АДСОРБЦИОННЫЙ НАСОС Российский патент 1998 года по МПК F04B37/02 

Изобретение относится к вакуумной и криогенной технике и может быть использовано как в вакуумных насосах для получения глубокого вакуума, так и в рефрижераторах криосорбционной откачки рабочего тела, в частности для откачки ³He в рефрижераторах растворения.

Известны адсорбционные вакуумные насосы, содержащие корпус и расположенные в нем лотки в виде дисков с адсорбентом, прижатым к ним сетками. К лоткам с тепловым контактом прикреплен змеевик для хладагента, подаваемого для охлаждения адсорбента [1]
Основными недостатками насосов такого типа являются односторонний доступ откачиваемого газа к адсорбенту и большой мертвый объем над адсорбентом, размещенным на лотках. Это снижает скорость откачки и уменьшает сорбционную емкость насоса.

Известен также адсорбционный вакуумный насос [2] принятый нами за прототип, состоящий из цилиндрического корпуса с трубопроводом откачки, в котором адсорбент расположен внутри корпуса между его стенкой и металлической сеткой, изогнутой в форме звезды. Лучи звезды образуют каналы для прохода откачиваемого газа. Насос имеет систему охлаждения адсорбента жидким хладагентом (например, гелием), подаваемым по трубе из внешней ванны в рубашку корпуса.

К недостатком этого насоса относится прежде всего неравномерное охлаждение адсорбента, приводящее к уменьшению скорости откачки, а также избыточные потери холода как при теплопередаче через стенку корпуса, так и при захолаживании насоса после регенерации.

Задача изобретения повышение скорости откачки и увеличение сорбционной емкости насоса.

Для достижения необходимого технического результата в адсорбционном насосе, состоящем из цилиндрического корпуса с расположенным в нем между корпусом и сеткой адсорбентом, трубопровода откачки и системы охлаждения адсорбента, последняя выполнена из теплопроводного материала в виде размещенного внутри корпуса змеевика, соосного корпусу и оребренного двуслойной сеткой таким образом, что слои сетки прикреплены двум соседним виткам змеевика с образованием ограниченной сеткой винтовой полости для прохода откачиваемого газа с шагом, равном шагу змеевика, и толщиной слоя адсорбента между соседними сетками оребрения в пределах 2 5 характерных размеров гранул адсорбента, при этом диаметр оребрения змеевика (df) и зазор между слоями адсорбента (δ) выбраны из следующих соотношений:

где
d_b внутренний диаметр корпуса, м;
d_f диаметр оребрения, м;
Δ толщина слоя адсорбента между соседними сетками оребрения, м;
d зазор между слоями адсорбента, м;
d_s внутренний диаметр навивки змеевика, м;
t = Δ + δ шаг навивки змеевика, м;
L длина корпуса насоса, м.

Благодаря такому исполнению обеспечивается легкий доступ газа к адсорбенту, более эффективное (двустороннее в слое) охлаждение адсорбента и более полное использование объема насоса за счет сокращения мертвого объема, что, соответственно, способствует повышению скорости откачки и увеличению сорбционной емкости насоса. Кроме того, насос конструктивно прост и технологичен в изготовлении.

На чертеже представлена конструкция адсорбционного насоса.

Адсорбционный насос содержит цилиндрический корпус 1 с внутренним диаметром d_b и длиной L, адсорбент 2, трубопровод откачки 3, соединенный с откачиваемым объектом (на чертеже не показан), и систему 4 охлаждения адсорбента 2, выполненную из теплопроводного материала и состоящую из соосно размещенного внутри корпуса 1 змеевика 5, который служит для подачи хладагента 6.

Змеевик 5 навит с шагом t при внутреннем диаметре навивки d_s, равном диаметру трубопровода откачки 3, и оребрен двуслойной (замкнутой у вершины) сеткой 7 с диаметром оребрения d_f.

Оребрение осуществлено таким образом, что слои 8, 9 и 10, 11 сетки 7 прикреплены у основания с тепловым контактом к парам соседних витков 12, 13 и 13, 14, соответственно, змеевика 5 с образованием ограниченной сеткой 7 винтовой полости 15 с шагом, равным шагу t навивки змеевика 5.

Образуемая сеткой 7 винтовая полость 15 открыта на трубопровод откачки 3.

На корпус 1 насоса установлен нагреватель 16, служащий для регенерации адсорбента.

