Форвакуумные насосы (Германия, Швеция, США, Китай, Италия)

Форвакуумные насосы (Германия, Швеция, США, Китай, Италия)

3632
0

Назначение форвакуумных насосов – уменьшение давления в вакуумной системе. С их помощью его величина снижается от атмосферного до 10-2-10-1 тор, и только после этого в действие вступает высоковакуумный насос. Оба эти агрегата должны быть согласованы между собой по скорости откачки. Этот показатель, у каждого устройства, должен быть обратно пропорционален соответствующему давлению на входе. Чем быстрее форвакуумный насос должен откачать систему, тем выше обязана быть его скорость откачки. Наибольшее распространение получили пластинчато-роторные форвакуумные насосы. Также широко применяются на производстве и пластинчато-статорные агрегаты.

В качестве насосов предварительной откачки используются:

Рис. 6–1(а) подробно демонстрирует строение пластинчато-роторного насоса, который может использоваться для создания предварительного разрежения (форвакуума).

пластинчато роторный форвакуумный насосВнутри устройства находится ротор, статор и две уплотняющие лопатки. В пространстве между этими деталями происходит транспортировка объема газа по направлению от входа в агрегат к выходу. Сжимаясь, газ повышает давление в замкнутом объеме насоса, под его действием открывается выходной клапан устройства и происходит выброс газа в атмосферу. Данные насосы имеют две последовательные ступени откачки и могут обеспечивать давление порядка 10-3 торр. В ходе эксплуатации устройства следует избегать конденсации водяного пара, так как это может привести в негодность вакуумное масло. Именно поэтому в ступенях высокого давления современных форвакуумных насосов устанавливаются балластные клапаны. После отсечения объема рабочей камеры агрегата от впускного патрубка, через такой клапан осуществляется подача сухого воздуха. В результате этого открытие выпускного клапана происходит в тот момент, когда давление насыщения конденсирующих паров будет больше степени их сжатия. Применение газобалластного двухступенчатого насоса позволяет достигать минимального значения давления порядка 10-3 торр.

Характеристики форвакуумных насосов

Сходными характеристиками обладает и пластинчато-статорный насос, изображенный на рис. 6–1(б). Работа пластинчато-роторных насосов отличается высоким уровнем вибрации, которая возникает из-за недостаточной балансировки лопаток. В ходе эксплуатации пластинчато-статорных агрегатов вибрация проявляется еще сильнее. Типичные кривые откачки этого устройства изображены на рис. 6–2. Приблизительно постоянной скорость откачки является в широкой области давлений, а вблизи предельного давления она резко уменьшается.

скорость откачки форвакуумного насосаДля достижения более высоких скоростей откачки при давлении 10-3–10-2 торр в соединении с вышеупомянутыми агрегатами иногда используются насосы Рутса. В некоторых случаях это позволяет совсем отказаться от установки в систему дополнительного высоковакуумного агрегата. Схематичное изображение насоса Рутса представлено на рис. 6–3.В его устройство входят два, вращающиеся в противоположных направлениях, фигурных ротора, которые имеют поперечное сечение в форме восьмерки. Между кожухом агрегата и роторами предусмотрен небольшой зазор – около 0,025 см. Эти насосы имеют высокую скорость откачки даже при значениях давления около 10-4 торр, но для ее получения необходим мощный форвакуумный насос. Предел давления, достигаемый насосами Рутса, может составлять порядка 15 торр. В ходе постоянной работы агрегата при высоком давлении он, как правило, сильно нагревается. Во избежание перегрева, при увеличении давления выше 1 торр, применяется байпасный клапан. Также насосу можно задать пониженную скорость на начальном периоде откачки, но это увеличит ее общую продолжительность. В такой же области давлений работают и эжекторные насосы, описание которых находится в параграфе 6–2.

Принципиальная схема насоса РутсаВ некоторых случаях, при слишком длительной откачке форвакуумным насосом, может возникнуть накопление вакуумного масла в системе. Избежать этого позволит установка ловушки между форвакуумным насосом и высоковакуумным. Внутри так называемых ионных ловушек [Л. 1], пересекаются электрическое и магнитное поля, в которых обеспечивается разряд с холодным катодом. Подобное устройство призвано уменьшить обратный поток углеводородов, исходящий из форвакуумного насоса. Углеводороды, при соударении с ионами на катоде, образуют твердый полимер. Исходя из опытов, проводимых с двухступенчатыми масляными насосами, было зафиксировано уменьшение давления, при использовании ионной ловушки, от 1,4·10-3 до 8·10-5 торр. Кроме этого, применение ловушек вносит изменения в состав остаточных газов, где на смену легким фракциям масла, преобладавшим прежде, приходит водород. Помимо ионных, пользуются также вымораживающими или охлаждающими жидким азотом (до – 196 °С) устройства. Вместе с тем применение ловушек в области ламинарного вязкостного потока менее эффективно, а большее предпочтение отдается безмасляным форвакуумным насосам.

