Конструктивные схемы крионасосов

Насосы заливного типа. Первые выполненные крионасосы были заливного типа, т. е. с охлаждением жидким хладоагентом, заливаемым в сосуд, наружная поверх-

ность которого служила криопанелью. Эти насосы строились по типу криостатов и отличались простотой конструкции и малой стоимостью.

Заливные насосы не требуют подсоединения к электросети, водопроводу или к сети сжатого воздуха, у них нет движущихся деталей. Их можно легко прогревать, что позволяет применять их в высоковакуумных системах. В качестве хладоагентов используются обычно сжиженные газы: азот, водород или гелий. При этом температура криопанели поддерживается соответственно на уровне 77; 20,4 или 4,2 К.

Несмотря на относительно высокую стоимость жидкого гелия, ему отдают предпочтение перед жидким водородом, применение которого связано с опасностью взрыва. Преимуществом жидкого гелия является его низкая точка кипения, однако его весьма малая скрытая теплота парообразования требует эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.

Заливные насосы одной и той же конструкции могут работать при использовании в качестве хладоагентов не только жидкого гелия или жидкого водорода, а и жидкого неона. Расход водорода или неона по сравнению с расходом жидкого гелия в значительной мере уменьшится. Так, например, из-за того, что теплота испарения водорода в 11,6 раза больше, чем теплота испарения гелия, время работы водородного насоса без долива жидкости может быть существенно увеличено.

Так как температура испарения жидкого гелия значительно зависит от давления кипения, в заливных крионасосах можно понизить температуру криопанели до 2,3 К за счет откачки паров гелия.

При этой температуре хорошо откачивается водород, так как его упругость паров составляет менее 10^-10 Па. Однако при этом несколько повысится расход гелия.

Насосы заливного типа имеют недостатки: необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа;

потеря холода с оставшимся в сосуде после окончания работы газом;

большие расходы хладоагентов, необходимые во время запуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от комнатной до рабочих температур;

необходимость установки только в вертикальном положении;

трудность получения и поддержания температуры выше точки кипения хладоагента.

Кроме того, имеют место потери хладоагентов при хранении в сосудах Дьюара, не связанные непосредственно с работой насоса. Эти потери могут быть оценены по характеристикам сосудов Дьюара, приведенным в соответствующих паспортных данных.

Насосы заливного типа используются ‘В основном для лабораторных целей.

На рис. 2-12 показано устройство крионасоса модели 916-0000 фирмы Varian (США), в котором в качестве хладоагента используется жидкий азот, заливаемый через патрубок 4 в торообразный резервуар 1. Наружные поверхности резервуара выполняют роль криопанели. Емкость резервуара 2 дм³, расход жидкого азота 0,5 дм³/ч. Насос подсоединяется к вакуумной системе с помощью фланца 3, снабженного кольцевыми уплотняющими прокладками 2 из эластомера типа витон. При вращении маховичка 5 поднимается и опускается тонкостенное днище 9. Вакуумное уплотнение вращающегося штока осуществляется с помощью сильфона 8. При подъеме днище 9 своей верхней кромкой прижимается к фланцу 7. Этот фланец имеет кольцевую уплотняющую прокладку из эластомера витон для вакуумноплотного соединения днища 9 с фланцем 7. Таким образом, резервуар /, заполненный жидким азотом, перестает сообщаться с откачиваемым объемом, т. е. в этом положении насос не работает. Такое устройство насоса позволяет вскрывать рабочую камеру установки без предварительного размораживания резервуара с жидким азотом, что существенно сокращает производственный цикл и расходы хладоагента. Кроме того, удалять конденсат с охлаждаемой поверхности насоса можно независимо от того, находится ли рабочая камера под вакуумом или сообщается с атмосферой. Байпасная откачка полости закрытого насоса производится через патрубок 6.

