Вакуумные крионасосы - Минайчев В.Е.

Author: Минайчев В.Е.

Tags: пневмоэнергетика машины и инструменты холодильная техника холодильное оборудование машиностроение вакуумные системы вакуумные насосы издательство энергия вакуумная техника

Year: 1976

Similar

Основы конструирования вакуумных систем

Вакуумная техника. Справочник

Пароструйные вакуумные насосы

Механические вакуумные насосы

Text

В. Е. МИНАЙЧЕВ
ВАКУУМНЫЕ
КРИО-
НАСОСЫ
«Э Н Е Р Г И Я»
МОСКВА 1976
6Ф0.3
М 61
УДК 621.521
Минайчев В. Е.
М 61 Вакуумные крионасосы. М., «Энергия», 1976
152 с с ил.
В книге излагаются физичесйцр представления о процессе крио-
конденсационной откачки Рассматриваются принципы действия, спо-
собы охлаждения, характеристики и параметры крионасосов. Большое
внимание уделено вопросам конструирования и основам расчета крио-
насосов
Книга представляет интерес для широкого круга инженеров и на-
учных работников, специализирующихся в области вакуумной техники
и смежных с ней областях.
М 051(01)-76 162'76 6Ф0-3
© Издательство «Энергия», 1976.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Успехи в развитии таких отраслей науки и техники,
как электроника и радиоэлектроника, химия и металлур-
гия, получение сверхчистых и полупроводниковых мате-
риалов и многих других, были бы невозможны без прог-
ресса вакуумной техники, одной из основных задач ко-
торой является создание вакуумных откачных средств,
не вносящих органических загрязнений в откачиваемые
объемы.
Новым видом откачных средств являются крионасо-
сы, в основу работы которых положен метод конденса-
ции газов на поверхностях, охлаждаемых до низких
(криогенных) температур.
Возрастающий интерес к крионасосам объясняется
тем, что получение вакуума, свободного от органических
загрязнений, с одновременным обеспечением большой
быстроты откачки наиболее эффективно достигается при
помощи этого типа насосов. Как показывает практика,
крионасосы целесообразно применять не только для от-
качки больших камер или для работы в условиях боль-
ших газовых нагрузок. Современное состояние криоген-
ной техники позволяет использовать с достаточной эко-
номической эффективностью и миниатюрные крионасосы.
При внедрении крионасосов возникает много практи-
ческих трудностей, но можно предвидеть, что по мере
совершенствования техники получения низких температур
крионасосы будут получать все большее распростране-
ние.
Если первые практические применения крионасосов
ограничивались преимущественно лабораторной практи-
кой, то в настоящее время крионасосы находят все боль-
шее применение во многих видах вакуумно-техническо-
го оборудования, работающего в различных диапазонах
вакуума.
Так, в области среднего вакуума (100—1-Ю-1 Па)
крионасосы используются для откачки аэродинами-
ческих труб, вакуумных металлургических печей, устано-
3
вок катодного распыления. В области высокого вакуума
(1-Ю-1—1-10~5 Па) — в установках нанесения тонких
пленок, при исследованиях молекулярных пучков, в ими-
таторах космического пространства. В области сверхвы-
сокого вакуума (выше 1 • 10~5 Па) —в различного рода
исследовательском оборудовании.
Официальной датой рождения крионасосов следует
считать 1957г., когда в «Украинском физическом журна-
ле» было опубликовано сообщение харьковских ученых
Б. Г. Лазарева, Е С. Боровика и их сотрудников о
разработке и исследовании первого криоконденсационно-
го вакуумного насоса [2-36]. В этой работе они показали
путь к реализации больших возможностей криоконден-
сационной откачки и выявили ряд преимуществ этого
метода получения вакуума: возможность обеспечения
большой быстроты откачки, достижение сверхвысокого
вакуума, а также создание остаточной атмосферы, сво-
бодной от углеводородов.
Разработка крионасосов велась одновременно в
СССР и в других странах. Американский ученый Б. Бай-
лей (США) в 1958 г. на V национальном симпозиуме по
вакуумной технологии сделал доклад о результатах
своих работ по исследованию крионасосов. Однако прио-
ритет в разработке первого крионасоса несомненно при-
надлежит советским ученым.
В общих руководствах по вакуумной технике о крио-
насосах обычно приводятся краткие сведения, которые
часто носят описательный характер.
В то же время в отечественной и зарубежной практи-
ке накоплен значительный опыт по проектированию и
эксплуатации крионасосов, а также опубликовано боль-
шое количество работ по исследованию процессов крио-
откачки. Однако в литературе еще нет последователь-
ного и систематического изложения в одной книге этих
вопросов.
В данной работе автор поставил перед собой следую-
щую задачу: на основе обобщения и анализа отечествен-
ных и зарубежных литературных источников по исследо-
ванию, разработке и эксплуатации крионасосов ознако-
мить широкий круг инженеров-вакуумщиков с состоя-
нием развития этого важного и перспективного средства
получения вакуума, а также дать разработчикам основ-
ные сведения, необходимые для непосредственного ис-
пользования в инженерной практике. Последнее обстоя-
4
тельство еще важно и потому, что во многих случаях
является целесообразным проектировать крионасосы уз-
коспециального назначения, для применения только в
конкретных условиях, а не пользоваться серийными на-
сосами.
В связи с тем, что криооткачка является сравнитель-
но новым вакуумным процессом, терминология, применя-
емая в различных литературных источниках, не унифи-
цирована.
В дальнейшем автор применяет наиболее широко-
применяемую терминологию. При этом каждому специа-
льному термину дается объяснение.
К крионасосам в широком смысле можно относить
те насосы, которые либо не могут функционировать без
охлаждения (адсорбционные, конденсационные), либо
при охлаждении существенно улучшают свои вакуумные
параметры (например, охлаждаемые жидким азотом
электроразрядные и орбитронные насосы, азотиты и др.).
В книге излагаются вопросы работы только криокон-
денсационных насосов, в основном уделяется внимание
их работе в области высокого и сверхвысокого вакуума.
Лишь частично рассматриваются особенности работы
крионасосов в среднем и низком вакууме, так как эта
область работы крионасосов еще мало изучена.
Автор полагает, что приведенные в книге сведения
заинтересуют широкий круг специалистов, работающих
в области вакуумной техники и смежных с ней облас-
тях, и будут способствовать более интенсивному внедре-
нию крионасосов в различные области производственных
процессов и научных исследований.
В подготовке рукописи к изданию большое участие
принимали инж. Г. П. Тюфаева и инж. Н. В. Минайче-
ва, которым автор выражает глубокую благодарность.
Критические замечания, предложения и выявленные
недостатки будут с благодарностью приняты автором
как дружеская помощь в его дальнейшей работе.
Автор
Глава первая
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КРИОКОНДЕНСАЦИОННОЙ
ОТКАЧКИ
1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ПО КРИОКОНДЕНСАЦИОННОЙ ОТКАЧКЕ
Принцип действия криоконденсационного насоса. Фи-
зическая сущность откачивающего действия крионасо-
сов основана на том, что равновесное давление газов над
поверхностью твердого тела, охлажденного до низких
температур, может быть доведено до очень малых зна-
чений, т. е. на способности охлажденных поверхно-
стей конденсировать и удерживать на себе за счет сил
межмолекулярного взаимодействия молекулы газов.
Принципиально процесс низкотемпературной откачки
упрощенно может быть представлен следующим образом.
Газ, находящийся в некотором сосуде, с позиций моле-
кулярно-кинетической теории представляет собой мно-
жество молекул, хаотично движущихся прямолинейно во
всех направлениях. При этом молекулы газа непрерывно
сталкиваются между собой, а также со стенками сосу-
да. После каждого столкновения скорости и направле-
ния их движения изменяются. Если в сосуд поместить
поверхность и охладить ее до низкой температуры, то
молекулы газа, ударяясь о нее, будут терять часть своей
кинетической энергии и конденсироваться на ней, обра-
зуя твердый слой «замороженных» молекул газа. В ре-
зультате этого в объеме будет создаваться и поддержи-
ваться разрежение (вакуум).
В реальных условиях эта упрощенная модель не от-
ражает весь комплекс явлений, сопровождающих про-
цесс криооткачки.
Теоретическое изучение явлений, происходящих на ох-
лажденной поверхности, в процессе криооткачки услож-
няется тем, что они в свою очередь сопровождаются
большим комплексом взаимосвязанных и трудноразде-
6
лимых процессов: массотеплопереносом, фазовыми прев-
ращениями, непрерывным ростом криоосадка, формиро-
ванием и постоянным изменением структуры и тепло-
физических свойств криосадка и др. Кроме того,
приходится откачивать не однокомпонентный газ, а мно-
гокомпонентную газовую среду с различными теплофи-
зическими свойствами.
Выяснение природы сил, удерживающих частицы га-
за на охлажденной поверхности, а также механизма кри-
оконденсационного захвата молекул газов относится к
числу одной из сложнейших проблем современной физи-
ки и является предметом многочисленных эксперимен-
тальных и теоретических исследований.
При изучении физического процесса криооткачки ос-
новное внимание уделяется взаимодействию падающей
на охлажденную поверхность молекулы с поверхностью
конденсированной фазы.
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют
электромагнитную, а также квантовомеханическую при-
роду [1-1]. Опыты показывают, что межмолекулярные
взаимодействия зависят от расстояния между молекула-
ми. Действие этих сил проявляется на близких расстоя-
ниях (менее 10-7 см).
Взаимодействие в микромире выражается двумя од-
новременно действующими силами: силами взаимного
притяжения и отталкивания.
В основе процесса криооткачки лежат силы межмо-
лекулярного притяжения, и этот процесс представляет
собой фазовый переход первого рода, характеризуе-
мый расслоением системы на две фазы «пар — твердое
тело».
С термодинамической точки зрения криоконденса-
ционная откачка представляет собой изобарно-изотер-
мический процесс, который протекает самопроизвольно
в направлении уменьшения свободной энергии системы
«газ — твердый конденсат». В главе рассматриваются
основные процессы, обеспечивающие криоконденса-
ционную откачку.
Условия осуществления криоконденсационной от-
качки. Состояние вещества определяется давлением,
температурой и объемом. При определенных условиях
вещество может находиться в одном из трех агрегат-
ных состояний: газообразном, жидком или твердом
(рис. 1-1). В газообразном состоянии молекулы, совер-
7
тающие беспорядочное движение, заполняют весь объ-
ем. В жидкой фазе молекулы обладают ограниченной
свободой движения и занимают не весь доступный
объем, а лишь часть его. Наконец, в твердых кристал-
лических веществах каждый атом имеет фиксирован-
ное положение.
Физически криооткачка представляет собой конден-
сацию, т. е. фазовый переход первого рода, сопровож-
g°o°o°o%o?
°Wo°o°o°
Рис. 1-1. Иллюстрация последовательных этапов упо-
рядочения атомов в различных состояниях.
а — газообразное, б — жидкое; в — твердое
дающийся скачкообразным изменением внутренней
энергии и плотности. Фазовые переходы первого рода
всегда связаны с выделением или поглощением тепла,
называемого скрытой теплотой фазового перехода.
Для описания состояния вещества и условий, при
которых происходят в нем фазовые превращения,
пользуются диаграммами состояний, построенными
в координатах «давление — температура» [1-2]. Общий
вид такой диаграммы представлен на рис. 1-2. На
диаграмме нанесены линии равновесного состояния
фаз: линия ОВ соответствует равновесному состоянию
парообразной и жидкой фаз; линия О А —равновесно-
му состоянию жидкой и твердой фаз; линия СО — рав-
новесному состоянию парообразной и твердой фаз. Эти
линии разделяют плоскость диаграммы на три области:
область / правее линии СОВ соответствует газо- или
парообразному состоянию вещества; область II между
линиями АО и ОВ соответствует жидкой фазе; об-
ласть III левее линии СОА соответствует твердой фазе.
Точка В на диаграмме называется критической, ко-
торая характерна тем, что в области выше этой точки
стирается различие между жидким и газообразным
состоянием и при температуре выше критического зна-
8
чения вещество может находиться только в газообраз-
ном состоянии. Здесь следует обратить внимание на
условную разницу понятий газ и пар. Вещество назы-
вается газом, если его температура выше критической,
и паром, если температура вещества ниже критичес-
кой. Условная граница между газом и паром обозначе-
на линией BE. Точка О называется тройной точкой.
В состоянии, обозначенном
эт,ой точкой, находятся в рав-
новесии три фазы: газообраз-
ная, жидкая и твердая.
При соприкосновении двух
фаз в условиях, отличающихся
от равновесного состояния,
происходит переход вещества
из одной фазы в другую. Не-
посредственно из диаграммы
состояний видно, что процесс
криоконденсационной откачки,
т. е. процесс превращения
газа (пара) в твердое состоя-
ние, минуя жидкую фазу, бу-
Рис. 1-2. Общий вид диа-
граммы состояния веще-
ства.
дет происходить только в том случае, если давление газа
в объеме будет ниже давления в тройной точке. На
рис. 1-2 направление процесса криооткачки изображено
линией de. В точке f будет происходить десублимация,
т. е. превращение газа в твердое состояние.
Таким образом, первым условием криооткачки
является осуществление фазового перехода, происходя-
щего в области со значениями параметров ниже трой-
ной точки. Поскольку критическая температура всегда
выше температуры в тройной точке, то при криооткач-
ке имеют дело уже не с газами, а с их парами. Пара-
метры тройных точек для наиболее технически важных
газов представлены на табл. 1-1 [1-3].
Другое условие осуществления криоконденсацион-
ной откачки состоит в том, что в процессе работы на-
соса на охлажденной поверхности в результате перехо-
да газа в твердое состояние происходит постоянное
выделение тепла, называемого теплотой конденсации.
Поэтому для проведения этого процесса необходимо
постоянно отводить теплоту конденсации и поддержи-
вать температуру охлажденной поверхности на необхо-
димом уровне.
9
Таблица 1-1
Критические температуры и параметры тройных точек
некоторых веществ
Вещество Критическая температура, К Параметры тройных точек
давление, Па температура, К
Азот 126,3 1,24-104 63,2
Кислород 154,8 146 54,4
Водород 33,2 7,2.10з 13,9
Аргон 150,7 1,52-104 83,8
Неон 44,4 4,32-104 24,5
Криптон 209,4 7,68-104 115,9
Двуокись углерода 304,2 |“4,5.10з 216,6
Окись углерода 132,9 1,54.1С4 68,1
Метан 191,1 1,18-104 90,7
Вода 647,33 560 273,2
Конструктивная схема криоконденсационного насоса.
Принципиальная конструктивная схема крионасоса,
несмотря на все многообразие его выполнения, содер-
жит, как правило, четыре основных конструктивных
элемента: криопанель, теплозащитный экран, охлаж-
дающее устройство и корпус [1-4].
Криопанель является основной (откачивающей)
частью насоса и представляет собой поверхность (па-
нель), охлажденную до криогенных температур. На
криопанели осуществляется конденсация откачиваемых
газов.
Теплозащитный экран обычно располагается между
стенками корпуса и криопанелью и охлаждается до
промежуточных температур между температурой стен-
ки корпуса и температурой криопанели. Он служит для
снижения тепловых нагрузок на криопанель. Иногда
не применяют теплозащитных экранов. В этом случае
резко возрастают тепловые нагрузки на криопанель
и соответственно требуются более мощные охлаждаю-
щие устройства.
Система охлаждения служит для предварительного
охлаждения криопанели от комнатной до рабочей
температуры, а также для компенсации тепловых
нагрузок на криопанель и поддержания криопанели на
необходимом температурном уровне во время работы
крионасоса.
10
я часть экрана
4 J Z
ите. 1-3. Принципиальная
конструктивная схема крио-
насоса.
Корпус предназначен для монтажа всех конструк-
тивных элементов насоса. Иногда криопанель с тепло-
защитным экраном помещается непосредственно в ва-
куумную камеру, в этом случае корпус камеры являет-
ся одновременно и корпусом насоса.
Принципиальная конструктивная схема насоса пред-
ставлена на рис. 1-3. Плоская криопанель 1 окружена
теплозащитным экраном 2. Г
выполнена в виде оптически не-
прозрачных жалюзи 3, обеспе-
чивающих проход газа к крио-
панели и исключающих воз-
можность прямого теплового
излучения на криопанель с теп-
лых стенок корпуса 4 насоса.
Корпус насоса фланцем 6 кре-
пится к откачиваемому объему
5. Фланец 8 предназначен для
подсоединения форвакуумного
насоса. С целью упрощения на
принципиальной схеме не по-
казана система охлаждения
крионасоса, а также другие
вспомогательные устройства,
которыми обычно оснащаются
крионасосов. Пуск крионасоса,
ляется в три этапа.
Вначале из полости насоса и
удаляется основная масса газа обычно с помощью
форвакуумных насосов. После достижения предвари-
тельного разрежения начинается охлаждение теплоза-
щитного экрана. Наиболее часто оно осуществляется
с помощью жидкого азота до температуры, равной 80—
100 К. Последний этап состоит в охлаждении криопанели
обычно до температуры 20 К и ниже. Молекулы из отка-
чиваемого объема поступают по направлению, указан-
ному стрелками 9, к жалюзийному теплозащитному
экрану 3, проникают через него и, достигнув криопане-
ли /, конденсируются («вымораживаются») на ней в ви-
де твердого слоя 7, называемого криоосадком.
Крионасосы, так же как .и другие виды вакуумных
насосов, оцениваются двумя основными характеристи-
ками: предельным остаточным давлением и быстротой
действия.
