АДСОРБЦИОННЫЙ НАСОС Российский патент 2003 года по МПК F04B37/02 

Изобретение относится к области криогенной техники, а более конкретно к устройству адсорбционных насосов, предназначенных для поддержания вакуума путем поглощения молекул газов из замкнутых объемов.

Известны адсорбционные насосы (см., например, Е.И.Микулин. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969), содержащие адсорбент, заключенный в перфорированную оболочку и закрепленный на холодной стенке криогенных устройств. Такие адсорбционные насосы выполняются в виде самостоятельных кассетных или капсульных устройств, пристыковываемых к охлаждаемой хладагентом стенке холодильной машины, аппарата или емкости. Адсорбент в известных устройствах недостаточно защищен от внешних теплопритоков и имеет малоэффективный нагрев при регенерации адсорбента в составе криогенного устройства, что отрицательно сказывается на его работоспособности.

Недостатками таких адсорбционных насосов является низкая эффективность работы из-за малоэффективной регенерации адсорбента.

Известен также адсорбционный насос (см., например, авторское свидетельство СССР 827835, МПК F 04 В 37/02, 1981), выбранный в качестве прототипа и содержащий теплоизолированную двустенную емкость, адсорбент, поджатый к поверхности внутренней стенки перфорированной оболочкой, и нагреватель. Адсорбент, например активированный древесный уголь, размещен в межстенной полости с обеспечением теплового контакта с внешней поверхностью внутренней стенки емкости и имеет охлаждение за счет контакта с охлаждаемым экраном и с внутренней стенкой емкости, заполненной криогенным продуктом, например жидким азотом.

Адсорбент в данном насосе имеет малоэффективную регенерацию, проводимую посредством прокачки нагретого воздуха через внутреннюю полость емкости и экран. При такой регенерации адсорбента осуществляется длительный процесс разогрева всей конструкции насоса (кроме наружной стенки емкости) до заданной температуры нагрева адсорбента, порядка 130^oС, которая отрицательно сказывается на качестве теплоизоляции, например экранно-вакуумной теплоизоляции, размещенной в межстенной полости емкости. Кроме того, такой вид регенерации требует дополнительных затрат на создание специальных печей для нагрева воздуха и пристыковочных магистралей с регулировочной арматурой, а также повышенный расход тепловой (электрической) энергии.

Недостатками известного адсорбционного насоса являются низкие откачные характеристики насоса из-за малоэффективной регенерации адсорбента и ухудшения качества теплоизоляции при проведении регенерации адсорбента.

Задачей настоящего изобретения является создание адсорбционного насоса, который обладал бы повышенными откачными характеристиками за счет улучшения эффективности регенерации и сохранения качества теплоизоляции при регенерации адсорбента.

Задача решается тем, что в адсорбционном насосе, содержащем теплоизолированную двустенную емкость, адсорбент, поджатый перфорированной оболочкой, и нагреватель, оболочка выполнена упругой гофрированной, на поверхности внутренней стенки нанесен слой электроизоляционного материала с высоким термическим сопротивлением, а нагреватель выполнен в виде токопроводящей пленки, нанесенной на электроизолирующий слой.

Результат достигается тем, что нагреватель выполнен в виде токопроводящей пленки, нанесенной на электроизоляционный слой, обладающий высоким термосопротивлением, который нанесен на поверхность внутренней стенки емкости, при этом токопроводящая пленка имеет непосредственный контакт с адсорбентом, поджатым упругой гофрированной оболочкой к внутренней стенке (к пленке), что значительно снижает инерционность нагрева адсорбента, сокращает время регенерации и сохраняет качество теплоизоляции за счет исключения ее нагрева до температуры регенерации адсорбента.

Технический результат в части выполнения оболочки упругой и гофрированной, нанесения слоя электроизоляционного материала на поверхности внутренней стенки и выполнения нагревателя в виде токопроводящей пленки, нанесенной на электроизолирующий слой, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов адсорбционного насоса обеспечивает повышение откачных характеристик за счет улучшения эффективности регенерации и сохранения качества теплоизоляции при регенерации адсорбента, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование устройства предлагаемого адсорбционного насоса для поддержания вакуума в замкнутых объемах, например в теплоизоляционных полостях криогенных емкостей при длительном хранении криогенных продуктов, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения повышения откачных характеристик путем улучшения эффективности регенерации и сохранения качества теплоизоляции при регенерации адсорбента.

Суть изобретения поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображено сечение предлагаемого адсорбционного насоса;
на фиг.2 - фрагмент оболочки.

Предлагаемый адсорбционный насос состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированной двустенной емкости 1, адсорбента 2, поджатого к поверхности 3 внутренней стенки 4 перфорированной оболочкой 5, и нагревателя 6.

