Глава 2 Часть 1 курса лекций "Вакуумная техника"
Преподаватель Федоров А. Л.
2. Способы получения и контроля вакуума
2.1 Общая характеристика вакуумных насосов
Для создания в установках требуемой степени разрежения применяют разнообразные вакуумные насосы.
Вакуумные насосы классифицируются по назначению на низковакуумные, средневакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные, а в зависимости от принципа действия - на механические и физико-химические.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.
Быстроту откачки насоса Si в произвольном сечении соединительного трубопровода, рис. 2.1., определяют как объем газа, проходящий через это сечение в единицу времени: Si=dVi/dt.
рис. 2.1.
Объем газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого объекта в трубопровод через сечение II при давлении P2, называется быстротой откачки объекта или эффективной быстротой откачки насоса:
Sэф=dV2/dt. (2.1)
Объем газа, удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок (сечение I) при давлении Р1 - это быстрота действия насоса: Sн=dV1/dt. (2.2)
Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия называется коэффициентом использования насоса:
Ки=Sэф/Sн. (2.3)
Поток газа, проходящий через входное сечение насоса, называется его производительностью. Для стационарного потока выполняется
условие сплошности:
Q=P1Sн=P2Sэф=PiSi. (2.4)
Установим связь между тремя основными характеристиками вакуумной системы: быстротой действия насоса Sн, эффективной быстротой откачки объекта Sф и проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U. Согласно (2.4) и (1.54) запишем
Sн=Q/P1=U(P2-P1)/Р1; Sэф=Q/P2=U(P2-P1)/Р2. (2.5)
Перепишем (2.5) в виде
;
и вычтем первое из второго:
1/Sэф - 1/Sн = 1/U. (2.6)
Уравнение (2.6) называется основным уравнением вакуумной техники. Его можно переписать в виде
Sэф = SнU/(Sн+U) (2.7)
При условии Sн=U из (2.7) получим, что Sэф=0,5Sн. Если U → ∞то Sэф→Sн; при U→0 следует, что Sэф→ 0.
Введя в основное уравнение коэффициент использования насоса, согласно (2.3), получим
Kи = U(Sн + U); (2.8)
U = SнКи/(1 - Ки). (2.9)
Максимальное значение коэффициента использования насоса равно единице.
Предельным давлением Рпр насоса называют минимальное давление, которое может быть достигнуто во входном патрубке заглушенного насоса после длительной работы в стационарном режиме, рис. 2.2.
Рис .2.2.
Быстрота действия насоса при приближении к предельному давлению стремится к нулю. Предельное давление большинства вакуумных насосов определяется газовыделением материалов, из которых изготовлен насос, перетеканием газов через зазоры и др.
Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса Рм - это минимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Оно примерно на порядок выше предельного. Эксплуатация насоса при давлениях между предельным и наименьшим рабочим не оправдана экономически.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса Рб - это максимальное давление, при котором насос сохраняет номинальную быстроту действия. Давление запуска Рз - это максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Для большинства насосов оно совпадает с наибольшим выпускным давлением Рв, - максимальным давлением выпускного патрубка, при котором еще обеспечивается нормальная работа насоса. Если это давление превышено, насосы прекращают работу или могут прийти в негодность из-за окисления рабочих деталей. Данные параметры показаны на основной характеристике вакуумного насоса - зависимости быстроты действия от его входного давления.
В качестве дополнительных характеристик вводят такие параметры насосов, как производительность (количество газа, удаляемое из входного патрубка в единицу времени), потребляемая мощность, длительность рабочего цикла и ресурс работы, время запуска и т.д.
2.2 Механические вакуумные насосы
По характеру воздействия на откачиваемые газы механические насосы разделяются на объемные и молекулярные. Объемные насосы осуществляют откачку за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Конструктивные варианты: поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные. Молекулярные насосы работают за счет передачи молекулам газа количества движения от твердой, жидкой или парообразной быстродвижущейся поверхности. Среди них различают водоструйные, эжекторные, диффузионные, молекулярные с одинаковым направлением движения откачивающей поверхности и молекул газа, турбомолекулярные с взаимно перпендикулярным движением твердых поверхностей и откачиваемого газа.