реальные конструкции
как правило, осуществ-
11
В то же время величина предельного остаточного
давления имеет значение только для крионасосов,
используемых специально для создания наиболее низ-
кого остаточного давления в откачиваемой системе, не
имеющей больших газовыделений. Для крионасосов,
работающих в области среднего и низкого вакуума,
величина предельного вакуума не имеет особого значе-
ния, так как они в этом случае предназначаются
в основном для удаления больших количеств газа из
откачиваемых систем.
Теоретически достижимое криоконденсационным на-
сосом предельное остаточное давление наглядно пред-
ставлено на диаграмме состояния (рис. 1-2), где каж-
дая точка, расположенная на кривой ОС равновесия
системы «газ — криоосадок», будет характеризовать
установившееся равновесное давление, называемое
упругостью пара при данной температуре. Это и будет
представлять собой теоретически достижимое остаточ-
ное предельное давление. Непосредственно из рис. 1-2
видно, что предельное остаточное давление однознач-
но зависит от температуры криопанели и при пониже-
нии температуры предельное давление понижается.
Необходимо отметить, что практически предельное
остаточное давление в объеме всегда несколько превы-
шает значение упругости пара данного затвердевшего
газа при соответствующей температуре криопанели.
При помощи крионасосов могут быть достигнуты пре-
дельные остаточные давления порядка 10-8 Па и ниже.
Быстрота действия является основной характе-
ристикой при оценке крионасоса, так как во многих
случаях практически бывает важно не достижение как
можно более низкого давления, а поддержание необхо-
димого давления в системе во время проведения неко-
торого вакуумно-технологического процесса, сопровож-
дающегося большим газовыделением. Это условие
возможно обеспечить лишь при определенной, иногда
достаточно высокой, быстроте действия насоса.
Максимальное теоретическое значение быстроты
действия достигается тогда, когда каждая молекула,
попадающая на криопанель, «захватывается» ею,
т. е. теоретическая быстрота откачки будет численно
равна объему, соответствующему числу молекул газа,
ударяющихся о поверхность криопанели в единицу
времени.
12
Таким образом, быстрота действия крионасоса
в основном определяется величиной площади криопане-
ли. На практике действительная быстрота действия
насоса бывает всегда ниже теоретической, так как не
все молекулы, ударившиеся о криопанель, «захватыва-
ются» ею. К тому же реализации максимальной теоре-
тической быстроты действия препятствуют жалюзийные
теплозащитные экраны, оказывающие сопротивление
течению откачиваемого газа к криопанели.
1-2. ПРИРОДА МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ
Дипольный момент молекул. Для уяснения сил взаимного при-
тяжения молекул газа необходимо обратиться к рассмотрению зако-
номерностей взаимодействия диполей.
По современным представлениям каждый атом состоит из по-
ложительно заряженного ядра, окруженного облаком из отрицатель-
но заряженных электронов, содержащихся в таком количестве, что
при любой величине заряда ядра вся система атома является ней-
тральной. В нормальном состоянии центр тяжести суммарного отри-
цательного заряда электронов совпадает с центром тяжести положи-
тельного заряда ядра. Однако под влиянием некоторого электриче-
ского поля центры тяжестей электрических зарядов электронов и
ядра в атоме могут сместиться относительно друг друга. В резуль-
тате в одной части атома будут преобладать положительные заря-
ды, а в другой — отрицательные. При этом между обоими центрами
тяжести образуется определенное расстояние.
Система из двух электрических зарядов и е~, равных по
величине, но противоположных по знаку и расположенных на неко-
тором расстоянии друг от друга, называется электрическим диполем.
Произведение величины зарядов е на расстояние между ними /д
называется дипольным моментом и обозначается через
Н=е/Д. (1-1)
Инертные газы всегда находятся в атомарном состоянии. Ато-
мы этих газов обладают высокой электрической симметрией, и по-
этому у них отсутствует дипольный момент.
Прочные межатомные связи в молекулах образуются за счет
частичного перекрывания электронных облаков. Наглядное изобра-
жение некоторых молекул представлено на рис. 1-4, где сфериче-
ские поверхности являются границей электронных облаков [1-5].
В зависимости от расположения атомов в молекуле одни мо-
лекулы могут быть электрически нейтральными, а у других молекул
наблюдается несовпадение центров тяжести положительных и отри-
цательных зарядов. Эти молекулы обладают постоянным дипольным
моментом и называются полярными.
Когда диполи каждой из взаимодействующих пар атомов про-
тивоположны по знаку, они компенсируют друг друга и молекула
не имеет полярности. Двухатомные молекулы Н2, N2, Ог и др., со-
стоящие из одинаковых атомов в соответствии с симметричным по-
ложением связывающей их электронной пары, не обладают поляр-
ностью, и их дипольный момент равен нулю.
13
Когда же взаимной компенсации диполей взаимодействующих
пар атомов не происходит, молекула оказывается полярной.
Двухатомные молекулы, состоящие из неодинаковых атомов,
в большинстве случаев полярны. В многоатомных молекулах поляр-
ность определяется полярностью отдельных связей и их расположе-
нием в молекуле.
Так, в молекуле СОг две двойные связи углеродного атома рас-
полагаются на одной прямой и расстояния обоих атомов от углерод-
Рис. 1-4. Схематическое изображение молекул.
а — взаимное расположение атомов в молекулах; б — структурные схемы моле-
кул; в — сложение дипольных моментов молекул.
кого равны между собой, т. е. эти молекулы обладают симметрич-
ным строением. Поэтому, хотя каждая из связей С = О обладает
некоторой полярностью, вследствие полной взаимной компенсации
дипольных моментов связей молекула в целом будет неполярна.
Компенсация дипольных моментов связей широко распространена
среди углеводородов [1-6].
При несимметричном строении молекулы полной компенсации
моментов отдельных связей не происходит. Для вакуумной техники
особый интерес представляют пары воды, так как они в основном
определяют остаточную атмосферу в непрогреваемых системах. Мо-
лекула Н2О построена нелинейно, в ней водородные атомы распо-
ложены не симметрично относительно кислородного атома. Вслед-
ствие этого связь Н—О полярна, а молекула Н2О в целом обладает
значительным дипольным моментом.
При конденсации на поверхности криопанели полярные молеку-
лы в противоположность неполярным молекулам располагаются
ориентированно, а прочность их связи оказывается во много раз
большей по сравнению с прочностью связей при криоконденсации
неполярных молекул.
14
Физическая сущность межмолекулярных взаимодействий. Взаим-
ное притяжение молекул происходит за счет действия сил Ван-дер-
Ваальса. Эти силы обусловливают сцепление молекул во многих
физических явлениях (отвердевание, ожижение, адсорбция, трение,
поверхностное натяжение, вязкость и др.), в том числе и при обра-
зовании криоосадка в процессе криоконденсационной огкачки.
Взаимное притяжение молекул в упрощенном виде можно предста-
вить, если рассматривать молекулы как электрические диполи.
Рис. 1-5. Схематическое изображение характера межмолекулярных
взаимодействий.
а — ориентационное взаимодействие; б — индукционное взаимодействие; в —
мгновенный дипольный момент; г — согласованное движение электронов в со-
седних атомах.
По природе образования диполей различают следующие три ти-
па сил притяжения: ориентационные (Кизома), индукционные (Де-
бая) и дисперсионные (Лондона) (1-7]. Эти силы во многих случаях
при взаимном притяжении молекул действуют одновременно, причем
значение каждой из сил различно для разных молекул. Рассмотрим
подробнее характер сил межмолекулярного взаимодействия
Ориентационные силы преобладают между полярными молеку-
лами с постоянным дипольным моментом (например, Н2О, СО
и др.). Силы электростатического взаимодействия диполей стремят-
ся расположить молекулы в определенном порядке. Взаимодействие
полярных молекул схематически представлено на рис. 1-5,а, на ко-
тором стрелки показывают направляемые притяжения. Работа сил
притяжения равна произведению этих сил на расстояние.
Потенциальная энергия Ео, соответствующая силам ориента-
ционного взаимодействия двух изолированных диполей |ii и ц2, на-
ходящихся на расстоянии между ними /м,
2 р.21р.22
- - з kT I*
м
где k — постоянная Больцмана.
(1-2)
15
Знак минус выражает взаимное притяжение Тепловое движе-
ние молекул стремится нарушить упорядоченное расположение взаи-
модействующих молекул, поэтому энергия ориентационного взаимо-
действия уменьшается с повышением температуры, что видно из вы-
ражения (1-2).
Индукционные взаимодействия объясняются тем, что симметрич-
ные молекулы большинства веществ могут сравнительно легко по-
ляризоваться под действием соседних полярных молекул в момент
сближения с ними (рис 1-5,6). Возникает наведенный (индуциро-
ванный) электрический момент («диполь зеркального отображения»)
Это приводит к взаимному притяжению молекул подобно взаимо-
действию постоянных диполей, но более слабому Потенциальная
энергия индукционного взаимодействия Би не зависит от темпера-
туры и определяется поляризованностью щ неполярной молекулы
и дипольным моментом Цг полярной молекулы:
_ _а ,|Х22_
И /вм
(1-3)
Постоянная а, именуемая поляризованностью, физически пред-
ставляет собой меру деформируемости или сдвига электронных обо-
лочек молекул в электрическом поле. Эта величина измеряется
в кубических сантиметрах и имеет различные значения для различ-
ных атомов и молекул. Поляризованность определяется энергией
связи электронов с ядром, т. е соответствующей величиной потен-
циала ионизации Чем ниже потенциал ионизации частицы, тем
легче деформируется электронная оболочка.
Межмолекулярное взаимодействие, существующее между непо-
лярными молекулами, невозможно объяснить наличием рассмотрен-
ных взаимодействий Так, например, невозможно объяснить сгуще-
ние в жидкость инертных газов, молекулы которых обладают вы-
сокой электрической симметрией и в статическом состоянии не
имеют заметного электрического момента. Поэтому на основе кван-
товомеханических представлений был введен еще один еид взаимо-
действий, так называемое дисперсионное взаимодействие. Схемати-
чески его можно представить следующим образом. (При движении
электронов вокруг ядра происходит мгновенное нарушение симмет-
рии, т. е положение электронов в атомах в каждый данный момент
не соответствует строго сферически симметричному распределению
заряда вокруг ядра. Это обстоятельство приводит к возникновению
некоторого мгновенного дипольного момента с длиной, равной ра-
диусу орбиты электрона, как это показано на рис. 1-5,6.
Из-за статистического характера законов, действующих в ми-
кромире, всегда в какой-то момент времени найдутся два или не-
сколько атомов с согласованным движением электронов, как по-
казано на рис. 1-5,а, и между ними возникнут силы взаимного
притяжения Притягиваясь электростатически, эти атомы оказывают
друг на друга еще большее влияние и тем самым понижают свою
потенциальную энергию.
Результирующим эффектом такого процесса является тенден-
ция к синхронизации движения электронов во всем огромном ко-
личестве частиц, что отвечает меньшему запасу энергии системы и
вызывает взаимное притяжение частиц друг к другу.
Дисперсионное взаимодействие происходит между одинаковыми
или различными, полярными и неполярными молекулами Прибли-
16
женное выражение дисперсионной энергии через поляризованность
отдельных молекул имеет вид
где /i, h —величины, обусловленные потенциалами ионизации. Чи-
сто они приблизительно равны потенциалам ионизации
Потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия. Пол-
ную энергию взаимных притяжений £Пр двух реальных молекул за
счет сил Ван-дер-Ваальса можно представить в виде суммы.
Е пр = £о + £и + £д. (1-5)
Из соотношений (1-2), (1-3) и (1-4) можно записать
Е — ——
пр
(1-6)
где хп — некоторая
в общем виде можно
силовая постоянная притяжения,
записать:
р.1[Л2 3
хп = — 2 — ajp2 — "Tj- «1^2
которую
(1-7)
Как уже упоминалось, силы притяжения частиц являются не
единственными. При тесном сближении молекул силы притяжения
уравновешиваются силами отталкивания, которые становятся суще-
ственными на некоторых расстояниях между частицами. Энергия
отталкивания Еот заполненных электронных оболочек молекул про-
порциональна /12м, т. е.
Е —
73 от ,12 »
(1-8)
где х0 — некоторая силовая постоянная отталкивания.
Условно принимая, что силе взаимного притяжения соответст-
вует отрицательная потенциальная энергия, силе отталкивания —
положительная, можно представить графически потенциальные энер-
гии £Пр и Вот в зависимости от расстояния между молекулами
(рис. 1-6). Кривая 1, лежащая в положительной области, выражает
зависимость потенциальной энергии отталкивания от межмолекуляр-
ного расстояния (1-8). Кривая 2 есть функция возрастания энергии
притяжения по мере сближения молекул.
Так как показатели степени при /м в выражении (1-6) меньше,
чем в (1-8), то соответственно положительная энергия сближаю-
щихся молекул возрастает при малых /м быстрее, чем отрицательная
энергия притяжения при тех же значениях /м.
Суммарная потенциальная энергия двух молекул
хп *п
= - £Пр + = -ёГ + ~лГ • (1-9)
При этом константа притяжения хп определяется из уравнения
(1-8), а константа отталкивания х0 может быть найдена методом
дифференцирования (при условии равновесия между силами оттал-
кивания и притяжения). Выражение (1-9) называется потенциаль-
ной функцией взаимодействия и отражает конкуренцию сил притя-
жения и отталкивания в зависимости от расстояния между части-
17
цами в молекулярном кристалле. График суммарной потенциальной
функции взаимодействия представлен кривой АВС на рис. 1-6Д
который получен алгебраическим сложением функций, изображен-
ных на рис. 1-6,а.
Ниспадающая ветвь СВ этой кривой выражает силу притяже-
ния, а восходящая ветвь ВЛ — силу отталкивания. При расстоянии
между молекулами Iq=OD силы притяжения и отталкивания чис-
ленно равны друг другу, и суммарная сила взаимодействия равна
нулю. Это положение равновесия соответствует минимуму потен-
циальной энергии Ео (глубине потенциальной ямы).
Рис. 1-6 Потенциальная энергия межмолекулярных взаимо-
действий.
Наличие минимума в отрицательной области энергии свидетель-
ствует о том, что система молекул, находящихся на расстоянии /о
друг от друга, более устойчива, чем состояние двух изолированных
молекул, на величину Ео. Этот выигрыш, получаемый при сближе-
нии молекул, и служит энергетической предпосылкой их объединения
Таблица 1-2
Параметры межмолекулярных взаимодействий
(в условных единицах)
Молекула вещества Эффектив- ный диа- метр моле- кул в кон- денсиро- ванном со- стоянии, XI О4 мкм Положе- ние равно- весия, ХЮ4 мкм Дипольный момент, ХЮ°Кл м Энергия ориента ционного взаимо- действия Энерги I индук- ционного взаимо- действия Энергия диснер сионного взаимо действия
Н2 4,19 4,07 0 0 0 11,3
Аг 4,15 4,05 0 0 0 57
n2 3,74 4,23 0 0 0 62
СН4 4,49 4,49 0 0 0 117
со — 4,36 2,42 0,0034 0,057 67
Н2О 3,48 3,48 6,07 190 10 47
о2 3,73 4,03 0 0 0 —
18
в более крупные частицы, а в конечном итоге причиной образования
твердого криоосадка газов на криопанели в процессе криооткачки
Численные значения энергий взаимодействия, а также величина
/о для некоторых газов приведены в табл 1-2 [1-5]. Здесь также
приведены значения эффективных диаметров молекул и атомов, под-
считанные по плотности их в конденсированном состоянии
Силы Ван-дер-Ваальса, вызывающие конденсацию газов, опре-
деляются в основном дисперсионным эффектом (табл 1-2) Только
для молекул, обладающих большим дипольным моментом (например,
Н2О), энергия ориентационного и индукционного взаимодействия
соизмерима с энергией дисперсионного взаимодействия [1-8]
Энергетическая модель взаимодействия газов с криопанелью.
Криоосадок представляет собой твердое тело, состоящее из молекул
газа, плотно уложенных за счет ван-дер-ваальсовых сил.
В зависимости от того, обладают или нет полярными свойства-
ми криоосадок и откачиваемые молекулы, могут возникать различ-
ные характерные типы взаимодействий во время криоконденсацион-
ной откачки, показанные на рис. 1-7.
Рассмотрим процесс взаимодействия молекул откачиваемого
газа с охлажденной поверхностью (криопанелью).
Для простоты рассуждений примем, что молекула, находящаяся
в составе криоосадка, неподвижна и расположена в начале коор-
динат (рис 1-8), а молекула из газовой фазы движется к криопа-
нели вдоль оси абсцисс х (одномерная модель). До сближения
с поверхностью криопанели каждая молекула обладает некоторой
кинетической энергией EK~kT. Начиная от больших расстояний и
до расстояния /0 молекула движется к поверхности криопанели со
все возрастающей скоростью под действием сил притяжения, дей-
ствующих на этом участке. В точку /0, соответствующую равновес-
ному состоянию, молекула газа придет с некоторым запасом кине-
тической энергии, равным:
Е'к = £к+Ео. (1-10)
Благодаря этой энергии молекула пройдет через положение рав-
новесия /о и будет приближаться к молекуле, находящейся на по-
верхности криопанели. В результате взаимодействия часть кинети-
ческой энергии £к набегающей на криопанель молекулы будет рас-
сеяна на холодном криоосадке, а оставшаяся часть перейдет в по-
тенциальную Затем молекула под действием сил отталкивания
будет удаляться от поверхности криопанели и двигаться с ускоре-
нием к центру /о потенциальной ямы, при этом потенциальная энер-
гия будет снова превращаться в кинетическую Ек, которая уже по
своему абсолютному значению будет в точке /о меньше Е'к
Общая энергия Е двух частиц во время этих превращений
остается постоянной и ее можно разделить на потенциальную Еп
(энергию взаимодействия) и кинетическую Ек:
Е=Еп+Ек = const. (1-П)
Далее в зависимости от соотношения (глубины потенциальной
ямы) Ео и кинетической энергии Ек набегающей молекулы (после
взаимодействия с молекулами криоосадка) могу г иметь место сле-
дующие три случая.
