Диффузионные насосы

Диффузионные насосы до сих пор являются одним из основных инструментов получения высокого и сверхвысокого вакуума. Рассмотрим особенности конструкции и работы таких насосов на примере четырехступенчатого диффузионного насоса (рис. 3.25). Нагревом с помощью нагревателя 14 создается необходимое давление пара в кипятильнике 15. Пар, поднимаясь по паропроводам 16, 17, 18, достигает кольцевых зазоров сопл первой 19, второй 20, третьей 21 диффузионных ступеней откачки и цилиндрического эжекторного сопла 10. Проходя через сопло, пар за счет ускорения теряет плотность и давление и в виде расширяющейся направленной струи достигает внутренней поверхности охлаждаемого корпуса насоса. Здесь пар конденсируется, образуя жидкостный затвор, и стекает в кипятильник. Молекулы газа, летящие в направлении струи с входа насоса, относительно легко проникают в струю пара и вместе со струей попадают на стенку насоса. После конденсации пара в жидкость молекулы газа из нее испаряются, но уже в пространстве под струей. Молекулы газа, находящиеся в пространстве под струей и движущиеся с тепловыми скоростями, не могут преодолеть в обратном направлении барьер, создаваемый струей пара. Плотность и скорость струи таковы, что вероятность пролета молекулы газа через струю без столкновения хотя бы с одной молекулой пара ничтожно мала. При столкновении молекула газа получает импульс движения и направление дальнейшего движения в направлении откачки, т. е. возвращается в пространство под струей или на стенку корпуса насоса. Направление же движения молекул пара при столкновении мало изменяется в силу большого превосходства их массы над массой молекул газа. Таким образом, во-первых, струей осуществляется перемещение молекул газа в направлении к выхлопному патрубку насоса, т. е. откачка, во-вторых, струя является преградой, разделяющей области с различными давлениями газа и предотвращающей перетечку газа из области с относительно высоким давлением в область с более низким давлением.

Рис. 3.25. Конструкция четырехступенчатого пароструйного диффузионного насоса: 1 — корпус; 2 — днище; 3 — входной фланец; 4 — рубашка охлаждения; 5 — патрубок; 6 — выходной фланец; 7 — кожух; 8 — асбестовая вата; 9 — штырь; 10 — эжекторное сопло; 11 — диффузор; 12 — трубка; 13 — заглушка; 14 — нагреватель; 15 — кипятильник; 16, 17, 18 — паропроводы; 19, 20, 21 — сопла первой, второй и третьей ступени соответственно

В результате суммарного действия отдельных столкновений молекул газа с молекулами пара газ оказывает давление на струю пара. В силу ограниченности запаса кинетической энергии молекул пара струя может выдержать только определенную величину этого давления. Превышение этой величины приводит к срыву струи, к прорыву преграды, разделяющей области с разными давлениями газа, и тем самым к нарушению процесса откачки. Чтобы иметь относительно высокое давление на выходе насоса, в корпусе насоса последовательно располагают несколько ступеней откачки (сопл). Первая, верхняя ступень при низком давлении срыва струи обеспечивает максимальную быстроту откачки благодаря относительно низкой плотности струи и максимального проходного сечения — сечения, ограниченного корпусом и соплом. Вторая ступень с более высоким давлением срыва струи должна обладать быстротой откачки, достаточной для того, чтобы обеспечить давление под верхней ступенью ниже давления срыва струи, и т. д. Наибольшее давление срыва струи — у эжекторного сопла. Поэтому эжекторная ступень откачки устанавливается на выходе насоса и определяет его наибольшее выпускное давление, т. е. то давление в выходном сечении насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Давление срыва струи эжекторного сопла диффузионного насоса имеет значение около 10 Па (10-1 мм рт. ст.). Последовательно с диффузионным насосом устанавливается форвакуумный насос, способный воспринять поток откачиваемого газа и обеспечить на выходе диффузионного насоса вакуум, необходимый для его нормальной работы.
Одновременно с диффузией газа сверху в струю происходит вредная диффузия газа снизу в струю. Газ, диффундировавший в струю снизу из области более высокого выходного давления, не выносится вверх, а увлекается струей вниз и при конденсации пара выделяется обратно в область Рвых. Поэтому важен малый угол наклона струи к стенке.

