ДИФФУЗИОННЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС
DIFFUSION VACUUM PUMP

Изобретение относится к вакуумной технике, а именно к устройствам получения и поддержания высокого и сверхвысокого вакуума. Вакуумные диффузионные насосы благодаря простоте и универсальности, широко применяются в самых разнообразных областях науки, техники и технологиях для откачки газов и газовых смесей с разнообразными физическими свойствами. Однако достаточно большая величина обратного потока рабочего тела в откачиваемый объем не всегда удовлетворяет потребителей, т.к. отрицательно влияет на результаты технологических процессов и усложняет эксплуатацию насосов из-за необходимости использования низкотемпературных ловушек, применение которых, в свою очередь, не всегда является желательным по следующим причинам:
- ловушки значительно снижают проводимость подводящих магистралей;
- они имеют ограниченный ресурс работы;
- при повышении температуры низкотемпературных ловушек до комнатной они являются источниками обратного потока.
Источники обратного потока известны, хорошо изучены и зависят от конструкции насоса, режима его работы и теплофизических свойств рабочей жидкости, используемой в насосе (минеральные масла, силиконы, полифениловые эфиры, ртуть, вода и т.д.).
Известны диффузионные пароструйные вакуумные насосы (Цейтлин А.Б. Пароструйные вакуумные насосы. М.-Л. Энергия, 1965 г. Стр. 254-268). Наиболее существенные недостатки этих насосов:
1) наличие значительного потока паров рабочей жидкости в откачиваемый объем, обусловленного спецификой расширения паровой струи сопла для получения паров рабочей жидкости;
2) внешне расположенные нагреватели в этих насосах требуют повышенной мощности для подготовки пара.
Наиболее близким по существенным признакам заявленному изобретению является вакуумный пароструйный насос (патент РФ № 106311, 2011 г., F0 9/00), содержащий корпус с входным и выходным патрубками, нагревательный котел для рабочей парообразующей жидкости, размещенный в нижней части корпуса, многоступенчатый паропровод с соплами, размещенный по оси корпуса.
Недостатки решения:
1) разъемный корпус используется только для монтажа очень сложного паропровода, конструкцию которого практически невозможно реализовать для вакуумных насосов с большими радиальными размерами входных патрубков: 160, 250, 400 и т.д.;
2) воздушная прослойка атмосферного воздуха между котлом и корпусом насоса слабо уменьшает затраты мощности на подготовку пара;
3) как следует из рисунка, верхняя наклонная часть корпуса не охлаждается, а значит является источником паров рабочей жидкости в откачиваемый объем.
Скачок уплотнения не обеспечивает оптическую непрозрачность между откачиваемым объемом и струей пара первой ступени, а канал, образованный стенкой корпуса верхней части насоса и соплом верхней ступени, является дополнительным источником обратного потока пара в откачиваемый объем.
Задачей изобретения является создание диффузионного вакуумного насоса, конструкция которого предусматривает решение следующих задач:
1) максимально уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости в откачиваемый объем;
2) минимизировать тепловые потери при подготовке пара в котле;
3) обеспечить быстрое охлаждение рабочей жидкости, находящейся в котле при выключенном нагревателе.
Поставленная задача решается тем, что в диффузионном вакуумном насосе, содержащем корпус с входным и выходным патрубками, размещенный в нижней части корпуса нагревательный котел для рабочей парообразующей жидкости, нагреватель, размещенный по оси корпуса многоступенчатый паропровод с зонтичными соплами, имеющими вставки, согласно изобретению, основание паропровода закрыто экраном, проточная часть канала насоса формируется с помощью установленной вакуумно-плотно конусной (составной) вставки. Отношение диаметра сопла первой ступени к диаметру входного отверстия насоса находится в диапазоне 1,35-1,45. Быстрое охлаждение рабочей жидкости, находящейся в котле при выключенном нагревателе, обеспечивается через трубку охлаждения, при подаче в нее охлаждающей жидкости. Трубка охлаждения установлена на дно котла по внешнему периметру спирального нагревателя, В полости между котлом и корпусом при работе насоса через трубку (9) постоянно поддерживается форвакуумное давление.
Зазор, образованный вертикальной стенкой котла и экраном основания паропровода, выполняет роль гидрозатвора, обеспечивая непрерывную работу диффузионного насоса. Система сопел от 4-й до 1-й ступеней имеет различного назначения вставки. Окончательное сжатие газа происходит в 4-й ступени, которая выполняет роль парового эжектора, сжимая газ до выпускного давления. Так как в данной конструкции соотношение диаметра сопел к диаметру входного отверстия находится в диапазоне 1,35-1,45, то линии тока пара из сопла не могут развернуться в откачиваемый объем, а конденсируются на стенке корпуса насоса. Быстрое охлаждение рабочей жидкости, находящейся в котле при выключенном нагревателе, обеспечивается за счет трубки охлаждения, при подаче в нее охлаждающей жидкости. Потребность в таких действиях может возникнуть, например, при внезапной разгерметизации вакуумной системы. Минимизация тепловых потерь при подготовке пара в котле конструктивно обеспечивается за счет вакуумной изоляции котла. В полости между котлом и корпусом при работе насоса через трубку (9) постоянно поддерживается форвакуумное давление.