В состоянии, изображенном на рис 1-8 индексами 1, при малых
значениях кинетической энергии E"Ki, т. е. при Ео/Е"к1>1, набегаю-
щая молекула под действием сил притяжения может приблизиться
19
Рис. 1-8. Изменение энергии
взаимодействия молекул в про-
цессе конденсации.
Рис. 1-7. Схематические изо-
бражения различных видов
взаимодействий молекул
с криопанелью.
а — конденсация полярной молеку-
лы на полярном криоосадке; б —
конденсация полярной молекулы на
неполярном криоосадке; в — кон-
денсация неполярной молекулы на
полярном криоосадке; г — конден-
сация неполярной молекулы на не-
полярном криоосадке; 1 — полип-
ная молекула в объеме; 2 — поляр-
ная молекула в криоосадке; 3 — не-
полярная молекула с индуцирован-
ным дипольным моментом; 4 —
неполярная молекула в объеме;
5 — неполярная молекула в крио-
осадке; 6 — верхний слой крио-
осадка.
на некоторое расстояние Xi и затем начнет удаляться под действием
сил отталкивания. В точке Хг она израсходует приобретенную за
счет сил отталкивания кинетическую энергию и под действием сил
притяжения будет возвращаться к точке /0. В результате молекула
не покинет поверхность криопанели и будет совершать колебатель-
ные движения между двумя положениями Xi и Хг. В этом случае
молекулы будут захватываться криопанелью, т. е будет происходить
процесс криооткачки. Как видно из рис. 1-8, это состояние харак-
теризуется тем, что
Е^Еп + E''k^Fo. (1-12)
В состоянии, изображенном на рис. 1-8 индексами 2, при боль-
ших значениях кинетической энергии Е"К2, т. е. при Ео[Е"к2<\, на-
бегающая молекула под действием сил притяжения может прибли-
зиться на расстояние х3 (более короткое, чем Xi) и под действием
20
сил отталкивания за счет суммарной положительной энергии £2 по-
кинет поверхность криопанели. Как видно из рис. 1-8, это состояние
характеризуется тем, что
£,2 = -^п+ £^//к2^>-^0- (1-13)
Кроме этих двух крайних случаев, существует промежуточный,
когда £кз приблизительно равна £о, т. е.
Ез —Енз ~ Eq. (1-14)
В этом случае взаимодействие будет очень слабым и первона-
чально захваченная криопанелью молекула через некоторое время
может накопить необходимую энергию от соударяющихся с крио-
панелью молекул и покинуть криопанель. Различные последствия
соударения молекул с криопанелью (криоосадком) наглядно изобра-
жены на рис. 1-9.
оь) б) 6)
Рис. 1-9. Различные последствия соударения молекул газа с крио-
панелью.
а — переход в конденсированное состояние (первый случай); б — отражение
от криопанели (второй случай); в — повторное «испарение» с криопанели
(третий случай); / — свободная молекула; 2 — сконденсированная молекула,
3 — отраженная молекула; 4 — поверхность криопанели.
Таким образом, если средняя кинетическая энергия £к падаю-
щих на криопанель молекул и молекул, находящихся в криоосадке,
не превышает потенциальной энергии взаимодействия их (£0), то
будет осуществляться криоконденсационная откачка.
Предварительной характеристикой способности различных газов
к криоконденсационной откачке может служить критическая темпе-
ратура газа (табл. 1-1). При одинаковой температуре криопанели
лучше откачивается газ, имеющий более высокую критическую тем-
пературу. Труднее всего откачивается гелий, критическая температу-
ра которого ниже, чем у остальных газов.
Условие захвата молекул газа криопанелью можно получить,
используя понятие коэффициента аккомодации а, который характе-
ризует интенсивность теплообмена (энергообмена) между взаимодей-
ствующими молекулами. Коэффициент аккомодации [1-7]
(£'к-£"к)
а~ (£'к-£т)
(Ы5)
где £т—тепловая энергия молекул, находящихся в составе крио-
осадка.
21
Таблица 1-3
Зависимость коэффициента аккомодации газов
при различных температурах [1-3]
Температура, К Коэффициент аккомодации
Воздух 1 н’ Не
300 0,8—0,9 0,3 0,3
77 1,0 0,5 0,6
20 1,0 1,0 0,6
Из уравнения (1-15) при выполнении соотношения (1-12) может
быть получено условие захвата мозекул газа рриопанелью:
£о _ 1 — а
“£7“1-(£т/£о) • (М6)
Ориентировочные значения коэффициентов аккомодации для
различных температур криопанели приведены в табл. 1-3.
Так как аналитические выражения для определения энергии
межмолекулярного взаимодействия очень сложны, то в практике
часто пользуются полуимперическими соотношениями, позволяющи-
ми производить приближенные инженерные расчеты.
1-3. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ О СТРУКТУРЕ И ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ
КРИООСАДКА
Механизм роста криоосадка. Процесс криооткачки
сопровождается фазовым переходом из газообразного
состояния в твердое. Как показывают физические ис-
следования, твердый криоосадок имеет кристаллическое
строение [1-9].
Металлические поверхности криопанели практически
никогда не бывают идеально чистыми. Как правило, они
покрыты тонкими окисными пленками и имеют на себе
по меньшей мере один молекулярный слой адсорбиро-
ванных газов. Даже чистые поверхности металлов ведут
себя подобно полярным адсорбентам [1-6].
В начальной стадии криооткачки на поверхности об-
разуется большое число различно ориентированных за-
родышей кристаллизации. Для образования зародышей
необходимо, чтобы несколько молекул расположились
на криопанели в позициях, соответствующих устойчиво-
му кристаллическому строению.
Статистический характер молекулярных процессов
приводит к тому, что несколько частиц могут одновре-
менно оказаться рядом на некотором участке криопане-
ли с пониженным энергетическим уровнем. При доста-
22
точно низкой температуре криопанели их взаимное при-
тяжение окажется сильнее энергии теплового движения,
пропорциональной kT. Таким образом, эти частицы ока-
зываются центрами кристаллизации и к ним начинают
присоединяться все новые частицы, объединяясь в заро-
дыш кристалла. Последовательные стадии роста крио-
осадка показаны на рис. 1-10.
В начальный период на криопанели возникает мно-
жество центров кристаллизации, вокруг которых проис-
Рис. 1-10. Стадии роста криоосадка.
ходит рост кристаллов. Эта стадия роста криоосадка схе-
матически показана на рис. 1-10,а, где зародыши услов-
но обозначены крестиками. Наряду с зародышеобразо-
ванием имеет место процесс разрушения зародышей.
После того как некоторым молекулам удается занять
нужные позиции, энергия их движения может быть на-
столько велика, что они столкнут друг друга с этих по-
зиций и сделают невозможным зародышеобразование.
Кроме того, уже образовавшиеся зародыши могут быть
подвергнуты бомбардировке со стороны молекул из га-
зовой фазы, разрушающей начавшуюся кристаллизацию.
В результате роста зародышей происходит их пре-
вращение в микроскопические кристаллы. По мере роста
слоя криоосадка происходит «поглощение» мелких крис-
таллов более крупными, в результате чего средний раз-
мер кристаллов растет по мере увеличения толщины
слоя криоосадка (рис. 1-10, б).
В последующей стадии образовавшиеся кристаллы
при своем дальнейшем росте сталкиваются друг с дру-
гом, создают взаимные помехи в росте и, таким образом,
образуют компактный криоосадок в виде поликристал-
лического твердого тела с разупорядоченной структурой,
состоящей из множества мелких беспорядочно ориенти-
рованных кристаллов, именуемых кристаллитами. Раз-
меры кристаллитов, структура криоосадка и наличие
23
всевозможных дефектов структуры зависят от многих
параметров процесса конденсации: температуры газа
и криопанели, интенсивности газового потока, рода кон-
денсируемых газов, диапазона давлений в газовой фазе,
флуктуации потоков, наличия неконденсируемых приме-
сей и др. Эта стадия роста криоосадка изображена на
рис. 1-10, в.
Большое значение для процесса роста криоосадка
имеет явление поверхностной миграции частиц, падаю-
щих на поверхность кристалла Сущность этого явления
может быть пояснена на двухмерной модели. Молекулы,
находящиеся в углах кристаллической решетки, совер-
шают колебательные движения не только в направлении,
перпендикулярном поверхности криоосадка, но также име-
ют составляющую, расположенную в плоскости криоосад-
ка. Периодическая структура решетки кристалла приво-
дит к периодическому изменению потенциала взаимодей-
ствия частиц атомного ряда (периодичность потенциаль-
ных ям) в направлении, параллельном поверхности крио-
осадка, как это изображено на рис. 1-11. Энергетичес-
кое состояние £М1 молекулы, находящейся в потенци-
альной яме, вызывает поверхностные колебания молеку-
лы в некоторых пределах Xi, Х2. Если молекула приоб-
ретает энергию Ем2 большую, чем Ем, то она может пе-
реместиться в положение х3.
Кинетика роста зародышей в виде куба с учетом
взаимодействия ближайших соседних частиц иллюстри-
руется моделью Странского [1-10], представленной на
рис. 1-12.
Молекулы, падающие на криоосадок из газовой фа-
зы, оседают или отражаются от его поверхности. Части-
цы, остающиеся на поверхности, либо существовавшие
на ней некоторое время, могут покинуть ее и вновь воз-
вратиться в пространство; либо остаться непосредствен-
но на месте встречи с Поверхностью; либо путем мигра-
ции они могут перемещаться по поверхности.
Согласно модели Странского поверхность кристалла
во время роста обладает атомно-ступенчатой структу-
рой. На ней различают конденсированные молекулы а,
прочно связанные с решеткой кристалла, плоскоконден-
сированные молекулы б, менее-прочно связанные с ре-
шеткой, но удерживаемые ею; плоскоадсорбированные
в, которые после присоединения к ним молекулы могут
перейти в плоскоконденсированные; линейно-адсорбиро-
24
ванные г, имеющие возможность мигрировать вдоль
ребра кристалла и превращаться в плоскоадсорбирован-
ные; плоскоадсорбированные частицы д, слабо связан-
ные с решеткой кристалла и могущие, побыв некоторое
время в адсорбированном состоянии, покинуть поверх-
ность криосадка. Плоскоадсорбированные частицы так-
жем могут мигрировать по поверхности с очень малой
затратой энергии и занимать более устойчивые положе-
ния, такие, как линейно-адсорбированные г или плоско-
конденсированные в. Это и приводит к построению все
новой и новой плоскости куба, т. е. к росту кристаллита.
Рис 1-11. Поверхностная мигра-
ция молекул.
Рис 1-12. Образование кри-
сталлов по Странскому.
Структурное строение криоосадка. В последние годы
проведено большое количество работ по исследованию
структур твердых газов с помощью дифракции рентге-
новских лучей, электронов и нейтронов.
Газы при превращении в твердое состояние образуют
молекулярные кристаллы. Этот класс кристаллов отли-
чается тем, что в узлах их кристаллической решетки
находятся устойчивые молекулы, которые сохраняют
свою химическую индивидуальность не только в газооб-
разной, но и в твердой фазе. Частицы удерживаются
в узлах решетки ван-дер-ваальсовыми силами, которые
в молекулярных кристаллах являются сравнительно
слабыми. Они во много раз слабее сил, связывающих
частицы в ионных, атомных или металлических кристал-
лах. Это и объясняет быструю разрушаемость молеку-
лярных кристаллов при нагревании.
Наиболее простыми по структуре являются кристал-
лы инертных газов. Несмотря на то, что решетки обра-
зуются в этих кристаллах атомами инертного газа, од-
25
Рис. 1-13. Модель сил сцепления
в кристалле.
нако по характеру связей их относят к молекулярным,
а не к атомным. В этом случае «молекулы» одноатомны
и связаны друг с другом только дисперсионными силами
межмолекулярного сродства- Поэтому твердые инертные
газы рассматриваются обычно как молекулярные, а не
как атомные кристаллы.
Частица, находящаяся в конденсированном состоя-
нии, совершает небольшие колебания относительно не-
которого положения равновесия по сравнению с теми,
какие она совершала бы
в газе или жидкости.
Можно представить себе
кристалл как правильную
решетку из шаров (моле-
кул или атомов), соеди-
ненных друг с другом
пружинками, моделирую-
щими силы, удерживаю-
щие частицы (рис. 1-13).
Если в такой модели одну
из частиц вывести из рав-
новесного положения, а
затем освободить, то она
под действием пружинок
будет колебаться. В ре-
альном кристалле все ча-
стицы постоянно колеб-
лются во всех направле-
ниях относительно их со-
стояний равновесия, и это
движение определяет тем-
пературу твердого тела, так же как и в газе температура
определяется свободным движением атомов.
При низкой температуре процесс конденсации сопро-
вождается более интенсивным образованием центров
кристаллизации за счет эффективного энергообмена
между частицами газовой фазы и криоосадка и ограни-
ченной поверхностной миграции конденсируемых частиц.
Эти обстоятельства обусловливают рост мелкокристал-
лической («рыхлой») структуры криоосадка.
При сравнительно высоких температурах криопанели
процесс конденсации сопровождается противоположны-
ми явлениями, что приводит к образованию относитель-
но крупнокристаллической структуры криоосадка.
26
На структуру криоосадка оказывает влияние также
и давление в объеме, при котором происходит конден-
сация газа в твердое состояние. При сравнительно низ-
ких давлениях складываются благоприятные условия
для роста более крупных кристаллов; и наоборот, при
более высоких давлениях происходит образование мел-
кокристаллической структуры.
Кристаллографические исследования показали, что
многие газы в твердом состоянии могут иметь несколь-
ко модификаций с различными кристаллическими струк-
турами. Инертные газы при кристаллизации образуют
(кроме гелия) простые кубические гранецентрированные
решетки. Вещества с двух- и многоатомными молекула-
ми образуют более сложные по структуре кристаллы.
Даже такие наиболее симметричные и сравнительно
простые молекулы, как Н2, N2, О2, при относительно
высоких температурах образующие гексагональную
структуру, при низких температурах имеют кубическую
стабильную структуру.
При быстрой конденсации на очень холодных поверх-
ностях могут образовываться аморфные криоосадки.
Это объясняется тем, что резкое понижение температу-
ры сопровождается замедлением молекулярных движе-
ний, в результате чего уменьшается вероятность пра-
вильной взаимной ориентации молекул при конденсации.
Образующееся при этом твердое тело будет не в крис-
таллическом, а в аморфном виде. Это происходит, на-
пример, при конденсации О2 при температуре ниже 7 К.
Пары воды конденсируются в аморфную фазу уже при
температуре ниже 123 К.
От структуры криоосадка во многом зависят его фи-
зические свойства, а также эффективность криоконден-
сационной откачки.
Реальное структурное строение криоосадка не сов-
падает с представлением об идеальном кристалле.
В практических случаях приходится откачивать сложный
состав газов, при этом температура криопанели не во
всех участках одинакова. Реальная структура сконден-
сированных на криопанели газов характеризуется боль-
шим количеством несовершенств — трещинами, дислока-
циями, включениями и др.
Однако, несмотря на то, что каждый из кристалли-
тов анизотропен и в его структуре множество несовер-
шенств, благодаря хаотической ориентации кристаллитов
27
и вероятностному распределению дефектов можно пред-
положить, что криоосадок в целом изотропный и что
его физические свойства одинаковы во всех направ-
лениях.
Физические свойства криоосадка. Физические свойст-
ва криоосадка, как уже указывалось, являются весьма
сложными для исследования, так как они существенно
зависят от условий, при которых происходит конденса-
ция газов в твердое состояние. Поэтому приведенные
в этом разделе некоторые числовые значения следует
рассматривать как ориентировочные и весьма прибли-
женные.
Плотность конденсированных газов представляет со-
бой массу единицы объема криоосадка и выражается
в кг/м3 или г/см3.
В табл. 1-4 представлены значения плотности основ-
ных технических газов (паров) [1-3].
Таблица 1-4
Плотность газов в твердофазном состоянии
Газ (пар) Температура, К Плотность, г/см3
n2 '20-63 0,95
о2 20,6 1,43
н2 4,2—13 0,08
н2о 77 0,58
со 21—65 0,98
со2 77—194 1,53
сн4 20 0,52
Аг 20—83 1,69
Ne 4,3—24 1,44
Кг 14—78 2,96
Хе 130 3,64
Тепловая нагрузка на криопанель за счет теплового
излучения во многом зависит от поглощательной способ-
ности криосадка, которая оценивается степенью черно-
ты поверхности. Степень черноты представляет собой
отношение энергии, излучаемой телом, имеющим темпе-
ратуру Т, к энергии излучения абсолютно черного тела
при той же температуре. По закону Кирхгофа коэффи-
циент лучепоглощения для любого тела численно равен
соответствующему данной температуре значению степе-
ни черноты этого тела.
