Руководство по выбору масел для насосов третьего класса в системах высокого вакуума 

В ходе повседневной эксплуатации и технического обслуживания систем высокого вакуума одна проблема, которую легко упустить из виду, зачастую приводит к серьезным поломкам оборудования: заправка насоса несоответствующим маслом. В диффузионный насос заливают масло для механических насосов, в подкачивающий насос — масло для диффузионных насосов, а некоторые даже используют одну и ту же канистру масла для всех трёх ступеней насоса. В результате в лучшем случае вакуумный уровень длительно не достигает требуемого значения, а в худшем — внутри корпуса насоса образуется нагар, приводящий к его выходу из строя, и вся система вынуждена останавливаться на ремонт. Система высокого вакуума не работает на основе отдельного насоса, а представляет собой цепочку откачки, состоящую из последовательно соединенных механического насоса предварительного вакуума, насоса повышения давления и диффузионного насоса, причем к физико-химическим свойствам рабочей жидкости в каждом сегменте предъявляются совершенно разные требования. Неправильный выбор масла обходится гораздо дороже, чем можно себе представить. В данной статье будут поочередно рассмотрены ключевые моменты выбора масла для этих трех типов насосов.

I. Трехступенчатая цепочка откачки в системе высокого вакуума и распределение функций между насосами и маслом
Типичная система высокого вакуума состоит из трёх ступеней, соединенных последовательно. Первая ступень — механический насос предварительного вакуума (лопастной или золотниковый насос), отвечающий за создание грубого вакуума в диапазоне от атмосферного давления до 10⁻¹–10⁻² Па. На этой ступени наблюдается большой перепад давлений и интенсивное трение, поэтому основными задачами насосного масла являются герметизация, смазка и охлаждение. Обычно используется минеральное масло (ISO VG 68–100), которое должно обладать умеренной вязкостью, хорошей устойчивостью к эмульгированию и температурой вспышки выше 160 °C.
Второй каскад представляет собой насос повышения давления (масляный насос Ротца или диффузионный насос), работающий в диапазоне 10⁻¹–10⁻² Па и выполняющий связующую функцию, обеспечивая плавный переход давления между механическим насосом и диффузионным насосом. В качестве рабочей жидкости для масляных насосов повышения давления чаще всего используются минеральные масла или синтетические углеводороды, которые должны иметь более низкое давление насыщенных паров по сравнению с маслом для механических насосов и лучшую термостабильность, но при этом не соответствуют стандартам, предъявляемым к маслам для диффузионных насосов.
Третья ступень — диффузионный насос, работающий в диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума от 10⁻¹ до 10⁻⁷ Па и даже ниже, который использует высокоскоростную струю пара, образующуюся при нагревании рабочей жидкости до высоких температур, для улавливания молекул газа. Рабочая температура масла для диффузионных насосов достигает 200–250 °C, поэтому оно должно обладать чрезвычайно низким давлением насыщенных паров (<10⁻⁶ Па) и превосходной термоокислительной стабильностью. Минеральные масла при таких температурах быстро разлагаются, давление паров резко возрастает, что приводит к немедленной потере предельного вакуума. Поэтому для диффузионных насосов необходимо использовать специальные силиконовые масла или продукты на основе полифенолефира.

II. Сравнение масел для насосов двух и трех классов и основные параметры
Основная логика выбора: сначала определяется тип насоса и целевой уровень вакуума, а затем подбирается масло по трем критериям: давление насыщенных паров, термическая стабильность и вязкость.
В таблице ниже приведено сравнение ключевых параметров масел для насосов трех классов:

III. Силиконовое масло для диффузионных насосов: как выбрать между BTH-704 и BTH-705
Для диффузионных насосов компания BTH предлагает два вида силиконового масла, специально предназначенных для диффузионных насосов:
1. BTH-704 (тетраметилтетрафенилтрисилоксан): давление насыщенных паров при 25 °C ≤ 2×10⁻⁸ торр, вязкость 38±3 сст, температура вспышки ≥ 210 °C, предельный вакуум достигает 10⁻⁷~10⁻⁸ торр; подходит для стандартного нанесения покрытий в условиях высокого вакуума, вакуумной металлургии, нанесения оптических покрытий и т. д.
2. BTH-705 (пентифенилтриметилтрисилоксан): давление насыщенных паров ≤ 3×10⁻¹⁰ торр, вязкость 170–175 сст, температура вспышки ≥ 243 °C, предельный вакуум достигает 10⁻⁹–10⁻¹⁰ торр; предназначен для применения в условиях сверхвысокого вакуума, например, в масс-спектрометрах, ускорителях и полупроводниковых технологиях.
3. Логика выбора очевидна: для целевого уровня вакуума порядка 10⁻⁷ торр следует выбирать BTH-704, а для достижения уровня 10⁻⁹ торр и выше — BTH-705. Химическая структура обоих продуктов полностью соответствует DC 704/705, а их эксплуатационные характеристики совпадают.

IV. Распространенные случаи неправильного использования и правильная конфигурация
Согласно данным отрасли эксплуатации и технического обслуживания вакуумного оборудования, неправильный выбор масла для насосов является основной причиной отказов диффузионных насосов, на долю которой приходится более 40 %. Типичный пример аварии: на одном из заводов по вакуумному напылению по ошибке залили минеральное масло для механических насосов в диффузионный насос. После нагрева до 200 °C минеральное масло подверглось крекингу, в результате чего образовалось большое количество легких фракций с высоким давлением паров. Предельный вакуум снизился с 10⁻⁶ Па до 10⁻² Па, на внутренних стенках насоса образовался сильный нагар, в результате чего пришлось демонтировать и очистить весь диффузионный насос, а простои составили более двух недель.
Еще одной распространенной ошибкой является добавление силиконового масла, предназначенного для диффузионных насосов, в механический насос — вязкость силиконового масла значительно превышает диапазон VG68–100, характерный для масла механических насосов, что приводит к ухудшению герметичности лопастных уплотнений, снижению скорости откачки, а в тяжелых случаях — к заклиниванию корпуса насоса.
Правильная схема конфигурации системы высокого вакуума: в механическом насосе предварительной ступени используется минеральное вакуумное масло VG100, в секции наддувочного насоса — синтетическое углеводородное масло с низким давлением паров, а в секции диффузионного насоса в зависимости от требуемого уровня вакуума выбирается BTH-704 (уровень 10⁻⁷ торр) или BTH-705 (уровень 10⁻⁹ торр). Масла для этих трех секций ни в коем случае не следует смешивать, а при замене масла необходимо тщательно промывать камеру насоса.