Кріогенний конденсаційно-адсорбційний насос

Винахід відноситься до вакуумної те хнології, а саме до пристроїв кріогенних вакуумних насосів, і може бути використаний для одержання чистого безмасляного вакууму до 10-4мм рт. ст. в фізичних і те хнічних апаратах та пристроях . Сучасні вакуумні технології часто потребують насоси, які, як на форвакуумній стадії, так і на стадії високого вакуум у забезпечують безмасляну відкачку реципієнта. Одним із шляхів отримання безмасляного вакууму є використання кріогенних та адсорбційних насосів. Відомий кріогенний вакуумний насос, дивись, наприклад, [1], має корпус з розміщеним в його порожнині охолоджуємим конденсаційним елементом і сполучений з корпусом через клапан збірник рідкого конденсату. Недоліком такого насосу є низькі відкачувальні характеристики. Його конструкцією не передбачено відкачувати неконденсаційні гази. Тиск цих газів в залишковому середовищі і визначає ступінь вакууму до 10-2мм рт. ст., який досягають за допомогою такого насоса. Інший відомий кріогенний конденсаційно-адсорбційний насос [2] вибрано як прототип. В цьому насосі є корпус із розміщеним у ньому охолоджуваним конденсаційним елементом із порожниною для холодоагенту та збірник конденсату, в якому встановлений адсорбційний патрон. Патрон через вакуумпровід та клапан сполучається з порожниною корпусу. Покращення вакуумних характеристик забезпечується тим, що реалізовано можливість відкачки раніш не конденсуємих газів завдяки встановленому адсорбційному патрону. Адсорбційний патрон охолоджується конденсатом, який утворюється на конденсаційному елементі і стікає в збірник конденсату. Недолік цього насосу полягає у тому, що забезпечене насосом зниження тиску неконденсуємих газів є невеликим. Захолодження адсорбенту з використовуванням для цього конденсату не забезпечує е фективного відкачування неконденсуємих газів, тому що температура конденсату недостатньо низька для повноцінної роботи адсорбенту. В окремих випадках кількість конденсату може бути недостатньою для повного захолоджування адсорбенту. Задача, на вирішення якої направлений винахід, полягає в удосконаленні кріогенного конденсаційноадсорбційного насосу для покращення його сорбційних властивостей. Таке покращення досягається шляхом створення можливостей охолодження адсорбційного патрону не тільки конденсатом, а й холодоагентом, який використовувався для о холодження конденсаційного елемента. Покращені сорбційні властивості насосу повинні забезпечити досягнення безмасляного вакуум у до 10-4мм рт. ст. без збільшення маси адсорбенту. Поставлена задача вирішується кріогенним конденсаційно-адсорбційним насосом, який також як і насос, прийнятий за прототип, має корпус, в якому розміщені конденсаційний елемент із порожниною для холодоагенту, та збірник конденсату, в якому встановлений адсорбційний патрон. На відміну від прототипу в патентуємому насосі конденсаційний елемент має вентиль, який установлено в його порожнині для можливості переливу холодоагента з конденсаційного елементу до збірника рідкого конденсату з адсорбційним патроном. Вентиль, який розташовано в порожнині конденсаційного елементу, може бути зроблено у вигляді запірного конусу в його днищі. Вентиль може мати направляючий стержень, який виведено за межи корпуса насосу. Цей вентиль в порожнині конденсаційного елемента після конденсації частини газу з відкачуємого об'єму та охолодження конденсатом адсорбційного патрону, забезпечує можливість переливу холодоагенту до збірника конденсату, де розташовано адсорбційний патрон. Це призводить до його повного захолодження та, як наслідок, до підвищення ефективності адсорбування залишкових газів, що й дозволяє досягти граничного вакуум у до104 мм рт. ст. без збільшення маси адсорбенту. Шток вентилю, виведений за межі корпуса, дозволяє ефективно керувати роботою насоса. Слід відзначити, що вакуум