3.4 Молекулярні насоси

При вивченні роботи обертальних вакуумних насосів відкачуваний газ розглядався з макроскопічної точки зору, тобто до уваги не бралася його молекулярна будова. Такий газ вважався неперервним середовищем, у цілому нерухомим, хоча кожна його молекула бере участь у хаотичному русі. При вивченні молекулярних насосів газ слід розглядати з молекулярної точки зору.

За конструктивним виконанням розрізняють механічні та дифузійні молекулярні насоси.

3.4.1 Механічні молекулярні насоси

У молекулярних насосах частинки газу, ударяючись об поверхню, що швидко рухається, відбиваються від неї з додаткової складової швидкості в напрямку руху поверхні. При такій взаємодії молекули не відбиваються пружно, а утримуються деякий час на поверхні, після чого видаляються з неї.

Час взаємодії атома або молекули з поверхнею рухомої пластини t=10^-8–10^-9c. Дані насоси поділяють власне на молекулярні й турбомолекулярні.

Молекулярні насоси.

Будова та принцип роботи молекулярного насоса ілюструє рис.3.26.

Рисунок 3.26 – Конструкція та принцип роботи молекулярного насоса Геде:

1 – статор; 2 – ротор; 3,4,5 – участки кільцевого каналу

Всередині циліндричної порожнини статора 1 перебуває ротор 2, що обертається з високою швидкістю. Статор має таку конфігурацію, що на ділянці поверхні 3-4 зазор між ним та ротором дуже малий і створює порівняно великий опір потоку; на іншій же ділянці 3-5-4 довжиною L між ротором і статором утвориться камера шириною h, де й відбувається процес відкачки. Молекули газу, що попадають у вхідний отвір насоса і ті, що ударяються об поверхню ротора, залишаються на ній якийсь час (рівний часу перебування), а потім відриваються зі швидкістю, що залежить від температури ротора. Однак, через те що ротор обертається зі швидкістю V_w , молекули з здобувають тангенційну складову швидкості в напрямку руху ротора й рухаються слідом за ним від входу до виходу насоса.

Реально конструкція молекулярного насосу складається з декількох пластин ротору і статору. На рис 3.27 показана принципова конструктивна схема одного з перших молекулярних насосів.

Молекулярні насоси працюють при форвакуумі порядку 1 Па. Такий форвакуум необхідний для забезпечення досить великої довжини вільного пробігу, щоб відкачуваний газ знаходився при молекулярному режимі протікання.

Рисунок 3.27 – Молекулярний насос Геде:

1 – статор; 2 – ротор; 3 – перегородка; 4 – канали в роторі

Молекулярні насоси мають частоти обертання роторів у десятки тисяч об/хв. Діаметри роторів мають порядок декількох десятків сантиметрів, а зазори становлять декілька сотих міліметра, що створює серйозні конструктивні труднощі.

Швидкість відкачки сучасних молекулярних насосів досягає декількох десятків літрів у секунду. Вони забезпечують граничний вакуум P_гр10^-6 мм.рт.ст.

В деяких молекулярних насосах ротори діаметром до 20 см закріплюють на магнітній підвісці, що створюється системою електромагнітів. Насос може обертатися зі швидкістю до 20 000 об / хв. Такий насос може прогріватися при роботі до температури 670 К.

Основною перевагою механічних молекулярних насосів є отримання високого вакууму в робочій камері без використання робочих рідин (масел).

Недоліки механічних молекулярних насосів:

1. У більшості конструкцій зазори не повинні перевищувати декілька сотих міліметра. Така точність значно збільшує вартість насоса.

2. Насоси дуже чутливі до забруднень і від потрапляння в них металевих або скляних частинок втрачають функціональні можливості.

3. Молекулярні насоси мають селективність у роботі. Найкраще відкачуються молекули з великою масою.