Вспомогательное оборудование криогенных установок
Грачев А.Б., Боярский М.Ю., Савинова Н.М.

§3. Классификации вакуумных насосов и их параметры

Вакуумные насосы классифицируют по принципу действия и по диапазонам давлений. По принципу действия можно выделить три больших класса насосов: механические, пароструйные и сорбционные.

Механические насосы бывают двух видов - объемные и молекулярные. В объемных насосах рабочая полость периодически увеличивается и уменьшается. При этом она поочередно соединяется, например, через клапаны, соответственно с откачиваемым объемом и с атмосферой. В некоторых насосах таких полостей делают несколько. Такие насосы могут быть поршневыми либо ротационными. Молекулярные насосы, которые снабжены быстро вращающимся ротором, сообщают молекулам газа, соударяющимся с ним, скорости, направленные к выходному патрубку.

Пароструйные насосы работают по принципу захвата молекул газа струей рабочей жидкости – масла или ртути, вытекающей из сопла со сверхзвуковой скоростью, которая соизмерима со скоростью теплового движение молекул. При этом молекулам газа придается скорость, направленная к выходному патрубку, где давление больше, чем в откачиваемом объеме. Выделяют три вида струйных насосов: эжекторные – низковакуумные, бустерные – средневакуумные и диффузионные – высоковакуумные. Эти насосы различаются способом захвата молекул струей рабочей жидкости.

В эжекторных насосах захват частиц откачиваемого газа происходит вследствие турбулентного вязкостного перемешивания; в бустерных насосах большую роль играет вязкостный захват частиц газа в ламинарную струю рабочей жидкости. При очень низких давлениях характерных для высоковакуумных насосов, захват молекул газа происходит вследствие их диффузии в струю рабочей жидкости.

Сорбционные насосы не перекачивают газ, а поглощают его на своих внутренних поверхностях. При этом используются эффекты физической и химической адсорбции, а также химические реакции на поверхностях поглотителей (вещества, способные поглощать газы путем химической адсорбции или реакции, иногда называют геттерами) . Чаше всего в качестве геттеров применяют различные металлы, в частности особенно широко - титан).

Криогенные конденсационные насосы, откачивают газы путем перевода их в твердую фазу на поверхностях, охлаждаемых до температур Т = 20÷4K.

Любые насосы независимо от принципа действия характеризуют следующими основными параметрами.

1. Начальное давление р_нач - наибольшее давление на входе в насос, при котором он может начать нормальную работу. Форвакуумные насосы могут начинать работу при атмосферном давлении; диффузионные насосы требуют предварительного разрежения.

2. Максимально-допустимое давление на выходе – р_вых. Обычно р_вых близко по величине к р_нач.

3. Предельный вакуум или остаточное давление - р_пр. Это самое низкое давление, котором может обеспечить насос при работе "на себя", т. е. с закрытым входным патрубкам.

4. Быстрота Y откачки насоса - объем газа, удаляемый насосом в единицу времени, замеренный при давлении на входе насоса. Он определяется как

(4-1)

5. Производительность или поток газа Q, откачиваемый насосом. В вакуумной технике поток газа определяют как произведение давления и объемного расхода

(4-2)

Из уравнения состояния идеального газа [4] следует, что поток Q пропорционален массовому расходу газа. В связи с тем, что в вакуумной технике большинство расчетов относится к случаю, когда Т = idem, удобнее пользоваться вместо массового расхода величиной Q, определенной по уравнению (4-2)

В то же время производительность можно определить как

(4-3)

Кроме этих основных показателей, важными характеристиками насосов служат также вес и габариты, потребляемая мощность, число ступеней и ряд других величин.

Следующая страница: 4.4. Конструкционные схемы и характеристики насосов