КРИОГЕННЫЙ КОНДЕНСАЦИОННЫЙ НАСОС Российский патент 1999 года по МПК F04B37/08 

Изобретение относится к экспериментальному оборудованию, в частности к насосам для откачки газа из вакуумных камер и аэродинамических труб.

Криогенные насосы являются практически единственным средством откачки, при работе которых достигаются давления ниже 10^-5 Па и не выделяются какие-либо загрязнения в откачиваемый объем.

Из всех видов криогенных насосов в настоящее время наиболее распространены конденсационные и адсорбционные насосы. Действие криогенных насосов основано на физических явлениях, происходящих при низких температурах: конденсации газов на охлаждаемых металлических поверхностях (конденсационные насосы); адсорбции газов на твердых охлажденных сорбентах (адсорбционные насосы). Криогенные конденсационные насосы (ККН) способны выдерживать более высокие удельные газовые нагрузки по сравнению с адсорбционными насосами, так как в отличие от последних конденсация осуществляется в том числе и на сконденсированном на поверхности криопанели твердом осадке.

Известен криогенный конденсационный насос, включающий корпус, теплозащитный экран, систему охлаждения, криопанель (см."Вакуумная техника. Справочник". под ред. Е.С.Фролова и В.В.Минайчева, 2-ое изд., М., Машиностроение, 1992).

Недостатком этого насоса является малая поверхность контакта криопанели с откачиваемым газом и соответственно низкая производительность, обусловленная наличием единственной пластины криопанели.

Наиболее близким из известных технических решений является криогенный конденсационный насос, установленный в аэродинамической трубе (АДТ), включающий корпус (совмещен с корпусом камеры АДТ), теплозащитный экран, систему охлаждения, криопанель в виде пакета пластин (см. В.А.Жохов, В.Г.Кехваянц, Б. В. Прусов, С. С. Сидоров. "Аэродинамическая труба", авт.свидетельство N 1803758).

Недостатком указанного насоса является то, что пластины криопанели выполнены из компактного металла, что уменьшает поверхность контакта откачиваемого газа с криопанелью.

Задачей изобретения является повышение производительности криогенного конденсационного насоса.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение эффективности площади криопанели при неизменных ее габаритных размерах.

Указанный технический результат достигается тем, что в криогенном конденсационном насосе, содержащем корпус, теплозащитный экран, систему охлаждения, криопанель в виде пакета пластин, пластины выполнены из пористого металла с открытой системой пор, причем полости между пластинами соединены друг с другом и с откачиваемым объемом трубками из пористого металла.

На чертеже показана принципиальная схема криогенного конденсационного насоса, размещенного в АДТ, где по сравнению с вакуумной камерой более напряженные по газовой нагрузке режима работы ККН.

Криогенный конденсационный насос содержит корпус 1 (в данном случае совпадает с корпусом камеры АДТ), теплозащитный экран 2, систему охлаждения 3, криопанель 4, состоящую из пакета пластин 5 пористого металла с открытой системой пор, трубки из пористого металла 6, соединяющие полости между пластинами друг с другом и с откачиваемым объемом. Пора считается открытой, если она сообщается с поверхностями пористого тела и проницаема для газа и жидкости при наличии градиента давления на пористом теле. Кроме того, на рисунке показаны элементы АДТ: система подачи газа 7, сопло 8, модель 9, вакуумный насос 10 для предварительной откачки камеры АДТ.

Работа криогенного конденсационного насоса в АДТ осуществляется следующим образом. После предварительной откачки камеры АДТ вакуумным насосом 10, охлаждают теплозащитный экран 2 и криопанель 4 с помощью системы охлаждения 3, которая может быть заливной, испарительной или с автономными ожижительными установками и с газовыми холодильными машинами. По достижению необходимой температуры теплозащитного экрана и криопанели с помощью системы подачи газа 7 через сопло 8 осуществляют напуск газа на исследуемую модель 9. Выходящий из сопла газ натекает на первую пластину криопанели 4 и через открытые поры пластин 5 и пористые трубки 6 перетекает в полости между пластинами и конденсируется на поверхностях пластин и в каналах пор.

Удельная поверхность (отношение суммарной поверхности тела к его массе) пористого металла, полученного методами порошковой металлургии составляет порядка 0,05 - 1 м²/г (см. Е. Л.Шведков, Э.Т.Денисенко, Н.Н.Ковенский. "Словарь - справочник по порошковой металлургии", Киев, 1982 и С.В.Белов. "Пористые металлы в машиностроении", М., 1976). Для пластин из компактных металлов, используемых в качестве криопанели, эта величина порядка 10^-4 м²/г.

Использование пористого металла в качестве материала пластин криопанели позволяет увеличить эффективную площадь по сравнению с вариантом пластин из компактного металла.

Поскольку криогенные конденсационные насосы относятся к группе насосов поверхностного действия, их производительность пропорциональна эффективной площади контакта откачиваемого газа с криопанелью.

Следовательно ККН с криопанелью из пористого металла могут обладать первоначальной производительностью заметно превосходящей производительность ККН с криопанелью из компактного металла. По мере нарастания слоя конденсата в каналах пор производительность насоса будет уменьшаться и в пределе при закрытии каналов пор будет приближаться к производительности ККН с компактным металлом.

Число пористых пластин криопанели зависит от газовой нагрузки на ККН, мощности системы охлаждения и определяется габаритными размерами камеры.

Тепловое излучение от стенок насоса на криопанель составляет часть теплопритока, соизмеримую с тепловой конденсации. Поэтому при наличии криопанели в виде пакета пластин они выполняют кроме всего прочего и роль дополнительных теплозащитных экранов, снижая тепловые нагрузки на внутренние пластины.

Для криопанелей обычно выбираются материалы с высокими коэффициентами теплопроводности: медь, алюминий, сплавы на их основе и другие металлы.

Насос относится к экспериментальному оборудованию, в частности к насосам для откачки газа из вакуумных камер и аэродинамических труб. Криогенную панель конденсационного насоса выполняют в виде пакета пластин из пористого металла с открытой системой пор. Полости между пластинами соединяют друг с другом и с откачиваемым объемом трубками из пористого металла. Такое выполнение позволяет увеличить производительность криогенного конденсационного насоса за счет увеличения эффективной площади криопанели при неизменных ее габаритных размерах. 1 ил.

Криогенный конденсационный насос, включающий корпус, теплозащитный экран, систему охлаждения, криопанель в виде пакета пластин, отличающийся тем, что пластины выполнены из пористого металла с открытой системой пор, причем полости между пластинами соединены друг с другом и с откачиваемым объемом трубками из пористого металла.