всасывание и выталкивание газа осуществляется при изменении объёмов ячеек, образованных эксцентрично расположенным ротором, в прорезях которого помещены подвижные пластины, прижимающиеся к внутренней поверхности камеры и скользящие по ней при его вращении. За счёт большой частоты вращения ротора эти насосы при сравнительно малых размерах обладают большой быстротой откачки (до 125 л/сек). Предельное давление достигает 2000 н/м² (15 мм рт. ст.) в одноступенчатых насосах и 10 н/м² (10^-1 мм рт. ст.) в двухступенчатых. Аналогично происходит процесс откачки газа водокольцевыми насосами (рис. 3а, 3б). При вращении колеса с радиальными лопастями, эксцентрично расположенного в камере, вода, заполняющая камеру, увлекается лопастями и под действием центробежных сил отбрасывается к стенке корпуса, образуя водяное кольцо 1 и серповидную камеру 2, в которую поступает откачиваемый газ. При вращении колеса ячейки поочерёдно соединяются с каналом, через который откачиваемый газ выходит в атмосферу. Эти насосы пригодны для откачки влажного и загрязнённого газа, кислорода и взрывоопасных газов. Предельный вакуум составляет 95% (в одноступенчатых насосах) и 99,5% (в двухступенчатых насосах) от теоретически возможного; например, при температуре воды 20°С — до 7,1 кн/м² (53 мм рт. cт.) в одноступенчатых и 3,1 кн/м² (23 мм рт. cт.) в двухступенчатых насосах.

         Для получения среднего вакуума чаще применяют вращательные насосы с масляным уплотнением. Их рабочая камера заполнена маслом, либо они погружены в масляную ванну. Быстрота откачки этих насосов 0,1—750 л/сек, предельное давление 1 н/м² (10^-2 мм рт. ст.) в одноступенчатых и 10^-1 н/м² (10^-3 мм рт. ст.) в двухступенчатых насосах. Масло хорошо уплотняет все зазоры, выполняет функцию дополнительной охлаждающей среды, однако при длительной работе сконденсированные пары загрязняют масло. Для предотвращения конденсации паров, возникающей при их сжатии, камеру заполняют определённым объёмом воздуха (балластным газом), который в момент выхлопа обеспечивает парциальное давление пара в паро-воздушной смеси, не превышающее давления насыщения. При этом пары из насоса выталкиваются без конденсации. Такие насосы называются газобалластными и применяются как форвакуумные (для создания предварительного разрежения).

         Двухроторные насосы имеют 2 фигурных ротора, которые при вращении входят один в другой, создавая направленное движение газа. Эти насосы обладают большой быстротой откачки и часто применяются как промежуточные (вспомогательные, или бустерные) между форвакуумными и высоковакуумными. Они обеспечивают вакуум 10^-2—10^-3 н/м² (10^-4—10^-5 мм рт. ст.) при быстроте откачки до 15 м³/сек (рис. 4а, 4б).

         В молекулярных насосах при вращении ротора в газе молекулы получают дополнительную скорость в направлении их движения. Впервые такой насос был предложен в 1912 немецким учёным В. Геде, но долго не получал распространения из-за сложности конструкции. В 1957 немецкий учёный В. Беккер применил турбомолекулярный насос (рис. 5а, 5б), ротор которого состоит из системы дисков. Таким насосом получают вакуум до 10^-8 н/м² (10^-10 мм рт. ст.).

         В струйных насосах направленная струя рабочего вещества уносит молекулы газа, поступающие из откачиваемого объёма. В качестве рабочего вещества могут быть использованы жидкости или пары жидкостей. В зависимости от этого насосы называются водоструйными, пароводяными, парортутными или паромасляными. По принципу действия струйные насосы бывают эжекторными и диффузионными. В эжекторных насосах (рис. 6а, 6б) откачивающее действие струи основано на увеличении давления газового потока под действием струи более высокого напора. Такие насосы применяются для получения вакуума 10 н/м² (10^-1 мм рт. ст.). Простым эжекторным насосом является водоструйный насос, распространённый в лабораторной практике, в химической промышленности и др. Предельное давление таких насосов не намного превышает давление водяных паров. Например, при температуре воды в насосе, равной 20°С, достигаемый вакуум равен 3 100 н/м² (23 мм рт. ст.), а парциальное давление остаточных газов около 670 н/м² (5 мм рт. ст.). К эжекторным насосам может быть отнесён вихревой насос (аппарат), откачивающее действие которого основано на использовании разрежения, развивающегося вдоль оси вихря (рис. 7а, 7б). Значительно большей быстротой откачки и более низким предельным давлением обладают насосы, в которых рабочим веществом является водяной пар. В многоступенчатых пароводяных насосах быстрота откачки достигает 20 м³/сек, создаваемый вакуум 0,7 н/м² (5 ․ 10^-3 мм рт. ст.).

