Механический насос

Многие процессы и явления стали известны нам в основном потому, что они были исследованы в вакууме,— а для этого вакуум надо было создать. С другой стороны, многие устройства, создающие и измеряющие вакуум, возникли благодаря изучению явлений, происходящих в вакууме.

Цель вакуумной техники — получить и поддерживать вакуум в каком-то объеме. Устройства, применяющиеся для создания вакуума, т. е. удаления молекул газа из объемов, называются вакуумными насосами. Насосы характеризуются скоростью откачки . молекул газа и предельно достижимым вакуумом. Но почему нельзя получить абсолютный вакуум, полную пустоту? Существуют две причины.

Предположим, что у нас имеется сосуд, наполненный газом с концентрацией молекул им"³, к которому присоединен насос со скоростью откачки 17 = 0,1 м³/с (рис. 2). Тогда за первую секунду насос удалит из сосуда 0,1 и молекул, а в сосуде

останется 0,9и молекул газа, которые после удаления первой порции (за первую секунду) распределятся равномерно по всему объему, т. е. к концу первой секунды концентрация газа в сосуде стала 0$п м^-3. Следовательно, за вторую секунду (при той же скорости откачки 0,1 м³/с) насос удаляет не 0,In молекул, а 0,1 х 0,9 и = 0,09и молекул газа из сосуда и т. д. Таким образом, насос будет «честно» откачивать по 0,1 м³ газа в каждую секунду, но «цена» этих 0,1 м³ будет различна — каждый следующий откачиваемый объем газа будет содержать все меньше и меньше молекул.

Существует еще одна, причем более серьезная, причина того, чтобы абсолютный вакуум был практически недостижим. У всех насосов есть так называемый «обратный поток». Как будто ковш объемом U м³, которым мы один раз в секунду черпаем из нашего сосуда, вносится туда не совсем пустым. Например, можно считать, что обратно в сосуд вносятся молекулы, выделяющиеся со стенок самого насоса. При открывании ковша принесенные в нем молекулы тут же вылетают в объем и смешиваются с теми, которые там уже есть. Уменьшение концентрации молекул в сосуде прекратится тогда, когда количество приносимых и уносимых молекул будет одинаково^?

Кроме этого, у вакуумных насосов есть, как и у любого предмета, масса, габариты, стоимость и надежность, а для работы им необходимы, как и многим приборам, вода, электроэнергия, сжиженные газы, масла и т. п. В тех случаях, когда требования к основным («рабочим») характеристикам не слишком высоки, габариты или энергопотребление оказываются решающими факторами.

Все насосы можно разделить на две группы: насосы, удаляющие молекулы газа из объема наружу, и насосы, осаждающие эти молекулы на свои стенки.

Рассмотрим насосы, удаляющие молекулы газа из объема. При работе этого насоса учитывается такое важное свойство молекул газа, как их свободное хаотическое движение и способность заполнять весь предоставляемый им объем. Пусть имеется какое-то количество газа. Независимо от того, в какой объем (сосуд) мы их «заталкиваем», молекулы газа распределяются равномерно по всему объему данного сосуда. Поэтому одно и то же количество молекул газа можно разместить в разных объемах, но при этом концентрации будут разные — чем больше объем, тем меньше концентрация, тем газ становится разреженнее. Именно таким путем был получен разреженный газ Ктесибием еще в I веке до н. э. (рис. 3).

Но нельзя же увеличивать объем до бесконечности, чтобы все больше и больше разрежать газ, т. е. получать все более и более высокий вакуум. Можно, скажем, с помощью каких-то механизмов — клапанов или затворов — периодически откры

вать и закрывать сосуд, предоставляя газу возможность выходить из сосуда, а новым порциям газа перекрывать доступ снаружи в сосуд, т. е. сделать процесс расширения газа периодическим. Это и было сделано в так называемом механическом насосе (рис. 4).

Устроен и работает этот насос так. Лопатки 1 и 2 пружиной 7, проходящей через ротор 8, прижаты к стенкам корпуса 9, трение происходит, конечно, не «всухую», все поверхности смазаны маслом. Когда лопатка 1 идет вниз, откачиваемый объем расширяется и дополнительное место 3 заполняется молекулами газа. Потом лопатка 2 отсечет расширенную часть, а захваченная между лопатками порция газа 4 будет транспортироваться к выходу, где она вытеснится наружу 5.

Существует несколько конструкций механических насосов, например пластины могут располагаться не на роторе (подвижной части), а на корпусе. Что же до объема 6, то лопатка отсекает его от выпускного отверстия и перегоняет содержащийся в нем газ — увы! — обратно в объем, из которого он откачивается. Это и есть «обратный поток» газа из насоса в откачиваемый объем.