Также по теме

ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА

ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА, получение, измерение и применение давлений порядка тысячной нормального атмосферного давления и более низких. Вакуумная техника, методы которой когда-то не выходили за пределы научной лаборатории, в настоящее время применяется во многих отраслях промышленности. Первые области ее промышленного применения – откачка осветительных электроламп и электровакуумных приборов – по-прежнему имеют важное значение, но с появлением транзисторов электронная промышленность нашла новое применение вакуумному оборудованию в производстве высокочистых материалов. Металлургия тоже нашла применение вакуумной технике: вакуумной плавкой металлы очищаются от растворенных газов и летучих примесей; в тех случаях, когда требуется исключить возможность окисления и других загрязнений поверхности, в вакууме проводят отжиг и термообработку. Без вакуумной техники было бы невозможно производство в больших масштабах химически чистых и жаропрочных металлических материалов. Пленки металлов и других веществ, напыляемые в вакууме, находят применение в самых разных отраслях промышленности – от производства детских игрушек до технологии оптических приборов и электронных компонентов. В химической промышленности молекулярная дистилляция при низких температурах, ставшая возможной благодаря понижению давления в перегонном кубе, позволила получать вещества, которые разлагаются, если перегонять их при атмосферном давлении. В медицине, биологии, пищевой промышленности так называемая сублимационная сушка позволяет обезвоживать при низких температурах в вакууме материалы, которые разрушаются при температурах, необходимых для сушки другими способами. Наконец, без вакуумной техники не могла бы существовать атомная промышленность, где она применяется, в частности, для разделения изотопов, обработки материалов и откачки вакуумного оборудования.

Получение низких давлений, насосы.

Вращательные масляные насосы.

Для получения вакуума, достигающего одной миллионной атмосферного давления, по-прежнему применяются вращательные масляные насосы. Их конструкции разнообразны, а быстрота откачки составляет от 0,3 до 300 л/с. На рис. 1 схематически изображен (в разрезе) такой насос одной из широко распространенных конструкций. Цилиндрический ротор R эксцентрично вращается в цилиндрическом же корпусе с входным и выходным патрубками (в последнем установлен обратный клапан N). В пазах ротора R сидят две пластинки V и Vў, которые прижимаются пружинами к внутренним стенкам корпуса. Вся система погружена в масло, которое служит смазкой и обеспечивает уплотнение зазоров между внутренними стенками корпуса и деталями ротора. Газ из откачиваемого объема, захваченный в полости A (после того, как верхняя пластинка прошла входное отверстие), при дальнейшем повороте ротора сжимается, пока под его давлением не откроется обратный клапан, и выпускается наружу через масло внешней камеры. Такой процесс повторяется два раза за один оборот ротора.

      Рис. 1. ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МАСЛЯНЫЙ НАСОС в разрезе (упрощенная схема). R – цилиндрический ротор; V и Vў – подпружиненные пластинки, разделяющие рабочий объем насоса на две части – входную A и выходную Aў; N – пружинный обратный клапан в выпускном патрубке.

Насос описанного типа неэффективен при откачке воздуха, содержащего конденсирующиеся пары (обычно это пары воды), так как высокая степень сжатия, необходимая для выхлопа в атмосферу, может приводить к их конденсации в камере насоса. Вместе с маслом конденсат затем снова попадает на вход насоса.

Это исключается в «газобалластных» насосах. В таких насосах в сжимаемый объем A через однопутевой клапан вводится контролируемое количество воздуха или другого неконденсирующегося газа. Балластный газ «разбавляет» конденсирующиеся пары, и поэтому при максимальной степени сжатия давление паров не достигает давления насыщения, при котором происходит конденсация. Количество паров, которое может быть откачано, зависит от количества дозы добавляемого балластного газа, но последняя не может быть очень велика, так как с ее увеличением ухудшается предельный вакуум насоса.

Вращательные масляные насосы применяются отдельно, когда не требуется очень низких давлений, а также в сочетании с двухроторными насосами Рутса и диффузионными высоковакуумными насосами, которые не могут работать при атмосферном давлении на выходе.

Двухроторные насосы.

Для некоторых процессов в промышленности требуется очень большая быстрота откачки, хотя бы и не при очень низких давлениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса. Схема такого насоса представлена на рис. 2. Два длинных ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подогнанными деталями конструкции. Ротор вращается с частотой до 50 об/с, и высокая быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного. Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой охлаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим.

      Рис. 2. ДВУХРОТОРНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС. Молекулы газа, входящие в насос сверху, выбрасываются в выпускной патрубок справа под действием двух быстро вращающихся роторов. Роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, не соприкасаются ни друг с другом, ни со стенками корпуса.

Диффузионные насосы.

В большинстве высоковакуумных откачных систем применяются диффузионые насосы, действующие по тому же принципу, что и старый конденсационный насос Ленгмюра. Упрощенная схема диффузионного насоса представлена на рис. 3. Это вертикальная цилиндрическая труба, открытым верхним концом A соединенная с откачиваемым объемом. На нижнем конце электроплитка нагревает в кипятильнике B рабочую жидкость, которая при этом испаряется. Пары рабочей жидкости проходят по трубке V вверх, где через кольцевое сопло выходят в виде кольцевой струи под углом к стенкам корпуса. На стенках, охлаждаемых снаружи змеевиком с холодной водой, они конденсируются, и образовавшаяся жидкость стекает по стенке обратно в кипятильник. Молекулы газа из откачиваемого объема, случайно, из-за хаотичности своего движения влетающие во входное отверстие A насоса, попадают в струю пара и увлекаются ею вниз, где они удаляются вспомогательным механическим насосом, присоединенным к выходному патрубку диффузионного. Вероятность же случайного прохождения молекул газа через струю пара снизу вверх весьма мала.