Элементы расчета крионасосов

Быстрота откачки насоса. Быстрота откачки является одной из важнейших характеристик крионасоса. Обычно быстроту откачки S выражают графически или аналитически в функции давления Р, т. е.

где f_D3 — эффективная площадь криопанели, см².

Определение эффективной площади криопанели иногда затруднительно, особенно когда насос работает в условиях быстрого роста конденсата или когда криопанель имеет неравномерное распределение температуры по поверхности.

Процессы криооткачки, как уже отмечалось, могут протекать в различных условиях, поэтому коэффициенты захвата должны выбираться в зависимости от конкретных условий.

Имеющиеся в литературе данные о значениях коэффициента захвата часто имеют расхождения, что, очевидно, вызвано погрешностями при измерениях, а также тем, что условия опытов были различными. Из многих литературных источников автором собраны и проанализированы числовые значения коэффициента захвата для наиболее часто встречающихся в практике случаев. При инженерных расчетах можно пользоваться значениями коэффициентов захвата, приведенными в табл. 1-8.

Быстрота откачки насоса S_H зависит от общей проводимости соединительных коммуникаций и теплозащитного экрана t/₀ и может быть выражена соотношением

Общая проводимость (7₀ должна рассчитываться для каждой конкретной конструктивной схемы крионасоса с помощью соотношений, приведенных в [2-2, 3-1].

Следует обратить внимание на следующее обстоятельство. Обычно предполагается, что при достижении предельного вакуума эффективная быстрота откачки вакуумного насоса снижается до нуля. Однако для крионасоса это не всегда справедливо. Представим уравнение (1-48) в виде

Так, например, поток воздуха (т_г = 48-10~²⁴ г) при Т_г=293 К будет примерно равен 20 л/(с-см²). В молекулярном же режиме теоретическая быстрота откачки составляет 11,6 л/(с-см²).

При числах Кнудсена менее 0,01 происходит понижение быстроты откачки насоса, что можно объяснить значительным повышением температуры криопанели за счет увеличения тепловых нагрузок в области низкого вакуума. На рис. 3-1 представлены результаты изменения быстроты откачки в широком диапазоне давлений СО₂ на криопанели с температурой 77 К.

Предельное давление крионасоса. Статика криоконденсации, т. е. равновесие между твердой и газовой фазами,, определяет по существу предельное давление, создаваемое насосом. Равновесие между фазами определяется термодинамическими свойствами газа, а также температурой криолчанели. Оно является границей существования процесса криооткачки, который происходит только до тех пор, пока парциальное давление газов выше-равновесного давления их над криопанелью.

Предельным давлением называется наименьшее остаточное давление, которое может быть достигнуто насосом в определенных условиях.

Величина предельного давления имеет значение для высоковакуумных крионасосов, которые часто используются либо для работы в области высокого вакуума, либо специально для создания наиболее низкого остаточного давления в системе, не имеющей больших газовыделе-ний. Для крионасосов, работающих в области среднего и низкого вакуума, величина предельного давления не имеет определяющего значения, так как они предназначены для удаления больших количеств газа из откачиваемых систем.

При определении предельного давления насоса необходимо иметь в виду, что в насосе соблюдается статическое равновесие. Объем насоса делится теплозащитным экраном как бы на две части с разным температурным режимом, подобно тому как рассматривается истечение газа в вакуум через диафрагму.

Предельное давление насоса, т. е. давление Pi во входной полости насоса (рис. 2-1), будет несколько выше давления Р₂ и с учетом эффекта Кнудсена может быть приблизительно определено по уравнению или с учетом соотношения (1-29)

Эти зависимости справедливы для однокомпонентной газовой среды.

В случае откачки многокомпонентной газовой среды в уравнении (3-9) следует учитывать присутствие некон-денсирующихся газов.

Из табл. 3-1, в которой приведено содержание отдельных газов в воздухе в объемных процентах и их парциальное давление, видно, что в воздухе содержатся не-конденсируемые при температуре 20 К газы: неон, гелий, водород.

Их парциальное давление, составляющее 2,4 Па, будет определять предельное давление водородного крионасоса в том случае, если он будет откачивать рабочий объем от атмосферного давления.

Для того чтобы снизить парциальное давление некон-денсируемых газов, рабочий объем предварительно откачивают каким-либо вспомогательным насосом до области среднего вакуума и ниже. Поскольку общее давление при этом снижается на несколько порядков, то в таком же соотношении снижается и парциальное давление не-конденсируемых газов. В результате с помощью крионасоса, охлаждаемого до ^=20,4 К, удается получать и длительно поддерживать предельное давление около 10-⁷ Па.

