Вакуумный насос

ВАКУУМНЫЙ НАСОС, устройство, предназначенное для удаления (откачки) газов и паров из замкнутого объёма с целью получения вакуума. По принципу действия вакуумные насосы делятся на механические, струйные, сорбционные и криогенные. В зависимости от диапазона давлений, обеспечиваемого вакуумным насосом, различают низковакуумные (давление от 10⁵ до 10² Па), средневакуумные (от 10² до 10^-1 Па), высоковакуумные (от 10^-1 до 10^-6 Па) и сверхвысоковакуумные (менее 10^-6 Па) насосы.

Основные эксплуатационные параметры вакуумных насосов: предельное давление (остаточное давление или предельный вакуум), которое может быть обеспечено насосом; быстрота откачки - объём газа, откачиваемый при давлении в единицу времени; допустимое (наибольшее) выпускное давление на выходе насоса, дальнейшее повышение которого нарушает нормальную работу, а также состав остаточной атмосферы.

Механические вакуумные насосы, в свою очередь, делятся на вращательные, двухроторные и турбомолекулярные. Среди вращательных вакуумных насосов наибольшее распространение получил пластинчато-роторный насос с масляным уплотнением. Всасывание и выталкивание газа в таком вакуумном насосе осуществляются при изменении объёмов ячеек, образованных эксцентрично расположенным ротором, в прорезях которого помещены подвижные пластины. Уплотнение зазоров между деталями вакуумного насоса, а также частичное их охлаждение обеспечиваются вакуумным маслом. Для откачки парогазовых смесей с большим содержанием паров воды в пластинчато-роторном вакуумном насосе используется газобалластное устройство, которое позволяет предотвращать конденсацию паров воды за счёт заполнения камеры насоса определённым объёмом воздуха (балластным газом). Вращательные вакуумные насосы обеспечивают получение вакуума до 10-10^-1 Па и применяются главным образом как форвакуумные (для создания предварительного разрежения); быстрота откачки до 750 л/с. Двухроторный вакуумный насос (рис. 1) состоит из двух фигурных роторов, которые при вращении создают в камере насоса направленное движение газа. Такие вакуумные насосы обладают достаточно большой быстротой откачки (до 15 м³/с) и часто применяются как промежуточные (вспомогательные, или бустерные) между форвакуумными и высоковакуумными насосами. В турбомолекулярном вакуумном насосе создаётся преимущественное движение молекул газа в направлении его откачки при вращении ротора, состоящего из системы дисков (рис. 2). Использование таких вакуумных насососов позволяет получать предельное разрежение до 10^-7 Па при практически безмасляной остаточной атмосфере.

Пароструйные вакуумные насосы разделяются на диффузионные (высоковакуумные) и бустерные; действие основано на захвате частиц откачиваемого газа струёй пара. В таких насосах пар образуется в результате нагрева рабочей жидкости (обычно вакуумного масла) в кипятильнике, который расположен в нижней части вакуумного насоса. Диффузионные вакуумные насосы предназначены для получения остаточного давления до 10^-5 Па и ниже при быстроте откачки до нескольких сотен м³/с. Бустерные насосы эффективны в диапазоне давлений 10-10^-1 Па, что обусловлено высокой мощностью подогревателей, а также использованием летучих масел.

В сорбционных вакуумных насосах используется способность некоторых веществ (например, Ti, Mo) поглощать газ. Внутреннюю поверхность камеры таких насосов покрывают либо плёнкой химически активного металла (геттерный вакуумный насос), либо слоем пористого вещества (адсорбционный вакуумный насос). Для удаления инертных газов, которые практически не поглощаются плёнками металлов, применяют в основном ионно-геттерные насосы. Наибольшее распространение получили магниторазрядные насосы (рис. 3), в которых сорбционный способ поглощения химически активных газов сочетается с ионным способом откачки инертных газов и углеводорода (их ионизацией сильным электрическим разрядом и удалением ионизированных молекул магнитным полем). В таком вакуумном насосе анод представляет собой набор ячеек, на которых осаждается геттер (обычно Ti), распыляемый с катодов. В магниторазрядном вакуумном насосе газовый разряд в диапазоне рабочих давлений 10^-1-10^-8 Па поддерживается магнитным полем с напряжённостью порядка 10⁴-10⁵ А/м. В сорбционных вакуумных насосах быстрота откачки зависит от того, какой газ откачивается. Например, быстрота откачки водорода 5000 л/с, азота - 2000 л/с, аргона - 50 л/с.

Действие криогенных вакуумных насосов основано на поглощении газа поверхностью, охлаждённой до низкой (ниже 120 К) температуры. Различают криогенные (конденсационные) вакуумные насосы заливного типа и с автономным холодильным устройством. Вакуумный насос заливного типа содержит ёмкость, заполненную хладагентом (обычно водородом), и защитную ёмкость, заполненную жидким азотом (так называемый азотный экран), на поверхности которых конденсируются молекулы откачиваемого газа. Вакуумный насос с автономным холодильным устройством (рис. 4) содержит газовую холодильную машину (обычно с температурными уровнями от 70 до 100 К). Для получения сверхвысокого вакуума применяются криосорбционные вакуумные насосы, которые представляют собой криогенные насосы с тонкой плёнкой сорбента на внутренней поверхности камеры.

Для создания вакуума в различных технологических установках и электровакуумных приборах вакуумные насосы обычно используют в составе вакуумных агрегатов, конструктивно объединяющих в единое целое вакуумный насос, вакуумные клапаны, ловушки, реле, трубопроводы и другие устройства.

Первый (механической) насос для получения вакуума создал около 1650 года О. фон Герике, применивший его в своих опытах (в том числе с «магдебургскими полушариями») для доказательства существования атмосферного давления. Изготовление ламп накаливания в конце 1870-х годов обусловило дальнейшее развитие вакуумной техники и совершенствование вакуумных насосов. В 1905 году немецкий учёный В. Геде впервые применил вращательный ртутный насос, в 1913 году создал первый молекулярный насос, в 1915 - опубликовал отчёт о диффузионном насосе. Конденсационный парортутный насос изобретён И. Ленгмюром в 1916 году; первый турбомолекулярный насос создан немецким учёным В. Беккером в 1957 году.

Лит.: Основы вакуумной техники. 2-е изд. М., 1981.