Быстрота откачки диффузионного насоса стремится к верхнему пределу 

где F — площадь струи; υ — скорость газа; υcтp — скорость струи. Этот предел тем больше, чем больше скорость струи пара, однако уже при υcтp = 2υ быстрота откачки достигает 89 % максимума, так что не требуются очень большие скорости струи. При υ'стр = 2υ достигается максимальная быстрота откачки идеального диффузионного насоса, равная S = Fυ0/4. Легко видеть, что этот же результат получают в предположении, что насос откачивает все молекулы, соударяющиеся без отражений с поверхностью его струи. На струю падает в единицу времени Fυ молекул, где υ = nυ0/4, в единице объема заключено и молекул; следовательно, падающим молекулам соответствует объем Fυ/n, т. е. Fυ0/4.
В действительности быстрота откачки насоса меньше максимальной. Обычно Z (см. уравнение (3.6)) оказывается порядка 0,3—0,4. Эта величина определяется отражением молекул газа от струи, ограниченной пропускной способностью входного патрубка насоса, обратной диффузией и т. д. Типичный график быстроты действия диффузионного насоса в зависимости от впускного давления представлен на рис. 3.26. Весь диапазон рабочих впускных давлений можно условно разделить на три области: область предельного остаточного давления I, область постоянной быстроты действия II, область наибольших рабочих давлений III.

Рис. 3.26. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного давления

В средней области рабочих давлений быстрота действия постоянна и равна Sтах. При приближении рабочего давления к предельному рПР она стремится к нулю из-за наличия обратного потока газов и паров из насоса в откачиваемый объект.
Величина этого давления может изменяться от 10-6 мм рт. ст. до 10-13 мм рт. ст. Это зависит от множества факторов (типа масла, материалов, прокладок, отражателя ловушек и т. д.), которые будут рассмотрены ниже.
При увеличении рабочего давления за верхнюю границу молекулярного режима течения быстрота действия уменьшается в связи со снижением скорости диффузии молекул газа в струю пара и при максимальном входном давлении р3 стремится к нулю.
В настоящее время разработаны паромасляные насосы самой различной производительности с быстротой действия от нескольких литров до 200 000 л/с. Быстрота действия определяется, в частности, входным сечением насоса. По мере увеличения габаритов насоса, а следовательно, и быстроты действия сужается область постоянной быстроты действия, повышается предельное остаточное давление и понижается наибольшее выпускное давление.
Снижение наибольшего выпускного давления вызывает определенные неудобства, так как и высокопроизводительные механические насосы имеют повышенное остаточное давление и меньшую быстроту действия в области предельного остаточного давления. Тем самым появляется необходимость в промежуточном бустерном насосе, который имел бы наибольшую быстроту действия в диапазоне выпускных давлений диффузионного насоса и выпускное давление, соответствующее максимальной быстроте действия форвакуум-ного насоса. Практически бустерный насос становится необходим в вакуумных установках на базе диффузионных насосов, обладающих быстротой действия более 10 000 л/с.
Вторым основным фактором, кроме конструкции насоса, определяющим предельное остаточное давление диффузионного насоса, является используемое в нем масло (или другая рабочая жидкость).
К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются следующие требования:
1) минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная — при рабочей температуре в кипятильнике;

1. стойкость к разложению при нагревании;
2. минимальная способность растворять газы;
3. химическая стойкость по отношению к откачиваемым газам и по отношению к материалам насоса;
4. малая теплота парообразования.

Минимальная упругость паров при комнатной температуре требуется для получения наименьшего предельного давления насоса. Максимальное давление паров при рабочей температуре кипятильника увеличивает выпускное давление насоса и уменьшает требуемую мощность подогревателя. Стойкость к разложению рабочей жидкости при нагревании влияет на срок службы рабочей жидкости и максимальное выпускное давление. Растворимость газов в рабочей жидкости приводит к увеличению обратного потока газов через сопло вместе с паровой струей. Химическая стойкость определяет срок службы рабочей жидкости и накладывает ограничения на выбор конструкционных материалов насосов. При малой теплоте парообразования требуется меньшая мощность подогревателя насоса.
В качестве рабочей жидкости пароструйных насосов применяются ртуть, минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганические соединения. Ртуть (P-1, Р-2) как рабочая жидкость пароструйных насосов имеет следующие достоинства: не окисляется воздухом, однородна по составу и не разлагается при рабочих температурах насоса, растворяет малое количество газов и имеет высокую упругость пара при рабочей температуре в кипятильнике. Недостатки ртути: токсичность, химическая активность по отношению к цветным металлам, высокая упругость паров при комнатной температуре (10-1 Па).
Минеральные масла для пароструйных насосов (ВМ-1, ВМ-5) получают путем вакуумной дистилляции продуктов переработки нефти. Они характеризуются низкой упругостью пара при комнатной температуре (10-6 Па), удовлетворительной термостойкостью, но имеют невысокую термоокислительную стойкость и образуют смолистые налеты на внутренних деталях насоса.
Эфиры, применяемые в качестве рабочей жидкости пароструйных насосов, представляют собой продукты синтеза фталевой и себациновой кислот с высшими спиртами, а также полифениловые соединения, состоящие из бензольных радикалов, соединенных в цепи через атомы кислорода. Полифениловые эфиры ПФЭ обладают очень низким давлением паров при комнатной температуре (10-9 Па) и высокой термоокислительной стойкостью.
Кремнийорганические жидкости для пароструйных насосов (ВКЖ-94, ПФМС-2) — это полисилоксановые полимерные соединения, состоящие из функциональных групп (CH3)2SiO. Они обладают высокой термоокислительной стойкостью и достаточно низкой упругостью пара при комнатных температурах (10-5 Па).
Чаще всего используют в насосах дешевые минеральные масла. Кремнийорганические жидкости употребляются в системах с частым напуском атмосферного воздуха. Эфиры, стоимость которых еще велика, применяются для систем, где требуется получение сверхвысокого вакуума. Ртуть из-за токсичности используется в пароструйных насосах только для откачки ртутных систем, например ртутных выпрямителей.

