ВАКУУМНАЯ КРИОАДСОРБЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ХИМИЧЕСКОГО КИСЛОРОД-ЙОДНОГО ЛАЗЕРА Российский патент 2004 года по МПК F04B37/02 

Изобретение относится к вакуумной технике и предназначено для полного откачивания и очистки выхлопа мощного химического кислород-йодного лазера (ХКЙЛ).

Известны вакуумные системы (криоадсорбционные насосы) для полной откачки и очистки среды (газов, воздуха) из замкнутых рабочих объемов, содержащие следующие основные элементы: криогенное откачивающее устройство, состоящее из конденсационной и криоадсорбционной ступеней, размещенных в теплоизолированном корпусе. Конденсационная ступень выполнена в виде охлаждаемой кольцевой емкости, в которую откачиваемая среда попадает вначале процесса откачки, где охлаждается и вымораживаются пары воды. Затем откачиваемая среда поступает в предварительно охлажденную криоагентом до требуемой температуры криоадсорбционную ступень, содержащую емкость с криоагентом и криоадсорбционную кассету, размещенную с возможностью взаимодействия криоадсорбционных элементов кассеты с криоагентом посредством образованных каналов (теплопроводов). Криоадсорбционные элементы образованы высокотеплопроводными экранами (например, сетками из оксида алюминия, меди), между которыми, например, на радиальных дисках, дистанцированных втулками и установленных на вертикальных стойках, размещен адсорбент (цеолит, смесь цеолита с медным порошком, углеродное полотно или уголь и т.п.). А также вакуумные системы содержат дополнительные вакуумные насосы, магистрали трубопроводов, вентили (клапаны), устройства регенерации и управления. (см., например, авторские свидетельства СССР №№ 1682628, 1698482, 1698481, 1652652, 1753032, 1831584, МПК F 04 B 37/02; патенты США №№ 5014517, 5005363, 4979369, НКИ 372/89).

Общим недостатком рассмотренных вакуумных криоадсорбционных систем является невозможность их использования для мощных ХКЙЛ.

Известна также вакуумная криоадсорбционная система для ХКЙЛ, содержащая, соединенную с выходом лазера конденсационную ступень (камеру предварительного охлаждения и вымораживания паров воды) в виде теплообменника, соединенного с входом криоадсорбционного насоса (криоадсорбционная ступень), оба соединенные в свою очередь с источником криоагента (резервуаром), а также соединены с дополнительными вакуумными насосами, устройствами регенерации и управления; все соединяющие магистрали трубопроводов снабжены вентилями. Криоадсорбционный насос представляет собой герметичный теплоизолированный корпус с входным патрубком и патрубками коллекторов подвода криоагента и отвода его паров. В корпусе коаксиально и дистанцированно размещено N идентичных радиальных криопанелей, образующих осевой канал для поступления откачиваемой среды из теплообменника. Криопанель образована двумя пористыми газопроницаемыми экранами (металлическая сетка, например, из меди), между которыми размещен адсорбент (гранулированный цеолит). Каждая криопанель снабжена радиальной теплосъемной трубкой, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров. Регенерация криоадсорбционного насоса осуществляется введением электронагревателей в сквозные каналы, специально образованные соосными отверстиями во всех идентичных радиальных криопанелях (см. патент США № 6154478, НКИ 372/89, 1998 г.).

Однако рассмотренная вакуумная криоадсорбционная система для ХКИЛ обладает недостаточным быстродействием при откачке выхлопа мощных лазеров. Кроме этого, введение электронагревателей для регенерации насоса усложняет конструкцию насоса.

Задачи изобретения - повышение быстродействия при откачке выхлопа мощных лазеров ХКЙЛ за счет значительного увеличения площади криопанелей, а следовательно, увеличения поверхности контакта адсорбента с криопанелями, и за счет увеличения теплопроводности адсорбента добавлением в него высокотеплопроводной медной стружки, а также повышение степени очистки выхлопа путем создания дополнительных конденсационных поверхностей на каждой радиальной криопанели и введения конденсационного экрана, установленного на входе в полости насоса. Кроме того, упрощается конструкция насоса за счет использования для захолаживания и регенерации одних и тех же коллекторов и теплосъемных трубок.

