История разработки диффузионных вакуумных насосов

Появление диффузионных насосов

В России появление диффузионных насосов, пригодных и применявшихся для промышленных целей, связывают с именем профессора Петербургского университета С.А. Боровика, а вторая половина ХХ века и сегодняшний этап развития диффузионных насосов в России и СССР связана с Казанью, где в настоящее время исследования, разработку и серийное производство насосов осуществляет АО «Вакууммаш.

 Рисунок 1. Типоразмерный ряд насосов Н.

Диффузионные насосы в Казани

Родоначальниками серийных общепромышленных диффузионных насосов в Казани являются насосы, вошедшие в историю вакуумной техники под названием насосы единой серии. Однако эти насосы по величинам предельного остаточного и наибольшего выпускного давления не удовлетворяли потребителя. На смену этим насосам был разработан ряд насосов модели Н.

По техническим характеристикам насосы удовлетворяли потребителя, но система охлаждения в виде «рубашки» часто приводила к отказам из-за её засорения. В последующих моделях для охлаждения корпуса применяется медная трубка в виде спирали припаянной к корпусу.

Разработанные к этому времени методики расчета и рекомендации по конструированию были использованы при разработке ряда насосов моделей «Н-диаметр/быстрота». В конструкцию насосов был введен более мощный эжектор новой схемы. Это позволило улучшить сразу два параметра насоса: расширить диапазон рабочих давлений в сторону высоких давлений и повысить наибольшее выпускное давление.

Характеристики насосов приведены в таблице 1.

             

Таблица 1 Характеристики насосов модели « Н-диаметр/быстрота»

Наименование	Насосы
	Н-100/350	Н-160/700	Н-250/2500	Н-400/7000	Н-630/18000
Рабочий диапазон давлений, мм. рт.ст.	1·10-5÷1·10-3	1·10-5÷1·10-3	1·10-5÷1·10-3	1·10-5÷5·10-4	1·10-5÷5·10-4
Средняя быстрота действия, л/с	310	640	2150	5600	15500
Предельное остаточное давление, мм рт.ст.	≤ 5·10-7	≤ 5·10-7	≤ 5·10-7	≤ 5·10-7	≤ 5·10-7
Наибольшее выпускное давление, мм рт.ст.	0,2	0,25	0,2	0,2	0,2
Высота насоса, мм	310	370	588	762	1300

 

Кроме паромасляных диффузионных насосов получили своё развитие и парортутные насосы, в которых в качестве рабочего тела использовалась ртуть. Они были разработаны для получения высокого вакуума до давлений 10^-8 -10^-9 мм.рт.ст., что было возможно благодаря высокой упругости паров ртути. Однако в силу крайней токсичности ртути и её паров дальнейшего развития эти насосы не получили.

     

      Рисунок 2. Диффузионные парортутные насосы Н-10Р и Н-50Р

Диффузионные насосы типа НВДМ

Комплекс проведенных исследований в 1981 – 1990 годах позволил на смену ранее выпускавшимся насосам разработать новые насосы типа НВДМ. В новых конструкциях были применены закрытые нагреватели, повысившие надёжность работы насоса.

Насосы НВДМ являлись высоковакуумными и предназначались для высоковакуумных установок. Характеристики насосов модели НВДМ представлены в таблице 2.

 

Таблица 2    Характеристики насосов НВДМ

	Насосы
Наименование	НВДМ-100	НВДМ-160	НВДМ-250	НВДМ-400	НВДМ-630
Быстрота действия в диапазоне рабочих давлений, л/с: от 6,6·10-4 до 1,3·10-1 Па (от 5·10-6 до 1,3·10-1 мм рт.ст.)   от 6,6·10-4 до 6,6·10-2 Па (от 5·10-6 до 5·10-4 мм рт.ст.)	340     -	700     -	2350     -	-     5900	-     16250
Предельное остаточное давление, Па (мм рт.ст.)	≤8,7·10-3 (≤ 6,6·10-5)	≤8,7·10-3 (≤ 6,6·10-5)	≤8,7·10-3 (≤ 6,6·10-5)	≤8,7·10-3 (≤ 6,6·10-5)	≤8,7·10-3 (≤ 6,6·10-5)
Наибольшее выпускное давление, Па (мм рт.ст.)	35 (0,263)	35 (0,25)	35 (0,25)	35 (0,25)	35 (0,25)
Высота, мм	300	340	530	731	1195

 

Рисунок 3. Диффузионный вакуумный насос НВДМ

 

           Развитие науки и техники, где используются химические реакции в парогазовой среде, потребовало разработать насосы с расширенным диапазоном рабочих давлений в сторону среднего вакуума. Поэтому в 80-90-е на "Вакууммаш" было разработано большое количество различных экспериментальных диффузионных насосов и насосов специального назначения. Большая часть из них сохранилась лишь в музее завода.

