Диффузионный насос
DIFFUSION PUMP

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к средствам получения высокого вакуума. Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности работы диффузионного насоса и уменьшение обратного потока паров рабочей жидкости за счет использования пленки рабочей жидкости оптимальной толщины.
Диффузионный насос - это вакуумный насос, предназначенный для создания высокого вакуума. Диффузионные насосы нашли широкое применение во многих областях науки и техники как надежное и относительно дешевое средство получения высокого вакуума. Этому в большой степени способствовали их основные достоинства: возможность обеспечения большой быстроты действия в достаточно широком диапазоне давлений, способность откачивания различных видов газов, надежность конструкции, отсутствие движущихся частей и простота в эксплуатации.
Известна конструкция диффузионного вакуумного насоса [Патент SU 1052733 от 1982.07.09, МПК F04F 9/02(2006.01)]. Диффузионный насос содержит вертикальный корпус с охлаждаемой верхней и не охлаждаемой нижней частями. Внутри по оси корпуса зафиксирован паропровод, оснащенный соплами. Нижняя часть корпуса снабжена теплоизоляцией.
В данном диффузионном насосе испарение рабочей жидкости происходит в большом объеме и имеет взрывной характер кипения. При взрывном вскипании жидкости плотность паровой струи изменяется и приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, что приводит к загрязнению откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса.
Известна конструкция диффузионного насоса [Патент SU 584102 от 1974.05.16, МПК F04F 9/02(2006.01)], содержащая корпус с верхней охлаждаемой зоной и нижней теплоизолированной неохлаждаемой зоной. Оснащен входным и выходным патрубками, и размещенный по оси корпуса многоступенчатый паропровод. Выходной патрубок расположен над последней ступенью паропровода, а внутри корпуса размещена кольцевая вставка, верхние и нижние участки которой образуют с корпусом зазоры, средний участок плотно прилегает к поверхности корпуса над выходным патрубком, а нижняя кромка расположена ниже уровня последней ступени паропровода.
В таком диффузионном насосе испарение рабочей жидкости происходит в большом объеме и имеет взрывной характер кипения. При взрывном вскипании жидкости плотность паровой струи изменяется и приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, что приводит к загрязнению откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса.
Известна конструкция диффузионного вакуумного насоса, являющаяся прототипом предлагаемого изобретения, описание которой приводится в работе [Патент PCT/SU 89/00237 от 1989.09.08, МПК F04F 9/00(2006.01)]. Диффузионный вакуумный насос содержит вертикальный цилиндрический корпус, выполненный за одно целое с ванной для рабочей жидкости и зафиксированными в корпусе входным и выходным патрубками. На верхней части днища установлен коаксиально корпусу многоступенчатый паропровод с зонтичными соплами и с воронкой направленной на диск формирования пленки рабочей жидкости. Диск имеет тепловой контакт с нагревателем и обеспечивает испарение пленки рабочей жидкости. Между корпусом и многоступенчатым паропроводом расположен гидрозатвор. В известном диффузионном насосе решена проблема обратного потока за счет испарения тонкой пленки рабочей жидкости.
Недостатком указанного диффузионного вакуумного насоса является непостоянство толщины пленки рабочей жидкости из-за отсутствия переливных устройств регулирующих высоту этой пленки на диске формирования пленки. В процессе работы насоса могут образовываться очень тонкие пленки рабочей жидкости, для которых характерно образование сухих пятен на поверхности нагрева, что приводит снижению критических тепловых потоков, ограничивая диапазон работы насоса по тепловым потокам. При критическом тепловом потоке поверхность нагрева перестает смачиваться рабочей жидкостью, и насос прекращает работать. Это сказывается на надежности работы насоса.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является увеличение надежности работы диффузионного насоса и уменьшение обратного потока паров рабочей жидкости.
Поставленная задача достигается тем, что диффузионный насос состоит из вертикально установленного металлического корпуса, выполненного за одно целое с ванной для рабочей жидкости и зафиксированных в нем входного фланца и выпускного патрубка, установленного в нижней части корпуса многоступенчатого паропровода с зонтичными соплами в центральной части по оси корпуса, воронки, зафиксированной в нижней части корпуса, где установлен многоступенчатый паропровод, отверстие которой, имеющее меньший диаметр, обращено к диску для формирования пленки рабочей жидкости и служит входным отверстием паропровода и сливным отверстием гидрозатвора, диска для формирования рабочей пленки, выполненного монолитным и герметично закреплен на верхнем торце ванны для рабочей жидкости, на нижней части диска зафиксирован электрический нагреватель, изолированный теплоизоляцией, на торцевой поверхности диска закреплен кольцевой бортик высотой  для формирования пленки рабочей жидкости толщиной, равной , где  - капиллярная постоянная.
