Для получения высокого вакуума (порядка 1•1O-6 — 1•1O-8 мм рт. ст.) широко применяют пароструйные диффузионные металлические насосы с большими скоростями откачки.

Схема работы диффузионного насоса дана на рис. 332. Поток пара, выходящий из нагревателя, движется вдоль основной трубы 1—2. К этой трубе присоединена в точке 6 капиллярная трубка 3, откачиваемый сосуд припаивается в сечении 5. Газ, находящийся в сосуде и трубке 3, диффундирует в пар рабочей жидкости, движущийся в трубе 1—2, и при попадании туда он немедленно уносится потоком пара в направлении 2, откуда молекулы газа удаляются форвакуумным насосом. В то же время молекулы пара рабочей жидкости диффундируют в трубку 3 и конденсируются при помощи какого-либо охлаждающего вещества в ловушке 4. Таким образом производится постепенное удаление газа из трубки 3 и откачиваемого сосуда.

Рабочей жидкостью диффузионного насоса является ртуть или специальные масла с низкой упругостью пара. Кроме малой упругости пара рабочая жидкость должна иметь низкую температуру кипения и неизменный состав при длительном нагревании в вакууме. Применяемые масла большей частью представляют собой смесь различных соединений (фракций) с разной упругостью пара. Во время работы насоса возможно частичное разложение масла, в результате чего образуются более легкие фракции, которые не позволяют достигать глубоких степеней разрежения и снижают скорость откачки. В связи с этим в паромасляных насосах широко применяют ступенчатую фракционирующую систему, позволяющую ориентировать различные фракции в соответствующих паропроводящих камерах с последующим переходом пара из системы сопел.

 Фракционирующая система состоит из нескольких (обычно двух-трех) взаимосвязанных ступеней испарения, соединённых с соплами, в каждой из которых действует определенная фракция масла. Отдельные ступени насоса (паропровод вместе с соплом) взаимосвязаны и в конструктивном отношении представляют одно целое. В таком виде фракционирующая система высоковакуумного насоса может работать неограниченно долгое время. Образующиеся каждый раз наиболее легкие фракции масла остаются во внешней камере и внешнем сопле. Фракции с наименьшей упругостью пара не успевают испаряться во внешних камерах и перетекают в центральную часть, где они превращаются при определенной температуре в пар, которым питается центральное сопло.

При создании высокоскоростных вакуумных насосов увеличение скорости откачки, улучшение выпускного давления срыва и уменьшение протока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем достигалось не только увеличением габаритных размеров насоса и защитных устройств, но и улучшением газодинамических свойств струи и конфигурации сопел. Теоретический и экспериментальный анализ работы высоковакуумного пароструйного диффузионного насоса приводит к выводу, что основным рабочим механизмом такого насоса является струя пара рабочей жидкости. От организации струи пара и увеличения ее скорости существенно зависит производительность насоса и проток пара рабочей жидкости в откачиваемый объем.

Табл. 59

 

Если отношение скорости струи к собственной скорости движения молекул увеличивается, рассеивание струи пара в вакууме резко уменьшается, а производительность насоса возрастает.

Нами проведена работа по увеличению скорости струи пара и организации струи путем изменения конструкции сопел высоковакуумных насосов. Верхнее сопло насоса должно быть сконструировано таким образом, чтобы устранить потери энергии на образование вихревых масс в верхней части паропровода при помощи создания обтекаемой формы сопла. Такая задача имеет прямое сходство с задачей Чаплыгина по построению профиля гидрокона. В результате теоретического рассмотрения поставленной задачи была предложена новая конструкция верхнего сопла с направляющим конусом обтекаемой воронкообразной формы. При этом горизонтальное сечение поверхности конуса представляло собой окружность, а его внешняя поверхность была образована вращением вокруг оси симметрии линии тока, полученной при сложении течения, образованного двумя равными источниками, с однородным потоком.

Сравнительные испытания высоковакуумного паромасляного насоса с плоским зонтичным соплом и с соплом воронкообразной формы показали, что воронкообразное сопло увеличило скорость откачки насоса и значительно сократило проток паров масла в разрежаемый объем. Конструкция воронкообразного сопла оправдала себя на практике, и в настоящее время отечественная промышленность выпускает ряд высокопроизводительных насосов с воронкообразными соплами (Н-5С, Н-2Т, Н-5Т, Н-8Т, БН-3,Н-40Т). Данные о выпускаемых насосах приведены в табл. 59—61. В табл. 59 приведены характеристики отечественных паромасляных насосов с водяным охлаждением, в табл. 60 — паромасляных насосов с воздушным охлаждением, в табл. 61 — диффузионных парортутных насосов.

Таблица 60

Скорость откачки насосов в широком диапазоне давлений не зависит от давления, что является общим свойством диффузионных насосов. Устройство диффузионных насосов показано на рис. 333 и 334.

Характеристики парортутных насосов существенно зависят от режима их охлаждения. Паспортная скорость откачки может быть достигнута только в том случае, если поддерживается необходимая температура охлаждения корпуса насоса. Недостатком парортутных насосов является необходимость применения ловушек, уменьшающих эффективную скорость откачки насоса. На рис. 334 показан насос Н-5СР с коническим сужающимся корпусом.

Рис. 334. Схема четырехступенчатого парортутного насоса Н-5СР: 1 — корпус; 2 — паропровод; 3 —дросселирующая шайба; 4 — кипятильник; 5 — эжекторная ступень; 6 — электронагреватель; 7 — теплоизоляция; 5 — ловушка для паров ртути

Рис. 335. Высоковакуумный насосный агрегат VPV-DI3000 фирмы Херауэс (ФРГ): 1 — присоединение к откачиваемой системе; 2 — измеритель давления; 3 — электромагнитный вентиль; 4 — электропневматический шиберный затвор; 5 — ловушка; 6 — электромагнитный вентиль; 7 — диффузионный паромасляный насос; 8 — форвакуумный ресивер; 9 — электропневматический вентиль; 10 — измеритель давления; 11 — форвакуумный насос; 12 — предохранительный клапан

Такой корпус повышает экономичность работы насоса, так как размеры ступеней последовательно уменьшаются, что обеспечивает необходимую скорость откачки ступеней с минимальным расходом пара. Однако при этом увеличивается высота насоса.