При наружном диаметре охлаждаемого резервуара, равном 200 мм, быстрота откачки паров воды крионасоса превышает 9000 л/с. Поскольку пары воды во многих случаях являются одним из основных компонентов откачиваемой среды, то встраивание такого насоса в откачиваемую систему повышает предельный вакуум и существенно сокращает время, необходимое для его получения. Так, например, в напылительной установке со стеклянным колпаком диаметром 450 мм и высотой 750 мм предельное давление 2-10~⁵ Па было достигнуто с помощью магнитного электроразрядного насоса с быстротой откачки 500 л³/с за 100 мин, а при совместном использовании его с крионасосом описанной конструкции за это же время было достигнуто давление 2,6-10~⁶ Па [2-12].

Наиболее типичный заливной насос с охлаждением жидким гелием, описанный в [2-13], представлен на рис. 2-13.

Криопанелью в нем служит сосуд 2, заполняемый жидким гелием, находящимся при температуре, равной 4,2 К. Защитный экран 1 состоит из изогнутых пластин, представляющих собой оптически плотную конструкцию. Экран охлаждается от азотного бачка 4 за счет теплопроводности пластин. Гелий заливается через патрубок 6 и трубки 3. Через патрубок 7 вставляется датчик для измерения уровня гелия. Из трубки 5 выходит испаряющийся гелий. Чтобы понизить температуру кипения гелия до 2,3 К, нужно через трубу 5 откачать гелиевый бачок до давления, равного 8-Ю³ Па над кипящей поверхностью гелия. Этот насос является насосом встроенного типа, работает только в вертикальном положении и присоединяется к камере через фланец 8.

На рис. 2-14 представлена конструкция фланцевого заливного крионасоса ГСВ-250 [2-14]. Насос характеризуется малым расходом хладоагента и может длительное время работать без долива жидкого гелия.

Основной частью насоса является откачивающий элемент, собранный на фланце 2, с помощью которого он присоединяется к корпусу насоса 1. Откачивающий элемент состоит из гелиевого сосуда 9 и азотного экрана 7 с шевроном И и диафрагмой 10. Наружные поверхности гелиевого сосуда и азотного экрана, выполненные из меди, тщательно полированы, отполирована также верх

няя часть азотного экрана, обращенная к гелиевому сосуду. Нижняя часть экрана, включая диафрагму 10 и шеврон //, почернена электрохимическим спосо

бом и эффективно защищает гелиевый сосуд от тепловой радиации стенок, находящихся при комнатной температуре. Медная мембрана 6, герметично присоединенная к азотному экрану и к трубке S, служащей для залива жидкого гелия и отвода паров гелия, уменьшает теплопод-вод к гелиевому сосуду. Диафрагма 10 устанавливается таким образом, чтобы зазор между краем диафрагмы и гелиевым сосудом был минимальным, что предотвращает возможность конденсации газа на верхней части гелиевого насоса. При такой конструкции для откачки газа используется лишь нижняя часть гелиевого сосуда, практически только его дно. В насосе ГСВ-250 величина поверхности дна гелиевого сосуда составляет около 5% всей его поверхности. Если в результате конденсации газов поглощательная способность дна насоса увеличится, например, в 10 раз, это приведет к увеличению расхода жидкого гелия всего в полтора раза.

С помощью боковых подсоединительных патрубков 5, 4 или со стороны днища 5 насос подсоединяется к откачиваемому объему. Корпус насоса изготовлен из трубы диаметром 200 мм. Диаметр подсоединительных патрубков 150 мм. Материал корпуса — нержавеющая сталь, материал уплотнителя в разъемных соединениях — медь, так что насос может быть прогрет до 700 К. Для измерения давления на нижнем фланце размещены датчики* МТ-8 (для измерений в форвакуумной области), МИ-12-8 (до 10-⁸ Па), ММ-14 (до 10″^н Па).

Основные технические данные насоса ГСВ-250 представлены ниже:

Ряд конструктивных схем насосов, а также их эксплуатационные особенности описаны в [2-15—2-18].

