Устройство и эксплуатация вакуумных приборов часть 3

Раздел 3. Средства получения вакуума. Вакуумные насосы. Характеристика насосов, устройство. Принцип работы. Типы, область применения.

3.1. ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ОТКАЧКИ. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ. ЛОВУШКИ

Вакуумная техника охватывает очень широкий диапазон давлений - от атмо­сферного (10⁵ Па) до ~10^-11 Па. На диа­грамме (рис. 3.1) показаны области давле­ний, в которых наиболее рационально применяются насосы различных типов, поскольку насосом одного типа получить нужный вакуум невозможно. Пунктиром указаны давления, достигаемые при со­блюдении специальных условий.
Выбор насоса дня откачки объектов различного объема должен проводиться с учетом его быстроты действия.

Время откачки объекта от давления р₁ до давления р₂ определяется формулой

t = 2.3(V/Sэ)lg(p₁/p₂)              (2.4)

где V - объем откачиваемого объекта; S_Э - эффективная скорость откачки объема.
Время уменьшения давления в 2,7 раза

t₀=V/ S_Э                                 (2.5)

Это время называется постоянной времени процесса откачки. При давлениях < 10 Па время откачки объекта значитель­но превосходит рассчитанное и определя­ется газоотделением. Время откачки объ­екта от атмосферного давления до 100 Па с учетом снижения быстроты откачки при снижении давления приближенно опреде­ляется по формуле

t=8(V/ S_Н)                            (2.6)

где S_Н - быстрота действия насоса.

Основные параметры вакуумных на­сосов следующие.
Начальным давлением насоса на­зывается такое давление, с которого он начинает нормально работать.
Из приведенной диаграммы видно, что только механические вращательные насосы начинают работать с атмосферного давления, большинство же насосов имеет начальное давление значительно ниже атмосферного, и для обеспечения их рабо­ты требуется насос предварительного раз­режения.

Наибольшим выпускным давлени­ем называется такое давление у выпускно­го отверстия насоса, при повышении ко­торого насос прекращает нормальную ра­боту вследствие прорыва газа с выпускной стороны.

Наибольшим давлением запуска на­зывается такое давление у впускного от­верстия насоса, при котором насос может начать работу.

Предельным давлением (предель­ным вакуумом) называется впускное дав­ление насоса, достигаемое после доста­точно длительной откачки вакуумной сис­темы, не имеющей ни натеканий, ни газо­выделений.

Быстротой действия насоса при данном впускном давлении называется объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени.

Быстрота действия насоса SН опреде­ляется формулой S_Н=Q/p, где Q - количество газа, удаляемого насо­сом в единицу времени; р - давление газа во впускном патрубке насоса.

Быстрота действия насоса измеряется объемом, отнесенным ко времени (л/с, м3/с).

Быстротой откачки объекта назы­вается объем газа, поступающий в едини­цу времени из объекта в вакуумпровод при данном давлении в откачиваемом объ­екте.

Механические вращательные масля­ные насосы

В вакуумной технике и, в ча­стности, в технике течеискания широко применяются вращательные насосы с мас­ляным уплотнением трех типов: пластин­чато-роторные, пластинчато-статорные и золотниковые.

На рис. 3.2 показана схема работы пластинчато-роторного насоса. Ротор 1, эксцентрично расположенный в полости статора 2, при вращении вокруг своей оси прилегает к его внутренней поверхности, по которой скользят две подпружиненные посредством пружины 4 лопатки 3. При вращении ротора объем I, ограниченный лопаткой, увеличивается и газ из откачи­ваемого сосуда засасывается в него через впускной патрубок 5. Далее объем займет положение II, а затем III. Дальнейшее движение ротора приводит к уменьшению объема III и сжатию находящегося в нем газа. Под давлением сжатого газа  открывается клапан 6 и газ выбрасывается в атмосферу.

На рис. 3.3 показана схема работы пластинчато-статорного насоса, в статоре которого расположена одна уплотнительная пластина, скользящая по поверхности: эксцентрично расположенного вращающегося ротора. Засасывание газа через впускной патрубок, его сжатие и выброс через выпускной клапан происходят  как в пластинчато-роторном насосе.

1 - вал двигателя; 2 - ротор; 3 – прорезь в корпусе статора; 4 - пластина; 5 и 6 - впускной и выпускной патрубки соответственно; 7 - рычаг; 8 – пружина

Рис. 3.4. Схема работы золотникового насоса

В золотниковом насосе, схема работы которого показана на рис 3.4, использует­ся тот же принцип, но вместо пластин применяется золотниковое устройство, посредством которого осуществляются всасывание и выброс откачиваемого газа. Цилиндрическая обойма 2, надетая на экс­центрично расположенный ротор 1, катит­ся, скользя по стенке камеры, а закреплен­ный на ней патрубок движется вверх-вниз в золотнике 3. Откачиваемый газ всасыва­ется через отверстие 4 и выбрасывается через выпускной клапан 5 в патрубке 6.