Если выпускное давление механического насоса превысит значение Рв, произойдет т.н. срыв насоса, сопровождающийся резким ухудшением его предельного давления и быстроты откачки. Зависимость быстроты откачки (1) и предельного давления (2) от выпускного давления показана на рис. 2.3.
Рис. 2.3.
Объемная откачка
В процессе объемной откачки выполняются следующие основные операции: 1) всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса; 2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа; 3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос предварительного разрежения. В зависимости от выбора конструктивной схемы объемные насосы делятся на поршневые, жидкостно-кольцевые и ротационные.
В поршневых откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10...4000 л/с. Предельное давление достигает 10 Па. Недостатки поршневых насосов - неравномерность процесса откачки, неполная уравновешенность, большие потери на трение и большая удельная масса.
Быстрота действия жидкостно-кольцевых насосов лежит в пределах от 25 до 500 л/с. Предельное давление водокольцевых насосов 2000 Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. Недостатки насосов - большой удельный расход мощности из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе, и большая удельная масса.
Жидкостно-кольцевые насосы, рис .2.3. имеют в цилиндрическом корпусе 1 эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Жидкость внутри корпуса под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и создает жидкостное кольцо 4. Между кольцом и лопатками образуются ячейки, их объем вначале увеличивается, и газ через отверстие 3 поступает в насос. Затем объем уменьшается, и сжатый газ через отверстие 5 удаляется.
Рис. 2.4.
Ротационные вакуумные насосы имеют несколько конструктивных модификаций. Пластинчато-роторный насос, рис .2.5. содержит цилиндрический
Рис . 2.5.
корпус 7 с впускным 4 и выпускным 3 патрубками и эксцентрично расположенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры.
Уплотнение зазоров, предотвращающее перетечку газа, осуществляется вакуумным маслом.
Предельное давление одноступенчатых роторных насосов достигает 1 Па, двухступенчатых 0,001 Па. Оно определяется кроме газовыделения материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.
Пластинчато-статорный насос, рис .2.6., состоит из следующих основных
Рис. 2.6.
элементов: корпуса 1, эксцентричного ротора 2, выпускного патрубка 3, пластины 5, пружины 4, входного патрубка 6. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй происходит сжатие и выхлоп газа. Пластина под действием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.
Золотниковый насос, рис. 2.7., состоит из корпуса 1, эксцентрично установленного ротора 2, золотника 6, выпускного патрубка и обратного клапана 3,
Рис .2.7.
шарнира 7 и входного патрубка 4. Газ из откачиваемого объема через входной патрубок и отверстия 5 в золотнике поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается, и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок. Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в масляной ванне. Характеристики их примерно одинаковы, но золотниковые насосы имеют большие быстроты откачки. Предельные давления одноступенчатых насосов достигают 10 Па, двухступенчатых 0,1 Па. Давление запуска и выпускное давление насосов обычно равны атмосферному.
Для работы с большой быстротой действия при малых степенях сжатия применяют ротационные вакуумные насосы с обкатываемыми профилями. Вращение роторов обеспечивается синхронизирующей передачей. К таким насосам относятся двухроторные насосы (насосы Рутса), имеющие роторы с леминискантными профилями, рис. 2.8. За один оборот каждый из роторов дважды
Рис. 2.8.
перебрасывает заштрихованный объем газа из области высокого вакуума в область предварительного разрежения. Двухроторные насосы при тех же габаритах имеют значительно большие быстроты действия, чем пластинчатые и золотниковые. Быстрота действия современных двухроторных насосов лежит в пределах от 5 до 5000 л/с. Предельное давление одноступенчатых насосов 0,5 Па, двухступенчатых 0,05 Па. Наибольшее выпускное давление одноступенчатых насосов от 102 до 103 Па.
Работа объемных вакуумных насосов может сопровождаться проникновением паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, загрязнением насоса откачиваемыми веществами и т.д. Для защиты откачиваемого объекта от паров откачиваемой жидкости используются ловушки: механическкие, адсорбционные, ионные. Устройство и принцип их действия подробнее будет рассмотрен в разделе "Пароструйные насосы. Значения предельного давления с применением ловушек существенно снижаются и достигают у ротационных насосов 10-3 Па.