О серии заливных крионасосов сообщается в [2-19]. Их отличительная особенность состоит в наличии активированной криопанели в виде оксидной пленки на алюминии, а также наличии ребер на цилиндрическом гелиевом сосуде. Ребра служат для увеличения геометрической поверхности криопанели; что ведет к увеличению его емкости, коэффициента захвата, а следовательно, быстроты откачки.             

Насосы типов НКС-1, НКС-3 и НКС-5 собираются соответственно на фланцах Ду 160, Ду250 и Ду400, с помощью которых они вводятся либо непосредственно в откачиваемый объем, либо в индивидуальный корпус, присоединяемый к откачиваемому объему. Технические данные насосов представлены ниже:

Криосорбционные заливные гелиевые насосы с сорбентом — окисной пленкой на алюминии

	НКС-1	нксз	НКС-5
Предельное давление, Па …….	МО-9	ЬЮ-9	1-10-9
Быстрота откачки в диапазоне давлений 10~9—10~3 Па, л/с:
по азоту …………	1000	2500	6000
по аргону …………	800	2000	4500
по водороду………..	2000	6000	12 000
по гелию…………	1000	5000	10 000
Давление запуска, Па………	1-10-2	ЫО-2	Ы0-2
Расход хладоагентов в установившемся режиме при давлении не выше НО-8 Па:
жидкий азот, дм3/ч…….	0,3	0,6	0,9
жидкий гелий, см3/ч…….	40	70	120
Время работы без доливки хладоагентов:
жидкого азота, ч ……..	4,5	7,5	11
жидкого гелия, ч ……..	11	18	27
Температура прогрева, К…….	450	450	450

Насосы испарительного типа. Насосы испарительного типа являются некоторой разновидностью заливных насосов. Они так же, как и заливные, питаются жидким хладоагентом из сосудов Дьюара. Отличает их то, что криопанели испарительных насосов выполняются либо в виде змеевиков, либо в виде плоских шайб с внутренними каналами. Охлаждение криопанелей происходит в результате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося хладоагента

Циркуляция может осуществляться либо за счет создания избыточного давления в сосуде Дьюара, либо за счет всасывающего действия механического вакуумного насоса. Эти способы питания насоса хладоагентом дают возможность легко регулировать температуру криопанели в широком диапазоне как выше, так и ниже нормальной температуры кипения хладоагента, что обеспечивает более экономичное его расходование. Процесс регулирования температуры легко автоматизируется.

Кроме того, в этих насосах испаряющийся в криопанели газообразный гелий часто используется для охлаждения защитных экранов до температур, промежуточных между комнатной и температурой криопанели, при этом отпадает необходимость в использовании другого хладоагента. Поскольку в криопанелях этих насосов нет жидких хладоагентов, то их при остановке легко отогревать. Криопанель у испарительных насосов можно располагать в любом пространственном положении.

Наиболее простая конструктивная схема испарительного насоса представлена на рис. 2-15. Насос состоит из змеевика 4, в который по трубке 1 поступает жидкий хладоагент из сосуда Дьюара. Змеевик находится в хорошем тепловом контакте с плоской пластиной 6, к которой припаян колпачок 2. Пластина и колпачок образуют полость 3, стенки которой омываются поступающим по змеевику 4 через открытый конец 5 газообразным хладоагентом, испарившимся в змеевике. Отработанный хладоагент выходит из полости крионасоса через трубку 7.

Промышленная конструкция крионасоса испарительного типа РК-5000 представлена на рис. 2-16 [2-20]. Криопанель выполнена в виде медного диска 4 с внутренними каналами.

Проходя по внутренним каналам криопанели, хладоагент испаряется, охлаждая поверхность криопаыели, и выходит черев трубку 8 при более высокой температуре.

Жидкий хладоагент поступает из сосуда Дьюара к криопанели по трубке 2, экранированной трубкой 3. Испарившийся хладоагент из каналов криопанели через отводную трубку проходит по змеевику 5, выполненному в виде бифилярной спирали. Этот змеевик служит теплозащитным экраном и выполнен в виде цилиндра с открытыми торцами.

