Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Диффузионный вакуумный насос — это высоковакуумный пароструйный насос без движущихся частей, в котором молекулы откачиваемого газа увлекаются струёй пара рабочей жидкости и переносятся к выходному патрубку. Ниже разобрано, как работает диффузионный вакуумный насос: от кипения масла и формирования сопловых струй пара до захвата молекул газа, сжатия его по ступеням и обязательной поддержки форвакуумным насосом.
Такой насос относится к средствам получения высокого и сверхвысокого вакуума и не способен работать «от атмосферы»: он включается только после того, как система предварительно откачана механическим (форвакуумным) насосом. Это ключевая особенность его схемы, определяющая как принцип действия, так и порядок пуска.
Диффузионный (паромасляный) насос — разновидность пароструйного вакуумного насоса, предназначенная для создания и поддержания высокого вакуума в откачиваемом объёме. По стандартной классификации пароструйные насосы делят на диффузионные, эжекторные и бустерные; диффузионный работает преимущественно в молекулярном режиме течения газа. Его действие основано не на изменении объёма рабочей камеры, как у механических насосов, а на увлечении молекул газа струёй пара рабочей жидкости. Движущихся деталей внутри проточной части нет — это отличает его от объёмных и молекулярных насосов и снижает риск механического загрязнения откачиваемой среды продуктами износа.
Диффузионный насос — высоковакуумный: он работает в связке с форвакуумным насосом и не создаёт разрежение, начиная от атмосферного давления.
В вакуумной установке насос занимает промежуточное положение между откачиваемой камерой и форвакуумной магистралью. Сверху к нему присоединяется высоковакуумный тракт (обычно через отражатель или ловушку и высоковакуумный затвор), снизу-сбоку — выпускной патрубок, соединённый с форвакуумным насосом. Терминология и определения понятий вакуумной техники, включая понятие форвакуумного насоса, закреплены в действующем терминологическом стандарте.
Конструктивно насос представляет собой вертикальный цилиндрический корпус с глухим днищем. В нижней части расположен кипятильник с рабочей жидкостью и электронагревателем. По оси корпуса установлена паропроводная система (паропровод с несколькими соплами), а внешняя поверхность корпуса охватывается охлаждающей рубашкой.
Число сопловых ступеней, как правило, составляет от трёх до пяти. Каждое сопло образует свою паровую струю; ступени работают последовательно, перемещая газ сверху вниз, к выпуску. У многих насосов нижняя ступень выполнена эжекторной — она устойчивее держит повышенное выпускное давление и увеличивает пропускную способность.
Работа насоса основана на передаче импульса от тяжёлых быстрых молекул пара к молекулам откачиваемого газа. Разберём процесс по стадиям.
Нагреватель доводит рабочую жидкость в кипятильнике до кипения (рабочая температура кипятильника — порядка 200 °C, обычно в пределах примерно 180–250 °C в зависимости от рабочей жидкости). Образующийся пар поднимается по паропроводу к соплам и истекает из них с высокой, вплоть до сверхзвуковой, скоростью, направляясь вниз и к охлаждаемой стенке. Так формируется плотная кольцевая паровая струя — «паровой зонт», перекрывающий сечение корпуса.
Молекулы откачиваемого газа, попадая из верхнего объёма в область паровой струи, диффундируют в неё и получают направленный вниз импульс от молекул пара. Так как в высоком вакууме молекулы движутся практически без взаимных столкновений (режим свободномолекулярного течения), струя эффективно «сметает» их в сторону выпуска и препятствует обратному движению. Пар при этом доходит до охлаждаемой стенки и конденсируется, а сконденсированная жидкость стекает обратно в кипятильник — цикл замыкается.
Газ переносится струёй пара, а сам пар осаждается на холодной стенке и возвращается в кипятильник — рабочая жидкость циркулирует, а откачиваемый газ уходит к форвакуумному насосу.
Каждая последующая (нижняя) ступень принимает газ от предыдущей и сжимает его дальше, повышая местное давление в направлении выпуска. За счёт этого на входе насоса поддерживается очень низкое давление, а на выходе — существенно более высокое, приемлемое для форвакуумного насоса. Достижимая степень сжатия велика.
k = pвых / pвх
pвх = 10−6 Па
pвых = 10 Па
k ≈ 107
Паровая струя способна «толкать» газ только против ограниченного противодавления. Форвакуумный насос нужен, чтобы непрерывно откачивать газ с выпуска и удерживать там давление ниже допустимого предела. Значение выпускного давления, выше которого струя теряет устойчивость и «срывается», в стандартной терминологии называют наибольшим выпускным давлением (в технической литературе — критическим выпускным давлением). По определению это давление на выходе, выше которого эксплуатационные характеристики насоса нарушаются и он перестаёт работать нормально.