                                                                                 

              

Рисунок 4. Специальный высоковакуумный диффузионный насос модели Н-20Т-У

 

   

 

   

Рисунок 5. Различные диффузионные вакуумные насосы из музея "Вакууммаш"

 

Диффузионные насосы типа НД (DIP)

Следующим важным этапом развития диффузионных вакуумных насосов стало создание в 1993 году совместно со специалистами НИИВТ им. С.А. Векшинского и фирмой Leybold (Германия) нового ряда насосов типа НД (DIP - для экспортного исполнения). В насосах этого ряда многие результаты научных исследований воплотились в конструктивные решения. При подготовке технической документации для промышленного выпуска насосов была произведена серия расчетов с учетом термодинамических и газо-кинематических свойств жидкости Diffelen, предназначавшейся для этих насосов. Насосы способны работать и на отечественных рабочих жидкостях, сохраняя свои характеристики. Насосы не только внешним видом, но и конструкцией внутренних элементов отличаются от своих предшественников.

Насосы имеют зигованный корпус (с винтовой канавкой), что не только изменило в лучшую сторону дизайн насоса, но и упростило технологию навивки и припайки трубки водяного охлаждения, позволило уменьшить толщину стенки корпуса насоса. Эти насосы не имеют себе равных в мире по массо-габаритным и удельным рабочим характеристикам.

Фото насосов модели НД представлено на рисунке 6. Характеристики насосов приведены в таблице 3

                                                                                                                                    

Рисунок 6. Диффузионные насосы НД

Таблица 3. Характеристики насосов НД

Наименование	Насосы
	НД-250	НД-400	НД-500	НД-630	НД-800	НД-1000
Быстрота действия, л/с при давлении  5·10-2 Па (3,75·10-4 мм рт.ст.)  1·10-1 Па (7,5·10-4 мм рт.ст.) 1 Па (7,5·10-3 мм рт.ст.)	2700   1500   225	7200   4000   600	10800   6000   900	18000   10000   1500	27000   15000   2250	45000   23000   3500
Предельное остаточное давление, Па (мм рт.ст.)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)	≤3·10-5 (≤2,25·10-7)
Наибольшее выпускное давление, Па (мм рт.ст).	60 (0,45)	60 (0,45)	60 (0,45)	60 (0,45)	60 (0,45)	60 (0,45)
Высота, мм	560	785	940	1130	1450	1880

                                                      

Непрерывное совершенствование известных и появление новых вакуумных технологических процессов требовало повышения основных вакуумных характеристик насосов и, в первую очередь, расширения диапазона входных давлений в сторону среднего и низкого вакуума вплоть до 1,33·Па (1·10^{-2 мм рт. ст.)} и повышение потоков откачиваемого газа при этом давлении без изменения характеристик по величинам предельного остаточного давления, обратного потока рабочей жидкости, выброса рабочей жидкости в форвакуум.

Диффузионные насосы модели НД не всегда удовлетворяли потребителя по быстроте действия при высоких входных давлениях, хотя и обладают расширенным диапазоном действия.

Поэтому АО «Вакууммаш» приступило к разработке очередной модели насосов. Накопленный опыт разработки насосов, обширный экспериментальный материал по процессам, происходящим в насосах, наличие методик расчёта и доводки насосов позволили создать диффузионный насос модели НД-630Э, который имеет существенно расширенный диапазон входных давлений. Фото насоса приведено на рисунке 7.

                                                                                                                                             

    Рисунок 7. Диффузионный вакуумный насос НД-630Э 

Этот насос способен работать в диапазоне входных давлений от 6,66·10^-4 до 1,33 Па (от 5∙10^-6 до 1∙10^-2 мм.рт.ст.).

За последние десятилетия ситуация в вакуумной технике существенно изменилась. Появились новые средства откачки, работающие в различных диапазонах давлений. Однако диффузионные насосы сохраняют своё право на существование. При этом существенно поменялись области применения этих насосов и, соответственно, требования к ним.

Сегодня диффузионный вакуумный насос – это насос чисто промышленного применения. Это насос, чаще всего, среднего вакуума. Уже никого не интересует его остаточное давление, потому что подавляющее количество технологических процессов проходят именно при среднем вакууме. Более того, современный диффузионный насос должен начинать работу от 1,33 Па (1∙10^-2 мм.рт.ст.), т.е. обладать возможностями бустерных насосов.

Кроме того, наряду с улучшенными характеристиками, к насосам предъявляются новые экономические и эксплуатационные требования, такие как: снижение потребляемой мощности, снижение расхода охлаждающей воды, снижение количества заливаемой жидкости, удобство обслуживания и ремонта.

Поэтому в последние годы на "Вакууммаш" идёт целенаправленная исследовательская и научная работа по улучшению характеристик диффузионных насосов, оптимизации их конструкции, снижения эксплуатационных расходов.

Основное внимание проводимых исследований было направлено на изучение процессов теплообмена в насосах. Исследовались процессы конденсации и кипения в диффузионном насосе. Экспериментами выявлены наиболее теплонапряженные зоны корпуса насоса. Было доказано, что в кипятильнике насоса парообразование рабочей жидкости происходит при эруптивном её кипении и что повышение тепловой нагрузки на днище кипятильника может привести к усиленному крекингу масла. Исследовались зависимости характеристик от количества масла в насосе. Результаты для насоса НД-400 приведены на рисунке 8. Такие зависимости были получены для каждого типоразмера насосов модели НД и явились основанием для внесения в техническую документацию рекомендаций по количеству масла.

 

 

 

 

 

 

 

 

         Рисунок 8. Зависимости быстроты действия насоса НД-400 от глубины погружения радиатора в масло при различных давлениях

          Для расчёта поверхности, передающей тепло от нагревателей к рабочей жидкости, необходимо знать величину коэффициента теплоотдачи. Измеренные величины подводимой мощности, температур масла и нагревателя, поверхности теплообмена позволили определить коэффициент теплоотдачи в насосах К:

        К=N/( F · ΔT), Вт/(см 2· ºС) ,   где

N – мощность, подводимая к нагревателю;

F - поверхность теплообмена;

ΔT – разность температур нагревателя и масла.

На рисунке 9 представлены зависимости коэффициента теплоотдачи от глубины погружения пластин в масло, полученные в результате исследования насосов НД.

   Рисунок 9. Зависимости коэффициента теплоотдачи от глубины погружения пластин в масло 

Приведенные зависимости позволяют дать расчётную оценку температуры нагревательного элемента при различном числе пластин и глубины погружения пластин в масло. Результаты такой оценки для насоса НД-250 приведены на рисунке 10.

   

   Рисунок 10. Зависимость температуры радиатора от числа пластин и количества масла в котле для насоса НД-250

Приведённые зависимости позволили разработать нагреватель с уменьшенной поверхностью нагрева. При этом характеристики насоса с таким нагревателем не изменились.

Исследования процессов теплообмена в насосе дают основу для конструктивных решений. Так определение допустимой температуры охлаждения масла с учётом давления насыщенного пара повлияло на выбор размеров системы водяного охлаждения.

Представление об эруптивном кипении рабочей жидкости послужило основанием для введения в конструкцию насоса отбойника капель масла. Введение в конструкцию отбойника, исключающего вылет капель нагретого масла из сопел, привело к повышению температуры масла, а в конечном счете к повышению эффективности использования подводимой мощности.

Диффузионные насосы типа DIJ

С учётом этих экспериментов, проведённых расчётов и новых требований, предъявляемых рынком, совместно с компанией Leybold разработано новое поколение диффузионных насосов, способных устойчиво работать и обеспечивать максимальный поток откачиваемого газа при входном давлении 1∙10^-3 мм.рт.ст. Этот насос оснащается электронной системой управления, которая позволит получать экономию электроэнергии до 30%.

Разработана линейка диффузионных вакуумных насосов, состоящая из 4-х типоразмеров 10, 16, 20, 35 дюймов или 250, 400, 630,1000 мм.      

        Фото насоса DiJ 20 представлено на рисунке 11.

    Рисунок 11. Диффузионный вакуумный насос DiJ 20

 

Насос отличается геометрией котла, позволяющей применять минимальное количество рабочей жидкости, новой конструкцией устройства для залива и слива рабочей жидкости. Нагревательные элементы новой конструкции позволяют производить их замену   непосредственно на месте установки насоса. Насос обеспечен устройством визуального контроля уровня рабочей жидкости в котле насоса.

Опытные образцы всего ряда насосов модели DiJ были изготовлены в 2016 году. На данный момент освоено серийное производство данных насосов.