Конструктивные элементы крионасосов

Конструкции криопанелей. Для криопанелей обычно выбираются материалы с хорошей теплопроводностью: медь, алюминий, реже — тонкостенная нержавеющая сталь. Соединение криопанели с другими элементами осуществляют либо мягкими припоями (в непрогреваемых системах),vлибо сваркой или пайкой серебряными припоями (в прогреваемых системах).

Криопанели в зависимости от конкретных условий имеют следующие типовые конструктивные формы: в виде бачка, змеевика и плоскости. Криопанель в виде бачка применяется в заливных насосах и используется, как правило, при конструировании малых крионасосов. В этом случае для охлаждения криопанели используется только теплота испарения криожидкости.

Температура криопанели (стенок заливного бачка, изготовленного из меди) практически не зависит от уровня хладоагента и остается равной его температуре испарения даже при малом количестве криожидкости. Это исключает применение специального устройства для поддержания уровня жидкого хладоагента. При изготовлении бачка из нержавеющей стали был обнаружен заметный перепад температур при малом количестве жидкости, что приводило к существенному снижению быстроты откачки [3-14]. Недостаток насоса заливного типа состоит в том, что он может располагаться только в вертикальном положении.

Для увеличения площади к криопанели с хорошим тепловым контактом присоединяют дополнительные поверхности. Для снижения теплотоков к криопанели трубки подвеса (по ним также и заливается криожидкость) делаются из материалов с низкой теплопроводностью.

При этом используют тепловую развязку, как показано на рис. 2-3. Из соображений прочности заливным криопанелям придают форму шара, цилиндра, тора, а иногда используется чечевицеобразная форма.

Криопанели змеевикового типа охлаждаются проходящим по ним как сжиженным, так и парообразным хладоагентом. Змеевиковые криопанели применяются чаще в насосах большой производительности и охлаждаются от дроссельных рефрижераторных холодильных установок. Недостаток змеевиковых криопанелей состоит в том, чтоуиих имеется перепад температур на входе и выходе хладоагента. Змеевик криопанели обычно фиксируется в корпусе насоса с помощью проволочных растяжек с малой теплопроводностью, как показано на рис. 2-4.

насосов, работающих в высоком вакууме, когда рост криоосадка незначителен и мало влияет на изменение степени черноты, поверхность криопанели целесообразно полировать с целью снижения расхода хладоагентов.

При работе насоса в низком и среднем вакууме, когда имеет место интенсивный рост криоосадка, полировка поверхности криопанели не имеет практического смысла.

Эффективность криоконденсации можно повысить приданием ей ребристой (рис. 2-7,а) [2-5] или ячеистой

(рис. 2-6,6) формы [2-6]. Гладкая холодная поверхность обладает минимальным коэффициентом захвата, так как все нескоденсировавшиеся при первом соударении молекулы возвращаются в откачиваемое пространство. Если конструкция криопанели такова, что отскочившие при первом соударении с холодной поверхностью молекулы снова попадают на нее, то вероятность захвата молекул возрастает и повышается эффективность криопанели. Это наглядно видно из рис. 2-7,а- В табл. 2-2 приведены результаты экспериментального определения эффективности ячеистой криопанели по сравнению с гладкой. Размер ячеек 50×50 мм, глубина 100 мм, площадь криопанели 900 см².

За температуру криопанели взято среднее значение между температурами змеевика на входе в криопанель и выходе из нее.

Недостаток ячеистых и ребристых криопанелей состоит в том, что они имеют большую массу, а это приводит к повышенному расходу хладоагента, а также к увеличению времени предварительного охлаждения насосов.

Иногда в высоковакуумных эффективности откачки на поверхности криопанели наносят тонкую окисную пленку. Например, на алюминий наносится пленка методом анодного оксидирования, состоящая из двух слоев: прилегающего к металлу тонкого плотного слоя толщиной 0,01—0,1 мк и внешнего пористого слоя. Второй слой пронизан большим количеством капиллярных каналов, число которых растет при приближении к внешней поверхности пленки и общий объем которых может достигать почти половины объема пленки. Окисные пленки на алюминии отличаются высокой прочностью связи с основным металлом и жароустойчивостью [2-7].

В [2-7] приведены результаты измерений сорбции на окисной пленке толщиной 20 и 100 мкм при охлаждении криопанели жидким азотом и гелием (рис. 2-8). Из графика видно, что увеличение толщины окисной пленки в 5 раз приводит к увеличению сорбционной емкости в 10—20 раз.

Результаты измерения сорбции гелия при температуре криопанели, равной 4,2 К, показывают возможность достижения равновесного давления порядка 10^-11 Па.

При этом 1 см³ пленки поглощается 10~³ см³ газа при нормальных условиях. Следует отметить, что в данном случае с увеличением толщины окисной пленки в 5 раз (с 20 мкм до 100 mikm) емкость ее возрастает

где 5_Т — теоретическое значение максимально возможной быстроты откачки на единицу площади отверстия.

Оптимизация конструкции крионасоса состоит в том, чтобы обеспечить минимальное значение v и максимальное значение с_и. Наиболее типичные конфигурации экранов и^ч их расположение показаны на рис. 2-9. Такое расположение экранов предотвращает проникновение излучения па криопанель [2-8]. Для этих конфигураций экранов в табл. 2-3 приведены значения вероятности пролета молекул через них и коэффициента передаваемой мощности излучения на криопанель [2-9].

Представленные на рис. 2-9 конструктивные схемы экранов расположены параллельно оси корпуса насоса, однако они могут быть расположены и радиально. Экраны этих типов применяются при

любом направлении газовых и тепловых потоков, существующих в камерах (корпусе) насоса.

В случае, когда газовые и тепловые потоки в цилиндрическом корпусе имеют только радиальное направление в сторону стенок, целесообразно применять радиально-плоские криопанели с фигурными экранами, изображенными на рис. 2-10 [2-10].

Для экранирования криопанелей от находящегося в центре камеры источника теплового излучения перед каждой криопанелью устанавливается узкий тепловой экран треугольной формы, охлаждаемый жидким азотом. Ширина этого экрана приблизительно в 3,5 раза меньше расстояния между соседними криопанелями. Эти экраны изготавливаются в виде равностороннего треугольника, как показано на рис. 2-10. Охлаждаемые жидким азотом поверхности экранируют криопанели от теплового излучения, исходящего от стенок вакуумной камеры. После соударения с наклонными поверхностями экранов молекулы отражаются от них и попадают на криопанель.