28
Численное значение величины степени черноты крио-
осадка существенно зависит от его состава, состояния,
температуры и толщины слоя.
Эффективность процесса криооткачки также во мно-
гом зависит от того, как быстро может быть передана
теплота конденсации через слой криоосадка, т. е. от его
теплопроводности.
Теплота в криоосадке, как и во всех твердых телах,
передается колебаниями кристаллической решетки. Если
одна из частиц, находящаяся в узле решетки, получила
тепловой импульс и стала колебаться с увеличенной
амплитудой, то она, будучи связана с соседними части-
цами «упругими» связями, будет действовать на них,
вызывая увеличение амплитуды колебания этих частиц.
Так как различные слои криоосадка находятся на раз-
личных температурных уровнях, то через криоосадок
возникает непрерывный поток теплоты.
В молекулярных кристаллах тепловые колебания,
кроме поступательного колебательного движения моле-
кул, обусловлены еще их крутильными колебаниями, а
также колебаниями атомов внутри молекул.
По закону Фурье тепловой поток через криоосадок
Qt==Z-Jf, (1-17)
где QT — тепловой поток, Дж/с; К — коэффициент тепло-
проводности, Вт/(см-К); t — толщина криоосадка, см;
F — сечение теплопровода, см2.
В табл. 1-5 приведены приближенные значения ко-
эффициента теплопроводности криоосадка некоторых
газов.
Таблица 1-5
Коэффициент теплопроводности газов в твердофазном
состоянии
Вид газа Температура, К Коэффициент теплопро- водности, Вт/(см-К)
n2 60—62 ью-з
н2 10—14 1-10-2
сн4 14—20 0,8-Ю-з
Аг 5—20 2,2-10-2
Кг 5—40 1,8-10-2
Ne 4—10 1,2-10-2
29
Газ конденсируется в твердую фазу тогда, когда его
парциальное давление выше давления насыщенных
паров при данной температуре криопанели.
Давление насыщенных паров Рн затвердевшего газа
в функции абсолютной температуры выражается фор-
мулой
Рис 1-14 Зависимость давления насыщенных па-
ров различных газов от температуры.
31
30
где А и В — коэффициенты, постоянные для данного
газа.
Значения температур насыщенного пара наиболее
важных для вакуумной техники веществ при низких
давлениях приведены в табл. 1-6(1-11].
На рис. 1-14 представлена графическая зависимость
давления насыщенных паров от температуры. Из пред-
ставленных кривых видно, что, охлаждая криопанель до
температуры жидкого азота (77 К), удается снизить
содержание паров воды до незначительной величины.
Однако при этой температуре не может быть получен
высокий вакуум, если присутствуют такие газы, как ме-
тан, азот и кислород. Упругость паров этих газов можно
довести до уровня менее 1-10~8 Па охлаждением крио-
панели до температуры жидкого водорода (20,4 К). При
этой температуре не конденсируются только неон, водо-
род, гелий. При 4 К неконденсированным остается толь-
ко Не.
1-4. КРИОКОНДЕНСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ НА КРИОПАНЕЛИ
Основное уравнение криооткачки. Процессы криокон-
денсационной откачки в области высокого и сверхвысо-
кого вакуума характеризуются следующими особенно-
стями:
температура криоконденсации значительно ниже тем-
пературы тройной точки;
молекулы, движущиеся в направлении криопанели,
не взаимодействуют друг с другом;
пренебрегая влиянием слоя криоосадка, принимаем,
что теплота фазового перехода полностью отводится от
криоосадка к криопанели, при этом температура сво-
бодного слоя криоосадка равна температуре криопа-
нели Гп.
При макроскопическом рассмотрении процесса крио-
откачки следует иметь в виду, что на поверхности крио-
панели (криоосадка) одновременно происходят как пря-
мые процессы (конденсация молекул), так и обратные
(упругое отражение и испарение ранее сконденсирован-
ных молекул). Течение процесса в одну сторону есть
результат преобладания скорости этого направления над
скоростью противоположного. Суммарная скорость по
величине равна разности скоростей прямого и обратного
процессов. Соотношение между этими скоростями опре-
32
деляется тем, в какой мере данное состояние системы
отличается от состояния равновесия. Непосредственно
из соотношений молекулярного взаимодействия (1-12) и
(1-14) видно, что интенсивность того или иного процесса
обусловливается кинетической энергией падающих на
криопанель молекул и температурой поверхности кон-
денсации.
На рис. 1-15 схематически изображены три процесса,
сопутствующие криооткачке. Если
обозначить Мт — число падающих
на криопанель молекул, No — число
отраженных молекул и AfH— число
испарившихся молекул, то число за-
хваченных (откаченных) молекул
М=М-(М + М), (1-19)
где число молекул отнесено к еди-
нице поверхности криопанели в еди-
ницу времени. Рис. 1-15. Схема про-
Это выражение является основ- цесса криооткачки,
ным уравнением криооткачки.
При условии
#о + М=0,
(Ь20)
т. е. если не будет испарения и отражения падающих на
криопанель молекул, все они будут захвачены криопа-
нелью. Этот случай соответствует максимальной эффек-
тивности откачки. Если же
А/ц—2V0 4-
(1-21)
т. е. когда число падающих на криопанель молекул рав-
но числу покидающих криопанель молекул, установится
динамическое равновесие, и быстрота откачки будет рав-
на нулю.
Таким образом, различная степень эффективности
криооткачки в реальных условиях будет находиться
между двумя этими предельными случаями.
Процессы, происходящие в крионасосе, следует рас-
сматривать с двух позиций.
Во-первых, необходимо рассмотреть статику крио-
откачки, чтобы определить, каким должно быть состоя-
ние равновесия в откачиваемой полости при данных
термодинамических условиях, что важно для определе-
ния величины достигаемого предельного вакуума.
3—631 33
Во-вторых, необходимо рассмотреть кинетику крио-
откачки с целью определения заданной быстроты откач-
ки при обеспечении высоких технико-экономических по-
казателей.
Статика криойонденсационной откачки. Рассмотрим
статику криооткачки однокомпонентной газовой среды,
заключенной в замкнутом сосуде. Если стенки сосуда
охладить до температуры ниже температуры тройной
точки для данного газа, то часть газа сконденсируется
на стенке сосуда в твердый криоосадок и в сосуде будут
существовать две фазы (твердая на стенке сосуда и га-
зообразная в объеме сосуда). Давление в сосуде будет
равно давлению упругости паров данного газа при тем-
пературе стенки, т. е. будет соответствовать условию ди-
намического равновесия между количеством газа, скон-
денсированного на холодных стенках, и количеством га-
за, испарившегося с этих стенок. Это состояние будет
соответствовать условию, выраженному соотношением
(1-21).
Предположение о том, что статическое состояние
в полости крионасоса по аналогии с замкнутым сосудом
может наступить при некотором давлении PKi равном
Рис. 1-16. Схема элемента криона-
соса.
1 — криопанель; 2 — криоосадок; 3 — тепло-
защитный экран; 4— единичная пло-
щадка.
упругости паров откачиваемых газов при температуре
криопанели, ошибочно.
Для пояснения этого схематически (рис. 1-16)'пред-
ставим криопанель 1 насоса с криоосадком 2 и теплоза-
щитный экран 3 (источник молекул) как бесконечные
параллельные плоскости. Расстояние между этими пло-
скостями примем малым по сравнению с длиной свобод-
ного пробега откачиваемых молекул [1-12].
Предположим далее, что коэффициент аккомодации
молекул равен единице, т. е. молекулы, ударяющиеся
34
о криопанель, приходят с ней в тепловое равновесие, а
отраженные молекулы имеют распределение скоростей
Максвелла соответствующее температуре отражающей
поверхности.
Условно выделим единичную площадку 4, располо-
женную между криопанелью и экраном и параллельную
им. В равновесном состоянии число молекул, пересекаю-
щих эту площадку справа, т. е. покидающих конденси-
рующую поверхность, Ук будет равно числу молекул,
пересекающих площадку слева (поступающих в полость
насоса) со стороны экрана N3:
ЛГк=М). (1-22)
Из молекулярно-кинетической теории число молекул,
ударяющихся о единицу поверхности в единицу времени,
ЛГ = 4-«^> (1-23)
4 м м* v 7
где пм — число молекул в единице объема (молекуляр-
ная концентрация или плотность газа); им — средне-
арифметическая тепловая скорость молекул.
Используя (1-23), можно условие (1-22) выразить
так:
Т«А=т¥э> О’24)
где пк— плотность газа, находящегося в равновесии
с конденсатом при температуре Гк, т. е. при давлении
газа Рк, равном упругости пара при этой температуре;
— среднеарифметическая скорость молекул, опреде-
ляемая температурой Гк; Пэ— плотность газа, имеющего
температур) Тэ и давление Рэ, равное упругости пара
при этой температуре в непосредственной близости от
экрана (источника молекул); v3 — среднеарифметиче-
ская скорость молекул, определяемая температурой Тэ-
Из основного соотношения молекулярно-кинетической
теории газов
р = 4- WV (1-25)
с учетом равенства (1-24) следует:
РЯ=РК(^К), (1-26)
где тт — масса молекулы; Рк — упругость паров откачи-
ваемого газа при Гк; Рэ — упругость паров откачиваемо-
го газа при Т3.
35
Среднеарифметическая скорость
vM=/ 8^г/ттг> (1-27)
где k— постоянная Больцмана.
Подставив формулу (1-27) в выражение (1-26), по-
лучим:
Р. = Р,/ТТТ,- (1-28)
Принимая давление в пространстве между криопа-
нелью и окружающим ее экраном PQ равным среднему
значению между и Рэ, получаем:
+ I'-29’
Это среднее значение давления покажет манометр
косвенного измерения, помещенный в данную полость.
Из выражения (1-29) видно, что давление Ро будет
равно упругости пара над конденсатом Рк только при
условии ТЭ=ТК, т. е. когда пленка конденсата будет
образовываться на обеих пластинах или в случае зам-
кнутого сосуда с температурой стенки Тк.
Кинетика криоконденсационной откачки. При отсут-
ствии равновесия между твердой фазой на криопанели
и газообразной фазой в откачиваемой полости происхо-
дит переход из одной фазы в другую.
Максимальную скорость перехода из газообразной
фазы в твердую, т. е. максимальную скорость конденса-
ции в твердое состояние, можно определить при следую-
щих допущениях: все молекулы газа, попавшие на крио-
панель, конденсируются на ней независимо от темпера-
туры криопанели; поверхность криопанели энергетически
однородна.
Тогда скорость конденсации определится числом мо-
лекул, ударившихся о поверхность криопанели.
Число столкновений молекул с единицей поверхности
в единицу времени
^п = ^]/^72=133-ЗРг/]/'2^^Х’ (1-30)
где Рг — давление газа, Па; тг—масса молекул газа;
пм — молекулярная концентрация (число молекул в еди-
нице объема); Тг — температура газа, К (в большинстве
случаев ее можно принимать равной абсолютной темпе-
ратуре стенки Тс или экрана Тэ).
36
После преобразований и подстановки значений кон-
стант выражение (1'30) можно записать в виде, с-1-см2:
N =4,7 1 024 —(1-31)
п УМТг
где М — моль газа.
В практических случаях часто важно знать не число
молекул Nn, а объем газа vr, соответствующий этому
числу молекул, который равен теоретической удельной
скорости конденсации и выражается известным соотно-
шением кинетической теории, л/(см2-с):
\ = у RTrl2TM = 3fi4 (1-32)
В табл. 1-7 приведены расчетные значения удельной
теоретической скорости конденсации некоторых газов.
Таблица 1-7
Зависимость теоретической скорости конденсации
от температуры газа
Темпера- тура газа, К Скорость конденсации, л/(с-сма)
СО2 (78 К) N, (20,4 К) О2 (20,4 К) Ne (4,2 К) Н2 (4,2 К)
293 9,4 11,8 11,0 13,9 44,2
78 — 6,1 5,7 7,2 22,8
Примечание. В скобках указаны температуры криопанели.
Из соотношения (1-32) видно, что удельная теорети-
ческая скорость конденсации не зависит от давления, а
определяется только молекулярной массой газа и его
температурой. Однако в действительности такая ско-
рость конденсации не может быть достигнута, и поэтому
для определения ее действительного значения в формулу
(1-32) следует внести поправки, обусловленные основ-
ным уравнением криооткачки (1-19).
Вначале выведем уравнение скорости конденсации
газов на криопанели с учетом испарения газа, ранее
сконденсированного на ней.
Поток газа Ga (при температуре Тс и действитель-
ном давлении в области криопанели Рд), падающий на
единицу поверхности криопанели в единицу времени,
определяется по формуле
^д]/!^’ (ЬЗЗ)
где R — универсальная газовая постоянная.
37
По аналогии поток испаряющегося газа GH, сконден-
сированного на единице поверхности криопанели при ее
температуре Тк и давлении паров Рк:
G, = P« / M/2.W,. (1-34)
Поток сконденсированного газа представляет собой
разность этих потоков:
G = Gn - GH = рл VM№RTC ~ Ркум/2^ТК. (1-35)
При молекулярном режиме течения скорость конден-
сации может быть определена как отношение потока
откачиваемого газа к плотности р. Эту удельную ско-
рость конденсации можно назвать максимальной sM, так
как она определена в предположении, что все молекулы,
падающие на криопанель, конденсируются.
Приняв во внимание, что плотность газа
p=PTM/RT,
(1-36)
из соотношения (1-35) можно записать:
п / М I РЛМ п / М I Р М
|/ 2nRTc I —RT^~ Р* У ^RTK I -
= RTJ2nM - yRTK/2vM . (1-37)
Отсюда получим удобное для анализа и расчета выра-
жение
Из уравнения (1-38) видно, что максимальная удель-
ная скорость конденсации может быть равна теоретиче-
ской, определяемой формулой (1-32), только тогда, ког-
да Рд»Рк, и будет уменьшаться при приближении дей-
ствительного давления к давлению насыщения газа при
температуре криопанели. В предельном установившемся
состоянии быстрота откачки равна нулю. Эго означает,
что число молекул, откачиваемых крионасосом, равно
числу молекул, испаряющихся с криопанели.
38
На рис. 1-17 показаны удельные скорости конденса-
ции азота и водорода, определенные для широкого диа-
пазона температур и давлений. При определении пред-
полагалось, что все молекулы, попадающие на криопа-
нель, конденсируются на ней, и верхний слой конденсата

5м
\ X \ XX X.
^-^03- L- Щ1 х
-.1 ч
J1/(O-GNZ)
30
20
10
О
1 2 3 5 К
б)
Рис. 1-17. Удельная скорость конденсации в зависимости от давления
и температуры.
а — для азота, б — для водорода
Практически можно считать, что при давлениях ниже
1-10~2 Па и при соблюдении условия Рк/^д=0,05—0,1
быстрота максимальной скорости конденсации мало
отличается от теоретической скорости sT, определенной
по уравнению (1-32).
Скорость конденсации и коэффициент захвата. Дейст-
вительная скорость конденсации будет меньше макси-
мальной теоретической sM, определяемой уравнением
39
(1-38), так как, кроме испарения, часть молекул, уда-
рившихся о криопанель, отражается.
Из-за сложности протекаемых процессов при взаи-
модействии откачиваемых газов с поверхностью конден-
сации, а также практической невозможности экспери-
ментального определения потока отраженных и испарив-
шихся молекул целесообразно введение некоторого ко-
эффициента, называемого коэффициентом захвата с3.
Коэффициент захвата отражает снижение макси-
мальной теоретической скорости конденсации и пред-
ставляет собой отношение числа молекул (массы газа),
захваченных криопанелью, к общему числу молекул
(массе газа), падающих на криопанель в единицу вре-
мени.
Выражение коэффициента захвата можно получить
из уравнения (1-35) [1-14]:
сЛ \гм^кт;= - cj>. уМ!Ы1Тк,
(1-39)
где ск — коэффициент конденсации, определяемый отно-
шением количества конденсируемого газа к количеству
газа, падающего на криопанель в единицу времени;
си — коэффициент испарения, определяемый отношением
истинной скорости испарения к теоретической макси-
мальной скорости испарения данного газа.
После преобразования уравнения (1-39) получим:
(1-40)
д г
Часто, когда РД^>РК, вторым слагаемым можно пре-
небречь, тогда с3 приближается к величине ск, т. е. ко-
эффициент захвата и коэффициент конденсации можно
принимать равными.
Тогда удельная скорость конденсации с учетом коэф-
фициента захвата, л/с:
5к = 3’6Ч/ЛЖ- О-41)
Обычно коэффициент захвата выше 0,5, а при срав-
нительно больших перенасыщениях его значение прибли-
жается к 1. Однако при небольших перенасыщениях
(Рк<Рд<Ю Рк) наблюдаются большие отклонения из-
меренной скорости конденсации от вычисленной при
Сз— 1.
40
Коэффициент захвата зависит от большого количе-
ства факторов: температуры криопанели, структуры и
толщины криоосадка, геометрии криопанели, энергии
откачиваемого газа и др. Различные исследователи
определяют обычно экспериментальные значения ко-
эффициента захвата для конкретных условий, что за-
трудняет распространение полученных данных на дру-
гие случаи. Кроме того, методы измерения с3 достаточно
сложны.
Коэффициенты захвата были измерены для различ-
ных газов многими исследователями [1-15—1-19]. Одна-
ко имеющиеся в литературе данные весьма противоре-
чивы, что объясняется в первую очередь сложностью
проведения экспериментальных работ.
В [1-20] приведены основные требования к измери-
тельной аппаратуре, а также значения коэффициентов
захвата (табл. 1-8), определенные в широком диапазоне
температур криопанели и откачиваемых газов.
В табл. 1-9 приведены значения коэффициентов за-
хвата для паров некоторых веществ, легкоконденсирую-
щихся на криопанелях, охлаждаемых жидким азотом.
Из табл. 1-8 видно, что коэффициент захвата азота,
Таблица 1-8
Зависимость коэффициента захвата от температуры газа
Газ Темпера- тура га- за, К Коэффициент захвата при температуре криопанели, К
10 1 12,5 | 15 1 17,5 20 | 22,5 | 25 | 77
77 1,0 0,99 0,96 0,90 0,84 0,80 0,79
n2 300 0,65 0,63 0,62 0,61 0,60 0,60 0,60 —
400 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49 —
77 1,0 1,0 0,90 0,81 0,80 0,79 0,79
Аг 300 0,68 0,68 0,67 0,66 0,66 0,66 0,66
400 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 —
195 1,0 0,98 0,96 0,92 0,90 0,87 0,85 0,85
со2 300 0,75 0,70 0,67 0,65 0,63 0,63 0,63 0,63
400 — — 0,50 0,49 0,49 0,49 0,49 0,49
77 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0
со 300 0,90 0,85 0,85 0,85 0,85 0,85 1,85 —
400 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 0,73 —
о8 77 300 — — — — 1,0 0,86 — — —
41
Таблица 1-9
Расчетный коэффициент захвата некоторых
легкоконденсирующихся веществ при температуре
криопанели 77 К
Веще ст lo Коэффициент захвата Вен ест во Коэс| Ф 1Ц1 СНТ захвата
Н2О 0,°2 СН2С12 0,82
NH3 0,45 СЬС12 0,76
СНзОН 1,0 so2 0,74
С2Н3ОН 1,0 n2o 0,61
СС14 1,0 СНзС1 0,56
СН2С1 0,93 СНзСОСНз 0,55
аргона, углекислого газа и закиси азота при 300 К обыч-
но равен 0,6—0,7, а при 400 К — около 0,5. Коэффициент
захвата кислорода и окиси углерода при 300 К равен
0,85—0,9.
LU ‘W OU /I
Рис 1-18. Зависимость
коэффициента захвата от
температуры газа и темпе-
ратуры криопанели
Общий характер зависимости коэффициента захвата
от температур откачиваемого газа и криопанели пред-
ставлен на рис. 1-18 [1-21, 1-22].
Зависимость коэффициента захвата водорода от сте-
пени покрытия поверхности конденсирующимися газами
(толщины криоосадка) исследована в [1-17]. Температу-
ра конденсируемого газа — 300 К, температура криопа-
нели в пределах 2,17—3,68 К, интенсивность подачи во-
дорода составляла 8-Ю11—2-Ю13 молекул/(с-см2). Ре-
зультаты измерений представлены на рис. 1-19 Разброс
результатов измерений обусловлен тем, что во время
экспериментов варьировались температуры газа и крио-
42
Степень покрытии криопанели^
молекул/см2
Рис 1-19 Изменение коэффициен-
та захвата от степени покрытия
криопанели конденсируемым га-
зом
панели Из графика видно, что в начальный период кон-
денсации по мере заполнения поверхности криопанели
газом коэффициент захвата возрастает. Затем после за-
полнения приблизительно в 10 монослоев коэффициент
захвата принимает постоянное значение.
1-5. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЫЕ СЛУЧАИ КРИОКОНДЕНСАЦИИ
Криоконденсация многокомпонентной среды. В большинстве слу-
чаев необходимо откачивать смесь газов, каждому компоненту ко-
торой присущи определенные физико-химические и термодинамиче-
ские свойства
Кинетика криоконденсации многокомпонентной среды еще мало
изучена
Рассмотрим вначале качественную криоконденсацию двухкомпо-
нентной смеси, состоящей из легкоконденсирующихся компонентов
Такой смесью после предварительной откачки можно считать воз-
дух, состоящий условно из 80% азота и 20% кислорода
Для бинарной смеси в условиях высокого вакуума число столк-
новений между разноименными молекулами пренебрежимо мало, и
поэтому каждый из молекулярных потоков можно рассматривать
существующим независимо друг от друга
При этих условиях можно воспользоваться законом аддитивно-
сти, так как справедливость этою подтверждается эксперименталь-
ными данными
Статическое состояние или предельное остаточное давление в по-
лости конденсации Ро в соответствии с законом Дальтона будет
определяться суммой парциальных давлений, сконденсированных на
криопанели газов С учетом зависимости (1-29) остаточное давление
43
сконденсированных на криопанели газов
п
Ро = ----С1 + (1‘42)
п
где PKi — сумма парциальных давлений насыщения сконденси-
/=1
рованных на криопанели газов.
При этом предполагается пренебрежимо малая растворимость
одного компонента в конденсате другого.
Взаимное влияние при одновременной конденсации азота и кис-
лорода было исследовано Давсоном. Он установил, что общий ко-
эффициент захвата (при температуре откачиваемых газов менее
300 К) выражается следующей зависимостью:
c0=mN2cN, + mO„cO2, (1-Я
где с0—общий коэффициент захвата; /п02—соответственно
часть молекул азота и кислорода в смеси; , со*— соответствен-
но коэффициент захвата азота и кислорода.
При исследовании коэффициента захвата для инертных газов
[1-23] установлено, что коэффициент захвата для аргона, криптона
и ксенона равен примерно 0,95 при температуре криопанели менее
26 К и температуре газа 7т = 300 К. Для таких бинарных смесей,
как аргон — криптон, аргон — ксенон и криптон — аргон, величина
коэффициента захвата также составляла 0,95 и не зависела от ко-
личества сконденсированного газа. Для смеси ксенон — криптон ве-
личина коэффициента захвата находилась в интервале 0,91—0,95.
Однако такое расхождение не имеет большого практического зна-
чения.
Пользуясь законом аддитивности, по» аналогии с уравнением
(1-41) для определения скорости конденсации бинарной конденси-
рующейся смеси можно ввести приближенное выражение:
®к12^3,64Со/Г^-, (1-44)
где Мем — кажущаяся молекулярная масса смеси, определяемая из
соотношения
Мсм = О’45)
здесь mi и mz— массы компонентов; Mi и М2 — молекулярные мас-
сы компонентов.
Очевидно, что чем большее число различных компонентов будет
одновременно откачиваться и чем выше будет общее давление, тем
к большим неточностям будет приводить использование закона
аддитивности. Поэтому в уравнение (1-44) необходимо ввести коэф-
фициент, отражающий возможное взаимодействие молекул откачи-
ваемых газов между собой в процессе конденсации.
Наиболее общим случаем является криоконденсация многоком-
понентной смеси с присутствием составляющих, неконденсирующих-
ся при заданных давлении и температуре криопанели.
44
Неконденсирующимися составляющими, присутствующими в оста-
точной среде, обычно являются гелий, неон, водород. Гелий и
неон присутствуют в вакуумных системах, как правило, в небольших
количествах.
Водород находится в различных веществах и интенсивно выде-
ляется из них при проведении термовакуумных технологических про-
цессов, что препятствует получению высокого рабочего вакуума
Предельное давление в полости конденсации Ро при откачке
многокомпонентной газовой среды с присутствием неконденсирую-
щихся при данной температуре криопанели газов будет в соответ-
ствии с законом Дальтона определяться суммой парциальных давле-
ний насыщения сконденсированных на криопанели газов и суммой
парциальных давлений неконденсируемых газов:
п
где 3 — сумма парциальных давлений насыщения сконденсиро
/=1
п
ванных на криопанели газов; 2 Рн-—сумма парциальных давлений
/=1
неконденсируемых газов, находящихся в объеме.
Для повышения эффективности криооткачки необходимо при-
менять различные способы понижения парциального давления некон-
денсирующихся составляющих.
Одним из таких способов является максимальное снижение тем-
пературы криопанели. Так, при охлаждении криопанели жидким
гелием до температуры 4,2 К практически исключается влияние нео-
на. Его упругость паров при этой температуре составляет 10~'14 Па.
Однако давление паров водорода даже при этой температуре все
еще достаточно высоко и равно 1,5-10-4 Па. Для снижения давле-
ния паров водорода иногда используют охлаждение криопанелей
жидким гелием, кипящим под вакуумом, чем снижается температура
криопанели до 2,8 К. При этом давление насыщенных паров водо-
рода можно снизить до 1-Ю-8—1-10-9 Па. Однако при этих усло-
виях не откачивается гелий.
Другим способом является использование адсорбентов. В этом
случае при охлаждении адсорбционной панели жидким гелием про-
исходит откачка всех газов, включая и гелий.
Указанные способы откачки неконденсируемых газов, основан-
ные на использовании низких температур, сложны и поэтому могут
быть применимы пока только в лабораторных условиях. В практиче-
ских случаях для решения этих задач используют вспомогательные
насосы, хорошо откачивающие неконденсирующиеся газы.
При изучении процессов криооткачки многокомпонентной газо-
вой смеси были обнаружены явления криосорбции и криозахвата,
использование которых открывает принципиальную возможность
эффективной откачки трудноконденсируемых газов при относительно
высокой температуре криопанели-
45
Криосорбция. Сущность явления криосорбции заключается в по-
глощении неконденсирующихся при данной температуре криопанели
газов (сорбата) на предварительно сконденсированных слоях вспо-
могательных, легкоконденсируемых газов или парэ« (сорбента).
Явление криосорбции дает возможность создания эффективного
способа откачки, сочетающего в себе преимущества криоконденса-
ционной и криоадсорбционной откачки. В литературе этот способ
иногда называют конденсационно-адсорбционной откачкой (1-24]
Криосорбция по своей физической сущности мало отличается от
адсорбции, поскольку отвердевшие газы, как и обычные сорбенты,
представляют собой микропористые структуры [1-25]. По сравнению
с гранулированными сорбентами, применяемыми в адсорбционных
насосах (углями, цеолитами, селикагелями), слои легкоконденсиру-
емых отвердевших газов, обладая сравнимой с ними сорбционной
способностью, имеют ряд достоинств: хороший тепловой контакт с
криопанелью; оптически прозрачны, и малый коэффициент поглощения
теплового излучения; высокий коэффициент теплопроводности (по
сравнению с углями); не оставляют пыли и загрязнений в откачи-
ваемой системе
На структуру и адсорбционные свойства слоев сконденсирован-
ных газов большое влияние оказывают условия их формирования:
угловое и энергетическое распределение частиц, падающих на крио-
панель; природа и структура материала криопанели; наличие приме-
сей и их свойства; температура криопанели; условия теплообмена,
скорость роста и др [1-26] Каждое сконденсированное вещество
имеет область оптимальных температур их использования. Верхняя
граница области ограничена температурой начала рекристаллизации,
во время которой происходят рост зерна и уменьшение сорбционной
способности слоя.
Осаждать сорбирующие газы следует при больших переохлаж-
дениях криопанели, т е. при Тп^П/ЗТф, где Тп — температура крио-
панели; Тф — температура сублимации слоя (фазового перехода)
В этих условиях осажденные слои имеют высокую дисперсность
кристаллитов, большое количество дефектов и обладают сорб-
ционной способностью, сравнимой с емкостью активизированных
углей
Слои с кристаллической упорядоченной структурой обладают
минимальной сорбционной способностью Поскольку при более пори-
стой структуре получены более высокие сорбционные характеристи-
ки, авторы делают вывод о том, что механизм откачки газа заклю-
чается в поверхностной диффузии газа в поры, трещины или
в другие дефекты структуры слоя газа — сорбента.
Наибольший практический интерес представляет собой криосорб-
ция водорода, неона и гелия.
Хорошими сорбентами для водорода и неона в области жидко-
водородных температур криопанели (20—14 К) являются СОг, НгО,
спирт, ацетон, бензин, сконденсированные в условиях больших пе-
реохлаждений. На рис. 1-20 представлены изотермы сорбции водо-
рода и неона Р= f (СНа , CN2 ) на слоях сконденсированных газов
и паров [1-26]. При этом в качестве параметра приведенных зави-
симостей взята мопарная концентрация, выраженная в процентах,
т. е. отношение числа молекул поглощенного водорода к числу
молекул сконденсированного газа или пара (концентрация сорбата
в сорбенте). Кривые /, 2, 3 соответствуют криосорбции водорода
на воде, спирте, ацетоне при температуре криопанели 20 К; кривые
46
4, 5, 6 — водорода на СО2 при температуре криопанели 20, 15, 14 К;
кривые 7 и 8 — неона на СО2 при 20 и 15 К.
В вакуумных системах гелий обычно находится в сравнительно1
малых количествах, поэтому представляет интерес процесс криосорб-
ции гелия в области сверхвысокого вакуума [1-27]. На рис. 1-21
представлены изотермы криосорбции Не слоями N2, О2 и СО2. Кри-
Рис. 1-20 Изотермы криосорбции водорода и
неона слоями различных веществ.
Рис. 1-21. Изотермы криосорбции гелия.
вые /, 2, 3 соответствуют криосорбции Не на этих газах при темпе-
ратуре криопанели 4,2 К; кривые 4, 5, 6 — при температуре 2 К. Из
рис. 1-20 и 1-21 видно, что при температуре кипения в нормальных
условиях Н2 и Не поглощаются в относительно больших количе-
ствах. Существенным является также тот факт, что для всех сор-
бентов имеются границы значений концентраций, для которых рав-
новесное давление лежит в области высокого вакуума (Р^10~5Па).
47
При понижении температуры наблюдается значительное увеличение
сорбционной способности при одновременном понижении равновесно-
го давления.
Эффективность захвата молекул газа кристаллической поверх-
ностью определяется способностью кристалла уносить энергию из
области взаимодействия. Это свойство влияет на коэффициент за-
хвата и установление равновесия захваченной частицы с поверх-
ностью. Этот коэффициент зависит как от температуры, так и от
концентрации газа в слое сорбента. На рис. 1-22 представлены за-
висимости коэффициента захвата водорода от концентрации [1-28].
Кривые Л 2, 5, 4 относятся к крио-
Рис. 1-22. Зависимость коэф-
фициента захвата от концен-
трации газа.
сорбции на слоях соответственно
N2, СО2, Аг и Хе при температуре
криопанели 4,2 К.
Криозахват. Явление криоза-
хвата состоит в поглощении некон-
денсируемых газов при осаждении
легкоконденсирующихся паров на
криопанель, имеющую температу-
ру, близкую к температуре некон-
денсируемого компонента, в усло-
виях их одновременной подачи.
В зарубежной печати это явление
обозначается термином cryotiap-
Ping-
Приближенно механизм про-
цесса криозахвата можно описать
следующим образом. Молекулы
неконденсируемых газов при дви-
жении с молекулами конденсируе-
мых газов достигают поверхности
слоя криоосадка и частично отра-
жаются от него, а частично адсорбируются на нем. Адсорбирован-
ные молекулы прижимаются к криопанели новым непрерывно набе-
гающим потоком конденсируемых газов, которые мгновенно обра-
зуют твердый криоосадок, оставляя в своей толще значительную
часть неконденсируемого газа. Этот вновь образующийся слой крио-
осадка в свою очередь является поверхностью для адсорбции некон-
денсируемого газа.
/ — напуск водяного пара; 2 — прекращение подачи азота и паров воды.
48
В первых работах по исследованию этого явления [1-29, 1-30]
было показано, что на криоповерхности, имеющей температуру жид-
кого азота (Тп = 80 К), происходит интенсивная откачка азота, если
одновременно осуществляется подача паров воды. При первоначаль-
ном напуске азота в экспериментальную камеру давление росло
линейно во времени (рис. 1-23). В точке 1 в камеру подавали пары
воды. Давление в системе падало и через некоторое время достигало
5,2 см3/с; расход азота 1-10~3 см3/с).
постоянного значения. При прекращении подачи паров воды в каме-
ру давление вновь начинало расти по линейному закону. При
откачке газа в присутствии паров воды конечное давление при по-
стоянном расходе азота и паров воды не зависит от начального
давления (рис. 1-24).
В [1-31] проведены исследования криозахвата водорода
при напуске аргона. На рис. 1-25 представлена зависимость равно-
весного давления водорода от температуры
над смешанным конденсатом с различной
концентрацией водорода и аргона Кривая 1
соответствует концентрации 1 : 1 (энергия
связи 1,65 • 103 Дж/моль); кривая 2— кон-
центрации 10:1 (энергия связи 2,7X Ю*
ХЮ3 Дж/моль); кривая 3— концентрации
300: 1 (энергия связи 3,15 • 103 Дж/моль) и
кривая 4 — концентрации 1200:1 (энергия 1П-5
связи 3- 103 Дж/моль). Из рисунка видно,
что при большей доле аргона кривая рав-
новесия смещается в область более вы-
соких температур. При этом одновременно 106
возрастает энергия связи, достигая значе-
ZZT7-
Рис. 1-25. Зависимость равновесного дав- I
ления водорода от температуры над смешан-
ным конденсатом с различной концентра- 5
цией водорода и аргона.