При использовании жидкого гелия для охлаждения криопанели (7’_п=4,2 К) принципиально возможно получение давления, равного 10^-9 Па.

Таблица 3-1

Состав воздуха

Газ	Содержание газа в воздухе, %	Парциальное давление газа, Па
Азот	78,09	7,9-104
Кислород	20,95	2,1*104
Аргон	0,93	9,4-102
Криптон	1,1-10-4	1,1*10-1
Неон	18-10-4	1,83
Г елий	5,3-10-4	5,4-10-1
Водород	0,5-10-4	5,1*10-2
НеконденСируемые газы (суммарно при 20 К)	2,38-10-з	2,42

В [3-3, 3-4] рассматривается вопрос о получении очень высокого предельного вакуума с помощью абсолютного криоконденсационного насоса, т. е. внутри вакуумной камеры, погруженной в жидкий гелий.

Откачивая пары над жидким гелием в конденсационном насосе, можно понизить температуру конденсирующей поверхности настолько, что равновесная упругость пара всех веществ, исключая гелий, станет очень малой. В установке с таким конденсационным насосом в принципе можно получить очень высокий вакуум, если нет выделения или натекания газообразного гелия. При этом температура конденсирующей поверхности должна быть настолько низкой, чтобы упругость насыщенного пара не только наиболее распространенного изотопа Не³ была очень малой.

В табл. 3-2 приведены значения упругости насыщенного пара изотопов гелия, рассчитанные по экстраполяционным формулам.

Измерения предельного давления показали, что оно строго соответствовало упругости насыщенных паров от-

конденсационного насоса предельное давление, соответствующее упругости паров при наинизшей температуре поверхности, не будет достигнуто, пока весь газ не пере-конденсируется с участков, находящихся при повышенной температуре. Это время переконденсации может быть весьма длительным, особенно при достижении давлений, меньших 10^-8 Па [3-5].

Аналитическая оценка эффекта переконденсации в реальных насосах довольно затруднена, так как в насосах имеются поверхности, температура которых плавно меняется от температуры криопанели до комнатной. Кроме того, при откачке многокомпонентной среды существенное значение может иметь криосорбция.

Вспомогательные откачные средства. Криоконденса-ционные насосы, как и все насосы поверхностного действия, характеризуются резкой селективностью по откачке различных газов. Поэтому вакуумные системы с использованием этих насосов требуют вспомогательных средств откачки.

Вспомогательная откачка системы для крионасосов в общем случае выполняет следующие функции: предварительную откачку объемов с целью удаления основной массы газа; создание условий для преодоления параметров тройной откачки; уменьшение парциального давления неконденсирующихся газов при получении высокого предельного вакуума; огкачку неконденсирующихся составляющих.

Для обеспечения заданного времени предварительной откачки при проектировании откачных систем с криона-оосом исходным моментом выбора быстроты откачки вспомогательной системы служит известное уравнение газового баланса при откачке замкнутого объема. Так как предварительная откачка крионасоса производится до давления 10~³—1 Па, то можно допустить отсутствие натеканий и газовыделений в системе. Тогда где V — откачиваемый объем; S_B— быстрота откачки вспомогательного насоса; С7_В— пропускная способность коммуникаций вспомогательной системы.

При коротком трубопроводе большого диаметра (1/_в^>5_в) величиной 1/U_B в уравнении (3-11) можно пре-

где Pi —начальное давление, Па; Р₂— конечное давление, Па; S’_B— средняя быстрота откачки вспомогательного насоса в интервале давлений между Pi и Р₂.

На практике формулой (3-12) можно пользоваться при всех режимах течений газа, когда пропускная спо-* собность коммуникаций превышает в 5—10 раз быстроту откачки насоса.

В случае, когда коммуникация имеет малую пропускную способность (1/_в<с5_в), значением 1/S_B в уравнении (3-12) можно пренебречь. Тогда

Например, при атмосферном давлении парциальное давление неконденсирующихся газов при 20 К (табл. 3-1) составляет 2,42 Па. Это давление и установится в полости абсолютного криоконденсационного насоса при температуре его стенок (криопанели), равной 20 К. При температуре же криопанели, равной 4 К, практически не конденсируется только гелий и давление (табл. 3-1) будет равно 5,4-Ю^-1 Па.

Если провести предварительную откачку объема неселективными средствами откачки до некоторого давления, то в той же мере понизится парциальное давление неконденсирующихся газов и будет обеспечено получение низких предельных давлений. Например, при пред-

Решить уравнение (3-21) можно после установления экспериментальным путем g_H, £к и в зависимости от концентрации неконденсирующихся газов, геометрии криопанелей, мощности вспомогательного насоса, места его расположения в системе и других факторов.