Эксплуатация и обслуживание
Диффузионный насос прост по конструкции и при правильной эксплуатации весьма надежен в работе. Заводы-изготовители поставляют насосы, залитые маслом, герметично закрытыми и откачанными. Типичная схема вакуумной системы с пароструйным насосом представлена на рис. 3.27.
Обязательными элементами системы являются форваку-умный насос (механический вакуумный насос с масляным уплотнением), напускной клапан 2, клапан 3, соединяющий форвакуумный насос с диффузионным насосом 4, затвор 6 и манометрические преобразователи 8, устанавливаемые на форвакуумной линии и рабочей камере установки, откачиваемый сосуд 7. В большинстве случаев перед затвором располагается ловушка 5 и между затвором и ловушкой (чаще всего в грибковом соединении основания затвора) — манометрические преобразователи. Откачиваемый сосуд связывается с низковакуумным насосом байпас ной линией с клапаном 9.

Рис. 3.27. Схема установки с диффузионным насосом:
1 — форвакуумный насос; 2 — напускной клапан; 3 — клапан; 4 — диффузионный насос; 5 — ловушка; 6 — затвор; 7 — откачиваемый сосуд; 8 — манометрические преобразователи; 9 — клапан байпасной линии откачки

Запуск насоса в работу осуществляется в такой последовательности. Закрывают затвор над насосом, перекрывают клапан, соединяющий насос с форвакуумным насосом. Включают механический насос, убеждаются в его работоспособности. Открывают клапан, соединяющий его с диффузионным насосом. По известному предельному остаточному давлению механического насоса и давлению, полученному в испытуемом насосе, оценивают герметичность сборки всей системы. При необходимости отыскивают и устраняют течи.
После достижения необходимого предварительного разрежения подают воду для охлаждения корпуса диффузионного насоса и включают нагреватель насоса. Для сохранения в процессе эксплуатации вакуумных характеристик пароструйных насосов важное значение имеет строгое соблюдение правил эксплуатации. К основным правилам эксплуатации пароструйных насосов относятся: соблюдение последовательности включения и выключения насоса, поддержание в заданных пределах мощности нагревателя, температуры и расхода охлаждающей воды, а также правильный выбор производительности форвакуумного насоса.
При номинальном расходе и температуре воды на входе в систему охлаждения около 20°С температура воды на выходе из системы охлаждения на 2—3 °С выше температуры на входе. Эта разница температур практически линейно увеличивается с понижением расхода воды. При температуре воды на входе, равной 20°С, насос сохраняет работоспособность при снижении расхода воды в 2—3 раза. Однако при этом уже заметно изменяются его вакуумные характеристики. При увеличении температуры охлаждающей воды с 20 до 30°С предельное остаточное давление возрастает в 2 раза.
В процессе эксплуатации пароструйных насосов могут возникнуть различные аварийные ситуации. Если при этом своевременно принять необходимые меры, то это в значительной степени избавит от неизбежности восстановительных работ на установке. Например, при нарушении герметичности откачиваемого объекта необходимо закрыть затвор и после этого устранить течь. Когда течь будет устранена, после предварительной байпасной откачки рабочей камеры вновь открывают затвор и продолжают работу на установке. Быстрое закрытие затвора часто избавляет от внеочередной промывки насоса и рабочей камеры установки и в том случае, если в систему попал атмосферный воздух в больших количествах. При этом клапан, соединяющий пароструйный насос с форвакуумом, оставляют открытым и не прекращают подачу охлаждающей воды и электропитание нагревателя. После восстановления нормального режима работы и получасовой работы пароструйного насоса «на себя» продолжают работу на установке. При прекращении подачи охлаждающей воды закрывают затвор и обесточивают нагреватель. Если над насосом установлена охлаждаемая ловушка, необходимо ее разморозить. До полного размораживания ловушки и охлаждения насоса нельзя прекращать форвакуумную откачку.
При остановке форвакуумного насоса закрывают клапан, соединяющий пароструйный насос с механическим, и затвор, затем выключают нагреватель пароструйного насоса. При этом рекомендуется увеличить подачу воды для охлаждения пароструйного насоса.