Конструкции криогенных насосов

Рассмотрим основные конструктивные варианты криогенных насосов. Для работы в низком вакууме используются насосы погружного типа (рис. 5.11, а), а для работы в высоком вакууме — заливного типа (рис. 5.11, б). Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Разница в конструкции насосов погружного и заливного типов со-

стоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагената 5 в насосах погружного типа выполняется съемным, а в насосах заливного типа в качестве теплоизоляции между стенками насоса и сосудом с криоагентом используется вакуум, создаваемый самим насосом. В качестве криоагентов используются сжиженные газы (табл. 5.3).

Таблица 5.3

Свойства сжиженных газов

Параметры	n2	Ne	Н2	Не
Температура кипения при атмосферном давлении, К	77,3	27,2	20,4	4,2
Плотность в жидком состоянии, г/см3	0,81	1,18	0,07	0,13
Теплота парообразования, кДж/л	162	102	31,7	2,7
Скорость испарения при тепловой нагрузке 1 Вт, л/ч	0,021	0,035	0,16	1,4

Схемы криоадсорбционных насосов с неподвижным адсорбентом конструктивно просты, но требуют дополнительной арматуры и дублирования откачных средств для обеспечения непрерывного процесса откачки, имеют высокие эксплуатационные расходы криоагента и электроэнергии на изменение температуры не только самого адсорбента, но и корпуса насоса. Характеристики промышленных адсорбционных насосов приведены в табл. П.8.

Схема криоадсорбционного насоса с движущимся адсорбентом (рис. 5.11, в) обеспечивает постоянство быстроты откачки и предельного давления независимо от времени работы насоса. Адсорбент движется по замкнутому контуру с линейной скоростью ц_л, проходя на своем пути камеру адсорбции 1, шлюз 2, нагреватель 5, камеру десорбции 4, шлюз 3, холодильник 6, и вновь попадает в камеру адсорбции.

Криоконденсационные насосы заливного типа имеют конструктивную схему рис. 5.11, а. В полость 2 заливается низкотемпературный криоагент (жидкий гелий или водород), а в полость 3—высокотемпературный криоагент (жидкий азот). Экраны 1 защищают поверхность сосуда низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого ^Газа к охлажденной поверхности. Очень часто в криоконденсаци-онных насосах используется адсорбционный способ поглощения не-конденсирующихся газов, для чего поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом покрывается адсорбентом в виде пористой оксидной пленки (или в процессе работы насоса на ней осаждается пористый слой хорошо конденсируемых газов).

Криоконденсационные насосы испарительного типа (рис. 5.11, д) имеют криопанели в виде змеевиков, по которым циркулируют па-

ры криоагента, испаряющегося из сосуда Дьюара. Циркуляция может осуществляться за счет создания избыточного давления в сосуде Дьюара илн всасывающего действия механического вакуумного насоса. Испаряющийся в криопанели 1 криоагент используется для охлаждения внешнего экрана 2, защищающего криопанель от излучения стенок насоса.

Криосорбционные насосы могут снабжаться автономными криогенераторами (рис. 5.11, е), в которых криопанель 1 охлаждается от автономной газовой машины 2, а экран 3 служит для уменьшения притока теплоты к криопанели.

Для откачки широко применяются адсорбенты с большой площадью внутренней поверхности активные угли, цеолиты, силикагели.

Активные угли — пористые углеродные адсорбенты, которые получают из торфа, каменного угля, опилок и других видов органического сырья путем термической обработки без доступа воздуха для удаления воды и смол с последующей активацией окислением при температуре около 900°С в присутствии СО₂. Так как поверхность углерода электронейтральна, то адсорбция на углях в основном определяется дисперсионными силами взаимодействия. Активные угли имеют поры различных размеров. Площадь поверхности активных углей при насыпной плотности 0,5 г/см³ может достигать 2000 м²/г.

Цеолиты — это алюмосиликаты, содержащие в своем составе SiO₂ и А1₂О₃, окислы щелочных и щелочноземельных металлов, а также молекулы кристаллической воды. После удаления кристаллической воды термообработкой при 400… 500°С в различных типах цеолитов появляется регулярная структура пор размером от 30 до 90 нм. Поверхность цеолитов полярна, и адсорбция во многом зависит от ориентационного эффекта взаимодействия. Цеолиты бывают природные и синтетические, получаемые кристаллизацией исходных компонентов из раствора при температуре 100°С. Активная поверхность цеолитов может достигать 1000 м²/г при насыпной плотности 0,7 г/см³.

Силикагель — аморфная форма гидратированного кремнезема (SiO₂nH₂O), получаемого при взаимодействии силикатов щелочных металлов и минеральных кислот. При высушивании гидрогеля кремниевой кислоты образуется структурная сетка из сферических частиц, поверхность пор в которой может достигать 500 м²/г при насыпной плотности 0,7 г/см³. Размеры пор изменяются от 100 до 700 нм в зависимости от режимов обработки.

Технические характеристики криоадсорбционных насосов представлены в табл. П.9.