Криогенный двухступенчатый вакуумный насос Советский патент 1979 года по МПК F04B37/08 

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к криогенным насосам. Известен криогенный конденсационный вакуумный насос, содержащий корпус с размещенным в нем внутри охлаждаемого экрана откачивающим элементом в виде сосуда для жидкого гелия 11 К недостаткам этого насоса следует отнести большой расход жидкого гелия при откачке значительшлх количеств газа (для откачки одно го литра газообразного азота, приведенного к нормальным условиям, требуется 200 см жидкого гелия). Несколько меньшим расходом жидкого гелия для откачки больших количеств газа характеризуется криогенный двухступенчатый вакуумный насос, содержащий корпус с охлаждаемым экраном, форвакуумную ступень, включающую конденсатор в виде охлаждаемого стак на с поддоном для сбора жидкого конденсата, и высоковакуумпую ступень, откачиваюишй мент | оторой (п)1ен в виде сосуда с жидким хладагентом . Недостатком этого вакуумного насоса также является высокий расход жидкого гелия при откачке больших количеств газа (для откачки одного литра газообразного азота, приведенного к нормальным условиям, требуется 130 см жидкого гелия). Большой расход жидкого гелия обусловлен тем, что в таком насосе даже при конденсации высококипящих газов (азот, воздух и др.) практически используется только теплота испарения жидкого гелия, которая имеет малое значение (около 5 кал/г испаренной жидкости). Кроме того, много жидкого гелия расходуется на предварительное охлаждение гелиевого сосуда с камерой до рабочей температуры (4,2°К), а пары гелия, образующиеся при этом, не используются, что снижает экономичность насоса. Целью изобретения является уменьшение расхода хладагента на конденса1шю откачиваемого газа путем использования при работе форвакуумной ступени паров хладагента, образовавшихся при охлаждении до рабочей температуры откачивающего элемента высоковакуум}к й ступени. Это достигается тем, что преляоженный насос дополнительно содерл ит змеевик, имеющий тепловой контакт с поверхностью конденсатора и один конец змеевика герметично введен в сосуд, а другой - герметично выведен за пределы корпуса через вентиль, а форвакуумная с.тупень размещена над вьюоковакуумной и герметично отделена от нее перегородками. В корпусе могут быть дополнительно установлены стаканы, расположенные соосно образовани лабиринта, и конденсатор находится внутри пос леднего, а змеевик соединен с вентилем через трубопровод, имеющий тепловой контакт со стаканами. При охлаждении откачивающего элемента вы соковакуумной ступени, от комнатной темпера туры до рабочей, которое осуществляется в ос новном за счет испарения жидкого гелия, образуется количество пара, достаточное не только для охлаждения от комнатной температуры до рабочей конденсатора форвакуумной ступени; йо и для конденсации определенного количества откачиваемого газа, величина которого зависит от массы откачивающего элемента в.ь1соковакуумной ступени. В лабиринте, образовамном стаканами с прикрепленным к ним трубопроводом, осуществляется предварительно озслаждение откачиваемого газа до температуры близкой к температуре конденсации, что позволяет либо уменьшить размеры конденсато ра форвакуумной ступени при одинаковой про изводительности конденсатора, либо повысить массовую производительность форвакуумной ступени при одинаковых размерах конденсатора. На чертеже схематически изображен предложенный вакуумный насос. Насос содержит корпус 1 с охлаждаемым экраном 2, вьтолненным в виде кольцевой по лости между коаксиальными стенками 3, заполненной жидким азотом, форвакуумную ступень, включаюи ую конденсатор 4 в виде 6хлаждаел ого стакана с поддоном 5 для сбора жидкого конденсата и высоковакуумнутб ступень, откачивающий элемент которой выполнен в виде сосуда 6 с жидким хладагентом, например гелием. Насос также содержит змеевик 7, имеющий тепловой контакт с поверхностью конденсатора. 4. Один конец змеевика 7герметично введен в сосуд 6 через вентиль 8яри помоцда трубопровода 9, вькодной срез 10 которого расположен в зоне днища 11 сосуда 6. Другой конец змеевика 7 вьшеден за пределы корпуса 1 через вентиль 12. Форвакуумная ступень расположена над высоковакуумиой и герметично отделена от нее перегородками 13, прикрепленными к стенкв 3 охлаждаемого экрана. В корпусе 1 насоса уста1нг6влёШ1 ) .4 стак;и1 1 14, раЬположекные соосно обрягюванию лабиринта, конденсатор 4 расположен в этом лабиринте. Змеевик 7 соединен с вентилем 12 через трубопровод 15, имеющий теггловой контакт со стакат1ами 14. Конденсатор 4 с поддоном 5 снабжены соответственно трубками 16 и 17, которые объединены трубопроводом 18, соединяющим их с атмосферой. На свободном конце трубопровода 18 установлен