Масло, заполняющее кожух враща­тельных насосов, предназначается для смазки трущихся деталей и для уплотне­ния зазоров между ними, а также для гер­метизации сальника и надежности выпу­скного клапана. Нормальная работа вра­щательных насосов в значительной мере зависит от количества и качества заливае­мого в них масла. Оно должно быть чис­тым, обладать достаточной вязкостью, не должно содержать воду и посторонние примеси.
Характер зависимости быстроты от­качки механических насосов от давления газа на впускном патрубке приведен на рис. 3.5.

При эксплуатации вращательных на­сосов отрицательное действие на их рабо­ту может оказать наличие в вакуумных установках источников парообразования.

Рис. 3.5. Характер зависимости быстроты откачки механических насосов от впускного давления

В работающем насосе пары, подвергаясь вместе с газами сжатию, конденсируются и, смешиваясь с маслом, не удаляются из насоса. По мере установления равновесия между упругостью пара в насосе и откачи­ваемом объеме откачка паров прекращает­ся. Жидкость, попавшая в масло, приводит к окислению и осмолению масла и метал­лических деталей насоса, в результате че­го насос не только теряет работоспособ­ность, но и может выйти из строя.

Для обеспечения нормальной откачки при выделении значительных количеств паров воды применяются насосы с газо­балластным устройством, обеспечиваю­щим в некоторый момент работы насоса напуск в камеру сжатия сухого воздуха, что предотвращает конденсацию паров.
При подсоединении механического насоса к вакуумной системе необходимо предусмотреть возможность напуска воз­духа в насос при его остановке. В против­ном случае, после остановки насоса в ваку­умную систему может проникнуть масло из насоса вследствие перепада давлений в случае негерметичного корпуса насоса.

При эксплуатации механических на­сосов следует иметь в виду, что из-за не­полной балансировки вращающихся час­тей насосы могут создавать вибрации кар­каса установок, где они монтируются. По­этому при монтаже нужно применять амортизаторы.
При первоначальном включении не­обходимо убедиться в правильности на­правления вращения ротора, указываемого на корпусе насоса.
Технические характеристики некото­рых вращательных механических насосов, выпускаемых промышленностью, пред­ставлены в табл. 3.1.

Таблица 3.1. Основные технические характеристики некоторых масляных механических насосов

• GLD-040        2,4 м3/ч, 230 В, 1 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-136 A     8,1 м3/ч, 380 В, 3 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-136 C     8,1 м3/ч, 230 В, 1 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-201 A      12 м3/ч, 380 В, 3 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-201 B      12 м3/ч, 230 В, 1 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-280 A      18 м3/ч, 380 В, 3 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.
• GLD-280 B      18 м3/ч, 230 В, 1 Ф, 6,7 x 10-4 мм рт. ст.

Спиральные безмасляные насосы

Документ будет выслан оперативно по запросу на lab@techeiscatel.ru/p>

Двухроторные механические насосы

Двухроторные насосы представляют со­бой ротационную машину типа «Рутc». В корпусе 1, имеющем овалообразное сече­ние, вращаются синхронно навстречу друг другу два фигурных ротора 2, по профилю напоминающие восьмерки. Между вра­щающимися роторами и стенками корпуса имеются небольшие зазоры, что позволяет развивать большие скорости вращения роторов. Роторы приводятся во вращение через шестеренчатую передачу, связы­вающую их валы и находящуюся вне ра­бочей камеры. В рабочей камере насоса отсутствует смазка. Привод насоса осуще­ствляется от электродвигателя через упру­гую муфту. Схема двухроторного насоса показана на рис. 3.6.

Процесс откачки в двухроторных на­сосах происходит захватом и переносом газа от впускного патрубка 3 к выпускно­му 4 непрерывно вращающимися лопа­стями. Неуплотненные зазоры между вращающимися деталями не позволяют применять эти насосы при значительных перепадах давлений, поэтому для получе­ния низких давлений они должны рабо­тать в паре с обычными механическими насосами.

Двухроторные насосы обладают большой быстротой действия при сравни­тельно небольших габаритных размерах. Они применяются для откачки крупнога­баритных вакуумных систем.
Технические характеристики двухроторных насосов представлены в табл. 3.2. Промышленность выпускает также двухроторные агрегаты, представляющие собой установленные на общей раме и последовательно соединенные между со­бой двухроторный и форвакуумный насо­сы.

