Основы конструирования крионасосов

Задачи конструирования. Техника конструирования крионасосов основывается на одновременном удовлетворении требований вакуумной и криогенной техники. Общие сведения по этим вопросам довольно полно изложены в [2-1—2-4].

Кажущаяся на первый взгляд простота принципа действия насоса создает мнение, что самая сложная часть в крионасосе — это устройства для охлаждения. Однако это не так. Для рационального конструирования насоса необходимо учитывать весь комплекс процессов, происходящих в нем. На рис. 2-1 изображены тепловой и барометрический разрез крионасоса.

на холодные части насоса за счет излучения с теплых поверхностей.

Теплозащитный экран 2, температура которого Т₃ поддерживается при помощи соответствующих холодильных устройств с холодопроизводительностью Охэ на более низком температурном уровне, чем Т_с, воспринимает на себя тепловые излучения со стенок, исключая возможность попадания их на криопанель. Молекулы откачиваемых газов, пройдя первую зону, ударяются о холодные поверхности экрана и теряют часть своей кинетической (тепловой) энергии. Одновременно часть молекул Сэк из газового потока, имеющих давление насыщенных паров при температуре экрана Т_э ниже, чем давление Л, будут конденсироваться на холодных поверхностях экрана и не попадут во вторую зону насоса. Некоторое количество молекул G₃₀, отражаясь о г экрана, возвращается в первую зону.

Тепловой экран (по аналогии со стенкой 1) можно считать источником газов для второй зоны G₂, при этом

Тепловой экран будет также источником теплового потока Q₂ на криопанель, поскольку температура экрана выше температуры криопанели. Экран является сопротивлением для прохода газов к откачиваемому элементу, поэтому давление в зоне II будет ниже, чем давление в зоне /, т. е. P₂<Pi.

В третьей зоне газ находится в твердом сконденсированном состоянии. Тепло от излучения и конденсации передается через твердый слой криоосадка и отводится соответствующим криогенным устройством с холодопроизводительностью Q_xn.

Упрощенная схема крионасоса показывает сложность происходящих в нем процессов, что затрудняет строгое аналитическое описание его работы. Поэтому развитие этого метода откачки ведется на основе результатов экспериментальных работ.

Конструктору при разработке крионасоса необходимо решать вакуумно- и криотехнические вопросы. Кроме того, при проектировании крупных насосов приходится проводить прочностные расчеты корпусов.

В первую очередь следует решить вакуумно-технические вопросы, т. е. оценить требуемую быстроту откачки и рабочее давление, какие газы будут больше выделяться в системе, какова величина неконденсирующихся компонентов, требуемую форвакуумную систему откачки и др. Также следует учесть длительность работы крионасоса, т. е. необходимо ли постоянство высокой быстроты 01 качки или опа требуется лишь в какой-то период технологического процесса.

При конструировании крионасосов особое внимание следует обращать также на решение ряда вопросов криотехники, а именно: обеспечение минимальной тепловой нагрузки на холодные элементы насоса при обеспечении требуемой быстроты откачки, так как это в основном определяет их экономичность. В криогенных устройствах весьма важными являются учет температурных деформаций и обеспечение вакуумно-плотных соединений. Важным является также выбор способа охлаждения крионасоса, что в основном определяет эксплуатационные характеристики насоса.

На основе комплексного анализа криовакуумных требований необходимо выбрать конструктивную схему насоса и провести вакуумные и тепловые расчеты. Ниже приведены типичные схемы крионасосов и сравнительный их анализ.

Классификация крионасосов. Несмотря на большое многообразие крионасосов, их можно разделить по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте откачки, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме. На рис. 2-2 представлена классификационная схема крионасосов. По принципу действия насосы можно подразделить на криоконденсационные и криосорбционные. В криоконденсационных насосах откачка осуществляется за счет конденсации газов.

В криосорбционных насосах молекулы откачиваемого газа оседают в виде мономолекулярного слоя на поверхности сорбента, которым является микропористый слой предварительно сконденсированного на криопанели лег-коконденсируемого газа.

Температурный уровень криопанели является основным фактором, определяющим упругость паров откачиваемых газов, а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый данным насосом.

По температурному уровню крионасосы разделяются на три группы в соответствии с тремя значениями температур криооткачки, а именно с температурами кипения

азота (77 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении. Таблица 2-1 иллюстрирует теоретические возможности криогенной откачки на различных температурных уровнях.

Насосы, охлаждаемые до 77 К, применяются как вспомогательное средство при откачке непрогреваемых камер, где основное газовыделение (до 80%) составляют

Таблица 2-1

Конденсируемость газов при различных температурах криопанели

Температура криопанели, К	Основные конденсируемые газы*	Основные неконден-сируемые газы
77	Н2О, СО2, углеводороды	Не, Н2, Ne, N2, СО, О2, СН4 Не, Н2, Ne
20	Газы, конденсируемые при 77 К, СН4, О2, СО, n2
4,2	Газы, конденсируемые при 20 К, Ne, Н2	Не

* Здесь термин конденсируемый газ применен к газу с давлением паров меньше 10″⁴ Па при соответствующей температуре.

пары воды и некоторые углеводороды, коэффициент захвата которых на криопанелях при этих температурах составляет около 0,9.