На рис. 3-2 приведены результаты экспериментов по определению влияния концентрации неконденсирующихся газов на скорость конденсации. В качестве рабочих смесей использовались СО₂— 0,34% N₂ (кривая /) и СО₂—0,7% N2 (кривая 2), криопанель охлаждалась жидким азотом.

Увеличение содержания неконденсирующегося газа в откачиваемой смеси g_H при неизменной быстроте откачки вспомогательного насоса приводит к снижению быстроты откачки крионасоса. Причем влияние примесей сказывается сильнее при больших давлениях, т. е. при приближении к переходному режиму. Давления, при которых наступает максимум быстроты откачки, также зависят от содержания азота в углекислоте, что можно объяснить с помощью формулы (3-21). Увеличение приводит соответственно к росту числа молекул, отражающихся от криопанели при их первом соударении.

В переходном режиме происходят молекулярные столкновения набегающего потока с отраженным от криопанели, в результате которых возрастает доля молекул конденсируемого компонента, откачиваемая вспомогательным насосом.

Наиболее часто встречающимся неконденсируемым компонентом, подлежащим откачке, кроме инертных газов, является водород, поэтому вспомогательные насосы должны обладать высокой эффективностью по водороду.

Комбинированные системы с крионасосами строятся с использованием как паромасляных насосов, так и без-масляных средств откачки (геттерных, геттерно-ионных и турбомолекулярных). Как правило, предварительная откачка и тренировка системы осуществляются с помощью вспомогательных средств откачки.

При использовании паромасляных насосов существует опасность загрязненности откачиваемого объема парами масла. Паромасляные насосы обычно экранируются азотоохлаждаемыми ловушками [3-7, 3-8].

В случае, когда вакуумно-технологический процесс сопровождается выделением больших количеств водорода, целесообразно применять титановые сублимационные насосы Эти насосы не откачивают инертные газы и поэтому их следует применять там, где откачка этих газов не является обязательной.

Более универсальной безмасляной вспомогательной системой является система с магниторазрядным насосом. Результаты исследования такой системы приведены в [2-21].

Схема экспериментальной установки показана на рис. 3-3. К впускному отверстию комбинированной откачной системы, состоящей из крионасоса 2 и магниторазрядного насоса 1, присоединен коллектор, снабженный патрубками, в которых помещены датчики давления 5 и 6. Кроме того, к коллектору 10 присоединены датчик парциального давления 11 и игольчатый натекатель 7. Давление у впускного отверстия комбинированной системы измеряется датчиком 3, установленным в патрубке на уровне шевронного антирадиационного экрана. Для выравнивания интенсивности потока газа по сечению на входе коллектора 10 и у впускного отверстия системы установлены сетчатые рассеиватели 9 и 12. Предварительная откачка вакуумной системы до давления, равного 1 —10”¹ Па, осуществляется механическим насосом через охлаждаемую жидким азотом ловушку 18. Все датчики давления — открытого типа.

Для обезгаживания экспериментальной установки прогревом применялись внешние электронагреватели. Подготовка установки к работе проводилась в следующем порядке: после предварительной откачки и обезгаживания системы в течение 5—6 ч включался магниторазрядный насос; через 1—2 ч, когда давление в системе уменьшалось до 10^-5 Па, начиналось предварительное охлаждение низкотемпературного блока крионасоса; к концу периода предварительного охлаждения, продол-

жающегося 20—25 ч, давление в системе достигало величины порядка 10~⁶ Па, затем включался в работу водородный рефрижератор крионасоса, и через 2,5—3 ч давление в системе уменьшалось до 10~⁷ Па.

Результаты измерения быстроты откачки комбинированной системы представлены на рис. 3-4. Быстрота откачки комбинации насосов по какому-либо газу складывается из быстрот откачки отдельных насосов. Если учитывать, что быстрота откачки насоса НОРД-100 по азоту приблизительно равна 100 л/с, то быстрота откачки крионасоса по азоту — 870 л/с.

Как видно из экспериментальных данных, комбинированная система с высокой быстротой откачивает не только азот и воздух, но и аргон, который хорошо конденсируется при температуре криопанели, равной 20 К. В связи с этим следует отметить, что в диапазоне давлений 10~⁵—10~⁴ Па измеренная быстрота откачки насоса НОРД-100 по аргону составила 8 л/с, что почти на два порядка меньше быстроты откачки комбинированной системы по этому газу.