Хладоагент, выходящий из змеевика, поступает в донный экран 6, предохраняющий криопанель от тепловых излучений от фланца /, и далее по трубке 8 выходит из насоса. К змеевику и криопанели припаяны термобаллончики газовых термометров 7, измеряющих и регулирующих температуру на криопанели и расход хладоаген-та. Змеевик поддерживается стойками 9, выполненными из нержавеющей стали. Все конструктивные элементы насоса крепятся на фланце /, при помощи которого насос встраивается непосредственно в откачиваемый объем. Внешний вид насоса представлен на рис. 2-17.

Схема откачной системы, построенной на таком насосе, представлена на рис. 2-18. Криопанель насоса 1 расположена в камере 2. Сбоку к камере подсоединяется вспомогательная вакуумная система с паромасляным насосом 5, ловушкой 7 и затвором <?, предназначенная для откачки неконденсируемых газов, а также для предварительной откачки камеры. Хладоагент подается в криопанель из сосуда Дьюара 3 механическим вакуумным насосом 4. При открытом регулирующем вентиле 5 в каналах криопанели создается вакуум и атмосферное давление выжимает жидкий гелий из сосуда Дьюара в криопанель через вакуумно-изолированную трубку, нижний конец которой доходит почти до самого дна сосуда.

Вентилем 5 можно изменять количество подаваемого хладоагента и таким образом устанавливать необходимую температуру криопанели, что в свою очередь обеспечивает более экономное расходование хладоагента.

Регулировать температуру криопанели можно вентилем либо с механическим, либо с электрическим управлением от датчика температуры Р. С помощью такой системы можно регулировать температуру до 2,5 К<

Данная конструкция крионасоса (диаметр криопанели 75 мм, диаметр змеевика 98 мм и высота 10’0 мм) обеспечивает при расходе жидкого гелия 1,2 дм³/ч быстроту откачки по азоту 5000 л/с и по водороду 2500 л/с. Причем быстрота откачки его практически остается постоянной в диапазоне давлений 1 • 10^-6—1 • 10~² Па. Криопанель охлаждается от комнатной температуры до температуры жидкого гелия за 25—30 мин. Во время охлаждения расход жидкого гелия повышается примерно в 2 раза. Насос подобной конструкции может работать и с другими хладоагентами, например азотом и водородом.

Насосы с автономными ожижителями. В промышленных условиях или лабораториях, не имеющих собственных ожижителей, использование жидких хладоагентов для охлаждения панелей крионасосов представляет известные технические и организационные трудности.

Насосы заливного и испарительного типа удобны в эксплуатации только там, где имеется производство жидких хладоагентов.

Дальнейшим развитием крионасосов являются агрегаты с питанием хладоагентом от автономного ожижителя. Холод, содержащийся в парах хладоагента, выходящего из насосов заливного и испарительного типов, обычно не используется или используется частично на охлаждение экрана. Значительно экономнее используется холод в автономных ожижителях. Отработанный холодный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает в теплообменниках свой холод встречному потоку газа, идущему на ожижение, что существенно повышает экономичность устройства охлаждения насоса.

Для обеспечения работы криоконденсационного насоса с автономным ожижителем необходимо, кроме электроэнергии, наличие воды и жидкого азота.

В [2-21] описана конструкция малогабаритного крионасоса с автономным водородным ожижителем, встроенным в корпус насоса. Автономный ожижитель работает по циклу с промежуточным азотным охлаждением и дросселированием водорода, сжатого до 2,5 МН/м².

Конструктивная схема насоса представлена на рис. 2-19. Криопанель 12 соединена с бачком, в котором собирается ожиженный водород, и поддерживается на стойках 15 проволочными держателями 8. Между криопанелью и впускным отверстием насоса помещен шевронный тепловой экран 11. Нижняя часть экрана, имеющая цилиндрическую форму, припаивается к крышке азотной ванны 7. В пространстве, ограниченном крышкой азотной ванны и тепловым экраном, расположены противоточный теплообменник 9 и дроссель 10. Противоточный теплообменник выполнен из спаянных по всей длине трубок внутренним диаметром 0Д5 и 1,8 мм.

