У а куумний нас про с, пристрій для видалення (відкачування) газів і парів з замкнутого обсягу з метою отримання в ньому вакууму . Існують різні типи вакуумних насосів , Дія яких заснована на різних фізичних явищах: механічні (обертальні), струминні, сорбційні, конденсаційні.
Основні параметри вакуумних насосів : Граничне (найменше) тиск (залишкове тиск , граничний вакуум ), Яке може бути досягнуто насосом ; швидкість відкачування - об'єм газу , Що відсмоктується при даному тиску в одиницю часу (м3 / сек, л / сек); допустимий (найбільше) випускний тиск в випускному перетині насоса , Подальше підвищення якого порушує нормальну роботу вакуумного насоса .
механічні насоси застосовують для отримання вакууму від 1 н / м2 (10-2 мм рт. ст.) до 10-8 н / м2 (10-10 мм рт. ст.). У робочій камері найпростішого механічного насоса здійснює зворотно-поступальний рух поршень, який витісняє газ , Створюючи при зворотному ході розрідження з боку откачиваемой системи. поршневі насоси (Рис. 1а, 1б) були першими механічними насосами . Їх витіснили обертальні насоси . У многопластінчатой обертальному насосі (Рис. 2а, 2б) всмоктування і виштовхування газу здійснюється при зміні обсягів осередків, утворених ексцентрично розташованим ротором, в прорізах якого поміщені рухливі пластини , Що притискаються до внутрішньої поверхні камери і ковзають по ній при його обертанні. За рахунок великої частоти обертання ротора ці насоси при порівняно малих розмірах володіють великою швидкістю відкачки (до 125 л / сек). граничне тиск сягає 2000 н / м2 (15 мм рт. ст.) в одноступінчатих насосах і 10 н / м2 (10-1 мм рт. ст.) в двоступеневих. Аналогічно відбувається процес відкачування газу водокільцевими насосами (Рис. 3а, 3б). При обертанні колеса з радіальними лопатями, ексцентрично розташованого в камері, вода , Що заповнює камеру, захоплюється лопатями і під дією відцентрових сил відкидається до стінки корпусу, утворюючи водяне кільце 1 і серповидную камеру 2, в яку надходить відсмоктується газ . При обертанні колеса осередки по черзі з'єднуються з каналом, через який відсмоктується газ виходить в атмосферу . ці насоси придатні для відкачування вологого і забрудненого газу , кисню і вибухонебезпечних газів . граничний вакуум становить 95% (в одноступінчатих насосах ) І 99,5% (в двоступеневих насосах ) Від теоретично можливого; наприклад, при температурі води 20 ° С - до 7,1 кн / м2 (53 мм рт. Cт.) В одноступінчатих і 3,1 кн / м2 (23 мм рт. Cт.) В двоступеневих насосах .
Для здобуття середньої вакууму частіше застосовують обертальні насоси з масляним ущільненням. Їх робоча камера заповнена маслом , Або вони занурені в масляну ванну . Швидкість відкачки цих насосів 0,1-750 л / сек, граничне тиск 1 н / м2 (10-2 мм рт. Ст.) В одноступінчатих і 10-1 н / м2 (10-3 мм рт. Ст.) В двоступеневих насосах . Масло добре ущільнює всі зазори, виконує функцію додаткової охолоджуючої середовища, однак при тривалій роботі сконденсовані пари забруднюють масло . Для запобігання конденсації парів , Що виникає при їх стисненні, камеру заповнюють певним обсягом повітря (баластовим газом ), Який в момент вихлопу забезпечує парціальний тиск пара в паро-повітряної суміші, що не перевищує тиску насичення. При цьому пари з насоса виштовхуються без конденсації . такі насоси називаються газобалластного і застосовуються як Форвакуумні (для створення попереднього розрідження).
Двохроторннім насоси мають 2 фігурних ротора, які при обертанні входять один в інший, створюючи спрямований рух газу . ці насоси володіють великою швидкістю відкачування і часто застосовуються як проміжні (допоміжні, або бустерні) між форвакуумнимі і високовакуумними. вони забезпечують вакуум 10-2-10-3 н / м2 (10-4-10-5 мм рт. Ст.) При швидкості відкачування до 15 м3 / сек (рис. 4а, 4б).
У молекулярних насосах при обертанні ротора в газі молекули отримують додаткову швидкість в напрямку їх руху. вперше такий насос був запропонований в 1912 німецьким вченим В. Геде, але довго не отримував поширення через складність конструкції. У 1957 німецький учений В. Беккер застосував турбомолекулярний насос (Рис. 5а, 5б), ротор якого складається з системи дисків . Таким насосом отримують вакуум до 10-8 н / м2 (10-10 мм рт. ст.).
У струменевих насосах направлений струмінь робочого речовини забирає молекули газу , Що надходять з відкачуваного об'єму. В якості робочого речовини можуть бути використані рідини або пари рідин . Залежно від цього насоси називаються водоструминними, пароводяними, парортутний або паромаслянимі. За принципом дії струменеві насоси бувають ежекторними і дифузійними. У ежекторних насосах (Рис. 6а, 6б) відкачує дію струменя засновано на збільшенні тиску газового потоку під дією струменя більш високого напору. такі насоси застосовуються для отримання вакууму 10 н / м2 (10-1 мм рт. Ст.). простим ежекторним насосом є водоструминний насос , Поширений в лабораторній практиці, в хімічної промисловості та ін. Граничне тиск таких насосів не набагато перевищує тиск водяних парів . Наприклад, при температурі води в насосі , Що дорівнює 20 ° С, що досягається вакуум дорівнює 3 100 н / м2 (23 мм рт. ст.), а парціальний тиск залишкових газів близько 670 н / м2 (5 мм рт. ст.). До ежекторним насосів може бути віднесений вихровий насос (апарат), що відкачує вражаючі дії яких засновані на використанні розрідження, що розвивається уздовж осі вихору (рис. 7а, 7б). Значно більшою швидкістю відкачування і більш низьким граничним тиском мають насоси , В яких робочим речовиною є водяний пар . У багатоступеневих пароводяних насосах швидкість відкачування досягає 20 м3 / сек, створюваний вакуум 0,7 н / м2 (5 × 10-3 мм рт. Ст.).