такої якості можна було б досягти використовуючи два окремих насоса: конденсаційний та адсорбційний, які захолоджуються рідким холодоагентом. Але в такому випадку витрати холодоагенту були б значно більшими. Відзначимо також, що установка, яка має два окремих насоса, була б значно складнішою. Суть винаходу пояснюється схемою поперечного розрізу насоса, яку приведено на кресленні (Фіг.). Розглянемо насос, який складається (див. Фіг.) з корпуса 1 з розміщеним в ньому охолоджуємим конденсаційним елементом 2 із порожниною для холодоагенту. В нижній частині насосу під конденсаційним елементом знаходиться збірник конденсату 3, в якому встановлено адсорбційний патрон 4. Вентиль, встановлений в порожнині конденсаційного елементу, зроблений у вигляді запірного конусу 5, і направляючим стержнем 6, який виведено за межи корпусу насоса 1. Насос підключається до відкачувального об'єму через вакуумпровід 9. Порядок роботи насоса такий. Спочатку клапани 7 та 8 зачинені, адсорбційний патрон 4 попередньо регенерований. Конденсаційний елемент 2 захолоджується азотом з одночасною відкачкою його пари механічним насосом (на Фіг. не показано). Атмосферне повітря, яке знаходиться у внутрішньому об'ємі порожнини корпуса 1 і збірника конденсату 3, починає конденсуватися на поверхні конденсаційного елементу 2. Утворений рідкий конденсат потрапляє в збірник конденсату 3. Далі відчиняють клапан 7, і газ з відкачуваного об'єму, який проходить по вакуумпроводу 9, конденсується на елементі 2. Створений рідкий конденсат збігає в збірник 3. Після зниження тиску у відкачуємому об'ємі до тиску потрійної точки газу, закінчується стікання конденсату з конденсаційного елементу 2. Клапан 7 зачиняють і відчиняють вентиль 5, встановлений в порожнині конденсаційного елемента. Холодоагент потрапляє в збірник конденсату 3, забезпечуючи повне охолодження адсорбційного патрону 4. Як тільки тиск в об'ємі корпуса 1 закінчив зростати, вентиль 5 зачиняють і продовжують відкачку пари всередині конденсаційного елемента 2. Після чого відчиняють вентиль 7. х При цьому одночасно знижується тиск у відкачуємому об'ємі, та зменшується температура адсорбційного патрона 4. Наявність суміші конденсату та холодоагенту дозволяє захолоджувати адсорбент в адсорбційному патроні без від'єднання від порожнини корпусу збірника конденсату. При цьому циркуляція конденсату між збірником і конденсуючим елементом зведена до мінімуму. Якщо як холодоагент вживати рідкий азот, температура якого знижена за допомогою механічного насосу, то швидкість відкачки пари з порожнини насосу значно знижується. При досягненні тиску 10-2мм рт. ст. у відкачуваємому об'ємі зачиняють клапан 7 і відчиняють клапан 8. Порівняємо техніко-економічні переваги насосу, який запропоновано, з прототипом. Нехай в обох насосах як холодоагент для охолодження конденсаційного елемента використовується рідкий азот. Об'єм внутрішньої порожнини насосів заповнений атмосферним повітрям з нормальним тиском. В насосі, прийнятому за прототип, після конденсації відкачуваємого газу в рідку фазу та виведення конденсату в збірник із наступною конденсацією в тверду фазу на поверхні конденсаційного елемента тиск в відкачуємому об'ємі встановлюється на рівні, приблизно до 10-2мм рт. ст. Як показали проведені авторами попередні дослідження, у патентуємому насосі можна досягти граничний вакуум 10-4мм рт. ст. при умовах однакових з прототипом: площа зовнішньою поверхні конденсаційного елемента - 0.04м 2, відкачуємий об'єм - 0.5м 3, кількість адсорбенту (вугілля БАУ) - 0.8кг. При однаковій витраті холодоагенту значно підвищується швидкість адсорбції неконденсуємих газів, та досягається більш низький граничний вакуум. Джерела інформації: 1. Авторське свідоцтво СРСР №883551 МПК F04B37/08 опубліковане 23.11.81. 2. Авторське свідоцтво СРСР №987169 МПК F04B37/08 опубліковане 07.01.83. (прототип)