Высоковакуумные адсорбционныенасосы
Насосыпредварительного разрежения способны снизить давление в откачиваемом объеме отатмосферного до 104—105 мм. рт. ст., но не пригодны дляобеспечения низкого динамического давления в области высокого вакуума. Для получениявысокой и устойчивой скорости откачки высоковакуумного насоса необходимо обеспечитьбеспрепятственный подвод откачиваемого газа к адсорбенту, который для этой целирасполагают слоем толщиной в несколько зерен. Наименьшим сопротивлением подводугаза обладает насос с адсорбентом, расположенным на внешней поверхности сосудас хладагентом. Это приводит к нарушению самого важного требования кадсорбционному насосу — полноты охлаждения адсорбента. Лучистое тепло от стенокустановки, а в области давлений выше 105 мм рт. ст. и молекулярнаятеплопроводность газа приводят к сильному нагреву адсорбента и соответственно —к резкому снижению адсорбционной способности. Конструкция адсорбционного насосадолжна обеспечить в первую очередь полное охлаждение адсорбента, так какстабильность скоростной характеристики насоса обеспечивается динамическойадсорбируемостью газа.
Эффективногоохлаждения адсорбента можно добиться обеспечением хорошего теплового контактамежду адсорбентом и охлажденной поверхностью (что характерно для криопанелей) илиразмещением слоя адсорбента внутри охлаждаемой полости, причем входноеотверстие можно закрывать жалюзной ловушкой. Последнее конструктивное решение наиболеехарактерно для высоковакуумных адсорбционных насосов, охлаждаемых жидким азотом.
Одна изпервых конструкций насосов такого типа изображена на рис. 50. Отсутствие радиационнойзащиты (жалюзная ловушка) на входе приводит к заметному нагреву адсорбента исоответственно к уменьшению адсорбируемости.
Достаточнопрост по конструкции вертикальный насос, входной фланец которого обращен вниз.Насос такого типа имеет большой запас жидкого азота, достаточный для работы втечение 1—2 суток. Нагреватель, встроенный в азотный бачок, упрощает и ускоряеттемпературную регенерацию адсорбента непосредственно в насосе. Тщательнаяполировка поверхностей и установка отражающих экранов вокруг азотного бачка позволилиснизить эксплуатационный расход жидкого азота до 0,06 л/ч.
/>
Рис. 1.Высоковакуумный горизонтальныйадсорбционный насос:1 — корпус; 2 — азотный бачок; 3 — слойадсорбента; 4 — нагреватель;5 — вентиль к насосу предварительногоразрежения.
/>
Рис. 2.Вертикальный насос: 1 — корпус; 2 — азотныйбачок; 3 ~— слой адсорбента 4 — радиационные экраны; 5 —- нагреватель; 6 — входная ловушка с упорами
Болеепростая конструкция насоса разработана и опробована автором. Азотный бачоквыполнен из двух тонкостенных (толщина 1 мм) труб с небольшой разностьюдиаметров (10—20 мм) и сварен непосредственно с тонкостенным корпусом насоса,который является одновременно температурной развязкой. Материалом тонкостенныхтруб служит сталь Х18Н10Т. Внешняя теплоизоляция из пенопласта позволяетизбежать контакта азотного бачка и корпуса насоса с окружающим воздухом.
Испарившийсяазот проходит через зазор между корпусом и теплоизоляцией и «отдает» частьсвоего «холода», в результате чего уменьшается эксплуатационный расходхладагента.
Заполнениенасоса жидким азотом происходит через съемную крышку в верхней частитеплоизоляции. Внутренний нагреватель, расположенный по оси адсорбционногопатрона, обеспечивает быстрый и экономичный нагрев адсорбента при I регенерации. Входная ловушка выполнена черненой для полногоисключения нагрева адсорбента вследствие теплоизлучения.
адсорбент насос вакуумныйкриопанель
/>
Рис.3.Адсорбционный насос с «холодным»корпусом:1 — корпус; 2 — азотныйбачок; 3 — слой — адсорбента; 4 — внутренний нагреватель; 5 — теплоизоляция из пенопласта; 6 —входная черненая ловушка
/>
Рис.4.Вертикальный адсорбционный насос:1 — корпус; 2 — азотный бачок; 3 —патрон охлаждаемый; 4 — слой адсорбента; 5 — сетчатый патрон; 6 —нагреватель; 7 — трубка для заливки и слива жидкогоазота; 8 — входная ловушка; 9 — радиационные экраны; 10 — трубкадля отвода газообразного азота.
