Устройство и принцип действия вакуумных насосов

Курс «Проектирование и конструирование технологических плазменных ускорителей и установок»

Лекция №2

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ

Классификация вакуумных насосов

Современные вакуумные насосы работают в области давлений от атмосферного (10⁵Па ≈ 10³ мм рт. ст.) до 10^-13 Па (≈ 10^{-11 мм рт. ст.}). При большом различии в принципах действия и конструкциях, обусловленном многообразием требований к откачному оборудованию, во всех вакуумных насосах для процесса откачки используется один из двух способов:

а) перемещение гaза путем приложения к нему механических сил в некотором месте вакуумной системы, откуда он выталкивается;

б) связывание газа путем сорбции, химической реакции или конденсации обычно в замкнутой вакуумной системе.

По принципу действия с учетом сложившейся терминологии промышленные вакуумные насосы, используемые при получении давления ниже 10² Па (примерно 1 мм рт. ст.), разделяют на следующие группы:

Объемные насосы, работающие на перемещении газов за счет периодического изменения объема рабочей камеры.

Струйные насосы, захватывающие газ непрерывно истекающей струей рабочей жидкости, газа или пара.

Молекулярные и турбомолекулярные насосы, перемещающие газ непрерывно движущимися твердыми поверхностями. (Низкая эксплуатационная надежность простых молекулярных насосов привела к отказу от их применения, и в дальнейшем будут рассмотрены только турбомолекулярные насосы.)

Ионные насосы осуществляют перемещение, ионизованных молекул (ионов) в электрическом и магнитном полях. Отметим сразу, что такие насосы не получили самостоятельного применения.

Сорбционные насосы, в которых используется связывание газов путем их сорбции поверхностями или объемами твердых тел. В эту группу входят адсорбционные насосы, в которых связывание газов происходит за счет обратимой адсорбции при температуре жидкого азота (~77 К).

Конденсационные насосы, в которых газ связывается за счет конденсации на поверхностях, охлаждаемых до сверхнизких (криогенных) температур (~ 20 К и ниже). Аналогичные устройства, применяемые для откачки путем конденсации паров рабочих жидкостей и работающие при более высоких температурах (~ 77 К), принято называть ловушками, хотя они и являются конденсационными насосами для паров.

В названиях насосов не всегда отражается принцип действия, но очень часто отмечаются их устройство, используемый материал сорбента (геттера), рабочая жидкость и т. п. Происхождение названий многих насосов будет ясно из дальнейшего изложения. Здесь мы отметим только, что к механическим насосам, откачивающее действие которых достигается за счет механического движения деталей, принято относить все объемные, молекулярные и турбомолекулярные насосы, хотя они различаются как по принципу действия, так и по области применения. К криогенным насосам принято относить конденсационные и сорбционные (криосорбционные) насосы, работающие при криогенных температурах (около 20 К и ниже).

Области действия вакуумных насосов

Вакуумные насосы можно разделить по диапазонам давлений, в которых они обладают оптимальной быстротой действия, т. е. по рабочим давлениям. На рис. 1 условно показаны эти области давлений для наиболее распространенных типов насосов. В нижней части рисунка приведена шкала степеней вакуума. Насосы, работающие в диапазоне давлений 760…1 мм рт. ст., называют низковакуумными, К ним относятся поршневые, водоструйные, механические пластинчатые и некоторые типы адсорбционных насосов.

Рис. 1. Диапазоны рабочих давлений вакуумных насосов

Для получения среднего вакуума (1…10^{-4 мм рт. ст.}) применяют, двухступенчатые пластинчатые, двухроторные, золотниковые, эжекторные, простейшие молекулярные (механические и диффузионные) и адсорбционные насосы.

В области высокого вакуума (10^-4…10^{-8 мм рт. ст.}) хорошо работают диффузионные, молекулярные, турбомолекулярные, ионно