рапорньш вентиль 19. Для залива жидкого хладагента, например гелия, сосуд 6 снабжен трубопроводом 20 с запорным вентилем 21, а для выхода паров хладагента - трубопроводом 22 с запорным вентилем 23. Для уменьшения теплоотвода к сосуду 6 по трубопроводу 9 за счет увеличения расстояния между холодными и теплыми частями при минимальном расстоянии между перегородкой 13 и сосудом 6 трубопровод 9 заключен в кожух 24, герметично соединенный с сосудом 6 и трубопроводом 9 и выполненный из материала с малой теплопроводностью, например нержавеющей стали. Доступ откачиваемого газа к поверхности сосуда 6 осуществляется чег рез отверстие в, охлаждаемом зкране 2, закрытое жаяюзийным зкраном 25, укрепленным в стенке 3 охдаждаемогб экрана. Для уменьшения радиационного теплоподвода к сосуду 6 для жидкого хладагента к нижнему торцу 26 охлаждаемого экрана 2 на тепловой контакт укреплено кольцо ,27, выполненное из хорошо теплопроводящего материала, например меди. Внутренний диаметр кольца 27 и его расстояние от экрана 25 выбраны такими, чтобы пропускная способность системы экран 25 - кольцо 27 не отличалась заметно от пропускной способности экрана 25. С откачиваемым об|.емом форвакуумная и высоковакуумная ступени соединены вакуумпроводами 28 и 29, снабженными клапанами 30 и 31 соответственно. Колырвая полость охлаждаемого экрана 2 снабжена трубопроводами 32 и 33, изготовленными из металла с малой теплопроводностью, например нержавеющей стали, для залива жидкого азота и отвода его па- ров. Предложенный насос работает следующим образом. С помощью вакуумпроводов 28 и 29 через клапаны 30 и 31 иасос подсоединяют к откачиваемому объему. В случае использования в качестве хладагента жидкого гелия конец трубопровода 15 через вентиль 12 подсоединяют к откачивающему устройству, например механическому форвак)мному насосу. Закрывают клапан 31 и открывают клапан 30. По трубогфоводам 32 и 33 заполняют полость охлаждаемого экрана 2 жидким азотом. Включив MCxaffHMccKHfi насос для .OTKaMKTf паров гелия и огкрмв ветйли 8, 12 и 21 (вентиль 23 при этом закрыт) из внешнето сосуда Дьюара с жи ким гелием под некоторым избытотым давлением в сосуд 6 через трубопровод 20 подают жидкий гелий. Последний, попав в сосуд 6, яспаряется (при охлаждении сосуда от ЗООК или более низкой начальной температуры) и в виде холодного пара прокачивается по трубчагому змеевику 7 и далее по трубопроводу 15, охлаждая при этом стакан конденсатора 4 и соединенный с ним на тепловой контакт поддон 5 до температуры равной или меньшей тем пературы конденсации откачиваемого газа (81,6° К при откачке воздуха и начальном давлении в насосе 760 тор). Воздух из откачиваемого объема, пройдя лабиринт, конденсируется в жидкую фа зу на внутренней и наружной поверхности охлаждаемого стакана конденсатора 4 и стекает в поддон 5 для сбора жидкого конденсата и на дно стакана . Пары гелия, отогретые в змеевике 7 до температуры, превышающей температуру конденсации откачиваемого газа при данном давлении (которая будет уменьшаться пропорционально уменьшению давления в насосе) используются далее для охлаждения стаканов 14. Откачиваемый газ, проходя по лабиринту, образованному охлаждаемыми стаканами 14, охлаждается до температуры, близкой к температуре конденсации откачиваемого газа. Это происходит благодаря развитой поверх ности охлаждаемых стаканов 14 и возможности многократных столкновений молекул газа с холодными стенками теплообменника при их движения к конденсатору - охлаждаемому стакану конденсатора 4. Процесс интенсивного испарения жидкого гелия, подаваемого в сосуд 6, происходит до охНаждения сосуда 6 до температуры 4,2° К. Во время процесса охлаждения сосуда 6 в трубчатьга змеевик 7 и трубопровод 15 подается холодный нар, обеспечивающий работу форвакуум ной ступени. При этом в сосуде 6 происходит дополнительное испарение жидкого гелия, обусловленное теплоподводом по газу, поскольку начальное давление в высоковакуумной ступени может равняться атмосферному. Однако пос ле охлаждения сосуда 6 до 30-40° К газ, запол няющий высоковакуумную ступень, будет окон денсирован в твердую фазу, что уменьшает теплоподвод к сосуду 6. В форвакуумной ступени в интервале давлений 760-47 тор происходит конденсация откачиваемого газа в жидкую фазу, дальнейшее по- ,, н жение давления осуществляется за счет вы мораживания откачиваемого газа на стенках охлаждаемого стакана конденсатора 4. Ранее сконденсированный газ, накопленный в виде ЖИДКОСТИ на дне охлаждаемото стакана к(1нленсатора 4 и в поддоне 5, nim даплеини ниже 47 тор переводится в твердое состояние за счет охлаждения его стенками охлаждаемого стакана конденсатора 4 и змеевика 7, а также - испарения части жидкого конденсата с последующей его конденсацией в твердую фазу на стенках охлаждаемого стакана конденсатора 4 и змеевика 7. Если количества пара, полученного при охлаждении жидким гелием сосуда 6 до темпера.