Промежуточный теплообменник выполнен из трубки внутренним диаметром 2 мм и длиной около 3 м.

Промежуточное охлаждение сжатого водорода происходит в теплообменнике 6. Для уменьшения расхода жидкого азота между низкотемпературными частями крионасоса и его оболочкой помещены теплозащитные экраны 3 и 13.

Площадь поверхности криопанели, обращенной к шевронному экрану, составляет примерно 280 см². Такой насос обеспечивает быстроту откачки по азоту и воздуху примерно 900 л/с, а по аргону примерно 700 л/с.

Схема питания ожижителя водородом показана на рис. 2-20. Водород отбирается из баллона 1 и через редуктор 2 подается в систему осушки и очистки. Осушка сжатого водорода происходит сначала в цеолитовом осушителе 3, а затем в левой по схеме секции противоточного теплообменника 4. Для очистки от примесей азота и кислорода водород пропускается через два последовательно включенных угольных адсорбера 5, охлаждаемых жидким азотом в сосуде Дьюара 6. Очищенный сжатый водород нагревается до комнатной температуры в правой секции теплообменника 4 теплом идущего на очистку водорода и через пылевой фильтр 7 поступает в крионасос 9. Сепаратор фильтра изготовлен из ткани ФПП-15-1,5, захватывающей частицы размером 2*10^-7 м с эффективностью 99,99%. Тщательная очистка сжатого водорода необходима для предотвращения засорения отверстия дросселя и каналов теплообменников крионасоса твердым конденсатом паро- и газообразных примесей или пылевыми частицами .

Автономными ожижителями наиболее целесообразно снабжать крионасосы большой производительности.

Разработка больших крионасосов с автономными ожижителями стимулировалась необходимостью откачивать газы с очень большой быстротой в таких установках, как аэродинамические трубы и имитационные космические камеры- Крионасосы с автономными ожижителями представляют собой сложные крупногабаритные устройства. При этом размеры одних только холодильных устройств могут в несколько раз превосходить размеры откачиваемых объектов вместе с крионасосом

На рис 2-21 представлен крионасос ВК-40 с быстротой откачки 40 000 л/с. Он представляет собой самостоятельную установку, подсоединяемую к откачиваемому объекту [2-22]

Криопанелью насоса является медный сосуд 9, заполняемый жидким водородом. Для уменьшения теплопри-тока от окружающих стенок сосуд окружен цилиндрическим медным экраном 8, охлаждаемым жидким азотом. Задний экран с впаянной ловушкой 2 также охлаждает ся жидким азотом.

Для откачки неконденсирующихся при температуре жидкого водорода газов (водород, гелий, неон) и создания предварительного разрежения насос ВК-40 снабжен пароструйным насосом 7 с быстротой откачки около 2000 л/с, подсоединяемый через затворы 3 и 5.

Для предотвращения попадания паров масла и продуктов его крекинга из диффузионного насоса 7 предусмотрены водяная ловушка 6 и жалюзийная азотная ловушка 4. Жидкий азот для охлаждения экранов и ловушки подается из сосудов Дьюара 1 и 13. Питание насоса жидким водородом осуществляется от автономного ожижителя 12 с дросселем 11.

Площадь наружной поверхности сосуда (криопанели) 9 равна 5000 см², и теоретическая быстрота откачки насоса по воздуху составляет свыше 550 л/с Практическая быстрота откачки несколько меньше из-за входных потерь на фланце 10 она равна 40 000 л/с и не зависит от давления в диапазоне 1 • 10~³—1 • 10“⁵ Па Предельное давление, создаваемое насосом, достигает 1 • 10~⁸ Па при расходе жидкого водорода 0,4 дм³/ч и жидкого азота 10—20 дм³/ч После длительной работы расход жидкого водорода возрастает до 2 дм³/ч, так как увеличивается приток тепла за счет излучения вследствие з