Поставленные задачи достигаются тем, что в вакуумной криоадсорбционной системе для ХКЙЛ, содержащей камеру предварительного охлаждения выхлопа и вымораживания из него паров воды, соединенную с выходом лазера и входом, как минимум, одного криоадсорбционного насоса, соединенные также с источником криоагента, дополнительными вакуумными насосами, устройством регенерации и устройством управления; соединяющие магистрали снабжены вентилями; при этом криоадсорбционный насос представляет собой герметичный теплоизолированый корпус с входным патрубком и патрубками коллекторов подвода криоагента и отвода его паров, в котором коаксиально и дистанцированно размещено N идентичных радиальных криопанелей, образующих осевой канал для поступления выхлопа; каждая криопанель образована пористыми газопроницаемыми экранами, например сетками из высокотеплопроводного материала, с размещенными между ними адсорбентом и радиальной теплосъемной трубкой, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров, предлагается: криоадсорбционный насос снабдить дополнительной, в форме стакана, прилегающего к корпусу, криопанелью, образованной внешнеизолированным высокотеплопроводным материалом с дугами теплосъемных трубок внутри, оребрением и размещенным между ребрами адсорбентом, закрепленным сеткой, при этом дуги теплосъемных трубок соединить со своими коллекторами подвода криоагента и отвода его паров; каждую радиальную криопанель дополнительно снабдить кольцевой пластиной из высокотеплопроводного материала, при этом 4/5 от внешнего края ее радиальной поверхности - криоадсорбционную часть снабдить двухсторонними радиальными ребрами и кольцевыми бортиками, между которыми разместить адсорбент в виде смеси из гранул цеолита и стружки высокотеплопроводного материала, например меди;

радиальную теплосъемную трубку разместить внутри пластины, тогда оставшаяся 1/5 радиальной поверхности пластины - конденсационная часть;

на входе криоадсорбционного насоса установить конденсационный экран. Экран можно выполнить, например, в виде кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала с двухсторонним оребрением, радиальной теплосъемной трубкой внутри соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров и делением поверхности радиальной пластины на криоадсорбционную и конденсационую части, или экран можно выполнить в виде кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала с радиальной теплосъемной трубкой внутри соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров.

На фиг. 1 представлена общая структурная схема вакуумной криоадсорбционной системы для химических кислород-йодных лазеров. На фиг. 2 - конструкция радиальной криопанели. На фиг.3 - разрез А-А фиг.2. На фиг. 4 - общий вид конструкции криоадсорбционного насоса. На фиг. 5 - элементы конструкции дополнительной криопанели в форме стакана. На фиг.6 - разрез А-А фиг.5. На фиг.7 - разрез В-В фиг.5. На фиг. 8 - конструкция экрана (вариант).

Вакуумная криоадсорбционная система для ХКЙЛ (фиг.1) содержит камеру 1 предварительного охлаждения выхлопа и вымораживания в нем паров воды, соединенную с выходом лазера и параллельно - с 4-мя криоадсорбционными насосами 2, соединенные также с источником 3 криоагента (резервуаром) и дополнительными вакуумными насосами 4, 5 с фильтром 6; электропечь 7, испаритель 8 подъема давления в резервуаре 3 и устройство управления (не показано). Количество криоадсорбционных насосов в системе зависит от мощности и длительности работы ХКЙЛ. Соединяющие магистрали 9 снабжены вентилями 10. Криоадсорбционный насос 2 (фиг.4) имеет герметичный теплоизолированный корпус 11 с входным патрубком 12 и патрубками 13, 14 коллекторов для подвода криоагента к криопанелям 15 и отвода его паров. Криопанели 15 сформированы в виде кассеты, состоящей из N идентичных радиальной формы криопанелей 15, коаксиально и дистанцированно размещенных в корпусе 11 насоса и образующих осевой канал для поступления откачиваемой среды. Каждая радиальная криопанель 15 (фиг.2) образована двумя соединенными между собой полукольцевыми пластинами 16 из высокотеплопроводного материала, причем 4/5 от внешнего края ее радиальной поверхности - криоадсорбционная часть снабжена двухсторонними радиальными ребрами 17 с кольцевыми бортиками 18, 19. Между ребрами 17 размещен адсорбент 20 в виде смеси из гранулированного цеолита и, например, медной стружки. Оставшаяся 1/5 часть 21 радиальной поверхности не имеет оребрения и выполняет функцию дополнительной конденсации выхлопа. Радиальная теплосъемная трубка 22 размещена внутри пластин 16. С обеих сторон радиальные криопанели 15 закрыты приваренными пористыми газопроницаемыми экранами 23, например сетками из медной проволоки. Радиальная теплосъемная трубка 22 каждой криопанели 15 соединена с коллекторами 13, 14 подвода криоагента и отвода его паров. Криоадсорбционный насос 2 снабжен (фиг.5) также дополнительной, в форме стакана, прилегающего к корпусу 11, криопанелью 24, образованной внешнеизолированным высокотеплопроводным материалом с оребрением 25 и размещенными внутри стенок дополнительной криопанели 24 дугами теплосъемных трубок 26, а между ребрами 25 - адсорбентом 27, состоящим из гранул цеолита и стружки высокотеплопроводного материала, например меди. Дополнительная криопанель 24 также закрыта приваренной сеткой 28, выполненной из высокотеплопроводного материала. Каждая дуга теплосъемной трубки 26 соединена с коллекторами 29, 30 предназначенными для подвода криоагента к дополнительной криопанели 24 и отвода его паров. На входе в криоадсорбционном насосе 2 установлен экран 31, являющийся дополнительной конденсационной ступенью для входящего газового потока. Экран 31 (фиг.8) представляет собой, например, радиальную пластину с двухсторонним оребрением и кольцевыми бортиками на 4/5 поверхности от внешнего края и теплосъемной радиальной трубкой внутри, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров.