На фиг. 1 представлен чертеж диффузионного насоса, на фиг. 2 изображены графики зависимости коэффициента теплоотдачи от высоты пленки рабочей жидкости при разных тепловых потоках.
На фиг. 1 приведен диффузионный насос, состоящий из цилиндрического корпуса (1), входного фланца (2), выпускного патрубка (3), многоступенчатого паропровода (4) с зонтичными соплами (5), дополнительного выходного патрубка (6), воронки (7), гидрозатвора (8), диска для формирования пленки рабочей жидкости (9) с кольцевым бортиком (10), ванны для рабочей жидкости (11), электрического нагревателя (12).
Диффузионный насос работает следующим образом (фиг. 1). Предварительно фланец (2) пристыковывается к корпусу соответствующей технологической установки (не указана на чертеже), в которой создается и поддерживается вакуум, заданный технологическим режимом. Затем к выпускному патрубку (3) пристыковывается и включается форвакуумный насос (не указан на чертеже), создающий в выпускном патрубке (3) разряжение, достаточное для работы диффузионного насоса. Затем включается нагреватель (12) для испарения рабочей жидкости, который нагревает диск для формирования пленки рабочей жидкости (9). В пусковом режиме работы диффузионного насоса нагрев рабочей жидкости в кольцевой ванне для рабочей жидкости (11) осуществляется за счет теплопередачи от внутреннего цилиндра ванны для рабочей жидкости (11), который в свою очередь нагревается диском для формирования пленки (9). При достижении температуры кипения рабочей жидкости начинается процесс ее парообразования. Образующийся пар рабочей жидкости, поднимаясь вверх, проходит через зазор между диском для формирования пленки рабочей жидкости (9) и воронкой (7) являющейся входным отверстием паропровода (4). Далее пар поднимается вверх по паропроводу, при этом часть пара в виде паровой струи выходит через дополнительный выходной патрубок (6) в сужающийся участок выпускного патрубка (3), обеспечивая эжекцию откачиваемого газа, а другая часть пара поднимается еще выше по многоступенчатому паропроводу (4) и выходит в виде струи через зонтичные сопла (5), разгоняясь до сверхзвуковой скорости за счет перепада давления в полости между наружной поверхностью многоступенчатого паропровода (4) и внутренней поверхностью цилиндрического корпуса (1). В этой же полости происходит диффузия молекул откачиваемого газа в паровую струю. Далее молекулы газа движутся в струе пара по направлению к выпускному патрубку (3) и захватываются паровой струей, выходящей через дополнительный выходной патрубок (6), в выпускной патрубок (3). На внутренней поверхности цилиндрического корпуса (1) происходит конденсация пара за счет принудительного охлаждения наружной поверхности цилиндрического корпуса (1) или за счет естественного охлаждения вследствие конвекции воздуха. Конденсат рабочей жидкости стекает по внутренней поверхности цилиндрического корпуса (1) вниз к гидрозатвору (8). Слив конденсата рабочей жидкости из гидрозатвора (8) на торцевую поверхность диска для формирования пленки рабочей жидкости (9) осуществляется через воронку (7). Рабочая жидкость попадая на торцевую поверхность диска для формирования пленки рабочей жидкости (9) растекается по ней и за счет кольцевого бортика (10) обеспечивается фиксированная оптимальная толщина образующейся пленки. Одновременно происходит процесс испарения с этой торцевой поверхности, поскольку диск для формирования пленки рабочей жидкости (9) нагрет до температуры, превышающей температуру кипения жидкости. При этом диффузионный насос переходит на стационарный режим работы, при котором парообразование в основном происходит с торцевой поверхности диска для формирования рабочей жидкости (9).
На фиг. 2 показано, что использование пленки рабочей жидкости толщиной  (где- капиллярная постоянная), по сравнению с более толстыми и более тонкими пленками жидкости, приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи в процессе испарения/кипения рабочей жидкости. При этом пленки данной толщины имеют большие критические тепловые потоки по сравнению с более низкими толщинами пленок и соизмеримы с критическими тепловыми потоками при кипении жидкости в большом объеме как показано в работе [Влияние высоты слоя на теплообмен и критический тепловой поток при испарении жидкости в условиях низких давлений / В.И. Жуков, А.Н. Павленко, Ю.В. Нагайцева, Д. Вайсс // Теплофизика высоких температур. - 2015. - Т. 53, № 5. - С. 727-734].
Таким образом, диффузионный насос, в результате использования кольцевого бортика высотой позволяет получить толщину пленки рабочей жидкости равной , что позволяет увеличить надежность работы диффузионного насоса и уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости.