Вакуумные криогенные насосы и агрегаты

В некоторых насосах для охлаждения сорбирующих или конденсирующих поверхностей используются жидкие газы: азот (—195,78°C); водород (20°К); гелий (4°К). Температуру жидкого гелия можно уменьшить до 3°К и ниже, если откачивать пары гелия над его поверхностью.

В промышленности применяются следующие способы получения низких температур [64].

• 1. Дросселирование (использование эффекта Джоуля— Томсона). При расширении сжатого газа, проходящего через узкое отверстие в свободное пространство, происходит понижение температуры, обусловленное межмолекулярным взаимодействием. Степень охлаждения описывается дифференциальным коэффициентом Джоуля— Томсона а д-т =дТ/дР и зависит от исходного состояния газа. При ад-т>0 происходит охлаждение, при ад_т<0 — нагревание. Например, для воздуха при 7= = 140°К, Р=50 ат ад~т = +0,5 град/ат. Коэффициент ад__т для реальных газов определяется дифференцированием уравнения Клапейрона при условии постоянства энтальпии газа.

• 2. Детандирование, или адиабатическое расширение газа с отдачей работы виешнему телу, приводит к уменьшению внутренней энергии газа. Предварительно сжатый газ двигает поршень без теплообмена; понижение температуры вычисляется по формуле

Например, для воздуха (у=1,4) при исходном состоянии Д = 80 ат, Т₁ = 20°С и при конечном давлении Р₂=1 получим Т₂ =—189° С, что достаточно для сжижения-

Цеолитовые вакуумные агрегаты ЦВА являются простыми средствами безмасляной откачки от атмосферного давления до 10~²—10~⁴ тор. Они применяются для предварительной откачки сорбционно-ионных насосов, для безмасляной откачки в технике физического эксперимента в условиях, требующих отсутствия загрязнений, вибраций, шумов и т. д [65]. Каждый агрегат имеет два параллельных цеолитовых вакуумных насоса с вентилями. На один из насосов надвигают сосуд Дьюара с жидким азотом для охлаждения, и он производит откачку; на другой насос, отсоединенный вентилем, надвигают одновременно нагреватель для регенерации цеолита. Затем нагреватель и сосуд Дьюара меняют местами И т. д.

Агрегаты ЦВА-0,1-1 и ЦВА-0,1-2 содержат 100 г синтетического цеолита марки 5А и предназначены для откачки объемов до 10 л; агрегаты ЦВА-1-1 и ЦВА-1-2 содержат 1 кг цеолита и откачивают объемы до 100 л. Агрегаты ЦВА-0,1-2 и ЦВА-1-2 имеют водоструйный насос для предварительной откачки до 15 тор, их предельный вакуум 10 ⁴ тор, а у агрегатов ЦВА-0,1-1 и ЦВА-1-1 без водоструйных насосов предельный вакуум составляет 10~² тор В спектре остаточных газов содержатся значительные количества неона (50—62%), гелия (14— 31%) и водорода. Лучше откачиваются агрегатами ЦВА азот и кислород, пары воды, окись углерода.

Недостаток описанных агрегатов связан с необходимостью периодически надвигать на цеолитовый насос внешний сосуд Дьюара с жидким азотом. В последние годы созданы цеолитовые агрегаты ЦВА-1,5-3 и ЦВА-03-2 с насосами заливного типа, которые содержат внутри цеолит и имеют карманы для жидкого азота [66].