Вакуумная криоадсорбционная система для ХКЙЛ работает следующим образом.

До начала откачки выхлопа ХКЙЛ оператор (фиг.1) подготавливает вакуумную систему к работе. Для подачи жидкого азота на криопанели 15 и 24 закрывается вентиль газосброса резервуара 3 и открывается вентиль подачи жидкого азота в испаритель 8 подъема давления. Соответствующие вентили магистралей подачи жидкого азота в камеру 1 предварительного охлаждения выхлопа и вымораживания паров воды и в каждую криопанель 15 и 24 каждого насоса должны быть закрыты. После достижения давления в резервуаре до Р=(0,4-0,5) атм. их постепенно открывают. Расход жидкого азота контролируется по показаниям термометров, установленных в магистралях подачи. Криопанели 15 и 24 охлаждаются жидким азотом кипящим в теплосъемных трубках 22, 26 до рабочей температуры Т=80К. Для захолаживания камеры 1 открывается соответствующий вентиль магистрали, соединяющий ее с источником 3 криоагента. Система подготовлена к работе. Во время откачки выхлоп сначала поступает в камеру 1, а затем холодный газ поступает в криоадсорбционный насос 2, где происходит интенсивное поглощение газа адсорбентом криопанелей 15 и 24 и его дополнительное конденсирование экраном 31 и поверхностями 21 радиальных криопанелей 15. Интенсивность поглощения и очистки газа выхлопа увеличена за счет увеличения площади контакта криопанелей с адсорбентом, а также за счет увеличения количества адсорбента и дополнительной конденсации. Таким образом быстродействие системы увеличилось. После насыщения адсорбента газом подача жидкого азота в криопанели 15, 24 прекращается. Криоадсорбционный насос 2 может быть регенерирован. Через соответствующие вентили оператор подает нагретый электропечью 7 газ до Т= 250-300⁰С, через те же коллекторы 13, 14, 29, 30, радиальные и дуговые теплосъемные трубки 22, 26, по которым подавался жидкий азот для криопанелей 15, 24 насоса. Нагретый газ (азот) размораживает криопанели 15 и 24 насосов и уходит в атмосферу. Регенгерация считается законченной, когда температура газа на выходе из криопанелей 15, 24, будет T₁=T₂=200°С. После этого электропечь 7 отключается и продолжают продувать криопанели 15, 24 газом с Т=20°С для их охлаждения до T₁=T₂=30°С. При этом адсорбированные ранее газы из полости насоса 2 высвобождаются и при помощи дополнительных насосов 4, 5 с фильтрами 6 сбрасываются в атмосферу в виде чистого воздуха с давлением ниже атмосферного и с соответствующей температурой. Регенерация камеры 1 предварительного охлаждения и вымораживания осуществляется таким же образом.