Відкачує дію дифузійних насосів засноване на дифузії молекул відкачуваного газу в області дії струменя пара робочого речовини за рахунок перепаду їх парціальних тисків . В якості робочого речовини в 1915 В. Геде застосував пари ртуті . ртуть забезпечує постійне (для даної температури ) тиск насиченого пара , Постійну (для даного тиску ) температуру , Залишається хімічно неактивною, не боїться перегріву, але пари ртуті , Навіть в невеликій кількості, небезпечні для людського організму . Одним із замінників ртуті є масло (Див. вакуумне масло ). такі вакуумні насоси називаються паромаслянимі. Застосування в якості робочої рідини масла призвело до широкого поширення таких насосів зі швидкістю відкачування до декількох сотень м3 / сек при отриманні вакууму до 10-6 н / м2 (10-8 мм рт. ст.). У паромасляні вакуумному насосі послідовно з'єднані кілька відкачують ступенів в одному корпусі (рис. 8а, 8б). діапазон робочих тисків триступінчатого паромасляного насоса 10-3-10-1 н / м2 (10-5-10-3 мм рт. Ст.).
В сорбційних насосах використовують здатність деяких речовин (Наприклад, Ti, Mo, Zr і ін.) Поглинати газ . відкачуваний газ осідає на поверхні всередині вакуумної системи. Один з активних поглиначів постійно напилюється на поглинаючу поверхню (випарний насос ). Поглиначем може бути також пористий адсорбент (Див. Адсорбційний насос ).
дія іонних насосів засноване на іонізації газу сильним електричним розрядом і видаленні іонізованих молекул електричним полем. Цей спосіб мало поширений через складність пристрою і великий споживаної потужності, що витрачається головним чином на створення магнітного поля. при кімнатній температурі інертні гази і вуглеводні практично не поглинаються напиляним плівками металів . Для їх видалення служать комбіновані іонно-сорбційні, або іонно-гетерні, насоси , В яких сорбційний спосіб поглинання хімічно активних газів поєднується з іонним способом відкачування інертних газів і вуглеводнів . Поглинаюча поверхня оновлюється осадженням на стінках термічно испаряемого титану , А також катодних розпиленням титану в електричному розряді або в магнітному полі в електророзрядних або магніторазрядних іонно-сорбційних насосах (Рис. 9). Іонно-сорбційні вакуумні насоси при попередній відкачці до 10-2 н / м2 (до 10-4 мм рт. ст.) створюють вакуум до 10-5 н / м2 (10-7 мм рт. ст.). Швидкість відкачки залежить від роду газу . Наприклад, швидкість відкачування водню 5000 л / сек, азоту 2000 л / сек, аргону 50 л / сек. досягається граничне тиск в добре обезгаженних обсягах і без натекания газу нижче 10-8 н / м2 (10-10 мм рт. ст.).
Дія конденсаційних, або кріогенних, насосів засноване на поглинанні газу охолодженої до низької температури поверхнею (рис. 10). Воднево-конденсаційний насос , Запропонований Б. Г. Лазарєвим з співробітниками (Фізико-технічного інституту АН УРСР), має постійну швидкість відкачування в широкому діапазоні тисків . охолоджуючий рідкий водень виробляється зріджувач, що знаходяться в установці. Неконденсовані гази ( водень , гелій ) Відкачуються паралельно включеним насосом , Наприклад дифузійним. Для включення такого насоса необхідно попереднє розрідження.
Літ. см. при ст. Вакуумна техніка.
І. С. Рабинович.
Мал. 10. Криогенний насос .
Мал. 6б. Загальний вигляд багатоструеневого ежекторного насоса .
Мал. 3б. Загальний вигляд водокільцевого вакуумного насоса .
Мал. 3а. Схема водокільцевого вакуумного насоса : 1 - водяне кільце; 2 - серповидна камера.
Мал. 4б. установка двухроторного насоса з форвакуумним механічним насосом .
Мал. 5б. установка турбомолекулярного насоса з форвакуумним механічним насосом .
Мал. 1а. схема поршневого насоса : Vo - відкачуваний об'єм; Vmin і Vmax - відповідно мінімальний і максимальний обсяг циліндра.
Мал. 9. Магніто-розрядній іонно-сорбційний насос : N, S - північний і південний полюси; А - анод ; К - катод .
Мал. 2а. Схема многопластінчатой вакуумного насоса .
Мал. 8б. Загальний вигляд триступінчатого паромасляного насоса .
Мал. 2б. Загальний вигляд многопластінчатой вакуумного насоса .
Мал. 1б. Загальний вигляд поршневого насоса .
Мал. 6а. Схема багатоструеневого ежекторного насоса .
Мал. 8а. Схема триступінчатого паромасляного насоса .
Мал. 4а. схема двухроторного насоса .
Мал. 7б. Загальний вигляд вихрового вакуумного насоса .
Мал. 7а. Схема вихрового вакуумного насоса : 1 - центральне сопло; 2 - тангенціальне сопло; 3 - камера завихрення; 4 - дифузор ; 5 - равлик.
Мал. 5а. схема турбомолекулярного насоса .