Диффузионные насосы и ловушки

Диффузионные насосы и ловушки

2175
0

Схема и устройство диффузионного насосаСкорость плотного пара рабочей жидкости, который вытекает из сопла диффузионных насосов в откачиваемую систему, имеет сверхзвуковые значения. При этом пар, сталкиваясь с газом, увлекает за собой его молекулы и задает им импульс движения в направлении форвакуума. Самая распространенная схема масляного диффузионного насоса изображена на рис. 6-5. Испаритель расположен в нижней части агрегата. Концентрические паропроводы, по которым поднимается рабочая жидкость, включают в себя систему из трех кольцевых сопл. Для работы устройства при наиболее низких значениях давления предназначается верхнее сопло. Над ним расположен маслоотражатель, охлаждаемый водой, выше которого устанавливаются ловушки. Маслоотражатель конденсирует пар и возвращает рабочую жидкость в испаритель. Охлаждаемые, преимущественно жидким азотом, поверхности ловушек, удерживают газы и пары (напр. пар рабочей жидкости). В схеме насоса, изображенного на рис. 6-5, применен отражатель шевронного типа. Преимуществом подобной конструкции является взаимное перекрытие поверхностей ловушки. Это, наряду со значительным уменьшением длины свободного пробега, влияет также на расширение области молекулярного потока. Сопло отражает пар вниз, в направлении водоохлаждаемой стенки насоса, где он конденсируется и стекает в испаритель. Одновременно с этим происходит удаление откачанного газа через форвакуумную линию. В некоторых конструкциях предусмотрено дополнительное сопло, расположенное в боковой стенке насоса — эжекторная ступень. Такая деталь способна увеличивать допустимое противодавление, что позволяет эксплуатировать агрегат в условиях худшего предварительного разрежения.

Степень эффективности диффузионного насоса выражается скоростным фактором.

Ранее этот показатель назывался «коэффициент Ho».Данное значение определяется отношением реальной скорости откачки агрегата к скорости откачки отверстия, которое имеет одинаковую площадь с кольцеобразным зазором между верхним соплом устройства и его стенкой. Величина коэффициента Ho, для обычных насосов, составляет порядка 0,5. Эффективность агрегата, тем не менее, не является его важнейшей характеристикой, так как всегда можно увеличить скорость откачки, используя более мощное устройство.

При увеличении давления в вакуумной системе скорость откачки насоса не изменяется. Она начинает снижаться лишь в случае нарушения потока пара из верхнего сопла, что происходит в результате достижения предела допустимого давления форвакуума. По мере нарушения работы этой и других ступеней устройства, откачка прекращается. Максимально допустимая величина давления форвакуума падает с увеличением производительности агрегата. При полной нагрузке она составляет 70-80% от величины, которая допускается при отсутствии нагрузки или минимальной производительности. Все величины, приведенные ниже, являются наименьшими значениями, которые соответствуют максимальной производительности. Определение граничного форвакуума, по рекомендации комитета стандартов Американского вакуумного общества, следующее: «форвакуум, соответствующий входному давлению, которое на 0,2 миллиторр больше входного давления нормального форвакуума, при данной производительности (или нагрузке) пароструйного насоса».

Источники выделения газа. Их особенности

Скорость откачки диффузионного агрегата, при низких давлениях, остается неизменной, струя пара продолжает захватывать и удалять газ. Фактический предел низкого давления зависит от равновесия между процессами газовыделения и откачки. Необходимо учитывать существование пяти источников газа:

  1. Газовыделение стенок (подробнее см. в параграфе 3–10).
  2. Обратная диффузия из форвакуума.
  3. Попадание продуктов крекинга или легких фракций масла в откачиваемый сосуд.
  4. Обратная миграция.
  5. Обратное течение пара рабочей жидкости.

Обратным течением пара считается движение его молекул по направлению от верхнего сопла к входу насоса. Термином «обратная миграция» называют перемещение пара в области низкого давления при вторичном испарении с поверхности маслоотражателя и стенок агрегата.

Показатель обратной диффузии из форвакуума зависит от количества ступеней и конструктивных особенностей насоса. В различных агрегатах величина диффузии сильно меняется. Некоторые данные, по этому вопросу, представлены в таблице [Л. 5]. Максимальное отношение показателей выходного давления к входному изменялось от 5·102 до 7·105 для H2, от 103 до 2·103 для He и 107 для N2. При росте молекулярного веса газа, обратная диффузия быстро уменьшается. Для этого также можно применить эжекторную ступень высокого давления. В масляном диффузионном агрегате NRCHS 6-1500, с такой ступенью, авторами работы [Л. 5] было найдено отношение 1010 для He. По данным, которые получены нами при работе малого ртутного насоса с эжекторной ступенью, эта величина равнялась 1011 (см. рис. 6–9 [Л. 2]). Несомненно, обратная диффузия неосновная проблема, так как ее легко можно уменьшить, при необходимости, увеличением количества ступеней.