туры 4,2° К, недостаточно для получения в откачиваемом объеме давления запуска высоковакуумной ступени (обычно для высоковаккумных конденсационных насосов это давление КГ-Ю тор), продолжают подачу в сосуд 6. жидкого гелия, в котором он накапливается, и через змеевик 7 прокачивают уже парожидкостнук) смесь гелия. После получения в откачиваемом объеме давления тор ИЛИ несколько ниже 1фодолжают заливать жидкий хладагент в сосуд 6 по трубопроводу 20, но при этом открывают вентиль 23 для отвода паров хладагента из сосуда 6 по трубопроводу 22 непосредственно в газгольдер и закрывают вентиль 8. Клапан 30 необходимо закрыть, а клапан 31 открыть. Дальнейшее понижение давления в откачиваемом объеме осуществляется за счет конденсации газа в твердую фазу на поверхности сосуда 6. После закрывания вентиля 8 закрывают вентиль 12, прекращая откачку паровгелия по трубопроводу 15. В зависимости от требований заполняют жидким гелием либо часть сосуда 6 (например, когда не предполагается длительная работа насоса в области, высокого вакуума), либо полностью заполняют сосуд 6 (при длительной работе насоса в области высокого вакзт ма). В этом рейсиме работы насоса используется только теплота испарения жидкого гелия, однако зто не требует большого расхода хладагента, так как в области высокого вакуума (10 тор и ниже) преобладающими над теплотой конденсации откачиваемого газа становятся тепловые нагрузки, за счет радиационноге излучения со стороны охлаждаемого экрана и теплоподвода к сосуду 6 по трубопроводам 20, 22 и 9. Предельное давление, получаемое в откачиваемом объеме при работе насоса, определяется наличием неконденсируемых при температуре используемого зсладагента компонент воздуха. В случае использования в качестве хладагента жидкого 1-елия неконденсируемой компонен- той является только газообразный гелий и предельное давление равняется тор. Однако за счет сорбции гелия на твердых слоях легкоконденсируемых компонент воздуха, таких как. азот, кислород и т. д., при темперагу-ре 4,2 К или ниже может б|,гть получено давление тор и ниже. После получения в откачипаемом объеме пре дельного давления клапан 31 закрывают, и насос прекрашает свою работу. Предложенный криогенный двухстуне1ггатьгй вакуумный насос позволяет отка-гивать вакуумные объемы в интервале дав.ттений 760- тор и ниже с малыми расходами жидкого хладагента, особенно в области высоких и форвакуумных давлений, за счет испо.лъзования паров хладагента, образованных при охлаждении до рабочей температуры откачивающего элемента высоковакуумной ступени. Обычно пары кри огенных хладагентов, полу11енные при охлаждении откачивающих элементов наливных конденс ционных насосов до рабочей температуузы, трудно эффективно использовать из-за больщих значений энтальпии, заключенной в парах, и малого времени их выделения. Поэтому приходится уменьшать метал.поемкость откачивающих элементов, а для снижения расхода жидких хлада;гентов на их предварительное охлаждение использовать другие хладагенты или изыскивать другие пути снижения расхода хладагентов. В предложенном насосе устранены малопроизводительные или вовсе непроизводительные расходы жидких хладагентов, что повышает энергоэффективность конденсационной откачки. Формула изобретения I. Криогенный двухступенчатый вакуумный насос, содержащий корпус с охлаждаемым экранпм. форвакЧумлук) ступопг,, чкиюмакицую кондсг1сатор.в виде охлижлаемого стакана с поадоном для сбора жидкогг KOiijiencaTa, и высоковакуумную ступень, откачивающий элемент которой выполнен в виде сосуда с жидким хладагентом, отличающийся тем, что, с це.лью уменьшения расхода хладагента на конденсацию откачиваемого газа гптем использования при работе форвакуумной ступени.паров хладагента, образовавшихся при охлаждении до рабочей температуры откачиваюп|его элемента высоковакуумной ступени, насос дополнительно содержит змеевик, имеющий тепловой контакт с поверхностью конденсатора, и один конец змеевика герметично введен в сосуд, а другой - герметиШО выведен за пределы , корпуса через вентиль, форвакуумная ступепь размещена над высоковакуумной и герметично отделена от нее перегородками. 2. Насос по п. 1, отличающийся тем, что в корпусе дополнительно установлены стаканы,, расположенные соосно образованию лабиринта, ч конденсатор находится внутри последнего, а змеевик соединен с вентилем через трубопровод, имеющий тепловой контакт со стаканами. Источники информадаи, принятые во внимание при экспертизе 1.Минайчев В. Е. Вакуумные крионасосы. М., Энергия, ,1976, с. 75. 2.Авторское свидетельство СССР № 545768, кл. F 04 В 37/08, 1974.