Диффузионный насос

Диффузионный насос — это разновидность вакуумного насоса, предназначенная для получения высокого и сверхвысокого вакуума (до 10⁻⁹ Па и ниже) путём использования струи пара рабочей жидкости, захватывающей молекулы откачиваемого газа. Относится к классу пароструйных насосов, в которых отсутствуют механически движущиеся части в рабочей камере.

Принцип действия

Работа диффузионного насоса основана на явлении диффузии молекул газа в струю пара. Рабочая жидкость (обычно специальное масло или ртуть) нагревается в кипятильнике, расположенном в нижней части корпуса. Образующийся пар поднимается вверх по центральному соплу (или системе сопел) и с высокой скоростью (сверхзвуковой) истекает в направлении откачиваемого объёма. Струя пара, расширяясь, создаёт область пониженного давления на входе в насос.

Молекулы газа из откачиваемого объёма диффундируют в эту струю. За счёт столкновений с тяжёлыми и быстрыми молекулами пара газ получает импульс, направленный в сторону выпускного патрубка (форвакуумной линии). Далее пар с захваченным газом конденсируется на охлаждаемых стенках корпуса насоса. Жидкость стекает обратно в кипятильник для повторного использования, а откачанный газ удаляется через форвакуумный насос.

История

Первый диффузионный насос был изобретён в 1915 году немецким физиком Вольфгангом Геде. Он использовал ртуть в качестве рабочей жидкости. В 1928 году американский учёный Кеннет Хикман предложил использовать масла с низким давлением насыщенных паров, что позволило значительно упростить конструкцию и повысить безопасность эксплуатации (ртуть токсична). В СССР серийное производство масляных диффузионных насосов началось в 1930-х годах для нужд радиопромышленности и физических исследований. К середине XX века диффузионные насосы стали основным инструментом для получения высокого вакуума в лабораториях и промышленности.

Устройство и основные элементы

Типичный диффузионный насос состоит из следующих основных частей:

• Корпус — герметичная цилиндрическая или коническая ёмкость, изготовленная из нержавеющей стали или алюминия. Внутренняя поверхность часто полируется для улучшения конденсации пара.
• Кипятильник — нагревательный элемент (электрический ТЭН или внешняя печь), расположенный в донной части насоса. Обеспечивает испарение рабочей жидкости.
• Сопловая система — одно или несколько концентрических сопел (зонтов), установленных по оси насоса. Форма и количество сопел определяют скорость откачки и предельное давление. В многоступенчатых насосах сопла разных размеров создают последовательные струи пара.
• Охлаждающая рубашка — змеевик или полость вокруг корпуса, через которую циркулирует вода (реже — воздух). Охлаждение необходимо для конденсации пара и защиты уплотнений.
• Форвакуумный патрубок — выходной штуцер, соединяющий насос с форвакуумным насосом (например, пластинчато-роторным или спиральным).
• Входной фланец — присоединительный элемент для подключения к откачиваемому объёму (вакуумной камере).
• Ловушка (криогенная или механическая) — опциональный элемент, устанавливаемый на входе насоса для улавливания паров масла, предотвращающих их попадание в откачиваемый объём.

Классификация

Диффузионные насосы классифицируются по нескольким признакам:

По типу рабочей жидкости

• Масляные — используют специальные вакуумные масла (например, ВМ-1, ВМ-5, диффузионное масло DC-704). Наиболее распространённый тип. Масла имеют низкое давление насыщенных паров (10⁻⁵ — 10⁻⁷ Па) и химически инертны.
• Ртутные — применяют ртуть. Обеспечивают более низкое предельное давление и не разлагаются при нагреве, но токсичны и требуют особых мер безопасности. В настоящее время используются редко, в основном в научных установках.

По числу ступеней

• Одноступенчатые — имеют одно сопло. Обеспечивают предельное давление порядка 10⁻³ — 10⁻⁴ Па.
• Многоступенчатые — имеют 2-4 сопла, расположенных последовательно. Позволяют достичь давления до 10⁻⁷ — 10⁻⁹ Па. Наиболее распространены трёх- и четырёхступенчатые конструкции.