Устройство предназначено для использования в вакуумной технике для полного откачивания и очистки выхлопа мощного химического кислород-йодного лазера (ХКЙЛ). Система содержит камеру предварительного охлаждения выхлопа и вымораживания из него паров воды, соединенную с выходом лазера и входом, как минимум, одного криоадсорбционного насоса, соединенные с источником криоагента дополнительными вакуумными насосами устройство регенерации и устройство управления. Соединяющие магистрали снабжены вентилями. Криоадсорбционный насос представляет собой герметичный теплоизолированый корпус с входным патрубком и патрубками коллекторов подвода криоагента и отвода его паров, в котором коаксиально и дистанцированно размещено N идентичных радиальных криопанелей, образующих осевой канал для поступления выхлопа. Каждая криопанель образована пористыми газопроницаемыми экранами, например сетками из высокотеплопроводного материала с размещенным между ними адсорбентом и радиальной теплосъемной трубкой, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров. Криоадсорбционный насос снабжен дополнительной, в форме стакана, прилегающего к корпусу, криопанелью, образованной внешне изолированным высокотеплопроводным материалом с дугами теплосъемных трубок внутри, оребрением и размещенным между ребрами адсорбентом, закрепленных сеткой и соединенных со своими коллекторами подвода криоагента и отвода его паров. Каждая радиальная криопанель дополнительно снабжена кольцевой пластиной из высокотеплопроводного материала. 4/5 от внешнего края ее радиальной поверхности - криоадсорбционная часть, снабжена двухсторонними радиальными ребрами с кольцевыми бортиками, между которыми размещен адсорбент в виде смеси из гранул цеолита и стружки высокотеплопроводного материала например меди. Радиальная теплосъемная трубка размещена внутри пластин. Остальная 1/5 часть поверхности - конденсационная. Вход криоадсорбционного насоса снабжен экраном. Радиальная криопанель может быть выполнена в виде радиальной кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала с двухсторонним оребрением, с делением или без него на конденсационную и/или криоадсорбционную части, и радиальной теплосъемной трубкой внутри, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров. Радиальная криопанель может быть выполнена в виде радиальной кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала с радиальной теплосъемной трубкой внутри, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров. Повышается быстродействие при откачке выхлопа мощных лазеров. Упрощается конструкция насоса за счет использования для захолаживания и регенерации одних и тех же коллекторов и теплосъемных трубок. 2 з.п. ф-лы., 8 ил.

1. Вакуумная криоадсорбционная система для химического кислород-йодного лазера, содержащая камеру предварительного охлаждения выхлопа и вымораживания из него паров воды, соединенную с выходом лазера и входом, как минимум, одного криоадсорбционного насоса, соединенные также с источником криоагента, дополнительными вакуумными насосами, устройством регенерации и устройством управления; соединяющие магистрали снабжены вентилями; криоадсорбционный насос представляет собой герметичный теплоизолированый корпус с входным патрубком и патрубками коллекторов подвода криоагента и отвода его паров, в котором коаксиально и дистанцированно размещено N идентичных радиальных криопанелей, образующих осевой канал для поступления выхлопа; каждая криопанель образована пористыми газопроницаемыми экранами, например, сетками из высокотеплопроводного материала с размещенным между ними адсорбентом и радиальной теплосъемной трубкой, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров, отличающаяся тем, что криоадсорбционный насос снабжен дополнительной, в форме стакана, прилегающего к корпусу, криопанелью, образованной внешне изолированным высокотеплопроводным материалом с дугами теплосъемных трубок внутри, оребрением и размещенным между ребрами адсорбентом, закрепленным сеткой, при этом дуги теплосъемных трубок соединены со своими коллекторами подвода криоагента и отвода его паров, каждая радиальная криопанель дополнительно снабжена кольцевой пластиной из высокотеплопроводного материала, причем 4/5 от внешнего края ее радиальной поверхности - криоадсорбционная часть, снабжена двухсторонними радиальными ребрами с кольцевыми бортиками, между которыми размещен адсорбент в виде смеси из гранул цеолита и стружки высокотеплопроводного материала, например, меди, радиальная теплосъемная трубка размещена внутри пластин, остальная 1/5 часть поверхности - конденсационная, а на входе криоадсорбционного насоса установлен экран.2. Вакуумная система по п.1, отличающаяся тем, что радиальная криопанель выполнена в виде радиальной кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала, состоящая из конденсационной и/или криоадсорбционной частей, с двухсторонним оребрением и радиальной теплосъемной трубкой внутри, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров.3. Вакуумная система по п.1, отличающаяся тем, что радиальная криопанель выполнена в виде радиальной кольцевой пластины из высокотеплопроводного материала с радиальной теплосъемной трубкой внутри, соединенной с коллекторами подвода криоагента и отвода его паров.