Диффузионные насосы

Наиболее популярными в промышленности, работающей с вакуумными технологиями, являются диффузионные насосы. Они, по сути, представляют собой модифицированные струйные насосы, и в отличие от таких моделей способны создавать очень высокий вакуум, и используются для переноса молекул газа из высокого вакуума в предвакуум.

Это возможно благодаря переносу частиц газа в потоке рабочего тела, которым является ртуть или специальное масло, предварительно нагретое до температуры кипения. Сегодня этот тип вакуумных насосов все чаще заменяется более дорогими и сложными, но и гораздо более точными турбомолекулярными и ионными насосами, хотя в некоторых производственных процессах, не требующих соблюдения строгих норм, стандартный диффузионный насос остается незаменимым.

Принцип работы диффузионных насосов

В диффузионных масляных насосах перекачивающей средой обычно является поток паров масла. Его получают путем нагрева масла до соответствующей температуры с помощью электронагревателя, расположенного в нижней части насоса. Пары перекачиваемой среды направляются через паропровод к соплам насоса, образованным между выпускным отверстием направляющей и крышкой.

Они вылетают из форсунок-распылителей под острым углом, передавая свой импульс частицам перекачиваемой среды, направляя их вниз рабочей камеры во входную зону предварительного вакуум-насоса, который их засасывает. Пары перекачивающей среды попадают на стенки корпуса водоохлаждаемого насоса и конденсируются, переходя в жидкое состояние. Конденсированное масло стекает обратно в нижнюю часть насоса, где оно снова нагревается. Таким образом, в насосе поддерживается постоянный поток паров перекачиваемой среды.

Как устроены диффузионные насосы

Конструкция диффузионного насоса проста, рабочая область состоит из цилиндрического корпуса электронагревателем, расположенным под днищем. В емкость, примерно на 1/10 часть заливается рабочее тело (масло или ртуть). Внутри цилиндра, выше уровня масла, установлен конический раструб в форме воронки, широкой частью книзу. Верхняя часть прикрывается чашей-отбойником, которая разворачивает пар на стенки цилиндра. Последние имеют жидкостную охлаждающую рубашку.

Возможности и применение диффузионных насосов

Изобретение диффузионного насоса стало ответом на необходимость создания устройства, позволяющего получать высокий вакуум. Это означает, что диффузионные устройства являются одними из наиболее совершенных насосов, применяемых в вакуумной технике. При использовании базовых моделей диффузионных насосов можно получить давления 10^-3  – 10^-5  Па и даже ниже. Однако стоит помнить, что на эффективность работы диффузионного агрегата напрямую влияет качество исходного вакуума, поскольку окисление перекачиваемого материала ухудшает параметры насоса.

Современные диффузионные насосы часто заменяют вакуумные ионные и турбомолекулярные устройства. Их популярность обусловлена ​​не только высокой эффективностью, но и предельной простотой конструкции, исключающей использование движущихся деталей, что обуславливает длительную и безотказную работу. Диффузионные вакуумные насосы просты в эксплуатации и обслуживании.

Примером применения диффузионных насосов являются газовые спектрометры. Устройства такой конструкции используются в системах распыления, в лабораторной практике газового анализа и исследований, требующих сверхвысокого давления. Вакуумно-диффузионные насосы также используются в металлургической промышленности в процессах сушки, дистилляции, металлизации и дегазации.

Во всех насосах этого типа существует явление обратного течения масла, оно связано с движением небольших его количеств в обратном направлении (ко входу насоса). Это масло может загрязнить поверхность или внутреннюю часть задней камеры, осесть на проводах или разрядных контактах, что приводит к образованию нагара. Об этом следует особенно помнить в тех процессах, где  высокая чистота вакуумной системы имеет решающее значение.

Из-за обратного потока масляные диффузионные насосы не подходят для использования в высокочувствительном аналитическом оборудовании или других установках, требующих очень чистой вакуумной среды. В таких аппаратах используют ртутные диффузионные насосы, с процессом, проходящим в камерах сверхвысокого вакуума с осаждением ртути.

Такие аппараты не имеют широкого применения из-за того, что внутри рабочей камеры насоса с ртутным рабочим телом давление и температура выше, чем с масляным, а пары ртути ядовиты. Корпуса таких насосов изготавливают из толстого термостойкого кварцевого стекла, а на выходе требуется установка дополнительной конденсирующей и фильтрующей ступени.

Холодные ловушки и перегородки обычно используются для минимизации обратного потока, хотя в некоторых случаях в результате снижается эффективность откачки.

Распространенной проблемой в ​​работе масляного диффузионного насоса является контакт атмосферы с горячим маслом. Если это происходит, масло сгорает и должно быть немедленно заменено. Поэтому перед контактом с атмосферой внутренности насоса всегда следует охлаждать до комнатной температуры.

Несмотря на это, диффузионные насосы по-прежнему  широко используются благодаря множеству преимуществ, которые они имеют. Прежде всего, эти насосы надежны, просты по конструкции, работают без шума и вибрации, относительно недороги в эксплуатации и обслуживании.

Фактически, диффузионная откачка является наиболее экономичным способом создания высокого вакуума. Насос, работающие по такому принципу, могут выдерживать неблагоприятные условия эксплуатации в виде твердых частиц и химически активных газов, которые могут разрушить другие типы насосов для создания глубокого вакуума. Благодаря правильному выбору рабочих жидкостей, специальным маслоуловителям, маслоотражателям и клапанам вакуумные диффузионные насосы могут использоваться в широком диапазоне разряжений газа от 1,33x10^-3 мбар до 1,33x10^-9 мбар.