2.2. Вакуумні уловлювачі

Вакуумні уловлювачі являють собою пристрої, за допомогою яких вловлюються пара або гази з метою запобігання їх проникнення з однієї частини вакуумної системи в іншу або для пониження їх парціального тиску.

Для отримання так званого чистого, безмасляного вакууму при відкачці пароструминними масляними насосами також застосовують уловлювачі, які виключають або зменшують проникнення в вакуумну систему зворотного потоку пари робочої рідини з насоса.

Зворотним потоком називають потік пари робочої рідини, який надходить з насоса у відкачуваний об`єм. Зворотний потік визначається як маса пари робочої рідини, яка надходить у відкачуваний об`єм за одиницю часу з одиниці поверхні вхідного отвору насоса, і виражається в кг/м²×с.

Основними технічними параметрами уловлювача є його захисна здатність та питома провідність.

Захисною здатністю уловлювача називається відношення масових потоків пари робочої рідини, які надходять з насоса у відкачуваний об'єм з уловлювачем та без нього.

Питомою провідністю уловлювача U_{пит.улов.} називається відношення провідності уловлювача U_улов. до площі його вхідного отвору А

. (28)

Основними типами уловлювачів, які застосовуються в вакуумній техніці, є механічні, низькотемпературні охолоджувані, адсорбційні та електричні.

Уловлювачі, охолоджувані до низьких температур, не тільки більш надійно запобігають проникненню пари робочої рідини у відкачуваний об`єм, але й уловлюють пару та гази, які присутні у відкачуваному об`ємі, що призводить до зниження тиску в ньому.

Так, наприклад, якщо розмістити в герметичному об`ємі резервуар з зрідженим азотом, то через деякий час в об`ємі встановлюється тиск, який визначається пружністю пари найбільш легкої речовини, яка там знаходиться, при температурі азоту.

Для охолодження уловлювачів частіш за все використовують зріджений азот. Для конденсації та виморожування пари робочої рідини в скляних вакуумних системах широко застосовують уловлювачі, виготовлені з скла.

Процес видалення пари методом конденсації називають виморожуванням, тому уловлювачі з охолодженими поверхнями отримали назву виморожуючих, або конденсаційних. Виморожуючі уловлювачі крім того поділяються на прості та високовакуумні, а в залежності від матеріалу, який використовують для їх виготовлення, - на скляні та металеві. Основні типи простих уловлювачів показані на мал. 8.

Уловлювач з зовнішнім охолодженням (мал. 8, а) найбільш простий за конструкцією, але має більший опір, ніж циліндричний (мал. 8, б) та кульовий (мал. 8, в) заливні уловлювачі. Крім того, для його охолодження необхідно мати посудину Дьюара. Однак цей тип уловлювача зручний тим, що виморожуючу дію можна швидко призупинити шляхом зняття посудини Дьюара, в той час як в заливних уловлювачах для цього потрібно видалити охолоджуючу рідину.

Мал. 8. Прості скляні виморожуючі уловлювачі

Мал. 9. Заливний металевий уловлювач

Металеві виморожуючі уловлювачі виготовляються, як правило, заливного типу (мал. 9.). Вони можуть бути розбірними та нерозбірними. В обох випадках виморожуюча камера 2 повинна мати теплову розв'язку від корпуса уловлювача 1. Цього досягають, використовуючи матеріали з низьким коефіцієнтом теплопровідності (неіржавіюча сталь, нейзильбер, ковар) або виготовляючи тонкостінну заливну горловину. Для запобігання прольоту пари вздовж охолодженої поверхні застосовують відбиваючі щити 3.

Мал. 10. Скляний (а) та металевий (б) виморожуючі уловлювачі для надвисокого вакууму

На мал. 10. представлені високовакуумні уловлювачі, які використовуються у відкачних системах для отримання надвисокого вакууму. Їх особливість полягає в тому, що обидві стінки вакуумпроводу, через який проходить відкачуваний газ, охолоджуються зрідженим азотом (мал. 10, а) або одною з них є відбиваючий ковпак, який знаходиться в тепловому контакті з резервуаром для холодоагенту (мал. 10, б). При таких конструкціях уловлювачів кожен атом вдаряється об холодну стінку мінімум два рази, що практично ліквідує міграцію та адсорбційно-десорбційне зміщення парів в сторону високого вакууму. Однак разом з підвищенням ефективності уловлювача збільшується час досягнення граничного тиску. Це пояснюється зменшенням швидкості виморожування з часом та поступовим наближенням її до нуля, коли процес конденсації зрівноважується зворотним потоком пари зі стінок уловлювача.

Швидкість дії виморожуючого уловлювача S_ул може бути визначена різницею об'ємів молекул, що конденсуються V₁ та що відлітають V₂ з охолодженої поверхні за одиницю часу, тобто

, (29)

де - число молекул, що ударяються та відлітають з одиниці поверхні за одиницю часу; n₁ - молекулярна концентрація парів масла в об'ємі; A - площа охолоджуваної поверхні.

Підставляючи в рівняння (29) відомі з молекулярної фізики вирази для потоку та об'єму газу , що падає на одиницю поверхні за одиницю часу, отримаємо

, (30)

де р - тиск пари у відкачуваному об'ємі, обумовлений температурою оточуючого середовища Т; р_А - тиск насиченої пари масла при температурі охолоджуючої поверхні Т_А.

З цієї формули видно, що коли р>>р_А (початок роботи виморожуючого уловлювача), S_ул досягає максимальної величини. Потім зі зменшенням парціального тиску швидкість дії уловлювача зменшується та при р»р_А знижується практично до нуля.