Большая энциклопедия техники

5. Эжекторные насосы. Принцип действия эжекторных насосов состоит в следующем. Рабочее тело (газ, пар или вода), имеющее повышенное давление, поступает в сопло, где потенциальная энергия сжатого рабочего тела преобразуется в кинетическую энергию струи. Струя, получившая высокую скорость и имеющая низкое статическое давление, на выходе из сопла попадает в камеру смешения. В камере смешения откачиваемый газ увлекается рабочим телом и интенсивно смешивается с ним. Эта смесь, обладающая несколько меньшей, но все еще значительной скоростью, попадает в диффузор, в котором сжимается за счет перехода кинетической энергии струи в потенциальную энергию давления.

На место удаляющейся из камеры смешения смеси поступают все новые порции газа, которые, в свою очередь, также смешиваются и увлекаются рабочим телом. На выходе из диффузора давление смеси будет меньше давления рабочего тела на входе в сопло, но значительно выше давления откачиваемого газа в камере смешения. Эжекторные насосы работают в области давлений от атмосферного до 1 Па и могут применяться в вакуумных системах в качестве самостоятельных насосов или насосов предварительного разрежения.

Конструкции и характеристики. Водоструйные насосы предназначаются для откачки воздуха и других газов от атмосферного давления до 100 Па. Работа насоса основана на использовании откачивающего действия струи воды, которая под давлением 2,5 x 10⁵ Па истекает из сопла. Откачиваемый газ в сфере действия струи перемешивается с нею, и смесь воды с газом попадает затем в цилиндрическую камеру, за которой установлен расширяющийся диффузор. В диффузоре статическое давление смеси воды и газа за счет уменьшения скорости повышается до атмосферного давления. Смесь воды с газом стекает в бачок, откуда сливается в дренажную линию, присоединенную к патрубку. Для выхода газа из бачка во фланце предусмотрено отверстие. Насос присоединяется к вакуумной системе через кран.

Резервуар предназначен для приема воды, засасываемой через диффузор из бачка в случае аварийного прекращения ее подачи. Через кран подается воздух в резервуар при остановке насоса, что также предотвращает всасывание воды.

Производительность насоса возрастает с повышением давления воды. Предельное остаточное давление насоса практически равно упругости пара воды и увеличивается с повышением ее температуры.

Водоструйные насосы часто применяются в системах безмасляной откачки, например в системе предварительного разрежения высоковакуумного парортутного насоса, для сорбционного насоса, а также в качестве последней ступени пароэжекторного насоса.

Пароэжекторные насосы предназначаются для безмасляной откачки больших сосудов до давлений 1—10^{– 1} Па. Принципиальная схема четырехступенчатого пароэжекторного насоса состоит из трех пароструйных ступеней и водоструйной ступени, работающей с выхлопом в атмосферу. Как правило, в высокопроизводительных многоступенчатых эжекторных насосах за каждой пароструйной ступенью устанавливаются конденсаторы, в которых пар конденсируется, а газ откачивается последующей ступенью. В малых насосах ввиду небольшого расхода пара по сравнению с высокопроизводительными насосами в пароструйных ступенях насоса можно обойтись без промежуточных конденсаторов, что позволяет упростить конструкцию и уменьшить габариты насоса, хотя это влечет за собой несколько повышенный расход пара.

В некоторых насосах отсутствуют промежуточные конденсаторы. Пар под давлением 4 x 10⁵ Па подводится к соплам пароструйных ступеней. При этом каждая последующая пароструйная ступень откачивает не только газ, но и весь рабочий пар, поступивший из предыдущей ступени.

Последняя пароструйная ступень откачивается водоструйной ступенью, к которой подается вода также под давлением 4 x 10⁵ Па. Пройдя через сопло водоструйной ступени, вода поступает в расширительный бак, где гасится скорость водяного потока, и сливается в дренажную трубу.

6. Струйные насосы.

7. Турбомолекулярные насосы.

8. Адсорбционные насосы.

9. Испарительные геттерные насосы. Испарительные геттерные насосы относятся к сорбционным насосам, в которых поглощение газов осуществляется за счет физической адсорбции, хемосорбции, химических реакций и растворения газов в пленке металлического геттера, создаваемой методом термического испарения. В качестве геттера в таких насосах может быть использован любой активный металл, применяемый для распыляемых геттеров в электровакуумных приборах; однако из условий эксплуатационного удобства в промышленных насосах применяется пока только титан. Титан образует прочные нелетучие соединения или твердые растворы почти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах, за исключением инертных газов и углеводородов.