Кроме того, некоторые вакуумные процессы могут сопровождаться оби’льным выделением паров растворителей или пластификаторов.

Применение таких насосов позволяет сократить время достижения предельного давления, а также повысить рабочий вакуум благодаря очень высокой быстроте откачки паров воды в непрогреваемых установках.

Насосы, охлаждаемые до 20 К, эффективно откачивают все основные составляющие воздуха, которые имеют упругость паров при этой температуре ниже 10~⁸ Па (за исключением Ne, Не, Н₂).

Для получения давления порядка 10~⁷ Па экономичнее использование температурного уровня, равного 20 К. Удаление неконденсирующихся составляющих в этом случае осуществляется с помощью параллельно работающих вспомогательных средств откачки.

Насосы, охлаждаемые до температуры, равной 4,2 К, эффективно откачивают практически все газы, кроме гелия. Однако следует учесть, что стоимость оборудования для охлаждения при Т = 4,2 К приблизительно в 10 раз выше стоимости оборудования для получения такого же количества холода при температуре, равной 20 К.

Быстрота откачки в основном определяется размерами криопапели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение.

По быстроте откачки крионасосы условно разделяются на следующие три группы.

Насосы с малой быстротой откачки (S_H< 10⁴ л/с); обычно для охлаждения этих насосов требуется мощность в несколько ватт.

Насосы со средней быстротой откачки (S_H~I-10⁴— 5-Ю⁴ л/с); расход мощности этих насосов исчисляется несколькими десятками ватт. Они наиболее употребительны и выпускаются на нормализованных фланцах.

Насосы с большой быстротой откачки (S_H>5-10⁴ л/с); на охлаждение этих насосов требуется мощность в несколько сотен и даже тысяч ватт.

Способ охлаждения насосов определяется конкретными условиями эксплуатации, и при его выборе обычно учитываются следующие обстоятельства: требуемая быстрота откачки насоса (величина энергозатрат на охлаждение криопанели); предельный вакуум, количество насосов, находящихся в эксплуатации; наличие собственной ожижительной станции; длительность непрерывной работы крионасосов; наличие оборудования для сбора испаряющихся газов.

По способу охлаждения крионасосы можно подразделить на две основные группы: насосы, охлаждаемые сжиженными газами, и насосы, охлаждаемые при помощи автономных рефрижераторов.

Первая группа насосов в свою очередь делится на насосы заливные, испарительные и с автономными ожижителями. Заливные и испарительные насосы охлаждаются сжиженными газами: азотом, водородом и гелием), которые получают на ожижительных станциях и транспортируют ж месту потребления в специальных танках или в сосудах Дьюара.

Такое охлаждение используется обычно в насосах с малой и средней быстротой откачки. Этот способ наиболее прост, но вместе с тем и наименее экономичен, так как сопровождается большими потерями хладоагента при заливке его на ожижительных станциях и в крионасос, а также при транспортировке.

Насосы с автономными ожижителями обычно применяются для получения высокой быстроты откачки, когда необходимо охлаждать криопанели большой поверхности. В этом случае заливная система крайне неэкономична. В ожижительных установках испаряющийся газ возвращается в теплообменники установки для полезного использования содержащегося в нем холода. Это позволяет в несколько раз увеличить холодопроизводительность установки при затрате той же мощности.

Вторая группа насосов охлаждается с помощью криогенных устройств рефрижераторного типа, в которых рабочий газ не доводится до жидкого состояния, а в охлажденном состоянии поступает в полости криопанелей.

Большим достоинством насосов с рефрижераторным охлаждением является их высокая экономичность, так как в этом случае холодопроизводительность установки легко согласуется с тепловой нагрузкой крионасоса.

Другим достоинством является удобство эксплуатации, что имеет большое значение для применения этих насосов в промышленных установках.

Насосы с криогенераторами используются для получения относительно невысокой быстроты откачки. Этот способ охлаждения удобен там, где возникают затруднения с доставкой жидких хладоагентов со стороны. С этой точки зрения целесообразным является использование криогенераторов, работающих по обратному циклу Стирлинга. С помощью одноступенчатых машин получают температуры около 50 К, с помощью двухступенчатых— 20 К, при этом время выхода на температурный уровень составляет 10—15 мин. Криогенераторы, работающие по циклу Мак-Магона, обеспечивают такой же температурный уровень, однако имеют более длительное время выхода на режим (более 1 ч).

Рефрижераторные дроссельные холодильные установки на базе ожижителей используются также для охлаждения крионасосов с большой быстротой откачки.

По конструктивной схеме крионасосы можно подразделить на две группы: насосы фланцевого и встроенного типов. Быстрота действия насосов первой группы в основном определяется пропускной способностью фланца. Насосы фланцевого типа обычно выполняются в виде отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому объему.

Насосы второй группы обычно проектируются применительно к конкретным случаям их использования. Криопанели у этих насосов обычно располагаются в откачиваемом объеме в непосредственной близости от источников газовыделений.

Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности насосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей. Поэтому все крионасосы можно разделить на пять основных групп: насосы заливного типа; насосы испарительного типа; насосы с автономными ожижителями; насосы с газовыми холодильными машинами (криогенераторами); насосы с холодильными рефрижераторными установками.