Диффузионный насос - Diffusion pump
Диффузионные насосы используйте высокоскоростную струю пара для направления газа молекулы в горловине насоса вниз в нижнюю часть насоса и в выхлоп. Они были первым типом высоких вакуумные насосы работает в режиме свободный молекулярный поток, где движение молекул газа можно лучше понять как распространение чем обычные динамика жидкостей. Изобретен в 1915 г. Вольфганг Геде, он назвал это диффузионный насос 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 действия можно было бы более точно описать как газоструйный насос, поскольку диффузия играет роль и в других высоковакуумных насосах. В современных учебниках диффузионный насос относят к категории передача импульса насос.
Диффузионный насос широко используется как в промышленных, так и в исследовательских целях. Большинство современных диффузионных насосов используют силиконовое масло или же полифениловые эфиры в качестве рабочего тела.
История
В конце 19 века большинство пылесосов создавали с помощью Насос Sprengel, который имел то преимущество, что был очень простым в эксплуатации и мог достигать достаточно хорошего вакуума при достаточном времени. Однако по сравнению с более поздними насосами скорость откачки была очень низкой, и давление газа ртути ограничивали предельный вакуум.
После его изобретения молекулярный насос, диффузионный насос был изобретен в 1915 г. Вольфганг Геде,[2] и первоначально использовался элементарная ртуть в качестве рабочего тела. После его изобретения дизайн был быстро коммерциализирован. Leybold.[3]
Затем он был улучшен Ирвинг Ленгмюр и В. Кроуфорд. Сесил Реджинальд Берч открыл возможность использования силиконового масла в 1928 году.[4]
Насосы масляные диффузионные
Масляный диффузионный насос используется для достижения более высокого вакуума (более низкого давления), чем это возможно при использовании положительное смещение насосы одни. Хотя его использование в основном связано с диапазоном высокого вакуума (до 10−9 мбар), диффузионные насосы сегодня могут создавать давление, приближающееся к 10−10 мбар при правильном использовании с современными жидкостями и принадлежностями. Особенностями, которые делают диффузионный насос привлекательным для использования с высоким и сверхвысоким вакуумом, являются его высокая скорость откачки всех газов и низкая стоимость 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 выходного давления около 0,1 мбар.
Масляный диффузионный насос работает с маслом с низким давление газа. 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 расход меняется от ламинарный к сверхзвуковой и молекулярный. Часто несколько форсунок используются последовательно для усиления перекачивающего действия. Снаружи диффузионный насос охлаждается с помощью воздушного потока, водяных трубопроводов или рубашки, заполненной водой. Когда струя пара ударяется о 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 турбомолекулярные насосы и крионасосы, диффузионные насосы не имеют движущихся частей и, как следствие, достаточно прочны и надежны. Они могут работать в диапазонах давления 10−10 до 10−2 мбар. Ими движет только конвекция 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 быть в случае камер сверхвысокого вакуума, используемых для осаждения металлов. Часто холодные ловушки и перегородки используются для минимизации обратного потока, хотя это приводит к некоторой потере скорости откачки.
Масло диффузионного насоса не должно попадать в атмосферу, когда оно горячее. В этом случае масло окисляется, и его необходимо заменить, в случае возгорания дым и остатки могут загрязнить другие части системы.
Типы масел
Наименее дорогие масла для диффузионных насосов основаны на углеводороды которые были очищены двойной перегонкой. По сравнению с другими жидкостями, они имеют более высокое давление пара, поэтому обычно ограничиваются давлением 1 x 10−6 Торр. Кроме того, они с наибольшей вероятностью воспламеняются или взрываются при воздействии окислителей.
Самый распространенный силиконовые масла в диффузионных насосах используются трисилоксаны, содержащие химическую группу Si-O-Si-O-Si, к которой относятся различные фенильные группы или же метильные группы прилагаются. 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 перекачивания химически активных веществ обычно полифениловый эфир используется масло на основе. Эти масла являются наиболее химически стойкими и термостойкими маслами для диффузионных насосов.
Паровые эжекторы
Паровой эжектор - популярный тип вакуумного насоса. дистилляция и сублимационной сушки. Струя пара увлекает пар, который необходимо удалить из вакуумной камеры. Паровые эжекторы могут быть одно- или многоступенчатыми, с конденсаторы между этапами. 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 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 эти два давления примерно одинаковы. Кроме того, диффузионные насосы могут работать с гораздо более высокими степенями сжатия и не могут выпускать непосредственно в атмосферу.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Д. Г. Эйвери и Р. Витти (1947). «Диффузионные насосы: критическое обсуждение существующих теорий». Proc. Phys. Soc. 59 (6): 1016–1030. Bibcode:1947ППС .... 59.1016А. Дои:10.1088/0959-5309/59/6/313.
- ^ Gaede, W. (1915). "Die Diffusion der Gase durch Quecksilberdampf bei niederen Drucken und die Diffusionsluftpumpe". Annalen der Physik. 46 (3): 357. Bibcode:1915АнП ... 351..357Г. Дои:10.1002 / иp.19153510304.
- ^ Селла, Андреа (28 апреля 2009 г.). "Классический комплект: диффузионный насос Геде". Мир химии. Получено 2019-08-03.
- ^ К. Р. Берч (1928). «Масла, смазки и высокий вакуум». Природа. 122 (3080): 729. Bibcode:1928Натура.122..729Б. Дои: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. Дои:10.1002 / 0471467162.ch13. ISBN 978-0-471-46716-8.
внешняя ссылка
дальнейшее чтение
Хабланян, М. Х. (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.