         Откачивающее действие диффузионных насосов основано на диффузии молекул откачиваемого газа в области действия струи пара рабочего вещества за счёт перепада их парциальных давлений. В качестве рабочего вещества в 1915 В. Геде применил пары ртути. Ртуть обеспечивает постоянное (для данной температуры) давление насыщенного пара, постоянную (для данного давления) температуру, остаётся химически неактивной, не боится перегрева, но пары ртути, даже в небольшом количестве, опасны для человеческого организма. Одним из заменителей ртути является масло (см. Вакуумное масло). Такие В. н. называются паромасляными. Применение в качестве рабочей жидкости масла привело к широкому распространению таких насосов с быстротой откачки до нескольких сотен м³/сек при получении вакуума до 10^-6 н/м² (10^-8 мм рт. ст.). В паромасляном В. н. последовательно соединены несколько откачивающих ступеней в одном корпусе (рис. 8а, 8б). Диапазон рабочих давлений трёхступенчатого паромасляного насоса 10^-3—10^-1 н/м² (10^-5—10^-3 мм рт. ст.).

         В сорбционных насосах используют способность некоторых веществ (например, Ti, Mo, Zr и др.) поглощать газ. Откачиваемый газ оседает на поверхности внутри вакуумной системы. Один из активных поглотителей постоянно напыляется на поглощающую поверхность (испарительный насос). Поглотителем может быть также пористый адсорбент (см. Адсорбционный насос).

         Действие ионных насосов основано на ионизации газа сильным электрическим разрядом и удалении ионизованных молекул электрическим полем. Этот способ мало распространён из-за сложности устройства и большой потребляемой мощности, затрачиваемой главным образом на создание магнитного поля. При комнатной температуре инертные газы и углеводороды практически не поглощаются напылёнными плёнками металлов. Для их удаления служат комбинированные ионно-сорбционные, или ионно-геттерные, насосы, в которых сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и углеводородов. Поглощающая поверхность обновляется осаждением на стенках термически испаряемого титана, а также катодным распылением титана в электрическом разряде или в магнитном поле в электроразрядных или магниторазрядных ионно-сорбционных насосах (рис. 9). Ионно-сорбционные В. н. при предварительной откачке до 10^-2 н/м² (до 10^-4 мм рт. ст.) создают вакуум до 10^-5 н/м² (10^-7 мм рт. ст.). Быстрота откачки зависит от рода газа. Например, быстрота откачки водорода 5000 л/сек, азота 2000 л/сек, аргона 50 л/ сек. Достигаемое предельное давление в хорошо обезгаженных объёмах и без натекания газа ниже 10^-8 н/м² (10^-10 мм рт. ст.).

         Действие конденсационных, или криогенных, насосов основано на поглощении газа охлажденной до низкой температуры поверхностью (рис. 10). Водородно-конденсационный насос, предложенный Б. Г. Лазаревым с сотрудниками (Физико-технического институт АН УССР), имеет постоянную быстроту откачки в широком диапазоне давлений. Охлаждающий жидкий водород вырабатывается ожижителем, находящимся в установке. Неконденсируемые газы (водород, гелий) откачиваются параллельно включенным насосом, например диффузионным. Для включения такого насоса необходимо предварительное разрежение.

         Лит. см. при ст. Вакуумная техника.

         И. С. Рабинович.

        

        Рис. 1б. Общий вид поршневого насоса.

        

        Рис. 3б. Общий вид водокольцевого вакуумного насоса.

        

        Рис. 2б. Общий вид многопластинчатого вакуумного насоса.

        

        Рис. 6б. Общий вид многоструйного эжекторного насоса.

        

        Рис. 5б. Установка турбомолекулярного насоса с форвакуумным механическим насосом.

        

        Рис. 8б. Общий вид трёхступенчатого паромасляного насоса.

        

        Рис. 4б. Установка двухроторного насоса с форвакуумным механическим насосом.

        

        Рис. 7б. Общий вид вихревого вакуумного насоса.

        

        Рис. 1а. Схема поршневого насоса: V_o — откачиваемый объём; V_min и V_max — соответственно минимальный и максимальный объём цилиндра.

        

        Рис. 2а. Схема многопластинчатого вакуумного насоса.

        

        Рис. 3а. Схема водокольцевого вакуумного насоса: 1 — водяное кольцо; 2 — серповидная камера.

        

        Рис. 4а. Схема двухроторного насоса.

        

        Рис. 5а. Схема турбомолекулярного насоса.

        

        Рис. 6а. Схема многоструйного эжекторного насоса.

        

        Рис. 7а. Схема вихревого вакуумного насоса: 1 — центральное сопло; 2 — тангенциальное сопло; 3 — камера завихрения; 4 — диффузор; 5 — улитка.

        

        Рис. 8а. Схема трёхступенчатого паромасляного насоса.

        

        Рис. 9. Магнито-разрядный ионно-сорбционный насос: N, S — северный и южный полюсы; А — анод; К — катод.

        

        Рис. 10. Криогенный насос.