Таблица 3.2. Основные технические характеристики двухроторных насосов Pedro Gil  

Турбомолекулярные насосы

Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) являются разновидностью вращательных насосов и широко применяются в элек­тронной, авиационной, атомной, электро­технической и других отраслях промыш­лености. В последнее десятилетие эти насосы получают все большее распро­странение для высоковакуумной откачки в масс-спектрометрических течеискателях и к настоящему времени практически вытеснили пароструйные насосы. Турбомо­лекулярные насосы обладают существен­ными преимуществами перед другими высоковакуумными средствами откачки: они практически не загрязняют откачи­ваемый объем парами углеводородов, как диффузионные насосы; имеют большую быстроту действия при откачке легких газов; время их запуска и остановки суще­ственно меньше, чем у диффузионных насосов; в них легко обеспечивается раз­личная степень сжатия по легким газам, что позволяет в течеискателях осуществ­лять режим противотока и тем самым расширять их эксплуатационные возмож­ности.

Единственным ощутимым недостат­ком ТМН является наличие быстро изна­шивающихся подшипников или сложных систем подвеса ротора (электромагнитно­го или газодинамического). Однако со­временный уровень машиностроительной технологии позволяет гарантировать рабо­ту ТМН до замены подшипников в тече­ние 5 000 ... 10 000 ч.

Принцип действия ТМН основан на переносе молекул откачиваемого газа дис­ками вращающегося с высокой скоростью ротора, расположенными в малом зазоре между дисками статора.
Конструктивно ТМН выполняются в горизонтальном или вертикальном испол­нении (рис. 3.7). В корпус 2 закреплены неподвижные статорные диски 4. Ротор 1, представляющий собой вал с рабочими дисками 3, вращается в корпусе со скоро­стью в десятки тысяч оборотов в минуту. В рабочих дисках ротора предусмотрены косые радиальные пазы либо установлены под определенным углом лопатки. Ста­торные диски имеют конфигурацию, зер­кально отражающую конфигурацию ро­торных.

Ротор насоса устанавливается в кор­пусе на подшипниках качения. В насосах с вертикальным расположением вала иногда применяют магнитную подвеску или газо­вые подшипники. Вращение ротора обес­печивается электроприводом.

Рис. 3.7. Схема ТМН: а - горизонтального; б – вертикального

Турбомолекулярные насосы работа­ют в паре с форвакуумными насосами, обеспечивающими остаточное давление 0,1 ... 1 Па. При остановке и запуске ТМН необходимо предусматривать мероприя­тия, исключающие проникновение паров масла в насос и в откачиваемую вакуум­ную систему. Миграция паров масла форвакуумного насоса при остановке ТМН предотвращается напуском осушенного воздуха во всасывающий патрубок ТМН.

Вращающийся ротор препятствует про­никновению паров углеводородов в по­лость насоса, поэтому клапан, соединяю­щий форвакуумный насос с ТМН, откры­вается только после разгона ротора, а по достижении номинальной скорости вра­щения ротора всасывающая полость насо­са соединяется с откачиваемым объемом.
Основные технические характеристи­ки некоторых ТМН приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Основные технические характеристики некоторых ТМН 

Пароструйные масляные насосы

При давлении в откачиваемом объеме < 1 Па производительность вращательных механических насосов резко снижается, а при давлении < 0,1 Па она практически рав­на нулю. С целью получения в вакуумируемых объектах давлений 10-1 ... 10-6 Па ус­пешно применяются пароструйные насосы. Эти насосы надежны в работе, легко под­даются ремонту и относительно дешевы.

Работа пароструйных насосов осно­вана на откачивающем действии истекающих из сверхзвуковых сопел паровых струй, образованных парами специальных рабочих жидкостей.
Пароструйные насосы подразделяют­ся на эжекторные (10⁵ ... 1 Па), бустерные (10 ... 10^-2 Па) и высоковакуумные диф­фузионные (< 10^-2 Па). В течеискателях длительное время применялись диффузи­онные насосы, и, поскольку в эксплуата­ции находится большое количество этих насосов, именно их и следует рассмотреть.

Диффузионные насосы предназна­чены для откачки газа из различных ваку­умных систем до остаточных давлений ~10^-5 Па.
Принцип действия насосов основан на диффузии молекул газа в сверхзвуковую паромасляную струю и переносе их со струей к охлаждаемой поверхности, на ко­торой масляный пар конденсируется, а газ откачивается вспомогательным насосом.
Схема действия трехступенчатого пароструйного насоса показана на рис. 3.8. Пары рабочей жидкости из кипятильника 9 проходят по концентрическим паропро­водам и со сверхзвуковой скоростью вы­ходят через сопла первой, второй и треть­ей ступеней в виде струй, направленных под углом к охлаждаемой стенке насоса, и конденсируются на ней.

