Криогенный двухступенчатый вакуумный насос

 

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

„„691600

Союз Советскик

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву-(22 }.« явлено 13.06.77 (21) 2523762/25.06 (51)М. Кл.

F 04 В 37/08 с присоелинениеат заявки М—

Гвсудврстввнньй квмктет

СССР кв делам кзвбретвнкк н вткрмткй (28) Приоритет— (53) УДК 621528..1 (088.8) Опубликовано 15.10.79. Бюллетень И 38

Дата опубликования описания 25.10.79 г

Ю (72) Авторы изобретения

Ю. В. Холод, В. Б. 10феров, Г. A. Постоленко и Л. Г. Сороковой

1, 1: (71) Заявитель (54) КРИОГЕННЬ1Й ДВУХСТУПЕНЧАТЫЙ ВАКУУМНЫЙ

НАСОС

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к криогенным насосам.

Известен криогенный конленсационный вакуумный насос, содержащий корпус с размещенным в нем внутри охлаждаемого экрана от5 качиваюшим элементом в виде сосуда для жидкого гелия (1) .

K недостаткам этого насоса следует отнести большой расход жидкого гелия при откачке . значителыгых количеств газа (для откачки одно. го литра газообразного азота, приведенного к з нормальным условиям, требуется 200 см жидкого. гелия) .

Несколько мсныиим расходом жидкого гелия для откачки больших количеств газа характеризуется криогенный двухступенчатый вакуумный насос, содержащий корпус с охлаждаемым экраном, форвакуумиую ступень, включаюптую конденсатор в виде охлаждаемого стака. на с поддоном для сбора жидкого кондейсата, и высоковакуумную ступень, откачивающий элемент }соторой выполнен в виде сосуда с жида ким хлацачентом 12).

Недостатком этого вакуумного насоса также является высокий расхоц жидкого гелия при откачке больших количеств газа (для откачки одного литра газообразного азота, приведенного к нормальным условиям, требуется 130 см з жидкого гелия). Большой расход жидкого гелия обусловлен тем, что в таком насосе даже при конденсации высокотсипящих газов (азот, воздух и др.) практически используется только теплота испарения жидкого гелия, которая имеет малое значение (около 5 кал/г испарен.ной жидкости). Кроме того, много жидкого гелия расходуется на предварителыгое охлаждение гелиевого сосуда с камерой до рабочей температуры (4,2 К), а пары гелия, образующиеся при этом, не использутотся, что снижает экономичность насоса.

11елью изобретения является уменьшение расхода хладагента на конденсацию откачиваемого газа путем использования при работе форвакуумной ступени паров хладагента, образовавшихся при охлаждения до рабочей температуры откачивающего элемента высоковакуумной ступени.

Это доститается тем, что предложенный насос дополнительно содержит змеевик, имеющий тепловой контакт с поверхностью конденсатора.

k один конец змеевика герметично введен в сосуд, а другой — герметично выведен за пределы корпуса через вентиль, а форвакуумная ступень размещена над высоковакуумной И герметично отделена от нее перегородками. В корпусе могут быть дополнительно установлены стаканы, расположенные соосно образованию 0 лабиринта, и конденсатор находится внутри последнего, а змеевик соединен с вентилем через трубопровод, имеющий тепловой контакт со стаканами.

При охлаждении откачивающего элемента вы- 15 соковакуумной ступени, от комнатной температуры до рабочей, которое осуществляется в основном за счет испарения жидкого гелия, образуется количество пара, достаточное не только для охлаждения от комнатной температуры до рабочей конденсатора форвакуумной ступени,-но и для конденсации определенного количества откачиваемого газа, величина которога зависит от массы откачивающего элемента высоковакуумной ступени, В лабиринте, образованном стаканами с прикрепленным к ним трубопроводом, осуществляется предварительное охлаждение откачиваемого газа до температуры близкой к температуре конденсации, что . позволяет либо уменьшить размеры конденсато, ра форвакуумной ступени при одийаковой производительности конденсатора, либо повысить массовую производительность форвакуумной ступени при одинаковых размерах конденсатора.

