В диффузионных насосах используется высокоскоростная струя пара для направления молекул газа в горловине насоса вниз в нижнюю часть насоса и наружу. Они были первым типом высоковакуумных насосов, работающих в режиме свободного молекулярного потока , где движение молекул газа может быть лучше понято как диффузия, 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, но будет уноситься с ним к выхлопу. [1]Однако принцип работы можно было бы более точно описать как газоструйный насос , поскольку диффузия играет роль и в других высоковакуумных насосах. В современных учебниках диффузионный насос классифицируется как насос с передачей импульса .
Диффузионный насос широко используется как в промышленных, так и в исследовательских целях. В большинстве современных диффузионных насосов в качестве рабочей жидкости используется силиконовое масло или полифениловые эфиры .
История [ править ]
В конце 19 века большинство пылесосов создавалось с использованием насоса Шпренгеля , который имел то преимущество, что был очень прост в эксплуатации и позволял достичь достаточно хорошего вакуума при достаточном времени. Однако по сравнению с более поздними насосами скорость откачки была очень низкой, а давление пара ртути ограничивало предельный вакуум.
После его изобретения молекулярного насоса , диффузионный насос был изобретен в 1915 годом Вольфганг Геде , [2] и первоначально использовал элементарную ртуть в качестве рабочей жидкости. После его изобретения дизайн был быстро коммерциализирован Лейболдом . [3]
Затем его усовершенствовали Ирвинг Ленгмюр и У. Кроуфорд. Сесил Реджинальд Берч открыл возможность использования силиконового масла в 1928 году [4].
Масляные диффузионные насосы [ править ]
Маслоодиффузионный насос используется для достижения более высокого вакуума (более низкого давления), чем это возможно при использовании одних поршневых насосов прямого вытеснения . Хотя его использование в основном связано с диапазоном высокого вакуума (до 10 -9 мбар), сегодня диффузионные насосы могут создавать давление, приближающееся к 10 -10 мбар, при правильном использовании с современными жидкостями и аксессуарами. Особенности, которые делают диффузионный насос привлекательным для использования с высоким и сверхвысоким вакуумом, заключаются в его высокой скорости откачки для всех газов и низкой стоимости на единицу скорости откачки по сравнению с другими типами насосов, используемых в том же диапазоне вакуума. Диффузионные насосы не могут работать напрямую в атмосферу, поэтому механический форвакуумный насос обычно используется для поддержания давления на выходе около 0,1 мбар.
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 на входе в форсунки находится в газообразном состоянии. Внутри сопел поток меняется с ламинарного на сверхзвуковой и молекулярный.. Часто несколько форсунок используются последовательно для усиления перекачивающего действия. Снаружи диффузионный насос охлаждается с помощью воздушного потока, водяных линий или рубашки, заполненной водой. Когда паровая струя попадает на внешнюю охлаждаемую оболочку диффузионного насоса, рабочая жидкость конденсируется, возвращается и направляется обратно в котел. Перекачиваемые газы продолжают поступать к основанию насоса под повышенным давлением, выходя через выпускное отверстие диффузионного насоса, где они сжимаются до давления окружающей среды вторичным механическим форвакуумным насосом и выпускаются.
В отличие от турбомолекулярных насосов и крионасосов , диффузионные насосы не имеют движущихся частей и, как следствие, довольно прочны и надежны. Они могут работать в диапазонах давления от 10 −10 до 10 −2 мбар. Они работают 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 или при контакте с горячими нитями, или электрические разряды могут привести к образованию углеродистых или кремнистых отложений. Из-за обратного потока масляные диффузионные насосы не подходят для использования с высокочувствительным аналитическим оборудованием или другими приложениями, которые требуют чрезвычайно чистой вакуумной среды, но ртутные диффузионные насосы могут применяться в случае камер сверхвысокого вакуума, используемых для осаждения металлов. Часто для минимизации обратного потока используются холодные ловушки и перегородки , хотя это приводит к некоторой потере скорости откачки.
Масло диффузионного насоса не должно попадать в атмосферу, когда оно горячее. Если это произойдет, масло окислится и его необходимо заменить, в случае пожара дым и остатки могут загрязнить другие части системы.
Типы масла [ править ]
Наименее дорогие масла для диффузионных насосов основаны на углеводородах , очищенных двойной дистилляцией. По сравнению с другими жидкостями они имеют более высокое давление пара, поэтому обычно ограничиваются давлением 1 x 10 -6 Торр. Они также с большей вероятностью воспламеняются или взрываются при воздействии окислителей.
Наиболее распространенными силиконовыми маслами, используемыми в диффузионных насосах, являются трисилоксаны, которые содержат химическую группу Si-O-Si-O-Si, к которой присоединены различные фенильные или метильные группы . Они доступны как так называемые смеси 702 и 703, которые ранее производились Dow Corning . Их можно дополнительно разделить на масла 704 и 705, которые состоят из изомеров тетрафенилтетраметилтрисилоксана и пентафенилтриметилтрисилоксана соответственно. [5]
Для перекачки химически активных веществ обычно используется масло на основе полифенилового эфира . Эти масла являются наиболее химически и термостойкими типами масел для диффузионных насосов.
Паровые эжекторы [ править ]
Паровой эжектор - популярная разновидность насоса для вакуумной перегонки и сублимационной сушки . Струя пара увлекает пар, который необходимо удалить из вакуумной камеры. Паровые эжекторы могут быть одно- или многоступенчатыми, с конденсаторами и без них.между этапами. Хотя и паровые эжекторы, и диффузионные насосы используют струи пара для захвата газа, они работают по принципиально другим принципам: паровые эжекторы полагаются на вязкий поток и перемешивание для перекачивания 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 два давления примерно одинаковы. Кроме того, диффузионные насосы могут работать с гораздо более высокими степенями сжатия и не могут нагнетать непосредственно в атмосферу.
См. Также [ править ]
- Турбомолекулярный насос
- Вакуумный насос
- Аспиратор (помпа)
Ссылки [ править ]
- ↑ DG Avery и R. Witty (1947). «Диффузионные насосы: критическое обсуждение существующих теорий». Proc. Phys. Soc. 59 (6): 1016–1030. Bibcode : 1947PPS .... 59.1016A . DOI : 10.1088 / 0959-5309 / 59/6/313 .
- ^ Геде, W. (1915). "Die Diffusion der Gase durch Quecksilberdampf bei niederen Drucken und die Diffusionsluftpumpe" . Annalen der Physik . 46 (3): 357. Bibcode : 1915AnP ... 351..357G . DOI : 10.1002 / andp.19153510304 .
- ↑ Селла, Андреа (28 апреля 2009 г.). «Классический комплект: диффузионный насос Геде» . Мир химии . Проверено 3 августа 2019 .
- ^ CR Burch (1928). «Масла, смазки и высокий вакуум». Природа . 122 (3080): 729. Bibcode : 1928Natur.122..729B . DOI : 10.1038 / 122729c0 . S2CID 4126707 .
- ^ «Насосные жидкости». Руководство пользователя вакуумной техники . Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., 2004-12-07. С. 229–246. DOI : 10.1002 / 0471467162.ch13 . ISBN 978-0-471-46716-8.
Внешние ссылки [ править ]
- Масляный диффузионный насос, изготовленный из стекла Главным университетом штата Аризона.
Дальнейшее чтение [ править ]
Hablanian, MH (1994) [1983]. Диффузионные насосы: производительность и работа . Серия монографий АВС (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Американское вакуумное общество. ISBN 1-56396-384-1.
