Требования к маслу для диффузионных насосов 

Свойства масла для диффузионных насосов оказывают особенно большое влияние на вакуумные характеристики насоса, поэтому основные требования к маслу для диффузионных насосов следующие:

1) Масло должно иметь высокую молекулярную массу;

2) Для снижения предельного давления насоса необходимо, чтобы давление насыщенных паров масла при комнатной температуре было низким;

3) Чтобы насос мог работать при высоком давлении на выходе, давление насыщенных паров масла при температуре кипения должно быть как можно выше;

4) Масло должно обладать хорошей термической стабильностью (не подвергаться разложению при высоких температурах) и антиокислительными свойствами (не изменять свои характеристики при контакте с атмосферой в результате окисления); точка застывания и вязкость при низких температурах должны быть низкими;

Кроме того, масло должно быть нетоксичным, коррозионно-стойким и недорогим.

Влияние насосного масла на предельное давление

Тип и состав насосного масла оказывают значительное влияние на предельное давление насоса. В диффузионных насосах одинаковой конструкции при использовании диффузионного масла № 3 предельное давление может достигать лишь 10⁻⁵ Па, тогда как при переходе на силиконовое масло № 275 предельное давление может достигать 10⁻⁷ Па, то есть снижается на два порядка.

Парциальное давление откачиваемого газа в вакуумной системе также изменяется в зависимости от типа насосного масла, что обусловлено влиянием его состава. Например, в системах с масляными диффузионными насосами без применения специальных мер трудно добиться достаточно чистого вакуума.

Давление насыщенных паров насосного масла

Для получения высокого вакуума необходимо, чтобы насосное масло имело низкое давление насыщенных паров при комнатной температуре. В то же время требуется, чтобы насос работал при высоком давлении на выходе, поэтому желательно, чтобы масло имело высокое давление насыщенных паров при температуре котла. Следовательно, для работы в диффузионных насосах наиболее подходящее масло должно иметь кривую зависимости давления насыщенных паров от температуры с большим наклоном.

Анализ выбора масла для диффузионных насосов

Идеальная рабочая жидкость для диффузионного насоса должна быть стабильной, иметь низкое давление паров и низкую теплоту испарения, а также быть безопасной при обращении, использовании и утилизации. Кроме того, оно не должно разлагаться, не должно поглощать газы и не должно вступать в реакцию с окружающими веществами. К сожалению, жидкости, отвечающие всем этим требованиям, не существует. Ртуть была первым и единственным жидким элементом, использовавшимся в качестве рабочей жидкости для диффузионных насосов. В настоящее время практически во всех областях применения ртуть была заменена дистиллированными углеродными соединениями и синтетическими рабочими жидкостями. Ртуть обладает высоким давлением паров, и во время работы её необходимо улавливать с помощью холодной ловушки. Кроме того, она токсична. Несмотря на это, поскольку она не разлагается, не растворяет газы и легко идентифицируется по масс-спектру, её по-прежнему используют в некоторых специальных областях, таких как масс-спектрометрия. Прежде чем завершить обсуждение темы использования ртути в качестве рабочей жидкости, следует отметить, что в обычных масляных диффузионных насосах ртуть и масло не являются взаимозаменяемыми. Температура кипения ртути ниже, чем у масла, кроме того, она вступает в реакцию с некоторыми конструкционными материалами масляных диффузионных насосов. Если между холодной ловушкой с жидким азотом и ртутным диффузионным насосом не установить перегородку с температурой выше -40 °C, то после нескольких дней непрерывной работы холодная ловушка с жидким азотом, расположенная над ртутным насосом, полностью истощит запас ртути в котле.

В большинстве диффузионных насосов используются различные фракционированные углеводороды, уксусные кислоты, полисилоксаны или эфиры. В настоящее время доказано, что ни одна из насосных жидкостей не подходит одинаково хорошо для всех применений. Легкие жидкости обладают более высокой скоростью откачки, чем тяжелые, а тяжелые жидкости имеют более низкое давление паров, что необходимо для достижения требуемого низкого предельного давления в условиях высоких требований. Углеводородные масла были первыми органическими насосными жидкостями, заменившими ртуть. Эти насосные жидкости разлагаются при нагревании, что ограничивает достижимое ими предельное давление.

Легкие фракции насосной жидкости возвращаются в вакуумную камеру, а тяжёлые фракции оседают на поверхности насоса. Использование дистилляционного насоса позволяет после конденсации масла обеспечить приоритетное испарение лёгких фракций, которые направляются к нижнему соплу для отсасывания первичным насосом. Поддержание высокой температуры на стенках первой ступени струйного насоса позволяет удалить газ из насосного масла. Благодаря вышеупомянутым и другим усовершенствованиям конструкции, а также использованию тяжелого масла, полученного путем молекулярной дистилляции тщательно отобранных углеводородов, диффузионные насосы могут достигать давления 5×10⁻⁵ Па (без использования холодной ловушки), а при использовании холодной ловушки с жидким азотом — 5×10⁻⁷ Па.

Независимо от того, какая жидкость используется в насосе, диффузионный насос не следует выводить в атмосферу в нагретом состоянии, иначе жидкость рассеется по всей системе, а также постепенно испортится или образует блестящий налет на внутренних поверхностях насоса. Хотя пентафенилэфир благодаря тому, что при столкновении с электронами он полимеризуется, образуя проводящую пленку, а не заряженную и отражающую электроны изолирующую пленку, может использоваться вместо силиконового масла или углеводородного масла в масс-спектрометрических дефектоскопах, анализаторах остаточного газа и электронных микроскопах, однако из-за низкой стоимости силиконового масла 705 оно по-прежнему применяется шире, чем пентафенилэфир. Пентафениловый эфир также применяется в случаях, когда недопустимо загрязнение силиконовым маслом. Для некоторых подобных применений подходит относительно недорогой гидроксидекандикарбонат. Перфторированные эфиры также являются стабильными, обладают низким давлением паров и не образуют изолирующей пленки. Однако, по имеющимся данным, их скорость откачки ниже, чем у пентагидроксифенилэфира. При выборе рабочей жидкости для насосов в условиях строгих требований цена не является основным фактором, поскольку в коммерческих условиях фактически возможна эффективная регенерация и повторное использование.