Отличие в механизме поглощения различных газов приводит к тому, что быстрота действия испарительных геттерных насосов по разным газам неодинакова. Равновесное давление газа над пленкой геттера зависит от ее температуры, свойств образующихся соединений, от степени насыщения пленки газом и т. п.

В насосах постоянно обновляемая пленка геттера непрерывно поддерживается в активном состоянии, поэтому предельное остаточное давление насоса определяется газовыделением из распыленного геттера и элементов конструкции насоса. Отметим, что на поверхности титановой пленки при комнатной температуре происходит реакция синтеза метана, образующегося из всегда присутствующих в системе углерода и водорода. При охлаждении титановой пленки до температуры кипения жидкого азота скорость реакции синтеза метана резко уменьшается, а быстрота действия насоса по активным газам (N₂, О₂, СО и Н₂) возрастает из-за увеличения их коэффициента прилипания.

Коэффициент прилипания для чистых пленок титана, не сорбировавших газы, при комнатной температуре составляют 0,4—0,5 для N₂; 0,6—0,7 для О₂ и СО и примерно 0,05 для Н₂; при охлаждении пленки жидким азотом коэффициент прилипания увеличивается до 0,9—1 для N₂, О₂, СО и до 0,4—0,5 для Н₂.

Конструкции и характеристики. Сверхвысоковакуумный агрегат состоит из испарительного геттерного насоса, азотной ловушки и паромасляного диффузионного насоса. В испарительном геттерном насосе титан конденсируется на внутренней стенке цилиндрического экрана, охлаждаемой жидким азотом, подаваемым из сосуда Дьюара. Испаритель титана содержит запас титановой проволоки и механизм для ее периодической подачи в водоохлаждаемый медный тигель – анод. Испарение титана происходит путем разогрева титановой проволоки электронной бомбардировкой с помощью имеющейся в испарителе электронной пушки. Такой способ нагрева обеспечивает значительную скорость испарения титана при минимальном тепловом излучении, что определяет сравнительно небольшой расход азота (приблизительно 5 л/ч). Небольшой экран, установленный вблизи испарителя, практически исключает попадание титана в откачиваемый сосуд. Предельное остаточное давление агрегата составляет 10^{– 10} Па, быстрота действия по водороду в диапазоне давлений 10^{– 4}—10^{– 8} Па в 2,8 раза больше, чем по азоту. Такая разница в быстроте действия по этим гаммам объясняется, главным образом, более высокой проходимостью входного патрубка насоса по водороду.

В некоторых вакуумных установках (для исследования термоядерных реакций, имитации космических условий и т. п.) титан конденсируется на охлаждаемые жидким азотом экраны, установленные непосредственно внутри сосуда, причем рабочая зона сосуда экранирована от попадания паров титана. Такое устройство получило название азотит. При этом достигаются высокая быстрота действия (до сотен тысяч л/с) и предельное остаточное давление до 10¹⁰—10^{– 11} Па.

10. Электродуговые геттерные насосы. Испарение геттера в электродуговых геттерных насосах происходит с поверхности титанового катода за счет высокой концентрации энергии в катодном пятне электрической дуги постоянного тока. Плотность тока в катодном пятне достигает 10¹⁰—11¹¹ А/м². Катодное пятно хаотически перемещается по поверхности титана, благодаря чему обеспечивается равномерное испарение материала катода. Благодаря тому, что дуга горит в парах испаряющегося металла, создаются условия для ее стабильного горения при сколь угодно низком давлении остаточных газов.

Конструкции и характеристики. В корпусе, являющемся анодом системы, помещен катод с поджигающим устройством, собранный на общем фланце. Катод представляет собой титановый диск, который крепится титановыми шпильками к медному основанию, охлаждаемому водой. Боковые поверхности основания, титанового диска и электрического ввода закрыты металлическим экраном, предотвращающим возникновение дуги между поверхностями этих деталей и корпусом насоса – анода. В экране предусмотрен вырез для подвода поджигающего электрода. Поджигающий электрод через балластное сопротивление, ограничивающее ток короткого замыкания, соединен с корпусом насоса.