Оболочка 5 выполнена упругой и гофрированной, на поверхности 3 внутренней стенки 4 нанесен слой электроизоляционного материала 7 с высоким термическим сопротивлением, например двуокиси алюминия, а нагреватель 6 выполнен в виде токопроводящей пленки 8, нанесенной на электроизолирующий слой 7. Токопроводящая пленка 8 выполнена, например, из угольной ткани или в виде напыления нихромовой стали.

Адсорбционный насос снабжен клапаном вакуумирования 9, сообщенным с межстенной полостью 10, и трубопроводами заправки 11 и дренажа 12, сообщенными с внутренней полостью 13 емкости 1. В межстенной полости 10 емкости 1 размещена экранно-вакуумная теплоизоляция 14, в качестве которой применяют, например, экранно-вакуумную теплоизоляцию ЭВТИ-213, состоящую из чередующихся слоев отражающего и прокладочного материалов. В качестве отражающего слоя используют полиэтилентерефталатную пленку, алюминизированную с двух сторон, а в качестве прокладочного слоя используют стекловуаль или стеклобумагу (стеклокартон). В качестве адсорбента 2 применяют, например, цеолит Са Е-4ВС.

Работает адсорбционный насос следующим образом. Хладагент, например жидкий азот, заправляют посредством трубопровода заправки 11 во внутреннюю полость 13 емкости 1, в результате чего первоначально происходит захолаживание адсорбционного насоса с последующим заполнением внутренней полости 13 до заданного уровня. Испаряющийся азот отводят через трубопровод дренажа 12. Адсорбент 2, размещенный на внутренней стенке 4, при охлаждении включается в работу и, охлаждаясь до температуры жидкого азота, поглощает молекулы газов из межстенной полости 10 и тем самым повышает и поддерживает вакуум порядка 1•10^-4 мм рт.ст. и выше в межстенной полости 10, в которой размещена теплоизоляция 14, эффективно работающая при вакууме порядка 1•10^-4 мм рт.ст. В процессе длительной работы адсорбент 2 насыщается молекулами поглощаемого газа и его поглощающая способность ухудшается. Для восстановления эффективной работы адсорбционного насоса периодически производят регенерацию адсорбента 2, для чего в освобожденном от жидкого азота адсорбционном насосе включают нагреватель 6, одновременно производят вакуумирование межстенной полости 10 через клапан вакуумирования 9 посредством, например, вакуумного механического насоса, пристыковываемого к клапану вакуумирования 9. В процессе регенерации адсорбента 2 он нагревается нагревателем 6, выполненным в виде токопроводящей пленки, которая непосредственно контактирует с адсорбентом 2 и нагревает его до заданной температуры регенерации адсорбента 2, достигающей порядка 130^oС, при этом слой двуокиси алюминия в сочетании с электроизоляционными свойствами обладает высоким термическим сопротивлением и является защитой от утечек тепла на внутреннюю стенку 4, что сокращает время и расход электроэнергии на нагрев адсорбента 2, а также предохраняет от нагрева до температуры 130^oС теплоизоляцию 14, которая размещена в межстенной полости 10 и имеет соприкосновение с внутренней стенкой 4.

По окончании регенерации адсорбента 2 отключают нагреватель 6, клапан вакуумирования 9 закрывают и отстыковывают вакуумный насос.

Выполнение оболочки 5 упругой и гофрированной позволяет обеспечить облегание и гарантированный поджим гранул цеолита (адсорбента 2) непосредственно к нагревателю 6, выполненному в виде токопроводящей пленки 8, что значительно увеличивает тепловой контакт, что необходимо для сокращения времени нагрева адсорбента 2.

Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение адсорбционного насоса обеспечивает использование тепла от нагревателя 2 в основном только на нагрев гранул цеолита (адсорбента 6), контактирующего непосредственно с нагревателем 2, что создает оптимальные условия для высокоэффективной регенерации адсорбента 6, позволяющей обеспечить повышение откачных характеристик адсорбционного насоса и выполнить поставленную задачу.

Изобретение предназначено для использования в области криогенной техники для поддержания вакуума путем поглощения молекул газов из замкнутых объемов. Насос содержит теплоизолированную двустенную емкость. Адсорбент поджат к поверхности внутренней стенки перфорированной оболочкой. Оболочка выполнена упругой и гофрированной. На поверхности внутренней стенки нанесен слой электроизоляционного материала с высоким термическим сопротивлением. Нагреватель выполнен в виде токопроводящей пленки, нанесенной на электроизолирующий слой. Повышаются откачные характеристики. 2 ил.

Адсорбционный насос, содержащий теплоизолированную двустенную емкость, адсорбент, поджатый к поверхности внутренней стенки перфорированной оболочкой, и нагреватель, отличающийся тем, что оболочка выполнена упругой и гофрированной, на поверхности внутренней стенки нанесен слой электроизоляционного материала с высоким термическим сопротивлением, а нагреватель выполнен в виде токопроводящей пленки, нанесенной на электроизолирующий слой.