-I---1 1 । Ь 1 1 I I I I
б 7 8 10 15 К
49
ния 3,15- 103 Дж/моль, в то время как энергия связи водорода на
собственном конденсате составляет 9,1 • 102 Дж/моль. Это позволяет
сделать вывод о том, что водород более прочно связан на слоях
аргона, чем на собственном конденсате. С другой стороны, энергия
связи водорода с металлической поверхностью еще выше
(6,3- 103 Дж/моль). Эффективность криозахвата характеризуется
соответствующим коэффициентом, выражающим отношение числа
конденсирующихся молекул к числу неконденсирущихся. На рис. 1-26
приведено изменение коэффициента криозахвата водорода аргоном
в зависимости от температуры криопанели. Эта зависимость носит
экспоненциальный характер. *
Рис. 1-26. Зависи-
мость коэффициента
криозахвата от тем-
пературы (по Хенге-
фоссу).
Рис. 1-27. Тепловыде-
ления при конденса-
ции воздуха.
Явления криозахвата и криосорбции всегда сопровождают про-
цесс криоконденсации многокомпонентной смеси. Следует отметить,
что особенно повышается роль криозахвата при откачке водорода
в непрогреваемых вакуумных системах, так как основными компо-
нентами в остаточной атмосфере этих систем являются пары воды
и СО2, которые способствуют эффективной откачке водорода за
счет эффекта криозахвата и криосорбции [1-32].
Криоконденсация в области среднего и низкого вакуума. Боль-
шее число работ по исследованию криоконденсации относится
к области высокого и сверхвысокого вакуума. Однако в последние
годы ведутся работы хпо изучению процессов криоконденсации
в области среднего и низкого вакуума, вплоть до атмосферного.
Необходимость такого разделения носит принципиальный характер,
так как по мере повышения давления конденсируемых газов до
значений, соответствующих молекулярно-вязкостному, а затем и
вязкостному режимам течения газа, условия криоконденсации суще-
ственно изменяются. Процессы криоконденсации в этой области
принимают более сложный характер, что объясняется двумя при-
чинами. Во-первых, малой длиной свободного пробега молекул,
а следовательно, соударения между молекулами и соударения моле-
кул с криопанелью имеют одинаковое значение, что в свою очередь
оказывает влияние на процессы теплообмена в области поверхности
криопанели. Во-вторых, при этом режиме течения на единицу по-
50
верхности криопанели падает большое количество молекул, что обу-
словливает интенсивные теплопритоки к криопанели. Тепловыделе-
ния при конденсации воздуха QK в функции давления представлены
на рис. 1-27. Если в высоком вакууме при Рк^Рд теплота фазового
превращения полностью отводится от криопанели к хладоагенту, то
в данном случае она не полностью отводится, что приводит к испа-
рению ранее сконденсировавшихся на криопанели молекул.
В результате этого на границе раздела фаз встречаются два
потока: основной, направленный к криопанели, и обратный, вызван-
ный испарением. В результате на поверхности криопанели образует-
ся пограничный слой, в котором изменяется распределение плотно-
сти молекул и через который должны диффундировать молекулы
откачиваемых газов к криопанели.
Это создает большие трудности для теоретического рассмотре-
ния этих процессов. Поэтому в данном параграфе приведен обзор
некоторых экспериментальных результатов, опубликованных в печати.
Наличие молекулярно-вязкостного режима течения газа опре-
деляется условиями 2<РД£> 70 Па-см, а вязкостного — РдБ>
>70 Па-см, где D — характерный размер, который равен обычно
расстоянию между криопанелью и теплозащитным экраном; Р —
давление, Па.
С учетом длины свободного пробега молекул К эти соотношения
можно записать в следующем виде: для молекулярно-вязкостного
режима 5 • 10 -3<X/D< 1,5; для вязкостного режима Х/£><5 • 10~3.
По абсолютному значению давления области среднего вакуума
приближенно соответствует диапазон давлений 102—10-1 Па, обла-
сти низкого вакуума— 102—105 Па.
В зависимости от вида образующегося конденсата на криопа-
нели область низкого вакуума можно разделить на две части:
область давлений «760 Па — тройная точка», при работе в которой
на криопанели образуется жидкая фаза, и область давлений ниже
тройной точки, в которой криоконденсационная откачка характери-
зуется интенсивным ростом твердой фазы на криопанели
Криоконденсация при низком вакууме в области давлений ниже
тройной точки характеризуется интенсивным ростом толщины слоя
твердого криоосадка на поверхности криопанели. Все тепловые на-
грузки передаются через этот слой. Ввиду того, что криоосадок
обладает, некоторым тепловым сопротивлением, температура поверх-
ности криоосадка Тк по мере роста его толщины будет повышаться,
т. е. процесс протекает нестационарно. Наконец, наступит момент,
когда температура верхнего слоя криоосадка будет соответствовать
упругости пара откачиваемого газа при заданном давлении и про-
изводительная конденсация полностью прекратится.
При криоконденсации в режиме высокого и сверхвысокого ва-
куума ростом криоосадка можно пренебречь, и он не оказывает
практического влияния на время непрерывной работы, т. е процесс
может длиться практически неограниченное время.
На рис. 1-28 показано влияние давления на скорость образова-
ния криоосадка при конденсации азота Если газ поступает к крио-
панели при давлении 1 • 10—1 Па, то нужно около 40 ч работы, чтобы
образовался слой криоосадка толщиной в 1 см (коэффициент захва-
та предполагается равным единице). При давлении 1 • 10~3 Па
необходимо уже 1000 ч для образования слоя такой же толщины.
При давлении ниже 1-40-4 Па эффективность откачки практически
не ухудшается во времени. При более высоких давлениях (более
51
1 *10-1 Па) толщина конденсата растет значительно быстрее и тем-
пература на поверхности конденсата Тк заметно превышает тем-
пературу криопанели Тп.
Толщина слоя криоосадка t0 ориентировочно определяется из
соотношения, см:
<0 = ^3—4 V 0-47)
/vc
где dM—эффективный диаметр молекулы, см; Afn— число молекул,
падающих на единицу поверхности в секунду; Nc — число молекул
в монослое на единицу поверхности; тк — время конденсации.
Рис. 1-28. Скорость роста криоосадка
для азота в зависимости от давления.
При среднем и низком давлении откачка в присутствии некон-
денсируемых газов имеет некоторые особенности. В этих условиях
, откачиваемый газ увлекает неконденсируемые примеси к криопане-
ли, которые у ее поверхности образуют некоторый слой, через кото-
рый должен диффундировать откачиваемый газ.
Градиент концентрации неконденсируемых примесей у поверх-
ности криопанели устанавливается так, что при данной скорости
криоконденсации давление конденсируемых газов в полости насоса
Рис. 1-29. Быстрота откачки оки-
си азота с различным содержа-
нием примесей.
1 — высокой чистоты; 2 — обычной чи-
стоты; 3 — неочищенный.
повышается на величину перепада давления, необходимого для диф-
фузии их через слой вблизи криопанели.
Это явление снижает быстроту откачки. Так, в [1-20] при иссле-
довании процесса откачки окиси азота с различным содержанием
неконденсирующихся газов было показано (рис. 1-29), что в диапа-
зоне давлений 101—il-10~l Па газ высокой чистоты откачивается
с быстротой откачки, в 4 раза -большей, чем газ с содержанием
примесей.
52
Глава вторая
ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОНАСОСОВ
2-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Задачи конструирования. Техника конструирования
крионасосов основывается на одновременном удовлетво-
рении требований вакуумной и криогенной техники.
Общие сведения по этим вопросам довольно полно изло-
жены в [2-1—2-4].
Кажущаяся на первый взгляд простота принципа
действия насоса создает мнение, что самая сложная
часть в крионасосе — это устройства для охлаждения.
Однако это не так. Для рационального конструирования
насоса необходимо учитывать весь комплекс процессов,
происходящих в нем. На рис. 2-1 изображены тепловой
и барометрический разрез крионасоса.
Рис. 2-1. Тепловой и баромет-
рический разрез крионасоса.
В зависимости от термодинамического состояния от-
качиваемого газа внутреннюю полость крионасоса можно
условно разделить на три области: I — расположена
между входным сечением насоса 1 и теплозащитным
экраном 2, //-—между экраном и верхним слоем крио-
осадка 5, /// — представляет собой твердый слой крио-
осадка, сконденсированного на криопанели 4.
Входное сечение насоса условно обозначено на ри-
сунке в виде стенки /, которая находится при темпера-
туре окружающей среды Тс (температуры стенки корпу-
са). Это сечение является источником потока откачивае-
мых газов Gtt а также источником теплового потока Qi
53
на холодные части насоса за счет излучения с теплых
поверхностей.
Теплозащитный экран 2, температура которого Тэ
поддерживается при помощи соответствующих холодиль-
ных устройств с холодопроизводительностью Qx9 на бо-
лее низком температурном уровне, чем Тс, воспринимает
на себя тепловые излучения со стенок, исключая воз-
можность попадания их на криопанель. Молекулы отка-
чиваемых газов, пройдя первую зону, ударяются
о холодные поверхности экрана и теряют часть своей кине-
тической (тепловой) энергии. Одновременно часть моле-
кул Сэк из газового потока, имеющих давление насы-
щенных паров при температуре экрана Тэ ниже, чем
давление Л, будут конденсироваться на холодных по-
верхностях экрана и не попадут во вторую зону насоса.
Некоторое количество молекул G30, отражаясь о г экра-
на, возвращается в первую зону.
Тепловой экран (по аналогии со стенкой 1) можно
считать источником газов для второй зоны G2, при этом
G2 = Gi— ( Gq о + G3 к) . (2-1)
Тепловой экран будет также источником теплового
потока Q2 на криопанель, поскольку температура экрана
выше температуры криопанели. Экран является сопро-
тивлением для прохода газов к откачиваемому элемен-
ту, поэтому давление в зоне II будет ниже, чем давление
в зоне /, т. е. P2<Pi.
В третьей зоне газ находится в твердом сконденсиро-
ванном состоянии. Тепло от излучения и конденсации
передается через твердый слой криоосадка и отводится
соответствующим криогенным устройством с холодопро-
изводительностью Qxn.
Упрощенная схема крионасоса показывает сложность
происходящих в нем процессов, что затрудняет строгое
аналитическое описание его работы. Поэтому развитие
этого метода откачки ведется на основе результатов
экспериментальных работ.
Конструктору при разработке крионасоса необходи-
мо решать вакуумно- и криотехнические вопросы. Кроме
того, при проектировании крупных насосов приходится
проводить прочностные расчеты корпусов.
В первую очередь следует решить вакуумно-техниче-
ские вопросы, т. е. оценить требуемую быстроту откачки
и рабочее давление, какие газы будут больше выделять-
54
ся в системе, какова величина неконденсирующихся
компонентов, требуемую форвакуумную систему откачки
и др. Также следует учесть длительность работы криона-
соса, т. е. необходимо ли постоянство высокой быстроты
01 качки или она требуется лишь в какой-то период тех-
нологического процесса.
При конструировании крионасосов особое внимание
следует обращать также на решение ряда вопросов крио-
техники, а именно: обеспечение минимальной тепловой
нагрузки на холодные элементы насоса при обеспечении
требуемой быстроты откачки, так как это в основном
определяет их экономичность. В криогенных устройствах
весьма важными являются учет температурных деформа-
ций и обеспечение вакуумно-плотных соединений. Важ-
ным является также выбор способа охлаждения криона-
соса, что в основном определяет эксплуатационные ха-
рактеристики насоса.
На основе комплексного анализа криовакуумных
требований необходимо выбрать конструктивную схему
насоса и провести вакуумные и тепловые расчеты. Ниже
приведены типичные схемы крионасосов и сравнитель-
ный их анализ.
Классификация крионасосов. Несмотря на большое
многообразие крионасосов, их можно разделить по сле-
дующим основным признакам: принципу действия, тем-
пературному уровню криопанели, быстроте откачки, спо-
собу охлаждения криопанели и конструктивной схеме.
На рис. 2-2 представлена классификационная схема
крионасосов. По принципу действия насосы можно под-
разделить на криоконденсационные и криосорбционные.
В криоконденсационных насосах откачка осуществляется
за счет конденсации газов.
В криосорбционных насосах молекулы откачиваемого
газа оседают в виде мономолекулярного слоя на поверх-
ности сорбента, которым является микропористый слой
предварительно сконденсированного на криопанели лег-
коконденсируемого газа.
Температурный уровень криопанели является основ-
ным фактором, определяющим упругость паров откачи-
ваемых газов, а следовательно, и предельный вакуум,
создаваемый данным насосом.
По температурному уровню крионасосы разделяются
на три группы в соответствии с тремя значениями темпе-
ратур криооткачки, а именно с температурами кипения
55
Рис. 2-2. Классификация крионасосов.
56
азота (77 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при ат-
мосферном давлении. Таблица 2-1 иллюстрирует теоре-
тические возможности криогенной откачки на различных
температурных уровнях.
Насосы, охлаждаемые до 77 К, применяются как
вспомогательное средство при откачке непрогреваемых
камер, где основное газовыделение (до 80%) составляют
Таблица 2-1
Конденсируемость газов при различных температурах
криопанели
Температура криопанели, К Основные конденсируемые газы* Основные неконден- сируемые газы
77 Н2О, СОг, углеводороды Не, Н2, Ne, N2, СО, О2, СН4 Не, Н2, Ne
20 Газы, конденсируемые при 77 К, СН4, О2, СО, n2
4,2 Газы, конденсируемые при 20 К, Ne, Н2 Не
* Здесь термин конденсируемый газ применен к газу с давлением паров меньше
10"4 Па при соответствующей температуре.
пары воды и некоторые углеводороды, коэффициент за-
хвата которых на криопанелях при этих температурах
составляет около 0,9.
Кроме того, некоторые вакуумные процессы могут
сопровождаться оби'льным выделением паров раствори-
телей или пластификаторов.
Применение таких насосов позволяет сократить время
достижения предельного давления, а также повысить
рабочий вакуум благодаря очень высокой быстроте от-
качки паров воды в непрогреваемых установках.
Насосы, охлаждаемые до 20 К, эффективно откачи-
вают все основные составляющие воздуха, которые име-
ют упругость паров при этой температуре ниже 10~8 Па
(за исключением Ne, Не, Н2).
Для получения давления порядка 10~7 Па экономич-
нее использование температурного уровня, равного 20 К.
Удаление неконденсирующихся составляющих в этом
случае осуществляется с помощью параллельно рабо-
тающих вспомогательных средств откачки.
Насосы, охлаждаемые до температуры, равной 4,2 К,
эффективно откачивают практически все газы, кроме
57
гелия. Однако следует учесть, что стоимость оборудова-
ния для охлаждения при Т = 4,2 К приблизительно
в 10 раз выше стоимости оборудования для получения
такого же количества холода при температуре, равной
20 К.
Быстрота откачки в основном определяется размера-
ми криопапели, а следовательно, и энергозатратами на
ее охлаждение.
По быстроте откачки крионасосы условно разделяют-
ся на следующие три группы.
Насосы с малой быстротой откачки (SH< 104 л/с);
обычно для охлаждения этих насосов требуется мощ-
ность в несколько ватт.
Насосы со средней быстротой откачки (SH~ ЫО4—
5-Ю4 л/с); расход мощности этих насосов исчисляется
несколькими десятками ватт. Они наиболее употреби-
тельны и выпускаются на нормализованных фланцах.
Насосы с большой быстротой откачки (SH>5-104 л/с);
на охлаждение этих насосов требуется мощность в не-
сколько сотен и даже тысяч ватт.
Способ охлаждения насосов определяется конкрет-
ными условиями эксплуатации, и при его выборе обычно
учитываются следующие обстоятельства: требуемая бы-
строта откачки насоса (величина энергозатрат на охлаж-
дение криопанели); предельный вакуум, количество на-
сосов, находящихся в эксплуатации; наличие собствен-
ной ожижительной станции; длительность непрерывной
работы крионасосов; наличие оборудования для сбора
испаряющихся газов.
По способу охлаждения крионасосы можно подраз-
делить на две основные группы: насосы, охлаждаемые
сжиженными газами, и насосы, охлаждаемые при помо-
щи автономных рефрижераторов.
Первая группа насосов в свою очередь делится на
насосы заливные, испарительные и с автономными ожи-
жителями. Заливные и испарительные насосы охлажда-
ются сжиженными газами: азотом, водородом и гелием,
которые получают на ожижительных станциях и транс-
портируют ж месту потребления в специальных танках
или в сосудах Дьюара.
Такое охлаждение используется обычно в насосах
с малой и средней быстротой откачки. Этот способ наи-
более прост, но вместе с тем и наименее экономичен, так
как сопровождается большими потерями хладоагента
58
при заливке его на ожижительных станциях и в крио-
насос, а также при транспортировке.
Насосы с автономными ожижителями обычно приме-
няются для получения высокой быстроты откачки, когда
необходимо охлаждать криопанели большой поверхнос-
ти. В этом случае заливная система крайне неэкономич-
на. В ожижительных установках испаряющийся газ воз-
вращается в теплообменники установки для полезного
использования содержащегося в нем холода. Это позво-
ляет в несколько раз увеличить холодопроизводитель-
ность установки при затрате той же мощности.
Вторая группа насосов охлаждается с помощью крио-
генных устройств рефрижераторного типа, в которых ра-
бочий газ не доводится до жидкого состояния,
а в охлажденном состоянии поступает в полости криопа-
нелей.
Большим достоинством насосов с рефрижераторным
охлаждением является их высокая экономичность, так
как в этом случае холодопроизводительность установки
легко согласуется с тепловой нагрузкой крионасоса.
Другим достоинством является удобство эксплуата-
ции, что имеет большое значение для применения этих
насосов в промышленных установках.
