Общие сведения о диффузионных насосах и меры предосторожности при их использовании
2026-11-02
Конструкция диффузионных насосов и используемое в них масло
(1) С точки зрения материалов, из которых изготовлены насосы, в основном различают стеклянные и металлические диффузионные насосы. Корпус металлических диффузионных насосов чаще всего изготавливается из углеродистой стали, а сердечник — из алюминия. В последние годы некоторые производители используют для изготовления как корпуса, так и сердечника нержавеющую сталь, характеризующуюся минимальной газовыделением.
(2) Конструкция корпуса насоса бывает двух основных типов: с прямой полостью и с выпуклой полостью. В масляных диффузионных насосах с выпуклой полостью, при неизменном фланце впускного отверстия и без чрезмерного увеличения габаритных размеров насоса, поперечное сечение полости насоса значительно расширяется в нижней части фланца, что позволяет увеличить скорость откачки на 20–40 %.
(3) Конструкция сердечника насоса, в зависимости от количества ступеней форсунок, бывает, в основном, трёх-, четырёх- и пятиступенчатой. Форсунки струйных ступеней бывают цилиндрической, постепенно расширяющейся, постепенно сужающейся или лаваровской формы; их выбор зависит от требований проектировщика к характеристикам диффузионного насоса.
(4) Существуют два типа охлаждения диффузионных насосов: водяное и воздушное; водяное охлаждение, в свою очередь, подразделяется на водяную рубашку и водяные трубки.
(5) Основные типы диффузионных насосов: обычные диффузионные насосы с прямой камерой (тип K), диффузионные насосы с выпуклой камерой (тип KT), низкопрофильные диффузионные насосы (тип KA), диффузионные насосы с широким рабочим диапазоном (тип KC), диффузионные насосы с низким уровнем обратного масла (тип KD), диффузионные насосы с выпуклой камерой и низким уровнем обратного масла (тип KTD). В диффузионных насосах с низким уровнем обратного всасывания масла применяются конструкционные решения или меры, снижающие уровень обратного всасывания, например установка масляных колпачков на соплах первой ступени, установка масляных колец на внутренних стенках насоса, установка на выходе насоса небольших холодных ловушек с охлаждением хладагентом или жидким азотом и т. д. Диффузионные насосы, оснащенные холодными ловушками, позволяют практически полностью устранить обратное всасывание масла и достичь чистого сверхвысокого вакуума ниже 10⁻⁸ Па. Таким образом, масляные диффузионные насосы вновь заняли важное место в промышленном производстве и научных экспериментах, требующих чистого сверхвысокого вакуума.
(6) Нагрев диффузионных насосов по-прежнему осуществляется преимущественно с помощью внешних нагревателей. К внешним нагревателям относятся обычные электрические печи и нагревательные трубки; из-за ограничений, связанных с технической надёжностью, внутренние нагреватели не получили развития. Поэтому проблема энергосбережения диффузионных насосов остаётся нерешённой.
(7) Рабочими жидкостями для диффузионных насосов являются в основном масло и ртуть. В настоящее время практически повсеместно в качестве рабочей жидкости для диффузионных насосов используются масла с очень низким давлением насыщенных паров и хорошей термической стабильностью; в Китае в основном применяется масло для диффузионных насосов марки KS-3; для повышения предельного вакуума насоса в некоторых моделях используется силиконовое масло, например, бензометилсиликоновое масло 274, 275; полифенилоксид также может служить рабочей жидкостью для насосов, однако из-за своей токсичности он уже вышел из употребления. Использование ртути в качестве рабочей жидкости в обычных промышленных применениях стало крайне редким явлением, однако оно по-прежнему имеет значение в некоторых особых случаях. Например, в рамках второго этапа строительства Международного термоядерного экспериментального реактора (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) и при проектировании демонстрационной термоядерной электростанции (DEMO, demonstration power plant) рассматривается возможность использования ртутных диффузионных насосов для откачки трития, образующегося в процессе термоядерного синтеза.
(8) Уровень автоматизации управления диффузионными насосами пока остается относительно низким.
Современное состояние развития теории диффузионных насосов
Ранней теорией откачки диффузионных насосов была теория Якеля, после чего заметных прорывов не произошло. Было лишь четко признано, что:
(1) максимальная теоретическая скорость откачки масляного диффузионного насоса равна интенсивности поступления свободных молекул газа на входе, то есть по формуле:
S — скорость откачки (м³/с); R = 8,314 (Дж/(моль·К)) — газовая постоянная; T — температура газа (К); M — молярная масса газа (кг/моль); A — площадь откачки (м²). Для воздуха при температуре 20 °C вышеуказанное уравнение можно упростить до вида:
S = 11,6A (л/с)
(2) Скорость откачки диффузионного насоса зависит от вида откачиваемого газа. Как правило, скорость откачки маломолекулярных газов, таких как водород и гелий, низкая, а для азота и кислорода — более высокая.
(3) Паровая струя диффузионного насоса является движущей силой, обеспечивающей откачку газа; форма и характеристики потока паровой струи определяют откачку насоса. Структурные и технологические факторы, влияющие на свойства паровой струи, а также методы описания и технологии испытаний этих свойств, все еще находятся в стадии исследования.
12 вещей, которых ни в коем случае нельзя делать при использовании диффузионного насоса
Диффузионный насос является одним из основных инструментов для получения высокого вакуума. Они просты в эксплуатации, не имеют движущихся частей, относительно недороги, а их обслуживание не требует больших затрат и не представляет сложности.
Однако даже при этом при использовании диффузионных насосов следует соблюдать некоторые меры предосторожности. Ниже перечислены 12 вещей, которых пользователи вакуумных печей должны избегать при работе с диффузионными насосами.
1. Ни в коем случае не используйте заменители насосного масла.
2. Если диффузионный насос находится в вакуумном состоянии, ни в коем случае не прекращайте подачу охлаждающей воды и не открывайте пробку для заливки масла (особенно при высокой температуре насоса).
3. При утечке в системе вакуумной печи или постоянном образовании газа, приводящем к давлению, превышающему давление вблизи выпускного отверстия насоса на 2 мкМг, ни в коем случае не оставляйте впускной клапан открытым.
4. Ни в коем случае не используйте нагреватели, мощность которых превышает рекомендуемую номинальную мощность.
5. Ни в коем случае не эксплуатируйте диффузионный насос при низком уровне масла.
6. Устройства поддержания постоянной температуры обычно обеспечивают защиту насоса в случае недостатка масла или воды, однако в цепи управления возможны сбои. Поэтому ни в коем случае не эксплуатируйте диффузионный насос при отсутствии циркуляции охлаждающей воды или подходящего предварительного насоса. Для крупного оборудования рекомендуется использовать двойную защиту.
7. Ни в коем случае не отключайте устройства безопасности.
8. При высокой температуре диффузионного насоса ни в коем случае не допускайте попадания воздуха внутрь насоса.
9. Ни в коем случае не включайте питание насоса, пока в нем не будет определенного количества масла и давление не будет снижено до уровня ниже 0,5 мкм рт. ст.
10. Ни в коем случае не используйте пары, порошки или материалы, которые могут вступать в реакцию с рекомендуемым маслом для насоса, чтобы избежать загрязнения насоса.
11. В случае неисправности насоса ни в коем случае не используйте трубопровод быстрого охлаждения, иначе вредная конденсационная влага скопится на конце нагревателя.
12. Когда насос остановлен и находится под воздействием атмосферного давления, слейте всю охлаждающую воду из насоса, иначе внутри насоса начнёт образовываться конденсат.