На чертеже схематически изображен предложенный вакуумный насос.

Насос содержит корпус 1 с охлаждаемым экраном 2, выполненным в виде кольцевой полости между коаксиальными стенками 3, за40 полненной жидким азотом, форвакуумную ступень, включающую конденсатор 4 в виде охлаждаемого стакана с поддоном 5 для сбора жидкого конденсата и высоковакуумную ступень, откачивающии элемент которой выпол45 нен в виде сосуда 6 с жидким хладагентом, например гелием. Насос также содержит змеевик 7, имеющий тепловой контакт с поверхностью конденсатора,4, Один конец змеевика

7 герметично введен в сосуд 6 через вентиль

8 при помощи трубопровода 9, выходной срез

10 которого расположен в зоне днища 11 сосуда 6. Другой конец змеевика 7 выведен за пределы корпуса 1 через вентиль 12. Форвакуумная ступень расположена над высоковакуум55 ной и герметично отделена от нее перегородками 13, прикрепленными к стерв 3 ахлаждаемого экрана, В корпусе 1 насоса устайовлены ()91600 4 стаканы 14, расположенные сооспо образова нию лабиринта, конденсатор 4 расположен в этом лабиринте. Змеевик 7 соединен с венти-. лем 12 через трубопровод 15, имеющий тепловой контакт со стаканами 14. Конденсатор 4 с поддоном 5 снабжены соответственно трубками 16 и 17, которые объединены трубопроводом 18,. соединяющим их с атмосферой. На свободном конце трубопровода 18 установлен эапорный вентиль 19. Для залива жидкого хлад агента, например гелия, сосуд 6 снабжен трубопроводом 20 с запорным вентилем 21, а для выхода паров хладагента — трубопроводом 22 с запорным вентилем 23.

Для уменьшения теплоотвода к сосуду 6 по трубопроводу 9 за счет увеличения расстояния между холодными и теплыми частями при минимальном расстоянии между нижней перегородкой 13 и сосудом 6 трубопровод 9 заключен в кожух 24, герметично соединенный с сосудом 6 и трубопроводом 9 и выполненный из материала с малой теплопроводностью, например нержавеющей стали. Доступ откачиваемого газа к поверхности сосуда 6 осуществляется через отверстие в. охлаждаемом экране 2, закрытое жалюзийным экраном 25, укрепленным в стенке 3 охлаждаемогб экрана.

Для уменьшения радиационного теплоподвода к сосуду 6 для жидкого хладагента к нижнему торцу 26 охлаждаемого экрана 2 на тепловой контакт укреплено кольцо,27, выполненное из хорошо теплопроводящего материала, например меди. Внутренний диаметр кольца 27 и его расстояние от экрана 25 выбраны такими, чтобы пропускная способность системы экран

25 — кольцо 27 не отличалась заметно от пропускной способности экрана 25.

С откачиваемым объемом форвакуумная и высоковакуумная ступени соединены вакуумпроводами 28 и 29, снабженными клапанами

30 и 31 соответственно. Кольцевая полость охлаждаемого экрана 2 снабжена трубопроводами

2 и 33, изготовленными из металла с малой 2 теплопроводностью, например нержавеющей стали, для залива жидкого азота и отвода его паров.

Предложенный насос работает следующим образом.