По конструктивному исполнению

• С вертикальным корпусом — классическая схема, сопла расположены по оси.
• С горизонтальным корпусом — компактные модели для встраивания в оборудование.
• С внешним или встроенным кипятильником — в зависимости от расположения нагревателя.

Характеристики

Основные параметры диффузионного насоса:

• Предельное остаточное давление — минимальное давление, которое может создать насос. Для масляных насосов составляет 10⁻⁵ — 10⁻⁷ Па, для ртутных — до 10⁻⁹ Па.
• Быстрота действия (скорость откачки) — объём газа, откачиваемый за единицу времени. Измеряется в литрах в секунду (л/с) или кубических метрах в час (м³/ч). Зависит от диаметра входного патрубка. Промышленные образцы имеют быстроту от 10 до 100 000 л/с.
• Рабочий диапазон давлений — область, в которой насос работает эффективно. Обычно от 10⁻¹ до 10⁻⁶ Па.
• Форвакуумное давление — максимальное давление на выходе, при котором насос может работать. Обычно 10⁻¹ — 10⁻² Па.
• Мощность нагревателя — от 100 Вт до нескольких киловатт.
• Расход охлаждающей воды — от 1 до 10 л/мин.

Применение

Диффузионные насосы широко используются в различных областях, где требуется высокий и сверхвысокий вакуум:

• Научные исследования — в ускорителях частиц, масс-спектрометрах, электронных микроскопах, установках для исследования поверхности.
• Промышленность — в процессах напыления тонких плёнок (вакуумное напыление, ионно-плазменное напыление), в вакуумной металлургии (плавка, отжиг), в производстве полупроводниковых приборов.
• Оптика — при нанесении просветляющих покрытий на линзы и зеркала.
• Космическая техника — для имитации условий космического пространства в термовакуумных камерах.
• Медицина — в стерилизаторах и оборудовании для лучевой терапии.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая скорость откачки (до 100 000 л/с) при относительно небольших габаритах.
• Отсутствие механически движущихся частей, что обеспечивает высокую надёжность и долговечность (ресурс до 10 000 часов и более).
• Низкий уровень вибраций, что важно для точных измерений.
• Простота конструкции и обслуживания.
• Относительно низкая стоимость по сравнению с турбомолекулярными насосами аналогичной производительности.

Недостатки

• Загрязнение откачиваемого объёма парами масла — основной недостаток. Даже при использовании ловушек часть масла может проникать в камеру, что критично для некоторых процессов (например, в микроэлектронике).
• Необходимость в форвакуумном насосе — диффузионный насос не может работать при атмосферном давлении, требуется предварительное откачивание до 10⁻¹ — 10⁻² Па.
• Зависимость от охлаждения — при отказе системы охлаждения возможен перегрев и выход насоса из строя.
• Время выхода на режим — требуется время (10-30 минут) для прогрева рабочей жидкости до рабочей температуры.
• Опасность при работе с ртутью — токсичность и необходимость специальных мер безопасности.

Сравнение с другими типами вакуумных насосов

Диффузионные насосы остаются популярным выбором для задач, где допустимо наличие следов масла, а высокая скорость откачки и низкая стоимость имеют приоритет.

Интересные факты

• Первый диффузионный насос Геде был изготовлен из стекла и имел ручной обогрев.
• В 1960-х годах в СССР были разработаны насосы с быстротой действия до 500 000 л/с для термоядерных установок.
• Некоторые современные масляные диффузионные насосы способны работать без охлаждения водой, используя только воздушное охлаждение, но их производительность при этом снижается.
• В вакуумной технике существует понятие «обратная диффузия» — проникновение паров масла в откачиваемый объём через входное отверстие, что является основной причиной загрязнения.

Источники

• Розанов Л. Н. «Вакуумная техника». — М.: Высшая школа, 1990.
• Данилин Б. С., Минайчев В. Е. «Основы конструирования вакуумных систем». — М.: Энергия, 1971.
• Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А. «Конструирование и расчет вакуумных систем». — М.: Энергия, 1970.
• Левин В. И. «Вакуумные насосы». — М.: Машиностроение, 1976.
• ГОСТ 32979-2014 «Насосы вакуумные. Термины и определения».