Диффузионный насос
В диффузионных насосах используется высокоскоростная струя пара, которая направляет молекулы газа из горловины насоса вниз в нижнюю часть насоса и наружу. Они были первым типом высоковакуумных насосов , работающих в режиме свободномолекулярного потока , где движение молекул газа можно лучше понять как диффузию , чем с помощью традиционной гидродинамики . Изобретенный в 1915 году Вольфгангом Геде , он назвал его диффузионным насосом , поскольку его конструкция была основана на открытии, что газ не может диффундировать против потока пара, а будет уноситься с ним к выхлопным газам. [1] Однако принцип работы можно было бы точнее описать как газоструйный насос , поскольку диффузия также играет роль и в других типах высоковакуумных насосов. В современных учебниках диффузионный насос относят к категории насосов, передающих импульс .
Диффузионный насос широко используется как в промышленности, так и в исследовательских целях. В большинстве современных диффузионных насосов используется силиконовое масло или полифениловые эфиры в качестве рабочей жидкости .
История [ править ]
В конце 19-го века большинство вакуумов создавалось с использованием насоса Шпренгеля , преимуществом которого было то, что он был очень прост в эксплуатации и позволял достичь довольно хорошего вакуума за достаточное время. Однако по сравнению с более поздними насосами скорость откачки была очень низкой, а давление паров жидкой ртути ограничивало максимальный вакуум.
После изобретения молекулярного Вольфганг насоса Геде в 1915 году изобрел диффузионный насос. [2] и первоначально использовалась элементарная ртуть в качестве рабочего тела . После изобретения конструкция была быстро коммерциализирована Лейболдом . [3] Затем его усовершенствовал Ирвинг Ленгмюр. [4] и У. Кроуфорд. Сесил Реджинальд Берч открыл возможность использования силиконового масла в 1928 году. [5]
Масляные диффузионные насосы [ править ]
Масляный диффузионный насос используется для достижения более высокого вакуума (более низкого давления), чем это возможно при использовании только объемных насосов. Хотя его использование в основном было связано с диапазоном высокого вакуума, вплоть до 1 × 10 −9 мбар (1 × 10 −7 Па ), диффузионные насосы сегодня могут создавать давления, приближающиеся к 1 × 10 −10 мбар (1 × 10 −8 Па) при правильном использовании с современными жидкостями и аксессуарами. Особенностями, которые делают диффузионный насос привлекательным для использования в условиях высокого и сверхвысокого вакуума, являются его высокая скорость откачки для всех газов и низкая стоимость единицы скорости откачки по сравнению с другими типами насосов, используемыми в том же диапазоне вакуума. Диффузионные насосы не могут сбрасывать воду непосредственно в атмосферу, поэтому для поддержания давления на выходе обычно используется механический форнасос. 0,1 мбар (10 Па).
Масляный диффузионный насос работает на масле с низким давлением паров . Высокоскоростная струя создается за счет кипения жидкости и направления пара через струйный узел. Обратите внимание, что масло при попадании в форсунки находится в газообразном состоянии. Внутри сопел течение меняется от ламинарного к сверхзвуковому и молекулярному . Часто для усиления перекачивающего действия используются несколько форсунок последовательно. Внешняя часть диффузионного насоса охлаждается потоком воздуха, водопроводными линиями или рубашкой, заполненной водой. При попадании струи пара на внешний охлаждаемый корпус диффузионного насоса рабочая жидкость конденсируется, извлекается и направляется обратно в котел. Откачиваемые газы продолжают поступать к основанию насоса под повышенным давлением, вытекая через выпускное отверстие диффузионного насоса, где они сжимаются до давления окружающей среды вторичным механическим форнасосом и откачиваются.
В отличие от турбомолекулярных насосов и крионасосов , диффузионные насосы не имеют движущихся частей и вследствие этого достаточно долговечны и надежны. Они могут работать в диапазоне давлений 1 × 10 −10 до 1 × 10 −2 мбар (1 × 10 −8 до 1 Па). Они приводятся в движение только за счет конвекции и поэтому имеют очень низкую энергоэффективность.