Насосы с криогенераторами используются для полу-
чения относительно невысокой быстроты откачки. Этот
способ охлаждения удобен там, где возникают затрудне-
ния с доставкой жидких хладоагентов со стороны.
С этой точки зрения целесообразным является использо-
вание криогенераторов, работающих по обратному
циклу Стирлинга. С помощью одноступенчатых машин
получают температуры около 50 К, с помощью двухсту-
пенчатых— 20 К, при этом время выхода на темпера-
турный уровень составляет 10—15 мин. Криогенераторы,
работающие по циклу Мак-Магона, обеспечивают такой
же температурный уровень, однако имеют более дли-
тельное время выхода на режим (более 1 ч).
Рефрижераторные дроссельные холодильные установ-
ки на базе ожижителей используются также для охлаж-
дения крионасосов с большой быстротой откачки.
По конструктивной схеме крионасосы можно подраз-
делить на две группы: насосы фланцевого и встроенного
типов. Быстрота действия насосов первой группы в ос-
новном определяется пропускной способностью фланца.
Насосы фланцевого типа обычно выполняются в виде
59
отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому
объему.
Насосы второй группы обычно проектируются приме-
нительно к конкретным случаям их использования. Крио-
панели у этих насосов обычно располагаются в откачи-
ваемом объеме в непосредственной близости от источни-
ков газовыделений.
Конструктивное оформление и эксплуатационные осо-
бенности насосов во многом зависят от способа охлаж-
дения криопанелей. Поэтому все крионасосы можно
разделить на пять основных групп: насосы заливного
типа; насосы испарительного типа; насосы с автономны-
ми ожижителями; насосы с газовыми холодильными
машинами (криогенераторами); насосы с холодильными
рефрижераторными установками.
2-2. КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КРИОНАСОСОВ
Конструкции криопанелей. Для криопанелей обычно
выбираются материалы с хорошей теплопроводностью:
медь, алюминий, реже — тонкостенная нержавеющая
сталь. Соединение криопанели с другими элементами
осуществляют либо мягкими припоями (в непрогревае-
мых системах),vлибо сваркой или пайкой серебряными
припоями (в прогреваемых системах).
Криопанели в зависимости от конкретных условий
имеют следующие типовые конструктивные формы: в ви-
де бачка, змеевика и плоскости. Криопанель в виде бач-
ка применяется в заливных насосах и используется, как
правило, при конструировании малых крионасосов.
В этом случае для охлаждения криопанели используется
только теплота испарения криожидкости.
Температура криопанели (стенок заливного бачка,
изготовленного из меди) практически не зависит от уров-
ня хладоагента и остается равной его температуре испа-
рения даже при малом количестве криожидкости. Это
исключает применение специального устройства для под-
держания уровня жидкого хладоагента. При изготовле-
нии бачка из нержавеющей стали был обнаружен замет-
ный перепад температур при малом количестве жидкос-
ти, что приводило к существенному снижению быстроты
откачки [3-14]. Недостаток насоса заливного типа состо-
ит в том, что он может располагаться только в верти-
кальном положении.
60
Для увеличения площади к криопанели с хорошим
тепловым контактом присоединяют дополнительные по-
верхности. Для снижения теплотоков к криопанели
трубки подвеса (по ним также и заливается криожид-
кость) делаются из материалов с низкой теплопровод-
ностью.
Рис. 2-3. Конструкция трубок подвеса.
/—трубка для заливки хладоагента; 2 —трубка тепло-
вой развязки у корпуса; 3 — стенка корпуса насоса, 4 —
сварка оплавлением кромкой, 5 — место пайки
При этом используют тепловую развязку, как показа-
но на рис. 2-3. Из соображений прочности заливным
криопанелям придают форму шара, цилиндра, тора,
а иногда используется чечевицеобразная форма.
Рис 2-4 Схема змеевиковой криопанели
с проволочными растяжками.
/ — криопанель; 2 — проволочная растяжка; 3 —
к вспомогательной откачной системе
Криопанели змеевикового типа охлаждаются про-
ходящим по ним как сжиженным, так и парообразным
хладоагентом. Змеевиковые криопанели применяются ча-
ще в насосах большой производительности и охлаждают-
ся от дроссельных рефрижераторных холодильных уста-
новок. Недостаток змеевиковых криопанелей состоит в
том, что у них имеется перепад температур на входе и вы-
ходе хладоагента. Змеевик криопанели обычно фиксирует-
ся в корпусе насоса с помощью проволочных растяжек
с малой теплопроводностью, как показано на рис. 2-4.
61
Иногда для придания жесткости змеевику и одновремен-
ного увеличения площади криопанели, а также выравни-
вания температуры к виткам змеевика припаивается
экран цилиндрической формы (рис. 2-5).
Плоские криопанели обычно применяются в насосах
малой производительности, охлаждаемых от газовых
Рис 2-5. Цилиндрическая криопанель со
змеевиком.
1 — криопанель со змеевиком; 2 — корпус насоса;
3 — подача хладоагента, 4 — выход паров.
холодильных машин, или в насосах испарительного типа.
В первом случае плоская криопанель с хорошим тепло-
вым контактом непосредственно крепится к головке
криогенератора. Во втором случае либо в полости
Рис. 2-6. Плоская криопанель.
/ — каналы; 2 — подача хладоагента; 3 — вы-
ход паров; 4 — герметичная сварка.
плоской криопанели делаются каналы, либо к ее поверх-
ности припаивают трубки, по которым циркулирует
хладоагент (рис. 2-6).
На эффективность работы насоса оказывает сущест-
венное влияние вид поверхности криопанели. Так, для
62
насосов, работающих в высоком вакууме, когда рост
криоосадка незначителен и мало влияет на изменение
степени черноты, поверхность криопанели целесообразно
полировать с целью снижения расхода хладоагентов.
При работе насоса в низком и среднем вакууме,
когда имеет место интенсивный рост криоосадка, поли-
ровка поверхности криопанели не имеет практического
смысла.
Эффективность криоконденсации можно повысить
приданием ей ребристой (рис. 2-7,а) [2-5] или ячеистой
Рис 2-7. Криопанели с развитыми поверхностями.
а - ребристая, б — ячеистая; 1 — криопанель; 2 — траектория полета молекул;
3 — сконденсированная молекула
(рис. 2-6,6) формы [2-6]. Гладкая холодная поверхность
обладает минимальным коэффициентом захвата, так как
все нескоденсировавшиеся при первом соударении моле-
кулы возвращаются в откачиваемое пространство. Если
конструкция криопанели такова, что отскочившие при
первом соударении с холодной поверхностью молекулы
снова попадают на нее, то вероятность захвата молекул
возрастает и повышается эффективность криопанели.
Это наглядно видно из рис. 2-7,а- В табл. 2-2 приведены
результаты экспериментального определения эффектив-
ности ячеистой криопанели по сравнению с гладкой.
Размер ячеек 50x50 мм, глубина 100 мм, площадь крио-
панели 900 см2.
63
За температуру криопанели взято среднее значение
между температурами змеевика на входе в криопанель
и выходе из нее.
Недостаток ячеистых и ребристых криопанелей со-
стоит в том, что они имеют большую массу, а это при-
водит к повышенному расходу хладоагента, а также
к увеличению времени предварительного охлаждения
насосов.
Таблица 2-2
Эффективность ячеистой криопанели
Газ Температура, К Коэффициент захвата криопанели
газа криопанели гладкой ячеистой
со2 300 77 0,63 0,89
n2 77 20 0,88 0,93
Иногда в высоковакуумных насосах для повышения
эффективности откачки на поверхности криопанели на-
носят тонкую окисную пленку. Например, на алюминий
наносится пленка методом анодного оксидирования,
состоящая из двух слоев: прилегающего к металлу тон-
кого плотного слоя толщиной 0,01—0,1 мк и внешнего
пористого слоя. Второй слой пронизан большим коли-
чеством капиллярных каналов, число которых растет при
приближении к внешней поверхности пленки и общий
объем которых может достигать почти половины объема
пленки. Окисные пленки на алюминии отличаются высо-
кой прочностью связи с основным металлом и жаро-
устойчивостью [2-7].
В [2-7] приведены результаты измерений сорбции на
окисной пленке толщиной 20 и 100 мкм при охлаждении
криопанели жидким азотом и гелием (рис. 2-8). Из гра-
фика видно, что увеличение толщины окисной пленки
в 5 раз приводит к увеличению сорбционной емкости
в 10—20 раз.
Результаты измерения сорбции гелия при температу-
ре криопанели, равной 4,2 К, показывают возможность
достижения равновесного давления порядка 10-11 Па.
При этом 1 см3 пленки поглощается 10~3 см3 газа
при нормальных условиях. Следует отметить, что в дан-
ном случае с увеличением толщины окисной пленки
в 5 раз (с 20 мкм до 100 mikm) емкость ее возрастает
64
при давлении 10~п Па в 80 раз, а при давлении 10~8 Па
в 180 раз.
Теплозащитные экраны. При конструировании крио-
конденсационных насосов одним из наиболее важных
вопросов является обеспечение минимальных энергозат-
рат на охлаждение криопанели. Это достигается надеж-
ной защитой криопанели с помощью теплозащитных
Рис 2-8 Количество газа, см3,
при нормальных условиях, погло-
щенных на 1 см2 окисной пленки
толщиной 20 и 100 мкм при
охлаждении жидким азотом
/ — Не, 100 мкм, 2 —Ne, 100 мкм, 3 —
Аг, 20 мкм, 4— воздух, 20 мкм, 5 — Н2,
100 мкм; 6 — N2, 20 мкм, 7 — Аг,
100 мкм, 8 — воздух, 100 мкм 9— N2,
100 мкм
экранов; при этом должен быть обеспечен хороший до-
ступ откачиваемых газов к криопанели. Экраны снижают
теплопритоки к криопанели как за счет экранирования
излучений от тепловых поверхностей, так и за счет час-
тичного снятия энергии (охлаждения) движущихся к крио-
панели молекул газа. В то же время экраны, размещенные
между корпусом насоса и криопанелью, создают опреде-
ленное сопротивление на пути газового потока к криопане-
ли, из-за чего снижается быстрота откачки /крионасоса.
Поэтому необходимо оптимальное решение в достижении
эффективной защиты от теплового излучения и обеспече-
ния заданной быстроты откачки. Следует отметить, что
защитные экраны, охлаждаемые жидким азотом, сами
являются своего рода криоконденсационными насосами
5—631 65
по откачке паров воды, составляющими основную часть
остаточной атмосферы в непрогреваемых установках.
Таким образом, эффективность экрана характеризует-
ся коэффициентом тепловой защиты v и вероятностью
пролета сп молекул через экран.
Коэффициент тепловой защиты
v = Qi/Q2, (2-2)
где Qi — поток тепла, падающий на криопанель; Q2 —
полный поток тепла, проходящий через входное сечение
крионасоса.
Вероятность пролета представляет собой отношение
числа молекул, прошедших через теплозащитный экран,
к числу молекул, падающих на его поверхность, N2'
Cn = Ni/N2. (2-3)
Удельная проводимость экрана uQ связана с вероят-
ностью пролета соотношением
^э = £п£т, (2-4)
где 5Т — теоретическое значение максимально возможной
быстроты откачки на единицу площади отверстия.
Оптимизация конструкции крионасоса состоит в том,
чтобы обеспечить минимальное значение v и максималь-
ное значение си. Наиболее типичные конфигурации эк-
ранов и' их расположение показаны на рис. 2-9. Такое
расположение экранов предотвращает проникновение из-
лучения на криопанель [2-8]. Для этих конфигураций
Таблица 2-3
Эффективность тепловой защиты криопанели
при различных конфигурациях экранов
Конфигурация экранов Геометри- ческие факторы Значения геометриче- ских факто- ров Вероятность пролета сп Коэффициент тепловой защиты v
Плоскощитковая, рис. 2-9,а Zj/Za 0,08 0,125 0,25 0,09 0,122 0,134 0,01
Наклоннощитковая, рис. 2-9,б т 45° 0,36 0,015
Шевронная, рис. 2-9,в ф 60е 90° 120° 0,29 0,324 0,36 0,007
66
Рис. 2-9. Конструктивные
схемы теплозащитных экра-
нов.
а — плоскощитковаь; б — на-
клоннощитковая, в — шеврон-
ная, 1 — направление потока
газа, 2 — теплозащшныи экран,
3 — криопанель; 4 — корпус на-
соса.
экранов в табл. 2-3
приведены значения
вероятности пролета
молекул через них и
коэффициента переда-
ваемой мощности излу-
чения на криопанель
[2-9].
Представленные на
рис. 2-9 конструктив-
ные схемы экранов рас-
положены параллельно
оси корпуса насоса,
однако они могут быть
расположены и ради-
ально. Экраны этих ти-
пов применяются при
любом направлении газовых и тепловых потоков, суще-
ствующих в камерах (корпусе) насоса.
В случае, когда газовые и тепловые потоки в цилин-
дрическом корпусе имеют только радиальное направле-
ние в сторону стенок, целесообразно применять радиаль-
но-плоские криопанели с фигурными экранами, изобра-
женными на рис. 2-10 [2-10].
Для экранирования криопанелей от находящегося
в центре камеры источника теплового излучения перед
каждой криопанелью устанавливается узкий тепловой
экран треугольной формы, охлаждаемый жидким азо-
том. Ширина этого экрана приблизительно в 3,5 раза
меньше расстояния между соседними криопанелями. Эти
экраны изготавливаются в виде равностороннего треу-
гольника, как показано на рис. 2-10. Охлаждаемые жид-
ким азотом поверхности экранируют криопанели от теп-
лового излучения, исходящего от стенок вакуумной ка-
меры. После соударения с наклонными поверхностями
5*
67
экранов молекулы отражаются от них и попадают на
криопанель.
Некоторая часть молекул возвращается в объем насо-
са. Коэффициент пролета сп молекул к криопанели со-
ставляет от 0,7 до 0,84 при отношении высоты криопане-
ли Zi к расстоянию между ними /2 от 1 до 1,5 .
Для того чтобы охлаждаемая поверхность выполняла
роль теплового стока, внутренняя поверхность экранов
Рис. 2-10. Теплозащитные экраны при радиальных потоках газов.
1 — криопанель, 2 — теплозащитный экран; 3 — корпус насоса; 4 — поток отка-
чиваемых газов, 5 — треугольный экран; 6 — трубка с жидким азотом, 7 —
трубка с жидким гелием; 8 — возможная траектория движения молекул газа.
должна иметь максимально возможный коэффициент
поглощения излучения. Это достигается лакировкой по-
верхности, причем покрытие должно сохраняться при
низких температурах. В диапазоне длин волн 0,2—50мкм
достигается величина бэ = 0,95. Для того чтобы свести
к минимуму влияние излучения на наружную поверх-
ность экрана, она полируется (еэ = 0,1), также полирует-
ся внутренняя поверхность стенок камеры (ес = 0,3). При
таких значениях тепловая нагрузка излучения на холод-
ные стенки составляет 35 Вт/м2 при 80 К.
Экран обычно охлаждают парами холодных газов,
испарявшихся из сосуда с жидким хладоагентом, жид-
ким азотом из сосуда Дьюара или от второй ступени
газовой холодильной машины (при охлаждении от газо-
вой холодильной машины).
При выборе способа охлаждения необходимо иметь
в виду, что экономически выгодно (особенно в больших
насосах) применять предварительное охлаждение крио-
панели жидким азотом.
68
Рис. 2-11. Относительное количе-
ство тепла, передаваемого за счет
радиации.
Однако при использова-
нии жидкого азота несколь-
ко усложняется конструк-
ция системы охлаждения
крионасоса из-за примене-
ния второго хладоагента.
На рис. 2-11 показана рас-
четная зависимость относи-
тельного количества тепла,
передаваемого за счет радиа-
ции от коэффициента излу-
чения шевронов (на рисунке
показано расположение шев-
ронов). Параметр П-АС/АЕ
характеризует плотность рас-
положения шевронов [2-11].
Как видно из рисунка, д;
ратур на поверхности криопанели целесообразно иметь
высокую плотность расположения шевронов, что может
привести к снижению пропускной способности экранов.
Следовательно, необходимо выбирать оптимальное рас-
положение экранов с целью обеспечения минимальной
теплопередачи и эффективной быстроты откачки.
Иногда применяют двустороннее чернение экранов.
При этом существенно повышается расход жидкого азо-
та, но снижается расход жидкого гелия, охлаждающего
криопанель. Оптимальное решение состоит в том, что на-
ружные стенки экрана полируют (s<0,1), а внутренние
чернят (8 — 0,9).
Теоретический и экспериментальный анализ показы-
вает, что в хорошо экранированных криогенных насосах
через азотные экраны к криопанели проходит около 2%
падающей радиации.
Корпуса крионасосов. Выполняют, как правило, из тех
же материалов, что и откачиваемые объемы. В основном
применяются нержавеющая сталь и обычные углероди-
стые стали; реже применяются медь и алюминий. Форма
корпуса насоса определяется в каждом конкретном слу-
чае исходя из конструктивных соображений и может
быть цилиндрической, сферической, конической и др.
69
Наибольшее распространение получили корпуса на-
сосов цилиндрической формы. Они отличаются просто-
той изготовления и являются наиболее рациональными
с точки зрения прочности и расхода материалов. Цилин-
дрические обечайки корпусов насосов, как правило,
изготавливаются из листового проката путем вальцовки
с последующим соединением стыков сваркой или пайкой.