Пространство внутри корпуса 1, ограниченное системой охлаждения 4, заполнено адсорбентом 2, при этом адсорбент 2 образует между удерживающими его сетками (например, 9 и 10) плоский винтовой слой толщиной D Для достижения максимальной скорости откачки толщина слоя D должна быть выбрана по возможности малой при этом минимальны перепады давления откачиваемого газа и температуры адсорбента внутри слоя и на его поверхности, с которой происходят подача газа и отвод на его теплоты адсорбции. Естественным ограничением величины D является размер гранул адсорбента. Так, при выборе D менее 2 характерных размеров гранул адсорбента засыпка слоя может оказаться неполной, что приведет к увеличению мертвого объема сорбционной емкости насоса. Выбранный нами верхний предел D (5 характерных размеров гранул) гарантирует эффективную засыпку слоя; превышение этого предела приведет к увеличению перепадов давления газа и температуры адсорбента в пределах одного слоя, что понизит удельную скорость откачки и скорость откачки насоса в целом.

Аналогичным образом, для эффективной работы адсорбента, находящегося вблизи внутренней стенки корпуса 1 насоса, диаметр оребрения d_f змеевика 5 двуслойной сеткой 7 выбран из условия:
db-Δ ≤ df ≤ db.
В этом случае максимальное расстояние от любой гранулы адсорбента 2 до канала подачи откачиваемого газа )и до системы охлаждения 4) не будет превышать Δ/2
Канал для подвода откачиваемого газа (внутренний объем винтовой полости 15) составлен внутренней полостью змеевика 5 и плоским винтовым зазором δ обеспечиваемым двуслойной сеткой 7 (например, между сетками 8 и 9, 10 и 11, и т.д.). В целях сокращения мертвого объема насоса (и, соответственно, увеличения его сорбционной емкости) ширина зазора d выбрана на минимальном уровне, обеспечивающем допустимое гидравлическое сопротивление потоку газа, проходящего через зазор к адсорбенту 2. Для вязкостного режима газа, реализующегося в большинстве рефрижераторов криосорбционной откачки рабочего тела, ширина зазора d должна быть выбрана вблизи верхнего предела заданного для d соотношения:

при этом полное гидравлическое сопротивление зазора не превысит гидравлического сопротивления центрального канала змеевика 5. В случае, когда насос предназначается для получения высокого вакуума (молекулярный режим течения), пропускная способность зазора будет в основном определяться площадью его входного сечения. При этом δ выбирается на нижнем пределе указанного диапазона:

Адсорбционный насос работает следующим образом.

После подсоединения насоса к откачиваемому объекту (на чертеже не показан) через трубопровод откачки 3 и подачи хладагента 6 в змеевик 5 происходит процесс захолаживания адсорбента 2 через сетку 7 оребрения, вызывающий понижение температуры и давления в полости насоса. Под действием перепада давления откачиваемый газ поступает из откачиваемого объекта по трубопроводу откачки 3 в винтовую полость 15 насоса, распределяется по щелевым зазорам между сетками 7 оребрения по всему объему насоса и проходит через сетки 7 в рабочий объем, заполненный адсорбентом 2, где происходит его поглощение (адсорбция) адсорбентом. Выделяющаяся в адсорбенте теплота адсорбции отводится от адсорбента системой охлаждения 4 к хладагенту 6 и уносится его потоком.

Действие насоса приводит либо к непрерывному понижению давления и достижению глубокого вакуума в откачиваемом объекте, либо (в случае криосорбционной откачки рабочего тела в рефрижераторных системах) к установлению постоянного потока газа из откачиваемого объекта, скорость и давление которого зависят от конкретных характеристик рефрижераторной системы и ее рабочего тела, гидравлического сопротивления откачных коммуникаций и конструктивных параметров насоса.

Время работы насоса в указанном режиме непрерывной откачки газа ограничивается его полной адсорбционной емкостью (по данному газу) и скоростью откачки.

В случае насыщения адсорбента проводят регенерацию насоса с помощью нагревателя 16, удаляя десорбирующийся из адсорбента газ. Цикл откачки может повторяться многократно.

Для полного представления сущности изобретения предлагаем к рассмотрению пример конкретного выполнения предлагаемого адсорбционного насоса.