Одним из основных недостатков диффузионных насосов является тенденция обратного потока масла в вакуумную камеру. Это масло может загрязнять поверхности внутри камеры, а при контакте с горячими нитями накала или электрическими разрядами могут образовываться углеродистые или кремнеземистые отложения. Из-за обратного потока масляные диффузионные насосы не подходят для использования с высокочувствительным аналитическим оборудованием или другими приложениями, требующими чрезвычайно чистой вакуумной среды, но ртутные диффузионные насосы могут быть пригодны в случае камер со сверхвысоким вакуумом, используемых для осаждения металлов. Часто холодные ловушки и перегородки для минимизации обратного потока используются , хотя это приводит к некоторой потере скорости откачки.
Масло диффузионного насоса не может подвергаться воздействию атмосферы в горячем виде. Если это произойдет, масло окислится и его необходимо заменить. В случае пожара дым и остатки могут загрязнить другие части системы.
Типы масел [ править ]
Самые дешевые масла для диффузионных насосов производятся на основе углеводородов , прошедших двойную перегонку. По сравнению с другими жидкостями они имеют более высокое давление паров, поэтому обычно ограничиваются давлением 1 × 10 −6 Торр (1,3 × 10 −4 Па). Они также с наибольшей вероятностью загорятся или взорвутся при воздействии окислителей.
Наиболее распространенными силиконовыми маслами, используемыми в диффузионных насосах, являются трисилоксаны , содержащие химическую группу Si-O-Si-O-Si, к которой различные фенильные группы или метильные группы присоединены . Они доступны в виде так называемых смесей 702 и 703, которые ранее производились компанией Dow Corning . Их можно далее разделить на масла 704 и 705, которые состоят из изомеров тетрафенил-тетраметил-трисилоксана и пентафенил-триметил-трисилоксана соответственно. [6]
Для перекачивания химически активных веществ обычно полифенилового эфира используют масло на основе . Эти масла являются наиболее химически и термостойким типом масла для диффузионных насосов.
Паровые эжекторы [ править ]
Паровой эжектор — популярная форма насоса для вакуумной перегонки и сублимационной сушки . Струя пара увлекает пар, который необходимо удалить из вакуумной камеры. Паровые эжекторы могут иметь одну или несколько ступеней, с конденсаторами между ступенями или без них. Хотя и паровые эжекторы, и диффузионные насосы используют струи пара для захвата газа, они работают по принципиально разным принципам: паровые эжекторы полагаются на вязкий поток и смешивание для перекачки газа, тогда как диффузионные насосы используют молекулярную диффузию. Это имеет несколько последствий. В диффузионных насосах входное давление может быть намного ниже статического давления струи, тогда как в паровых эжекторах оба давления примерно одинаковы. Кроме того, диффузионные насосы способны обеспечивать гораздо более высокую степень сжатия и не могут сбрасывать газ непосредственно в атмосферу.
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Д. Г. Эйвери и Р. Уитти (1947). «Диффузионные насосы: критическое обсуждение существующих теорий». Учеб. Физ. Соц. 59 (6): 1016–1030. Бибкод : 1947PPS....59.1016A . дои : 10.1088/0959-5309/59/6/313 .
- ^ Геде, В. (1915). «Диффузия газов через пары ртути при низких давлениях и диффузионный воздушный насос» . Анналы физики . 46 (3): 357. Бибкод : 1915АнП...351..357Г . дои : 10.1002/andp.19153510304 .
- ^ Селла, Андреа (28 апреля 2009 г.). «Классический комплект: диффузионный насос Геде» . Химический мир . Проверено 3 августа 2019 г.
- ^ Ленгмюр, Ирвинг (1916). «Конденсационный насос: улучшенная форма высоковакуумного насоса» . Обзор Дженерал Электрик . 19 : 1060–1071.
- ^ Ч. Р. Берч (1928). «Масла, смазки и высокий вакуум» . Природа . 122 (3080): 729. Бибкод : 1928Natur.122..729B . дои : 10.1038/122729c0 . S2CID 4126707 .
- ^ «Насосные жидкости». Руководство пользователя по вакуумной технике . Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., 7 декабря 2004 г. стр. 229–246. дои : 10.1002/0471467162.ch13 . ISBN 978-0-471-46716-8 .
Внешние ссылки [ править ]
Дальнейшее чтение [ править ]
- Хабланян, М.Х. (1994) [1983]. Диффузионные насосы: Производительность и эксплуатация . Серия монографий AVS (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Американское вакуумное общество. ISBN 1-56396-384-1 .