Проникающие через впускное отверстие молекулы газа диффундируют в струю пара первой сту­пени и уносятся ею. После конденсации пара капли рабочей жидкости стекают по стенке насоса обратно в кипятильник, а перенесенный газ диффундирует в струю пара второй ступени. Действия второй и третьей ступеней аналогичны действию первой. В результате газ переносится к выпускному патрубку и откачивается из пароструйного насоса вращательным ме­ханическим насосом.

Быстрота откачки определяется дей­ствием первой ступени. Вторая и третья ступени проводят откачку с меньшей бы­стротой, но обеспечивают большой пере­пад давлений. Если вращательный насос не может создать достаточный для работы высоковакуумного насоса вакуум, приме­няют два последовательно соединенных пароструйных насоса - высоковакуумный и вспомогательный (бустерный). Каждый из этих насосов имеет свои особенности: высоковакуумный отличается большой скоростью откачки, но сравнительно не­значительным перепадом давлений, бус­терный насос рассчитан на большой пере­пад давлений пара, обеспечиваемый при­менением специальных сопел и мощного электронагревателя.

 

Рис. 3.9. Зависимость быстроты действия
диффузионного насоса от впускного давления

Параметры пароструйных насосов в значительной мере зависят от различных факторов. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от впускного дав­ления показана на рис. 3.9. В широком диапазоне давлений быстрота действия диффузионных насосов остается постоян­ной (область II). Для некоторых насосов этот диапазон превышает два порядка.

При низких давлениях (область I) cпад быстроты действия происходит вследствие противодиффузии молекул газа через паровую струю со стороны бо­лее низких ступеней, вылета из струи и миграции в откачиваемый объем молекул легких газов, десорбции газа со стенок насоса.
Уменьшение быстроты действия диффузионных насосов при увеличении впускного давления (область III) связано с перетеканием газа из области предвари­тельного разрежения в высоковакуумную из-за нарушения уплотнения паровой струи и отрыва ее от стенок насоса.
Быстрота действия диффузионных насосов зависит также от рода рабочей жидкости, рода откачиваемого газа, кон­струкции насоса, мощности подогревате­ля, температуры откачиваемого газа. Она прямо пропорциональна квадратному кор­ню из абсолютной температуры откачи­ваемого газа.

На рис. 3.10 показана зависимость быстроты действия диффузионного насоса от мощности подогревателя, имеющая явно выраженный максимум, соответст­вующий оптимальной мощности подогре­вателя. При малой мощности происходит компенсация различных тепловых потерь и насос практически не работает. С повы­шением подводимой мощности часть ее затрачивается на парообразование и фор­мирование струи - насос начинает рабо­тать. При оптимальной мощности быстро­та действия насоса максимальна. Даль­нейшее повышение мощности нарушает стабильность струи, и быстрота действия насоса снижается.

Зависимость быстроты действия диффузионных насосов от рода рабочей жидкости связана с различными термоди­намическими и физико-химическими ха­рактеристиками жидкостей. Жидкость обычно выбирают исходя из требований к вакуумной системе и, соответственно, к применяемым откачным средствам. При этом учитывают необходимый уровень предельного вакуума; остаточную среду в вакуумной системе; вероятность окисле­ния жидкости и т.п. Повышенное содер­жание рабочей жидкости так же ухудшает параметры насоса, как и пониженное. Оп­тимальное количество определяют при разработке и конструировании насоса.

В качестве рабочей жидкости в паро­струйных насосах могут использоваться ртуть, органические и кремнийорганические масла. В связи с вредным воздейст­вием паров ртути на здоровье обслужи­вающего персонала в настоящее время ртуть практически не используют. В табл. 3.4 приведены марки и основные характе­ристики масел, которые применяются в качестве рабочих жидкостей в пароструй­ных насосах.

Для охлаждения стенок в пароструй­ных насосах служит водопроводная вода, протекающая по змеевику, закрепленному на корпусе насоса с внешней стороны. В случаях невозможности использования водяного охлаждения (в передвижных вакуумных установках, например в масс-спектрометрических течеискателях) при­меняются насосы с воздушным охлажде­нием. На корпусе таких насосов устанав­ливаются радиаторы, рассеивающие теп­ло, а принудительный поток воздуха обес­печивается вентилятором, смонтирован­ным на кронштейне корпуса насоса.
При эксплуатации пароструйных на­сосов надо внимательно следить за ис­правностью системы охлаждения корпуса насоса, поскольку отсутствие охлаждения даже на короткое время приводит к подго­ранию масла и потере им необходимых для работы насоса свойств. Попадание атмосферного воздуха на разогретое масло вызывает его окисление и выход насоса из строя.