Нижний предел давления водоструйных насосов может составлять до 20 торр, в зависимости от температуры воды. Так, при температуре 5 °C давление водяного пара составляет 5 торр, а при 20 °C – повышается до 18 торр. Высокая скорость откачки присуща пароструйным эжекторным насосам. Использование шести последовательных ступеней доводит нижний предел давления до 10-3 тор [Л. 2]. Недостатками таких агрегатов являются: необходимость в обеспечении достаточной мощности рабочей струи, а также интенсивность обратного потока пара при отсутствии нагрузки.

Другое конструктивное решение для мало — и среднеразмерных систем с небольшой газовой загрузкой состоит в применении сорбционных форвакуумных насосов.

Изначально адсорбентом в таких устройствах являлся древесный уголь. В данное время его все чаще заменяют на цеолиты или как их еще называют – молекулярные сита. Цеолитами являются пористые алюмосиликаты, включающие в свой состав несколько ионов металлических элементов. Такие элементы способны адсорбировать большое количество газа при охлаждении жидким азотом. Цеолит типа 5А фирмы «Линде» адсорбирует примерно такое же количество азота, что и древесный уголь (рис. 6–15). Если же вещество нагревается до комнатной температуры, то освобождает весь адсорбированный газ. Поэтому данный показатель необходимо тщательно контролировать, чтобы не допустить создания избыточного давления в системе. Сорбционные агрегаты такого вида теперь абсолютно доступны и часто применяются совместно с геттерно-ионными насосами, которые описаны в параграфе 6–6. По окончании этапа предварительной откачки они автоматически отключаются. Согласно техническим характеристикам этих устройств, одним таким насосом можно осуществить откачку объемом 20 л в течение 20 минут до 2·10-2 торр, а за 90 минут – до 10-2 (включая время охлаждения).

Повышения скорости откачки можно достичь благодаря более эффективному охлаждению цеолита. При этом удается ускорить его нагревание для десорбции до значений, близких к комнатной температуре. В [Л. 2а] приводится сравнение промышленного насоса, представляющего собой вертикальный цилиндр, который содержит цеолит и цилиндрический вкладыш вдоль оси, служащий для переноса тепла, с агрегатом новой, усовершенствованной авторами, конструкции. Внутри цилиндрического корпуса устройства они разместили лотки с адсорбентом, укрепленные на полом центральном стержне и разделенные промежутками. В стержне находился нагреватель для регенерации, само же пространство, при работе насоса, заполнялось жидким азотом. В ходе испытаний оба агрегата достигли давления в 10-1 торр за 25 мин. Однако, промышленным насосом за 60 мин система была откачана до 1,5·10-2 торр, тогда как новым устройством, за такой же промежуток времени, было достигнуто значение в 1,5·10-3 торр (при меньшем в 3 раза содержании адсорбента).

Скорость откачки сорбционного насосаВ [Л. 3] была измерена скорость откачки агрегата для различных газов. Результаты исследования представлены на рис. 6–4. Скорость откачки при давлении 10-1 торр здесь дается в виде функции общего кол-ва адсорбированного газа в нормальных условиях для насоса, который содержит 100 г цеолита марки «Линде Х13». Необходимо отметить, что скорость откачки достигает максимума только после адсорбции некоторого количества газа, так как он улучшает охлаждение внутреннего слоя цеолита. Характер всех кривых — одинаково общий. Адсорбция водорода невелика, а вот азот адсорбируется гораздо быстрее, чем кислород.

В составе газа, за время откачки, происходят изменения. В ходе работы [Л. 21] авторами получено, при откачке от атмосферного, давление в 5·10-3 торр при помощи цеолита марки «Линде Х13». Состав остаточных газов: 64% He, 31% Ne, 4% Ar и 1% N2 (см. таб. 6–1). Налицо корреляция с ожидаемой теплотой десорбции. При повторных циклах откачки, Варади и Эттром наблюдалось уменьшение сорбции. Вероятно, это обуславливает адсорбция паров воды. В [Л. 4] Беннок подчеркивает, что из цеолита 5А, при комнатной температуре, пары воды не десорбируются. Для избавления от основной части воды необходимо нагреть цеолит до 350 °C. Однако, нагревание цеолита сверх указанной температуры недопустимо, так как чаще всего это приводит к разрушению вещества. Сорбционные агрегаты, с цеолитом и древесным углем в виде адсорбента, описаны также в параграфе 6–4 данной книги.

 

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОТВЕТИТЬ