3. Приборы молекулярной физики

3.1. Насосы

Насосы, создающие повышенное давление, называются компрессорами, насосы для разрежения – вакуумными насосами. Главными параметрами насосов являются: давление, которое может создать насос, и его производительность или расход, т. е. количество литров (кубометров), которое он перегоняет из входного патрубка в выходной за секунду (минуту). Произведение перепада давления на расход равно полезной мощности насоса.

Рис. 29

Поршневыенасосы применяются главным образом для создания больших давлений при небольшом расходе. Устройство поршневого насоса с клапанами показано на рисунке 29. Поршневые насосы иногда используют и для получения неглубокого вакуума. Насос Комовского – распространенный школьный прибор, также является поршневым. Цилиндр с поршнем может быть заменен резиновым баллоном (грушей), которая то сдавливается, то отпускается (например, насос к пульверизатору).

Если задача заключается только в создании потока воздуха для смены его в данном месте или помещении, то применяется устройство, называемое вентилятором. Вентилятор обеспечивает большой расход при небольшом перепаде давлений. В системах вентиляции наиболее эффективен центробежный вентилятор, в котором лопасти приводят воздух во вращение, в результате чего центробежная сила инерции отбрасывает воздух к краям камеры и в выходной патрубок. Входной патрубок подводит новые порции воздуха к центру. В быту чаще используются осевые вентиляторы с винтообразно расположен­ными лопастями.

Вакуумные насосы также весьма разнообразны. Водоструйныйнасос (рис. 30а) представляет собой трубу, по которой с большой скоростью движется вода, например от водопроводного крана. В трубе имеется боковое отверстие. Сосуд с патрубком 2 соединен с откачиваемым пространством. Около отверстия в соответствии с уравнением Бернулли

а б в

Рис. 30. Вакуумные насосы: а) водоструйный (1 – труба с потоком воды и от­верстием, 2 – засасывающий патрубок);б) – ротационный (1 – корпус, 2 – цилиндрическая полость, 3 – слой масла, 4 – ротор, 5 – клапан);в) – диффузион­ный (1 – нагреватель, 2 – масло, 3 – паропровод, 4 – грибок-отражатель, 5 – водяное охлаждение).

давление руменьшается, поэтому через него через патрубок 2 начинает засасываться воздух. Водоструйный насос используется в технике и в лабораторной практике. Он создает небольшие разрежения.

Ротационный масляныйнасос (рис. 30б) широко используется в вакуумной технике. Он обладает большой производительностью и дает разрежение до 10^-1Па(10^-3мм рт. ст.). В металлическом полом корпусе эксцентрично, касаясь одной из стенок корпуса, вращается ротор – металлический цилиндр с прорезью. В прорезь вставлены лопатки, разжимаемые пружиной. При вращении ротора лопатки, то утапливаясь, то выходя из прорези, все время скользят внешними краями по стенкам полости, увлекая воздух из входного патрубка в выходной. Все устройство залито маслом, которое, с одной стороны, обеспечивает смазку, с другой — уплотнение между деталями.

В лаборатории молекулярной физики используется вакуумный ротационный насос с электроприводом НВЭ. Разряжение, создаваемое этим насосом – 13.3 МПа(0.1мм рт.ст.), сжатие – 0.3 МПа.

На три порядка большее разрежение может дать диффузионныйнасос (масляный или ртутный). Диффузионный масляный насос (паромасляный, рис. 30в) представляет собой вертикальный цилиндр с входным и выходным патрубками, на дно которого налито масло. Нагреватель, расположенный под дном насоса, доводит масло до кипения. Пары масла поднимаются вверх по трубопроводу, но, наталкиваясь на отражатель в виде грибка, устремляются вбок и вниз к стенкам, охлаждаемым водой или потоком воздуха, где конденсируются. Масло стекает вниз. Молекулы газа, находящегося в верхней части насоса, диффундируют в струю пара между грибком и стенкой и увлекаются этой струёй вниз, а после конденсации масла выбрасываются в выходной патрубок. Диффузионный насос может работать только после того, как создано предварительное разрежение до 1Па(10^-2мм рт. ст.), в противном случае масло будет гореть, окисляясь кислородом воздуха.

Рис. 31. Вакуумная уста­новка: 1 – колпак, 2 – тарелка, 3 – манометр, 4 – обходной канал, 5 – кран для напуска воздуха, 6 – форвакуумный насос, 7 – выхлоп, 8 и 10 – трехходовые краны, 9 – высоковакуумный насос, 11 – испаритель металла или другие вспомогательные устройства.

Вакуумная установка обычно имеет два насоса: предварительного разрежения (форвакуумный) и высоковакуумный насосы. В роли форвакуумных обычно используют ротационный, а в качестве высоковакуумного (второй ступени) — диффузионный.

На рисунке 31 дана схема двухступенчатой вакуумной установки. Порядок ее включения строго определен: сначала запускается форвакуумный насос, откачивающий воздух из всей установки, и только при достижении необходимого предварительного разрежения включается вторая ступень. При необходимости напуска воздуха на время замены деталей под колпаком трехходовыми кранами отключают высоковакуумный насос, производят напуск атмосферы и новую предварительную откачку, пользуясь обходным каналом.