Крекинг масла может происходить под воздействием на него катализа, оказываемого металлическими стенками насоса. При этом легкие продукты разложения перемещаются к входу насоса. В удалении легколетучих фракций и уменьшении обратной диффузии может помочь установка второго масляного диффузионного агрегата, последовательно соединенного с первым, что также улучшает и предельное давление [Л. 7]. Необходимо отметить возможность применения фракционирующих насосов (рис. 6–5). Паропроводы этих устройств доведены до дна испарителя, оставляя лишь небольшое соединительное отверстие. Наиболее легкоиспаряющиеся, после конденсации и возврата на дно устройства, фракции масла, попадают в ближайшее к форвакууму сопло.

При нагревании, даже незначительно превышающем рабочую температуру, большинство масел разлагается. Если в насосе, при нагретом испарителе, достигается давление выше нескольких торр, там наблюдается значительное замедление испарения масла и рост температуры, что приводит к термическому разложению рабочей жидкости. Исключением могут являться силиконовые масла, способные без каких-либо изменений контактировать с воздухом, при атмосферном давлении практически сразу после выключения нагрева.

В обзорной статье [Л. 8] обсуждался процесс обратной миграции в ртутных насосах. Из-за высокого (5·10-4 торр при 14° C) давления ртутных паров обратная миграция, в таких устройствах, очень велика. При температуре 14° C скорость испарения ртути составляет 1,5·10-4 см3/см2·мин. В насосе, имеющем диаметр 22,9 см, скорость обратной миграции, при такой температуре, будет равна 1,75·10-2 см3/мин (см. [Л. 8]). При сильном загрязнении стенок агрегата, которое приводило к ухудшению теплообмена между конденсирующимися каплями ртути и стенкой, скорость миграции возрастала в 12 раз. Если бы в улавливании ртутных паров принимали участие только ловушки, охлаждаемые жидким азотом, то обычные насосы, в течение 10–15 дней эксплуатации, теряли свою работоспособность по причине того, что вся содержащаяся в них рабочая жидкость скопилась на ловушках. Исходя из этого, между ртутным агрегатом и ловушкой устанавливается отражатель, охлаждаемый до -30° C. Ртуть, точка замерзания которой -39° C, конденсируется при этом на его поверхности и в жидком состоянии стекает обратно в насос. При температуре -30° C давление пара ртути составляет 4,8·10-6 торр.

Из работы [Л. 8] можно узнать, что скорость обратной миграции в ртутном насосе, при скорости его откачки 1500 л/сек и постоянной (непрерывной) эксплуатации в течение года, составляет (с установленным охлаждающим отражателем) 3,3·10-4 см3/мин. Это значение в 9 раз превышает скорость, рассчитанную только с учетом испарения. Вероятно, причиной повышенной миграции стало то, что коэффициенты аккомодации и прилипания для ртути — менее единицы. Для того чтобы избежать уменьшения скорости откачки в результате диффузии газа через ртутно-паровую струю, необходимо расположить охлаждаемый отражатель непосредственно над верхним соплом насоса. При невозможности создания такой схемы, некоторого улучшения все же можно достичь, усилив водяное охлаждение верхней части агрегата

Отражатели и ловушки. Особенности устройства и принцип действия

Зависимость скорости обратного течения пара от входного давления диффузионного насосаДавление пара вакуумного масла, применяемого в диффузионных насосах, при комнатной температуре составляет 10-7-10-10 торр, что намного меньше аналогичных показателей ртути. Но и в таком случае обратный поток частиц достаточно велик. Допустимым значением, для хорошего насоса, является поток до 1,5·10-5 см3/сек на единицу площади входного сечения (в см2). Таким образом, если не обеспечить своевременный возврат масла, то паромасляный насос потеряет свою работоспособность практически так же быстро, как и ртутный. Авторы фундаментального исследования обратного течения [Л. 9] указывают на то, что среди серьезных источников пара особое место отводится краю верхнего сопла. Если установить вокруг него охлаждаемое защитное кольцо, то обратный поток частиц уменьшится в 30 раз, а скорость откачки значительно не изменится.