Таблица 3.4. Рабочие жидкости пароструйных насосов

В процессе эксплуатации пароструй­ных насосов необходимо периодически проводить профилактические и ремонтные работы: зачистку и промывку паропрово­да, смену масла, смену уплотнительных прокладок и др. При работе с диффузионными насо­сами надо соблюдать правила вакуумной гигиены, периодичность профилактики, правила повседневной эксплуатации.

Чистота насоса и рабочей жидкости определяющим образом влияет на время получения предельного вакуума. Во избе­жание окисления масла и вследствие этого выхода насоса из строя нельзя допускать прорыва атмосферного воздуха в насос. Для эффективной работы насоса рабочая жидкость должна выбираться в соответст­вии с условиями эксплуатации насоса. Например, если требуется получить дав­ление < 10-6 Па, следует вместо наиболее распространенного и дешевого масла ВМ-1 использовать масла ФМ-1 и 5Ф4Э. Если по условиям работы в насос перио­дически может попадать атмосферный воздух, нужно применять полисилоксановые жидкости: ПФМС или ПЭС-В-1.

Для присоединения насоса к откачи­ваемой системе следует использовать воз­можно более короткие и широкие патрубки.
В процессе эксплуатации насосов иногда возникает необходимость в откач­ке определенных газов. Эффективность откачки легких газов можно повысить увеличением мощности подогрева насоса.
Существенную роль при эксплуата­ции диффузионных насосов играет охлаж­дение корпуса. Поэтому нужно следить за тем, чтобы расход охлаждающей воды или поток охлаждающего воздуха соответст­вовал паспортным данным.
Работа диффузионных насосов в зна­чительной степени определяется работой форвакуумных насосов. Поэтому форвакуумный насос надо выбирать строго по рекомендациям, изложенным в паспорте, а при эксплуатации - контролировать его работу.
Выбор насоса для той или иной ваку­умной системы осуществляется при про­ектировании исходя из требуемого вакуу­ма, рабочего объема системы, необходи­мого времени выхода на режим, суммар­ного газового потока и т.п.
Современные пароструйные насосы обеспечивают получение вакуума до 10-6 Па, а быстрота откачки достигает 20 м3/с.

Ваккумные ловушки

Предельное давление паро­струйных высоковакуумных насосов огра­ничено помимо указанных ранее причин обратным потоком паров рабочей жидко­сти из насоса в откачиваемый объект. Для уменьшения этого потока применяются ловушки: конденсирующие, каталитиче­ские, сорбирующие и др.

Простейшим видом конденсирующих ловушек является механический отража­тельный колпачок (рис. 3.11), устанавли­ваемый у входного патрубка насоса. По припаянной снаружи колпачка трубке циркулирует вода, что обеспечивает ох­лаждение колпачка и более эффективную конденсацию паров масла. Устройство крепится на фланце, на наружной стороне которого имеются два штуцера для под­ключения к системе охлаждения. Такие отражатели позволяют в 20 ... 30 раз уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости, не снижая быстроты откачки насоса.
Конденсирующие ловушки различ­ной конструкции широко применяют в большинстве высоковакуумных систем. Схемы некоторых таких ловушек показа­ны на рис. 3.11. Для эффективной работы ловушки в подавляющем большинстве охлаждают. В качестве хладоагента ис­пользуют лед с СаС12, твердую углекисло­ту со спиртом, фреон, жидкий кислород, но чаще всего жидкий азот. Это объясня­ется его наиболее низкой температурой среди хладоагентов, удобством работы с ним, простотой получения и низкой стоимостью. Жидкий азот при нормальных условиях быстро испаряется. Поэтому для транспортировки и хранения его заливают в сосуды Дьюара.

Основным недостатком охлаждаемых ловушек является то, что они не удаляют из вакуумной системы конденсируемые вещества, а только удерживают их на ох­лажденной поверхности. При нагреве поверхности ловушки (когда охлаждаю­щее вещество испаряется) пары снова рас­пространяются в вакуумной системе. Ем­кость ловушек увеличивают путем расши­рения охлаждаемой поверхности или вве­дением в конструкцию ловушки адсорбен­тов, таких как активированный уголь, цео­лит и т.п., которые способны поглощать значительные количества паров и некото­рых газов. Это - сорбционные ловушки.