Адсорбционный насос

Адсорбционный насос – вакуумный насос, в основе действия которого лежит явление адсорбции, т. е. откачиваемый газ адсорбируется на поверхности различных газопоглощающих веществ, например цеолита или геттера. Принцип действия адсорбционных насосов основан на способности предварительно лишенных газа твердых пористых тел поглощать газы и пары в основном за счет физической адсорбции.

Адсорбционные насосы нашли применение в системах безмасляной откачки как для создания предварительного разрежения, так и для получения и поддержания весьма низкого давления в высоковакуумных сосудах. В качестве поглощающих материалов (адсорбентов) могут применяться силикагели, алюмогели, цеолиты и активированные угли. Однако наибольшее распространение в качестве адсорбента получили цеолиты, представляющие собой алюмосиликаты щелочного или щелочно-земельного металла, природного или искусственного происхождения.

Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства они приобретают после прокаливания; при этом кристаллическая решетка не разрушается, но после удаления кристаллизационной воды в цеолитах получаются равномерные по размерам тонкие поры. В поры могут проникать только те газы, диаметр молекул которых меньше размера пор, т. е. цеолиты обладают избирательным поглощением газов, это дало повод называть их молекулярными ситами. Например, цеолит марки СаА обладает порами с диаметром 0,5 нм, цеолит марки NaX – 0,9 нм. Напомним, что диаметры молекул основных атмосферных газов О2, N2, СО2 близки к 0,3 нм. Многочисленные поры образуют большую удельную поверхность. Так, у цеолита СаА поры имеют удельную поверхность, достигающую 600 м2/г.

Недостатком цеолитов, как, впрочем, и других адсорбентов, является то, что они плохо поглощают инертные газы, в частности аргон, содержание которого в воздухе достигает 1%, а также практически полная их неэффективность по отношению к газам с очень низкой точкой кипения (Н2, Не, Ne). С увеличением количества поглощенного газа при неизменной температуре адсорбента возрастает равновесное давление откачиваемого газа. Вместе с тем при одном и том же количестве поглощенного газа равновесное давление над поверхностью адсорбента тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому в вакуумных адсорбционных насосах адсорбент обычно охлаждается жидким азотом и, реже, жидким водородом или гелием. В цилиндрический корпус, изготовленный из нержавеющей стали, вставлена перфорированная трубка. Кольцевое пространство между трубкой и корпусом заполнено адсорбентом. Для охлаждения адсорбента на насос снизу надевается сосуд Дьюара, в который заливают жидкий азот. После окончания откачки кран на входе насоса закрывается, сосуд Дьюара снимают, и насос отогревается до комнатной температуры. При этом вследствие обратного выделения газа из адсорбента давление в объеме насоса может превысить атмосферное. В связи с этим в верхней части насоса предусмотрен клапан (пробка), предохраняющий насос от разрушения при выделении газа из адсорбента. Такого отогрева с выпуском выделяющихся газов в атмосферу достаточно, чтобы насос был готов к следующему циклу откачки. Предельное остаточное давление адсорбционного насоса определяется адсорбционной емкостью адсорбента и зависит от количества поглощенного насосом газа. С целью получения низких предельных остаточных давлений рекомендуется осуществлять предварительную откачку сосуда до давления 104 Па водоструйным или механическим вакуумным насосом. Иногда в качестве насоса для форвакуумной откачки используют другой адсорбционный насос.

Основным достоинством адсорбционных насосов является полное отсутствие органических загрязнений откачиваемого сосуда.

Недостатки насосов – необходимость использования жидкого азота, периодическая регенерация и довольно значительное время охлаждения насоса.