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}