С помощью вакуумпроводов 28 и 29 через клапаны 30 и 31 насос подсоединяют к откачиваемому объему. В случае использования в качестве хладагента жидкого гелия конец трубопровода 15 через вентиль 12 подсоединяют к откачивающему устройству, например механическому форвакуумному насосу. Закрывают клапан 31 и открывают клапан 30. По трубопроводам 32 и 33 заполняют полость охлаждаемого экрана 2 жидким азотом. Включив

691600 мехаггиЧеск гй насос для отка ки паров гелия и открыв вентили 8, 12 и 21 (вентиль 23 при

>том закрыл) из внешнего сосуда Дьюара с жидким гелием под некоторым избыточным давлением в сосуд 6 через трубопровод 20 подают жидкий гелий, Последний, попав в сосуд 6,,испаряется (при охлаждении сосуда от 300 К или более низкой начальной температуры) и в виде холодного пара прокачивается по трубчагому змеевику 7 и далее по трубопроводу 15, охлаждая при этом стакан конденсатора 4 и соединенный с ним на тепловой контакт поддон 5 до температуры равной или меньшей температуры конденсации откачиваемого газа (81,6 К при откачке воздуха и начальном давлении в насо. се 760 тор). Воздух из откачиваемого объема, пройдя лабиринт, конденсируется в жидкую фа зу на внутренней и наружной поверхностях охлаждаемого стакана конденсатора 4 и стекает в поддон 5 для сбора жидкого конденсата и на дно стакана . Пары гелия, отогретые в змеевике 7 до температуры, превышающей температуру конденсации откачиваемого газа при данном давлении (которая будет уменьшаться

25 пропорционально уменьшению давления в насосе) используются. далее для охлаждения стаканов 14. Откачиваемый газ; проходя по лабиринту, образованному охлаждаемыми стаканами 14, охлаждается до температуры, близзо кой к температуре конденсации откачиваемого газа. Это происходит благодаря развитой поверхности охлаждаемых стаканов 14 и возможности многократных столкновений молекул газа с холодными стенками теплообменника при их ,35 движении к конденсатору — охлаждаемому ста- кану конденсатора 4.

Процесс интенсивного испарения жидкого гепия, подаваемого в сосуд 6, происходит до охлаждения сосуда 6 до температуры 4,2 К. Во 4, время процесса охлаждения сосуда 6 в трубчатый змеевик 7 и трубопровод 15 подается холодный пар, обеспечивающий работу форвакуумной ступени. При этом в сосуде 6 происходит дополнительное испарение жидкого гелия, обус45 ловленное теплоподводом по газу, поскольку начальное давление в высоковакуумной ступени может равняться атмосферному. Однако после охлаждения сосуда 6 до 30 — 40 K газ, заполняющий высоковакуумную ступень, будет скок- < денсирован в твердую фазу, что уменьшает теплоподвод к сосуду 6.

В форвакуумной ступени в интервале давлений 760 † тор происходит конденсация откачиваемого газа в жидкую фазу, дальнейшее понижение давления осуществляется за счет вымораживания откачиваемого газа на стенках охлаждаемого стакана конденсатора 4. Ранее смонденсированный гаэ, накопленный в виде жидкости на дне охлажггаемого стакана конденсатора 4 и в поддоне 5, при давлении ниже

47 тор переводится в твердое состояние за счет охлаждения его стенками охлаждаемого стакана конденсатора 4 н змеевика 7, а также — испарения части жидкого конденсата с последующей его конденсацией в твердую фазу на стенках охлаждаемого стакана конденсатора 4 и змеевика 7.

Если количества пара, полученного при охлаждении жидким гелием сосуда 6 до темпера.туры 4,2 К, недостаточно для получения в откачиваемом объеме давленйя запуска высоко-. вакуумной ступени (обычно для высоковаккум- . ных конденсационных насосов это давление

10 — ИГ тор), продолжают подачу в сосуд 6 жидкого гелия, в котором он накапливается, и через змеевик 7 прокачивают уже парожидкостную смесь гелия.

После получения в откачиваемом объеме давления 10 тор или несколько ниже продолжают заливать жидкий хладагент в сосуд 6 по тру. бопроводу 20, но при этом открывают вентиль

23 для отвода паров хладагента из сосуда 6 по трубопроводу 22 непосредственно в газгольдер и закрывают вентиль 8. Клапан 30 необходимо закрыть, а клапан 31 открыть. Дальнейшее понижение давления в откачиваемом объеме осуществляется за счет конденсации газа в твердую фазу на поверхности сосуда 6.