На фиг. 1 показана конструкция диффузионного вакуумного насоса (разрез А-А), где:
1 - основание паропровода;
2 - экран;
3 - вставка 3-й ступени;
4 - вставка 2-й ступени;
5 - диафрагма;
6 - паропровод;
7 - вставка конусная;
8 - шпилька;
9 - трубка для поддержания форвакуумного давления в полости между котлом и корпусом насоса;
10 - корпус нижняя часть;
11 - корпус верхняя часть;
12 - зонт;
13 - сопло первой ступени;
14 - сопло второй ступени;
15 - сопло третьей ступени;
16 - сопло эжекторное;
17 - котел;
18 - трубка для быстрого охлаждения рабочей жидкости;
19 - спиральный нагреватель;
20 - патрубок входной;
21 - патрубок выходной;
Г, Д, Е - каналы охлаждения.
На фиг. 2 показан насос в собранном виде, где:
22 - штуцер для подачи охлаждающей жидкости входной;
23 - штуцер для выхода охлаждающей жидкости выходной;
24 - перемычка.
Диффузионный вакуумный насос представлен на фиг. 1 и состоит из разъемного по сечению В-В корпуса, изготовленного из сплава АМг6. В нижней части корпуса (10) вакуумно-плотно установлен котел (17) из нержавеющей стали. Цилиндрическая часть котла имеет толщину – 1,0 мм, дно – 2,0 мм. В полости между котлом и корпусом при работе насоса через трубку (9) постоянно поддерживалось форвакуумное давление. При сборке насоса в котел (17) поочередно устанавливались: трубка из нержавеющей стали для быстрого охлаждения рабочей жидкости (18), нагреватель (19), выполненный в форме спирали из кабеля КНМСНХ, концы которых вакуумно-плотно выводились наружу через фланец нижней части корпуса (10). Далее, осесимметрично на дно насоса поочередно устанавливались: основание паропровода (1), закрытое экраном (2) из нержавеющей стали толщиной 0,5 мм и, наконец, система сопел от 4-й до 1-й ступеней с использованием различного назначения вставок. Вставки (3 и 4) использовались для установки расчетных значений критических зазоров сопел 3-й и 2-й ступеней (15 и 14 соответственно) паропровода (6). Диафрагма (5) служила дросселем при подаче пара к 1-й ступени. Пар к соплу 1-й ступени (13) подавался через 3 отверстия, выполненные в паропроводе. Критический размер сопла 1-й ступени (13) формировался внутренней частью сопла первой ступени. А отношение диаметра сопла первой ступени к диаметру входного отверстия насоса находится в диапазоне 1,35-1,45. Все детали паропровода стянуты шпилькой (8) и выполнены из того же сплава, что и корпусные детали насоса. Выполнить соотношение в диапазоне 1,35-1,45 при сборке насоса стало возможным, так как радиальный размер стыка верхней и нижней деталей корпуса насоса (10, 11) удовлетворяет этому соотношению, а радиальный размер верхней части корпуса насоса выполнен так, что площадь любого сечения канала насоса, начиная от входного сечения, включая размер кольцевой щели в плоскости сопла 1-й ступени, равен площади отверстия входного патрубка (сечения I-I II-II). Составная, установленная вакуумно-плотно вставка (7) формирует проточную часть канала насоса. При использовании в конструкции насоса сплавов алюминия используется секционное охлаждение с помощью 3-х параллельно, включенных каналов. Каналы обозначены на фиг. 1 как: Г, Д и Е.
Насос работает следующим образом.
После создания предварительного разрежения в полости корпуса насоса и подачи охлаждаемой воды в каналы охлаждения диффузионного насоса нагревается рабочая жидкость, пары которой, прогревая паропровод, истекают в виде струй пара низкой плотности из сопел 1-3 ступеней насоса. Далее парогазовая смесь при истечении из каждого сопла разделяется. Пар рабочей жидкости конденсируется на стенках корпуса и возвращается в котел, а откачиваемый газ или смесь газов, получив импульс в направлении откачки, сжимается по отношению к впускному давлению. Окончательное сжатие происходит в 4-й ступени, которая выполняет роль парового эжектора, сжимая газ до выпускного давления. Зазор, образованный вертикальной стенкой котла и экраном основания паропровода, выполняет роль гидрозатвора, обеспечивая непрерывную работу диффузионного насоса.
Так как в данной конструкции соотношение диаметра сопел к диаметру входного отверстия находится в диапазоне 1,35-1,45, то пар из сопла первой ступени, движение которого происходит по линиям тока, изображенных на фиг.3, вид Б конденсируется на охлаждаемой стенке корпуса насоса.
Анализ атмосферы в объеме, откачиваемом насосом предлагаемой конструкции, показал, что остаточная атмосфера объема содержит вещества с массами (1, 2) водород, (16, 17, 18) вода, (28) азот, (43-44) аргон.
Эти результаты были получены с использованием квадрупольного масс-спектрометра Extorr XT 100.