Особенность работы цеолитовых насосов состоит в том, что они имеют ограниченную сорбционную емкость, т. е. по мере насыщения цеолита откачиваемым газом быстрота откачки насоса уменьшается. Непосредственно после регенерации быстрота откачки агрегата ЦВА-1-1 равна 3,3—8,4 л/сек. Поэтому в паспортах этих насосов обязательно указывается максимальный объем откачки, который зависит от количества цеолита, содержащегося в насосе. Например, агрегат ЦВА-1-1 содержит 1 кг цеолита, агрегат ЦВА-0,1-1 содержит 100 г цеолита; они предназначены для откачки воздуха из объемов 100 и 10 л соответственно. Из-за ограниченной сорбционной емкости предельный вакуум этих насосов зависит от начального давления. При откачке от атмосферного давления предельный вакуум порядка Ю'² тор, а в случае предварительной откачки тех же объемов вспомогательными водоструйными насосами предельный в.акуум адсорбционных цеолитовых агрегатов порядка 10~⁴ тор [67—69].

На базе сверхвысоковакуумного титанового охлаждаемого насоса СТОН разработан агрегат АВТО-20М, в котором применяется напыление титана на поверхность, охлаждаемую жидким азотом. Электроннолучевой испаритель титана характеризуется малыми тепловыми потерями. В состав агрегата входят паромасляный насос для откачки инертных газов, цельнометаллический вентиль, блок электропитания и пульт управления (рис. 29). Агрегат обезгаживается прогревом при 400° С и отличается низким остаточным давлением порядка 10~¹²тор.

При скорости испарения титана из жидкой фазы 5 мг!мин быстрота откачки по водороду 3-10⁴, по азоту

IO³, по аргону 90 л!сек. Агрегат потребляет 1,7 кет электроэнергии и 4 л{ч жидкого азота [70, 71].

Титановые насосы совместно с цеолитовыми используются для безмасляной откачки от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума.

гость пара которого при температуре ожижения равна 760 тор, а также гелий, имеющий более низкую температуру ожижения (4° К) [72—75].

Быстрота откачки конденсационного насоса определяется размером конденсирующей поверхности, каждый 1 см² которой соответствует 11,6 л/сек. В насосе ВК-40 площадь бачка около 5-10³ см², однако реальная быстрота откачки воздуха около 4-10⁴ л]сек из-за геометрических ограничений. В насосе применен автономный ожижитель водорода, в который подается жидкий азот и газообразный водород под давле-водород высокого давления охлаждается последовательно азотом и испарившимся водородом, затем дросселируется и ожижается. Конденсационный насос расходует 20 л/ч жидкого азота, 2 л/ч жидкого водорода, энергии 17 кет.

Предельный вакуум водородного конденсационного насоса определяется упругостью паров при 20° К.

На рис. 31 можно видеть, что при такой температуре кроме водорода высокую упругость имеют еще гелий и неон. Для откачки этих трех газов водородный конденсационный насос должен быть снабжен вспомогательным пароструйным насосом, определяющим предельный вакуум по этим газам. При отсутствии Не, Н₂ и N2 предельный вакуум определяется азотом, имеющим упругость пара 2,2-10^—11 тор при 20,4° К.

Если в конденсационном насосе использовать жидкий гелий, то предельный вакуум определялся, бы упругостью водорода при 4,2°К (3,5-10~⁷ тор). При откачке испаряющегося гелия из бачка можно понизить его температуру. Например, при 2,82° К упругость пара гелия 137 тор, водорода 2-Ю^-’² тор. Разработаны гелиевые ожижители без азотного охлаждения (рис. 32). Гелий под давлением поступает в промежуточные детандеры, затем из теплообменников детандеров идет на ожижение через дроссель.

Цеолитовые агрегаты ЦВА предназначены для откачки в пределах давлений 760—10~⁴ тор. Разработаны сверхвысоковакуумные насосы азотно-цеолитового типа [76]. Сорбент (смесь цеолита, активированного угля и силикагеля) удерживается у внутренних стенок насоса сетчатым каркасом и охлаждается азотной рубашкой с форвакуумной теплоизоляцией (рис. 33). Создана серия насосов ССНА-0,5; ССНА-1,5; ССНА-4 и ССНА-8 с предельным вакуумом 10~⁹ тор и максимальной быстротой откачки 500, 1500, 4000 и 8000 л!сек.