После закрывания вентиля 8 закрывают вентиль

12, прекращая откачку паров гелия по трубопроводу 15.

В зависимости от требований заполняют жидким гелием либо часть сосуда 6 (например, ког. да не.предполагается длительная работа насоса в области, высокого вакуума), либо полностью заполняют сосуд 6 (при длительной работе насоса в области высокого вакуума). В этом режиме работы насоса используется только теплота испарения жидкого гелия, однако это не требует большого расхода хладагента, так как в области высокого вакуума (10 тор и ниже) преобладающими над теплотой конденсации откачиваемого газа становятся тепловые нагрузки, за счет радиационного излучения со стороны охлаждаемого экрана и теплоподвода к сосуду

6 по трубопроводам 20, 22 и 9.

Предельное давление, получаемое в откачиваемом объеме при работе насоса, определяется наличием неконденсируемых при температуре используемого хладагента компонент воздуха. В случае использования в качестве хладагента жидкого 1елия неконденсируемой компонен-той является только газообразный гелий и предельное давление равняется 4 ° 10 тор. Однако за счет сорбции гелия на твердых слоях легкоконденсируемых компонент воздуха, таких (19 16 как азот, кислород и г. ц., при 1емггературе

4, К или ниже может быть получено давление эо

10 тор и ниже.

После получения в откачивасмом объеме предельного давления клапан 3I закрывают, и насос прекрашает свою работу.

Предложенный крио еггный двухступенчатый вакуумный насос позволяет откачивать вакуумные объемы в интервале давлений 760-10 " тор и ниже с малыми расходами жидкого хладагента, особенно в области высоких и форвакуумных давлений, за счет использования паров хладагента, образованных при охлаждении

ito рабочей температуры откачивающего элемента высоковакуумной ступени. Обычно пары кри- огенных хладагентов, полученные при охлаждении откачиваюцпгх элементов наливных конденсационных насосов до рабочей температуры, трудно эффективно использовать из-за больших значений энтальпии, заключенной в парах, и малого времени их выделения. Поэтому приходится уменьшать металлоемкость откачивающих элементов, а для снижения расхода жидких хладагентов на их предварительное охлаждение

25 использовать другие хладагенты или изыскивать другие пути снижения расхода хладагентов. В предложенном насосе устранены малопроизводительные или вовсе непроизводительные расходы жидких хладагентов, что повышает энергоэффективность конденсационной откачки.

Фо м ла изоб етения р ) P

1. Криогенный двухступенчатый вакуумный насос, содержащий корпус с охлаждаемым эк{)(1 х ранам. форвакуумлуго стунли,, чклгочагощую конденсатор,в нице охлажлаемого стакана с поддоном для сбора жидкого конленсата, и высоковакуумггую ступень, откачиваюший элемент которой выполнен я вице cocyga с жидким хладагентом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения расхода хладагента на конденсацию откачиваемого газа путем использования при работе форвакуумной ступени паров хладагента, образовавшихся при охлаждении до рабочей температуры откачивающего элемента высоковакуумной ступени, насос дополнительно содержит змеевик, имеющий тепловой контакт с гговерхностью конденсатора, и один конец змеевика герметично введен в сосуд, а другой — гермети аго выведен за пределы, корпуса через вентиль, форвакуумная ступень размещена над высоковакуумной и герметично отделена от нее перегородками.

2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе дополнительно установлены стаканы,, расположенные соосно образованию лабиринта, и конденсатор находится внутри последнего, а змеевик соединен с вентилем через трубопровод, имеющий тепловой контакт со стаканами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Минайчев В, Е. Вакуумные крионасосы.

М., "Энергия",,1976, с. 75.

2. Авторское свидетельство С(ТР Р 545768, кл. F 04 В 37/08, 1974.

Составитель Ю. Килимник

Техред Н.Ковалева Корректор М. Селехман

Р др О. В

Филиал ППП "Патент", а. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 6173/26 Тираж 772 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР М ,по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5