Насосытакой конструкции опробованы трех размеров: с диаметром условного прохода поадсорбционному патрону 75, 130 и 300 мм. Эксплуатационный расход жидкого азотадля насоса c Dy—130 мм (при Полированной ловушке)составляет 0,16 л/ч.
Всенасосы, входной фланец которых обращен вниз, имеют один эксплуатационныйнедостаток: мелкие и пылевидные частицы адсорбента проваливаются через сетку ипопадают в откачиваемый объем, что в ряде случаев недопустимо.
Этогонедостатка лишены насосы с обращенным вверх входным фланцем, хотя конструкцияих значительно сложнее. В этом случае трудно создать настолько большой запасжидкого азота в бачке, чтобы при изменении его уровня для всей полости садсорбентом обеспечивался непосредственный контакт с жидким азотом. В противномслучае по мере снижения уровня жидкого азота температура адсорбента можетзаметно повыситься. Насосы такой конструкции требуют более частого пополнения жидкимазотом.
В работеописан насос с обращенным вверх фланцем. Слой адсорбента расположен вдольмедного стакана, припаянного к медному резервуару шаровидной формы. Охлаждениеобеспечивается благодаря очень высокой теплопроводности меди. Насос заполняетсяхладагентом по трубкам, выведенным через днище насоса. Жалюзная ловушка ивходное отверстие в полость адсорбционного патрона ограничивают начальнуюскорость откачки насоса.
Условияподвода газа к адсорбенту можно значительно улучшить, расположив его на внешнейстороне резервуара для хладагента. Такой насос описан в работе. Полученныеизотермы адсорбции сами авторы признали аномальными.
А. Л.Донде создал насос аналогичной конструкции, но расположил вокруг слояадсорбента жалюзный экран, имеющий туже температуру, что и резервуар дляхладагента.
Развитаяповерхность жалюзной тепловой защиты увеличивает входную пропускную способностьнасоса, а следовательно, и начальную скорость откачки. Для обестеченияэффективного охлаждения необходимо чернить/> экран, что при такой конструкции насоса приводит к резкомуувеличению эксплуатационного расхода.
Впроцессе работы адсорбционный насос, особенно насос предварительногоразрежения, может поглотить большое количество газа, в результате чего приразмораживании давление в объеме насоса может во много раз превыситьатмосферное. Это приводит к деформации тонкостенных элементов, нарушениюгерметичности и т. д.
/>
Рис.5.Насос с внешним размещениемадсорбента и жалюзийной защитой:1— азотный бачок; 2 —слой адсорбента; 3 — жалюзи; 4 — корпус
Дляпредотвращения такого явления применяют предохранительные устройства, черезкоторые при превышении давления избыточное количество газа выходит в атмосферу.Простейшим видом этого устройства является резиновая пробка, закрывающаяотверстие трубки. В работе описано более сложное устройство для прогреваемыхвакуумных систем. В случае превышения давления алюминиевая фольга толщиной0,025 до 0,076 мм прорывалась при накалывании об острие регулировочного винта.С успехом можно применять также пружинные предохранительные клапаны.
Рассмотренныеустройства необходимы в основном для систем с адсорбционными насосамипредварительного разрежения, предназначенными для откачки установок большогообъема от атмосферного давления. Для высоковакуумных насосов, которые обычнооткачивают относительно небольшое количество газа, предохранительные устройствамогут понадобиться лишь в аварийных ситуациях, например, при случайномпопадании атмосферного воздуха в вакуумную систему с адсорбционным насосом.
Емкостьрезервуара для жидкого азота определяет одно из основных преимуществадсорбционного насоса — продолжительность работы без наблюдения. Для уменьшенияэксплуатационного расхода жидкого хладагента наружную поверхность резервуара исвязанных с ним элементов полируют. В ряде конструкций- применяют тонкостенныерадиационные экраны из алюминиевой фольги, что способствует снижению лучистоготеплообмена.