В работе [Л. 10] авторами доказано уменьшение скорости обратного течения, при использовании аналогичных охлаждаемых колпачков, в 100 раз. Тем не менее, скорость может резко возрастать при более высоких значениях давления (рис. 6–6), когда в верхнем сопле происходит разрыв струи, плотность пара увеличивается, а поток становится вязким. Из этого следует вывод, что время работы насоса при относительно высоких давлениях ограничено, а скорость откачки в этой области должна быть высокой. Авторами статьи [Л. 10] был измерен обратный поток через площадку, которая находилась прямо над верхним соплом насоса, что не вполне соответствует практическим условиям. Скорость обратного течения в плоскости входного сечения на 2,5% выше, чем ее значение на расстоянии в 1,5 диаметра от входного отверстия агрегата. Обратный поток можно уменьшить путем установки ловушки, экрана или обычного прямого отрезка трубки. Влияние высоких давлений пара уменьшается при использовании отражателя или ловушки шевронного типа (рис. 6–5), так как столкновения частиц со стенкой такого устройства будут преобладать даже при более высоких значениях давлений.

По причине того, что охлаждаемый отражатель способен уменьшить давление пара ртути лишь до 10-6 торр, для работы в условиях сверхвысокого вакуума в систему добавляют ловушку, которая охлаждается жидким азотом. При температуре этого охладителя, давление ртутного пара становится пренебрежимо малым. Однако, простая ловушка с единственной рабочей поверхностью, пусть и охлаждаемой жидким азотом, не способна гарантировано защитить вакуумную камеру системы от попадания туда молекул пара. С помощью ртутного насоса можно получить давление до 10-7 торр и ниже, только при условии применения жидко-азотных ловушек, которые имеют несколько отражающих плоскостей с сильно развитыми поверхностями. Масляные диффузионные агрегаты также способны обеспечивать сверхвысокий вакуум лишь при использовании ловушек, охлаждаемых жидким азотом.

Относительно недавно появились новые виды масел, позволяющие получать очень низкое давление, при использовании в системе всего одной вымораживающей ловушки. В работе [Л. 11] авторы исследовали силиконовое масло DC-705 и его свойства. С применением только одного маслоотражателя шевронного типа, который охлаждался водой до 16,5° C, было достигнуто давление 5·10-9 торр. В другом агрегате, который имел водоохлаждаемый отражатель и ловушку, охлаждаемую до -20° C, без прогрева удалось получить давление 5·10-10 тор. После прогрева этого же устройства в течение 160 часов при температуре 300° C и охлаждения ловушки до -31° C было получено давление 6,5·10-11 торр.

Действие цеолитовой ловушкиАвтор работы [Л. 12] показал нам, что ловушки, которые имеют вкладыш из медной фольги в виде винтовой спирали и находятся при комнатной температуре, эффективно препятствуют обратной миграции масла из стеклянных диффузионных насосов небольшого размера в откачиваемую систему. В течение трех недель давление в системе поддерживалось на отметке 10-10 торр, а затем постепенно возрастало до величины, которая равна давлению паров масла. Такой тип ловушек может повторно активироваться путем прогрева. Автор [Л. 13] обнаружил, что еще более эффективным адсорбентом является активированная окись алюминия или же цеолит. Применение этих веществ позволяет создавать ловушки, имеющие высокую проводимость, для мощных металлических насосов, где устройства с медной фольгой малоэффективны. Цеолитовые ловушки также способны к повторной активации при нагревании. Рис. 6–7 показывает зависимость, которая характеризует эффективность такой ловушки, при ее длительной работе. В ходе дальнейших лабораторных исследований было обнаружено присутствиеопределенного потока газа, не удаляемого цеолитовой ловушкой. Из этого следует, что для долговременного поддержания давления ниже 10-9 торр необходимо применять ионную откачку.

Преимущество ртути перед вакуумными маслами состоит в том, что она более стабильна, способна контактировать с атмосферой в нагретом состоянии и может работать при высоком форвакууме. Ее недостаток в токсичности и высоком давлении пара, при котором, в большинстве случаев, необходимо применение азотной ловушки. Также нежелательным является и амальгамирующее действие, производимое ртутью. Например, алюминий, взаимодействуя со ртутными парами, образует амальгаму, энергично реагирующую с парами воды и образующую при этом пористую Al2O3. Силиконовое масло марки DC-705 обеспечивает получение сверхвысокого вакуума только при использовании охлаждаемого отражателя. Эта рабочая жидкость также может какое-то время находиться в нагретом состоянии на открытом воздухе, но при его внезапном прорыве система будет загрязнена как углеводородами, так и другими фракциями масла.