Для оценки требований к форвакуумному насосу используют баланс потока газа. Поток (производительность) на входе диффузионного насоса равен произведению его быстроты действия на впускное давление; тот же поток должен уноситься форвакуумным насосом при давлении ниже критического.
Q = Sвх · pвх
Sф ≥ Q / pдоп
pдоп
Q
Перед открытием высоковакуумного затвора систему предварительно откачивают до давления перехода (кроссовера) — мгновенная нагрузка газом в этот момент наибольшая, поэтому затвор открывают плавно, не допуская броска выпускного давления.
Значения зависят от типоразмера насоса, конструкции сопел, рабочей жидкости, режима охлаждения и наличия ловушек. Ниже — ориентировочные качественные диапазоны; точные значения приводятся в паспорте конкретного насоса и определяются по методам, установленным в действующих стандартах на испытания.
Предельное остаточное давление ограничено прежде всего упругостью пара рабочей жидкости при её температуре, а также интенсивностью обратной диффузии газа и качеством охлаждения. Именно поэтому к рабочей жидкости предъявляют жёсткие требования.
Рабочая жидкость должна обладать низкой упругостью пара при комнатной температуре (для глубокого вакуума на входе), достаточной упругостью пара при рабочей температуре (для плотной струи), а также высокой термической и термоокислительной стойкостью и химической инертностью к откачиваемым газам.
Многие вакуумные масла — это смеси фракций с разной молярной массой и температурой кипения. В так называемых фракционирующих насосах жидкость разделяется по ступеням: входную (верхнюю) ступень питает фракция с наименьшей упругостью пара — она определяет предельное давление; выходную ступень — более «тяжёлая» и летучая при нагреве фракция, обеспечивающая плотную струю и устойчивость к выпускному давлению.
Главный недостаток паромасляной схемы — обратный поток (backstreaming): часть пара рабочей жидкости движется вверх, к камере, и способна загрязнять откачиваемый объём. Обратный поток усиливается при неправильных режимах — например, при превышении критического выпускного давления или при перегрузке насоса по потоку газа.
Для снижения обратного потока применяют:
Платой за отражатель или ловушку является некоторое снижение эффективной быстроты действия на входе — это учитывают при проектировании тракта.
Последовательность операций диктуется физикой струи: нагрев допустим только при уже созданном форвакууме, а останов — только после охлаждения жидкости.
Отсутствие движущихся частей, высокая пропускная способность и надёжность делают диффузионные насосы удобными там, где нужен стабильный высокий вакуум при значительных откачиваемых объёмах. Типичные области:
Рабочую жидкость нагревают до кипения; пар вырывается из сопел вниз плотной струёй. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струю, получают импульс к выпуску и переносятся вниз. Пар осаждается на охлаждаемой стенке и стекает обратно, а газ уходит к форвакуумному насосу.
Паровая струя формируется и удерживает газ только при пониженном давлении и способна работать лишь против ограниченного противодавления. Форвакуумный насос создаёт предварительное разрежение и непрерывно откачивает газ с выпуска, удерживая давление ниже критического.
Это наибольшее давление на выпуске, при котором струя ещё устойчива; в стандартной терминологии его называют наибольшим выпускным давлением. При его превышении струи срываются, откачка прекращается, а пар может пойти вверх, в сторону камеры.
Из вертикального корпуса с водоохлаждаемой рубашкой, кипятильника с нагревателем, паропровода с несколькими соплами зонтичного типа, а также впускного и выпускного патрубков. Движущихся частей в проточной части нет.
Специальные вакуумные рабочие жидкости с низкой упругостью пара и высокой термостойкостью: минеральные вакуумные масла, кремнийорганические жидкости, полифениловые эфиры и синтетические углеводородные жидкости. Обычные смазочные масла непригодны.
Механический насос перемещает газ за счёт изменения объёма рабочих камер и работает от атмосферного давления. Диффузионный переносит газ струёй пара, не имеет движущихся частей в проточной части и работает только в области высокого вакуума при наличии форвакуумной откачки.
Обратный поток — движение части пара рабочей жидкости вверх, к камере, что загрязняет вакуум. Его снижают охлаждаемыми отражателями (баффлами) и низкотемпературными ловушками, а также соблюдением корректных режимов пуска и останова.
Область высокого вакуума; при использовании ловушек и рабочих жидкостей с низкой упругостью пара достигается и сверхвысокий вакуум. Конкретное предельное давление зависит от типоразмера, жидкости и охлаждения и указывается в паспорте насоса.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.