2.3 Молекулярная откачка
Удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей называется молекулярной откачкой. Существуют две схемы молекулярной откачки.
Первая - откачка через канал, одна из стенок которого совершает относительное перемещение со скоростью vр параллельно оси канала, рис.2.9.
Рис .2.9.
Молекулы газа в канале соударяются с движущейся поверхностью, получая приращение количества движения. При этом создается перепад давлений: Р2>Р1. Максимальная быстрота действия пропорциональна скорости стенки vр:
Smax = γFкvр, (2.10)
где Fк - площадь поперечного сечения канала;
γ = fд/(fд+fн).
Здесь fд - движущаяся, fн - неподвижная часть периметра канала. Номинальная быстрота действия
. (2.11)
Вторая - использует для удаления газов зависимость проводимости наклонного канала, движущегося перпендикулярно газовому потоку со скоростью vр от направления течения газа, рис.2.10. Примем, что пластину с наклонным каналом с обеих сторон бомбардируют перпендикулярно к поверхности пластины потоки молекул газа q1 и q2. Остановив пластину и сложив вектор относительной скорости молекул vр с векторами тепловых скоростей молекул vар,
получим измененное направление движения молекул, поток q1 входит параллельно,
Рис. 2.10.
а поток q2 перпендикулярно оси канала. Это приводит к тому, что проводимости канала для потоков q1 и q2 различны. Для установившегося режима течения газа
Q = SнР1 = U12P1-U21P2. (2.12)
где U12 и U21 - проводимости канала для потоков q1 и q2 соответственно. Откуда быстрота действия
Sн = U12-U21Р2/Р1. (2.13)
Конструкция молекулярных насосов
Молекулярные насосы с одинаковым направлением движения газа и стенки имеют много конструктивных разновидностей. Например, насос, на статоре которого выполнен набор цилиндрических канавок, входные и выходные отверстия в которых разделены перегородкой 1. Ротор 2 вращается с частотой, при которой его линейная скорость близка к тепловой скорости молекул, рис. 2.11.
Рис .2.11.
Спиральный паз 1 на поверхности статора 2 и цилиндрическая поверхность ротора 3 образуют рабочий канал, рис. 2.12.
Рис.2.12.
Спиральные канавки на торцевых поверхностях статора 1, отстоящие на минимальном расстоянии от вращающегося диска 2 образуют рабочий канал в данной схеме, рис .2.13.
Рис. 2.13.
Через зазор между статором и ротором происходит возврат газа из камеры сжатия в камеру всасывания, что ухудшает реальные характеристики насосов. Нормальная работа молекулярных насосов возможна при зазоре между ротором и статором, не превышающем 0,1 мм. Быстрота действия насосов прямо пропорциональна частоте вращения ротора, которая может достигать 40000 об. мин. Максимальная быстрота действия не превышает 100 л/с из-за малого сечения каналов. Предельное давление 10-5 Па.
Молекулярные насосы с взаимно перпендикулярным движением рабочих поверхностей и потока откачиваемого газа (турбомолекулярные) классифицируются по расположению вала ротора - горизонтальные или вертикальные; по устройству рабочих органов - цилиндровые, конусные, дисковые, барабанные.
В корпусе 2 насоса с горизонтальным валом установлены неподвижные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1, рис. 2.13. Роторные колеса выполнены в виде дисков с прорезями. В статорных колесах
Рис .2.14.
имеются зеркально расположенные прорези такой же формы. Для удобства монтажа статорные колеса разрезаются по диаметру. При диаметре рабочих колес 200 мм зазоры между роторным колесом и статорным могут составлять 1...1,2 мм, что позволяет значительно повысить надежность их работы.
Предельное давление турбомолекулярных насосов 10-8 Па. Наибольшее выпускное давление 10 Па. К достоинствам можно отнести широкий диапазон рабочих давлений, высокая удельная быстрота действия, быстрый запуск насоса.
Недостатки - высокоскоростной ротор с быстроизнашиваемыми подшипниками сложной конструкции.
{jlcomments}