Отражатели диффузионных насосов охлаждаются до температуры, которая немного превышает точки замерзания рабочих жидкостей. Стандартные холодильники для ртутных агрегатов охлаждают ловушки до -30° C. Широкое распространение в промышленности получили полупроводниковые ловушки, в принципе действия которых используется эффект Пельтье. В статье [Л. 14] авторами получена разность температур 36,5° C между горячими и холодными спаями. Горячий спай, охлаждаясь проточной водой, поддерживался при 10° C, а последовательное включение обеих ступеней делало возможным охлаждение до -40° C.

Охлаждаемая ловушка для диффузионного масляного насосаВ отношении всех конденсирующихся паров, присутствующих в системе, ловушки действуют как криогенные насосы. В случае с водяным паром, сорбция не будет играть большой роли, так как поверхности быстро насыщаются. Скорость откачки ловушки, которая охлаждается жидким азотом, для паров воды при 20° C, равняется 14,6 л/сек·см2 (уравнение 2–6). Улавливающие устройства необходимо проектировать таким образом, чтобы области переходных температур не образовывались в части, обращенной к откачиваемой системе, то есть в тех местах, где пары воды конденсируются в первую очередь. По мере того как улучшается вакуум в системе, температура испарения воды, вследствие уменьшения давления, понижается. В результате этого уменьшается скорость откачки насоса. Кроме того, снижение уровня жидкого азота не должно приводить к нагреванию охлаждаемой поверхности, что вызовет освобождение некоторого количества газа. Стенки ловушки должны иметь достаточную толщину и высокую теплопроводность, для обеспечения равномерного распределения температуры, даже в том случае, когда их охлаждение лишь частично.

Быстрота действия насосов без отражателя и ловушкиВся поверхность ловушек смачивается маслом. Поэтому такие устройства обязательно должны иметь барьер, который будет препятствовать попаданию масла в систему, вследствие его миграции по поверхности. Ртутью же металл, из которого производят ловушки (чаще всего это нержавеющая сталь) не смачивается и необходимость в подобном барьере отпадает. Существует опасность того, что нормальной работе системы может помешать лед, который образуется при конденсации атмосферной влаги. Ловушку нужно наполнять после удаления из системы большей части паров воды путем откачкилибо в конце прогрева. При достижении сверхвысокого вакуума, возникает необходимость в применении двух, последовательно соединенных, ловушек. Устройство, которое находится ближе к системе, должно заполняться последним.

Как отражатели, так и ловушки, значительно уменьшают скорость откачки. Суммарная проводимость этих устройств, в грамотно согласованном вакуумном агрегате, численно должна равняться 40% скорости откачки насоса.

Преимущества диффузионных насосов

Преимуществом диффузионного насоса является его надежность, а также высокая скорость откачки, не зависящая от колебаний нагрузки. Помимо этого, у диффузионного насоса отсутствует «эффект памяти» — скорость откачки не зависит от количества или вида газа, который был откачан ранее. Графики кривых скоростей откачки воздуха для ртутных и масляных агрегатов с эжекторной ступенью и без таковой, а также масляного эжекторного насоса изображены на рис. 6–9. Скорости откачки насосов измерялись без маслоотражателей и ловушек. Для небольшого ртутного насоса, со скоростью откачки 80 л/сек и эжекторной ступенью, характерно высокое (35 торр) противодавление. Он способен работать, в паре с водоструйным насосом, в качестве форвакуумного агрегата. Предельное значение давления форвакуума, для масляного диффузионного насоса с эжекторной ступенью и без нее, находится в диапазоне от 1 до 10-1 торр, а для ртутного агрегата оно составляет около 1 торр. Масляно-эжекторные устройства эффективнее всего работают в области 10-4-10-1 тор, с противодавлением (предельным форвакуумом) 100 торр. Эти значения совпадают с рабочими пределами, допускаемыми насосами Рутса. Необходимо помнить — чем легче газ, тем обычно выше скорость его откачки. В Окриджской национальной лаборатории были проведены измерения скорости откачки воздуха и водорода двумя масляными насосами. При давлении 10-5 торр она была равна, соответственно, 18000 и 25000 л/сек у агрегата NRC-32-P, а у CVCMCF-1400 скорость откачки составила 1500 и 2600 л/сек [Л. 14а].

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