Рассчитываемый насос имеет диаметр корпуса d_b 49 мм и длину L 105 мм (габариты определены общей компоновкой откачной системы) и предназначен для откачки паров рабочего тела в рефрижераторе испарения ³He с холодопроизводительностью 2 мВт на температурном уровне 0,4 К. В соответствии с заданными характеристиками, диаметр трубопровода откачки, находящегося при температуре 4,2 К, должен составлять 14 мм: d_s 14 мм.

В качестве адсорбента используется активированный уголь СКТ-4 в гранулах диаметром 1,5 мм (длиной 3 5 мм). Толщина слоя адсорбента Δ выбирается равной 3 диаметрам гранул, т.е. D4,5 мм.

Змеевик системы охлаждения адсорбента наматывается на стержне диаметром 14 мм из медной трубки исходным диаметром 4 мм, деформирующейся при навивке в овал высотой 4,5 мм вдоль оси навивки. Толщина медной сетки оребрения выбирается равной 0,5 мм для обеспечения необходимой жесткости винтовой полости. Внешний диаметр оребрения d_f выбирается в пределах, заданных соотношением
d_b D ≤d_f≤d_b: d_f= 45 мм.

Наконец, ширина зазора d между слоями адсорбента определится из соотношения: где шаг винтовой спирали t равен сумме Δ, δ и удвоенной толщины сетки оребрения. Это даст d 1,5 мм и t 7 мм.

Адсорбционный насос с приведенными параметрами был изготовлен и испытан в рефрижераторе испарения ³He. Скорость откачки насоса оказалась близка к рассчетной. Полная масса адсорбента в насос составили в данной конструкции 60 г, что соответствует адсорбционной емкости по ³He равной 3 г. Такое количество адсорбента обеспечивает работу рефрижератора в указанном выше режиме в течение 3 часов без регенерации насоса.

Основными преимуществами предлагаемой конструкции, улучшающими эксплуатационные характеристики адсорбционного насоса, являются:
равномерное двустороннее охлаждение адсорбента в каждом слое;
легкий доступ газа к адсорбенту за счет наличия зазоров с обеих сторон каждого слоя адсорбента и малой толщины D этого слоя;
увеличение сорбционной емкости насоса за счет эффективного использования его объема;
простота и технологичность конструкции;
простота сборки насоса и смены адсорбента.

Использование: в вакуумной и криогенной технике и может быть использован во многих областях науки и техники для получения глубокого вакуума, а также в криогенной технике для криосорбционной откачки рабочего тела, в частности для откачки ³He в рефрижераторах растворения. Сущность изобретения: система охлаждения адсорбента разделяет внутреннее пространство насоса на две смежные винтовые полости, одна из которых сообщена с трубопроводом откачки и служит для привода откачиваемого газа, а вторая заполнена адсорбентом. Этим обеспечивается эффективное двустороннее охлаждение адсорбента и малые гидравлические потери за счет наличия газовых зазоров с обеих сторон слоя адсорбента. Такая конструкция системы охлаждения в сочетании с малой толщиной слоя адсорбента позволяет значительно повысить скорость откачки насоса и увеличить его сорбционную емкость за счет эффективного использования объема насоса. 1 ил.

Адсорбционный насос, содержащий цилиндрический корпус с расположенным в нем между корпусом и сеткой адсорбентом, трубопровод откачки и систему охлаждения адсорбента, отличающийся тем, что система охлаждения адсорбента выполнена из теплопроводного материала в виде размещенного внутри корпуса змеевика, соосного корпусу и оребренного двуслойной сеткой таким образом, что слои сетки прикреплены к двум соседним виткам змеевика с образованием ограниченной сеткой винтовой полости для прохода откачиваемого газа с шагом, равным шагу змеевика, и толщиной слоя адсорбента между соседними сетками оребрения в пределах 2 5 характерных размеров гранул адсорбента, при этом диаметр оребрения змеевика d_f и зазор δ между слоями адсорбента выбраны из следующих соотношений:
d_в-Δ ≤ d_f≤ d_в;

где d_в внутренний диаметр корпуса, м;
d_f диаметр оребрения, м;
Δ - толщина слоя адсорбента между соседними сетками оребрения, м;
δ - зазор между слоями адсорбента, м;
d_s-внутренний диаметр навивки змеевика, м;
t = Δ + δ - шаг навивки змеевика, м;
L длина корпуса насоса, м.