Испарительные насосы

Поглощение газов происходит за счет физической адсорбции, хемосорбции и химической реакции поверхностью, образующейся при конденсации термически испаряемого металлического геттера (рис 8.4). В качестве геттера используют любой активный металл (например, Тi). Для образования пористой пленки с высокими сорбционными свойствами скорость конденсации испаряемого металла должна быть высока. Поэтому стенки крупных насосов охлаждаются водой. Чтобы улучшить процесс прилипания газа, напыляемую газовую пленку охлаждают до температуры жидкого азота.

На рис. 8.5 представлена конструктивная схема подогревательного испарителя. Он представляет собой оболочку в виде сферы из активного металла (титан), внутри которого вставлен проволочный нагреватель из молибдена. Температура оболочки составляет 1150⁰С, при этом максимальная скорость испарения титана 1 мг/с. Титан образует прочные нелетучие соединения почти со всеми газами за исключением инертных и углеводородов. Поэтому применение испарительных насосов неэффективно при откачке органических соединений и инертных газов.

Предельное давление испарительных насосов составляет 10^-7 Па, а при охлаждении активной пленки до 77 К оно составит 10^-11 Па. При использовании испарительных насосов желательно обеспечить предварительную откачку до давления 10^-1 Па с помощью адсорбционных или паромасляных насосов с эффективными ловушками.

Остаточное давление испарительного насоса определяется газовыделением из распыляемого геттера и элементов конструкции насоса.

Достоинства этого типа насоса следующие:

1) отсутствие рабочей жидкости (вакуум получается свободным от углеводородных соединений);

2) не требует охлаждаемых ловушек на входе;

3) бесшумны, нет вибрации.

К недостаткам насоса следует отнести необходимость периодического удаления слоя напыленного титана с экрана.

8.3. Криогенные вакуумные насосы

Несмотря на большое многообразие крионасосов, их можно разделить по следующим основным признакам: по принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте откачки, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме. На рис.8.6 представлена классификационная схема криогенных насосов.

Криогенные насосы по принципу действия классифицируются на:

─ криоадсорбционные – это насосы, в которых откачка происходит вследствие обратимой адсорбции газа при низкой температуре;

─ криоконденсационные – это насосы, в которых откачка производится путем конденсации газа на охлаждаемых до криогенных температур поверхностях.

По температурному уровню крионасосы разделяются на три группы в соответствии с тремя значениями температур криооткачки, а именно с температурами кипения азота (77 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении. Таблица 8.1 иллюстрирует теоретические возможности криогенной откачки конденсацией газов на различных температурных уровнях.

Таблица 8.1

Конденсируемость газов при различных температурах криопанели

№ п/п	Температура криопанели, К	Основные конденсируемые газы	Основные неконденсируемые газы
		Н2О, СО2, углеводороды	Не, Н2, Nе, N2, СО, О2, СН4
		Газы конденсируемые при 77К, СН4, О2, СО, N2	Не, Н2, Nе
	4,2	Газы конденсируемые при 20К, Nе, Н2

Быстрота откачки в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте откачки крионасосы условно подразделяются на три группы: малые, средние и большие. Так, например, насосы с большой быстротой откачки на охлаждение затрачивают несколько сотен и даже тысяч ватт электрической мощности.

По способу охлаждения крионасосы можно подразделить на две основные группы: насосы, охлаждаемые сжиженными газами, и насосы, охлаждаемые при помощи автономных рефрижераторов.

По способу охлаждения первая группа насосов в свою очередь делится на насосы заливные, испарительные и с автономными ожижителями. Заливные и испарительные насосы охлаждаются сжиженными газами: азотом, водородом и гелием, которые получают на ожижительных станциях и транспортируют к месту потребления в специальных танках или сосудах Дьюара. Такое охлаждение используется обычно в насосах с малой и средней быстротой откачки. Этот способ наиболее прост, но вместе с тем и наименее экономичен, так как сопровождается большими потерями криоагента при заливке его на ожижительных станциях и в крионасос, а также при транспортировке.

Насосы с автономными ожижителями обычно применяются для получения высокой быстроты откачки, когда необходимо охлаждать криопанели большой поверхности. В этом случае заливная система крайне неэкономична. В ожижительных установках испаряющийся газ возвращается в теплообменники установки для полезного использования содержащегося в нем холода. Это позволяет в несколько раз увеличить холодопроизводительность установки при затрате той же мощности.

По способу охлаждения вторая группа насосов охлаждается с помощью криогенных устройств рефрижераторного типа, в которых рабочий газ не доводится до жидкого состояния, а в охлажденном состоянии поступает в полости криопанелей. Большими достоинствами насосов с рефрижераторным охлаждением являются их высокая экономичность, так как в этом случае холодопроизводительность установки легко согласуется с тепловой нагрузкой крионасоса; удобство эксплуатации, что имеет большое значение для применения этих насосов в промышленных установках.

Насосы с криогенераторами используют для получения относительно невысокой быстроты откачки. Этот способ охлаждения удобен там, где возникают затруднения с доставкой жидких криоагентов со стороны. С этой точки зрения целесообразным является использование криогенераторов, работающих по обратному циклу Стирлинга или Гиффорта – Мак Магона. С помощью одноступенчатых машин получают температуру около 50 К, с помощью двухступенчатых машин – 20 К, приэтом время выхода на требуемый температурный уровень составляет 10…15 мин для машины Стирлинга и от 30…40мин и более – для машин Гиффорта – Мак Магона.

Рефрижераторные дроссельные холодильные установки на базе ожижителей используются также для охлаждения крионасосов с большой быстротой откачки.

По конструктивной схеме крионасосы можно подразделить на две группы: насосы фланцевого и встроенного типов. Быстрота действия насосов фланцевого типа в основном определяется пропускной способностью фланца. Насосы фланцевого типа обычно выполняются в виде отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому объему.

Насосы встроенного типа проектируются применительно к конкретным случаям использования. Криопанели у этих насосов обычно располагаются в откачиваемом объеме в непосредственной близости от источников газовыделения.