Сваренные цилиндрические обечайки проходят техноло-
гическую правку (калибровку). Торцевые поверхности
обечайки обрабатываются на токарных и карусельных
станках. Корпуса насосов часто имеют днища, которые
могут быть выпуклой, конусной, плоской и другой фор-
мы. Для крупных крионасосов необходимо всегда иметь
в виду обеспечение прочности корпуса против наружного
атмосферного давления. Практически толщины стенок
вакуумных цилиндрических камер, изготовленных из ста-
лей и работающих под вакуумом (наружное давление
Таблица 2-4
Толщины стенок корпусов кргонасосов
Диаметр обечайки, мм Толшина, мм
стенки обечайки выпукгой крышки конусной крышки
200 2,0 2,0 2,0
400 2,5 3,0 2,5
500 3,5 3,5 3,0
600 4,0 4,0 3,0
700 4,5 4,5 3,5
Таблица 2-5
Толщина цилиндрических корпусов крионасосов
Отно- шение L/H Внутренний диаметр обечайки, мм
800 | 900 | 1000 | 1200 | । 1400 | 1500 1800 2000
Толщина стенки обечаики, мм
1 4 5 5 6 8 8 8 10
2 5 6 6 8 10 10 10 12
3 6 8 8 12 12 14
4 8 14 16
5 10 14
70
Таблица 2-6
Допускаемые отклонения на длину окружности
и смецение крэмок сварного шва
Толщина стенки, мм Допускаемые отклонения для обечаек из различных материалов, мм
углеродистая и лггирозанная стали высоколегированная сталь
по длине окружности смещения кро- мок продоль- ного шва, % по длине окружности смещения кро- мок продольно- го шва, %
14 16 и 18 20 и 28 30—34 36—38 ±з ±5 ±9 ±И ±13 10 ±з ±5 ±6 10
Таблица 2-7
Допускаемые отклонения по длине (высоте) обечайки
Размер, форма
L(H)
Прямолинейность оси
Овальность
Параллельность торцевых
кромок
Допускаемое отклонение
0,3% £(//), но не более +75 мм
0,2% L (H)f но не более 20 мм при
L (//) 10 000 мм и не более 30 мм
при L (И) > 10000 мм
При наружном давлении 0,5%, но не
более 20 мм
0,06% £(//), но не более 2 мм
101 кПа), можно выбирать: для небольших камер по
табл. 2-4, для крупных камер по табл. 2-5.
Допускаемые отклонения на длину окружности и
смещения кромок продольного сварного шва приведены
в табл. 2-6. Допустимые отклонения по длине L или вы-
соте Н и форме цилиндрических сварных обечаек при-
ведены в табл. 2-7. Более полные рекомендации по кон-
струированию корпусов насосов различной конфигурации
приведены в специальной литературе.
2-3. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ КРИОНАСОСОВ
Насосы заливного типа. Первые выполненные криопа-
сосы были заливного типа, т. е. с охлаждением жидким
хладоагентом, заливаемым в сосуд, наружная поверх-
71
ность которого служила криопанелью. Эти насосы строи-
лись по типу криостатов и отличались простотой кон-
струкции и малой стоимостью.
Заливные насосы не требуют подсоединения к элек-
тросети, водопроводу или к сети сжатого воздуха, у них
нет движущихся деталей. Их можно легко прогревать,
что позволяет применять их в высоковакуумных систе-
мах. В качестве хладоагентов используются обычно сжи-
женные газы: азот, водород или гелий. При этом темпе-
ратура криопанели поддерживается соответственно на
уровне 77; 20,4 или 4,2 К.
Несмотря на относительно высокую стоимость жид-
кого гелия, ему отдают предпочтение перед жидким во-
дородом, применение которого связано с опасностью
взрыва. Преимуществом жидкого гелия является его
низкая точка кипения, однако его весьма малая скрытая
теплота парообразования требует эффективной защиты
от теплопритоков к криопанели насоса.
Заливные насосы одной и той же конструкции могут
работать при использовании в качестве хладоагентов
не только жидкого гелия или жидкого водорода, а и
жидкого неона. Расход водорода или неона по сравне-
нию с расходом жидкого гелия в значительной мере
уменьшится. Так, например, из-за того, что теплота испа-
рения водорода в 11,6 раза больше, чем теплота испаре-
ния гелия, время работы водородного насоса без долива
жидкости может быть существенно увеличено.
Так как температура испарения жидкого гелия зна-
чительно зависит от давления кипения, в заливных крио-
насосах можно понизить температуру криопанели до
2,3 К за счет откачки паров гелия.
При этой температуре хорошо откачивается водород,
так как его упругость паров составляет менее 10-10 Па.
Однако при этом несколько повысится расход гелия.
Насосы заливного типа имеют недостатки:
необходимость оснащения системой сбора испарив-
шегося рабочего газа;
потеря холода с оставшимся в сосуде после оконча-
ния работы газом;
большие расходы хладоагентов, необходимые во вре-
мя запуска насоса для охлаждения криопанелей и экра-
нов от комнатной до рабочих температур;
необходимость установки только в вертикальном по-
ложении;
72
сосудов Дьюара, приведен-
паспортных данных.
Рис. 2-12. Крионасос с жидким
азотом.
трудность получения и поддержания температуры вы-
ше точки кипения хладоагента.
Кроме того, имеют место потери хладоагентов при
хранении в сосудах Дьюара, не связанные непосредст-
венно с работой насоса. Эти потери могут быть оце-
нены по характеристикам
ным в соответствующих
Насосы заливного ти-
па используются в основ-
ном для лабораторных
целей.
На рис. 2-12 показано
устройство крионасоса
модели 916-0000 фирмы
Varian (США), в котором
в качестве хладоагента
используется жидкий
азот, заливаемый через
патрубок 4 в торообраз-
ный резервуар 1. Наруж-
ные поверхности резер-
вуара выполняют роль
криопанели. Емкость ре-
зервуара 2 дм3, расход
жидкого азота 0,5 дм3/ч.
Насос подсоединяется к
вакуумной системе с по-
мощью фланца 3, снаб-
женного кольцевыми уп-
лотняющими прокладками
При вращении маховичка 5 поднимается и опускается
тонкостенное днище 9. Вакуумное уплотнение вращаю-
щегося штока осуществляется с помощью сильфона 8.
При подъеме днище 9 своей верхней кромкой прижи-
мается к фланцу 7. Этот фланец имеет кольцевую уплот-
няющую прокладку из эластомера витон для вакуумно-
плотного соединения днища 9 с фланцем 7. Таким обра-
зом, резервуар /, заполненный жидким азотом, перестает
сообщаться с откачиваемым объемом, т. е. в этом
положении насос не работает. Такое устройство насоса
позволяет вскрывать рабочую камеру установки без
предварительного размораживания резервуара с жидким
азотом, что существенно сокращает производственный
цикл и расходы хладоагента. Кроме того, удалять кон-
2 из эластомера типа витон.
73
денсат с охлаждаемой поверхности насоса можно неза-
висимо от того, находится ли рабочая камера под вакуу-
мом или сообщается с атмосферой. Байпасная откачка
полости закрытого насоса производится через патру-
бок 6.
При наружном диаметре охлаждаемого резервуара,
равном 200 мм, быстрота откачки паров воды крионасоса
превышает 9000 л/с. Поскольку пары воды во многих
случаях являются одним из основных компонентов от-
качиваемой среды, то встраивание такого насоса в от-
качиваемую систему повышает предельный вакуум и
существенно сокращает время, необходимое для его по-
лучения. Так, например, в напылительной установке со
стеклянным колпаком диаметром 450 мм и высотой
750 мм предельное давление 2-10~5 Па было достигнуто
с помощью магнитного электроразрядного насоса с бы-
стротой откачки 500 л3/с за 100 мин, а при совместном
использовании его с крионасосом описанной конструкции
за это же время было достигнуто давление 2,6-10~6 Па
[2-12].
Наиболее типичный заливной насос с охлаждением
жидким гелием, описанный в [2-13], представлен на
рис. 2-13.
Криопанелью в нем служит сосуд 2, заполняемый
жидким гелием, находящимся при температуре, равной
4,2 К. Защитный экран 1 состоит из изогнутых пластин,
представляющих собой оптически плотную конструкцию.
Экран охлаждается от азотного бачка 4 за счет тепло-
проводности пластин. Гелий заливается через патрубок 6
и трубки 3. Через патрубок 7 вставляется датчик для
измерения уровня гелия. Из трубки 5 выходит испаряю-
щийся гелий. Чтобы понизить температуру кипения ге-
лия до 2,3 К, нужно через трубу 5 откачать гелиевый
бачок до давления, равного 8-Ю3 Па над кипящей по-
верхностью гелия. Этот насос является насосом встроен-
ного типа, работает только в вертикальном положении
и присоединяется к камере через фланец 8.
На рис. 2-14 представлена конструкция фланцевого
заливного крионасоса ГСВ-250 [2-14]. Насос характери-
зуется малым расходом хладоагента и может длительное
время работать без долива жидкого гелия.
Основной частью насоса является откачивающий эле-
мент, собранный на фланце 2, с помощью которого он
присоединяется к корпусу насоса 1. Откачивающий эле-
74
мент состоит из гелиевого сосуда 9 и азотного экрана 7
с шевроном И и диафрагмой 10. Наружные поверхнос-
ти гелиевого сосуда и азотного экрана, выполненные из
меди, тщательно полированы, отполирована также верх-
Рис. 2-13. Залив-
ной гелиевый
крионасос.
няя часть азотного экрана,
обращенная к гелиевому
сосуду. Нижняя часть эк-
рана, включая диафрагму
10 и шеврон //, почернена
электрохимическим спосо-
Рис. 2-14. Крионасос с малым
расходом жидкого гелия.
бом и эффективно защищает гелиевый сосуд от тепловой
радиации стенок, находящихся при комнатной температу-
ре. Медная мембрана 6, герметично присоединенная к
азотному экрану и к трубке S, служащей для залива
75
жидкого гелия и отвода паров гелия, уменьшает теплопод-
вод к гелиевому сосуду. Диафрагма 10 устанавливается
таким образом, чтобы зазор между краем диафрагмы
и гелиевым сосудом был минимальным, что предотвра-
щает возможность конденсации газа на верхней части
гелиевого насоса. При такой конструкции для откачки
газа используется лишь нижняя часть гелиевого сосуда,
практически только его дно. В насосе ГСВ-250 величина
поверхности дна гелиевого сосуда составляет около 5%
всей его поверхности. Если в результате конденсации
газов поглощательная способность дна насоса увеличит-
ся, например, в 10 раз, это приведет к увеличению расхо-
да жидкого гелия всего в полтора раза.
С помощью боковых подсоединительных патрубков
5, 4 или со стороны днища 5 насос подсоединяется к от-
качиваемому объему. Корпус насоса изготовлен из трубы
диаметром 200 мм. Диаметр подсоединительных патруб-
ков 150 мм. Материал корпуса — нержавеющая сталь,
материал уплотнителя в разъемных соединениях — медь,
так что насос может быть прогрет до 700 К. Для изме-
рения давления на нижнем фланце размещены датчики*
МТ-8 (для измерений в форвакуумной области), МИ-12-8
(до 10-8 Па), ММ-14 (до 10"11 Па).
Основные технические данные насоса ГСВ-250 пред-
ставлены ниже:
Технические данные насоса ГСВ-250
Предельное давление без прогрева насоса, Па ... , 10"8
Предельное давление после прогрева насоса, Па . . . 10"10
Быстрота откачки в диапазоне давлений 10"2 —
10"9 Па, л/с:
по азоту......................................... 250
по водороду..................................... 900
Пусковое давление, кПа .................................. 1
Расход жидкого гелия, см3/ч.............................. 8
Емкость гелиевого сосуда, дм3............................ 7
Дополнительный расход жидкого гелия при откачке
больших количеств газа..........................t . 1 дм3 жидкого
гелия на 7 дм3
газообразного
азота
РасходТжидкого азота ,|дм3/сут.......................... 5
Емкость сосуда азотного экрана, дм3 .................... 7
Габариты насоса, мм:
высота......................................... 1000
диаметр корпуса................................. 200
Масса насоса с откачивающим элементом, кг ... . 60
Масса откачивающего элемента, кг....................... 20
76
Ряд конструктивных схем насосов, а также их экс-
плуатационные особенности описаны в [2-15—2-18].
О серии заливных крионасосов сообщается в [2-19].
Их отличительная особенность состоит в наличии акти-
вированной криопанели в виде оксидной пленки на алю-
минии, а также наличии ребер на цилиндрическом ге-
лиевом сосуде. Ребра служат для увеличения геометри-
ческой поверхности криопанели; что ведет к увеличению
его емкости, коэффициента захвата, а следовательно,
быстроты откачки. \
Насосы типов НКС-1, НКС-3 и НКС-5 собираются
соответственно на фланцах Ду 160, Ду250 и Ду400, с по-
мощью которых они вводятся либо непосредственно в от-
качиваемый объем, либо в индивидуальный корпус, при-
соединяемый к откачиваемому объему. Технические дан-
ные насосов представлены ниже:
Криосорбционные заливные гелиевые насосы
с сорбентом — окисной пленкой на алюминии
НКС-1 нксз НКС-5
Предельное давление, Па Быстрота откачки в диапазоне давлений МО-9 ЬЮ-9 МО-9
10~9—10~3 Па, л/с:
по азоту 1000 2500 6000
по аргону 800 2000 4500
по водороду 2000 6000 12 000
по гелию 1000 5000 10 000
Давление запуска, Па Расход хладоагентов в установившемся 1-10-2 М0-2 МО-2
режиме при давлении не выше ЫО-з Па:
жидкий азот, дм3/ч 0,3 0,6 0,9
жидкий гелий, см3/ч 40 70 120
Время работы без доливки хладоагентов:
жидкого азота, ч 4,5 7,5 11
жидкого гелия, ч 11 18 27
Температура прогрева, К 450 450 450
Насосы испарительного типа. Насосы испарительного
типа являются некоторой разновидностью заливных на-
сосов. Они так же, как и заливные, питаются жидким
хладоагентом из сосудов Дьюара. Отличает их то, что
криопанели испарительных насосов выполняются либо
в виде змеевиков, либо в виде плоских шайб с внутрен-
ними каналами. Охлаждение криопанелей происходит
в результате циркуляции по каналам и змеевикам паров
испаряющегося хладоагента
77
Циркуляция может осуществляться либо за счет соз-
дания избыточного давления в сосуде Дьюара, либо за
счет всасывающего действия механического вакуумного
насоса. Эти способы питания насоса хладоагентом дают
возможность легко регулировать температуру криопа-
нели в широком диапазоне как выше, так и ниже нор-
мальной температуры кипения хладоагента, что обеспе-
чивает более экономичное его расходование. Процесс
регулирования температуры легко автоматизируется.
Рис. 2-15 Испарительный насос
змеевикового типа.
Кроме того, в этих на-
сосах испаряющийся в
криопанели газообразный
гелий часто используется
для охлаждения защит-
ных экранов до темпе-
ратур, промежуточных
между комнатной и тем-
пературой криопанели,
при этом отпадает необ-
ходимость в использова-
нии другого хладоагента.
Поскольку в криопанелях
этих насосов нет жид-
ких хладоагентов, то их при остановке легко отогревать.
Криопанель у испарительных насосов можно располагать
в любом пространственном положении.
Наиболее простая конструктивная схема испаритель-
ного насоса представлена на рис. 2-15. Насос состоит из
змеевика 4, в который по трубке 1 поступает жидкий
хладоагент из сосуда Дьюара. Змеевик находится в хо-
рошем тепловом контакте с плоской пластиной 6, к ко-
торой припаян колпачок 2. Пластина и колпачок обра-
зуют полость 3, стенки которой омываются поступающим
по змеевику 4 через открытый конец 5 газообразным
хладоагентом, испарившимся в змеевике. Отработанный
хладоагент выходит из полости крионасоса через труб-
ку 7.
Промышленная конструкция крионасоса испаритель-
ного типа РК-5000 представлена на рис. 2-16 [2-20]. Крио-
панель выполнена в виде медного диска 4 с внутренни-
ми каналами.
Проходя по внутренним каналам криопанели, хладо-
агент испаряется, охлаждая поверхность криопанели, и
выходит черев трубку 8 при более высокой температуре.
78
Жидкий хладоагент поступает из сосуда Дьюара
к криопанели по трубке 2, экранированной трубкой 3.
Испарившийся хладоагент из каналов криопанели через
отводную трубку проходит по змеевику 5, выполненному
в виде бифилярной спирали. Этот змеевик служит тепло-
защитным экраном и выполнен в виде цилиндра с от-
крытыми торцами.
Рис. 2-16. Испарительный крионасос
с плоской криопанелью.
Хладоагент, выходящий из змеевика, поступает в дон-
ный экран 6, предохраняющий криопанель от тепловых
излучений от фланца 7, и далее по трубке 8 выходит из
насоса. К змеевику и криопанели припаяны термобал-
лончики газовых термометров 7, измеряющих и регули-
рующих температуру на криопанели и расход хладоаген-
та. Змеевик поддерживается стойками 9, выполненными
из нержавеющей стали. Все конструктивные элементы
насоса крепятся на фланце 7, при помощи которого на-
сос встраивается непосредственно в откачиваемый объ-
ем. Внешний вид насоса представлен на рис. 2-17.
Схема откачной системы, построенной на таком насо-
се, представлена на рис. 2-18. Криопанель насоса 1 рас-
79
положена в камере 2. Сбоку к камере подсоединяется
вспомогательная вакуумная система с паромасляным
насосом 5, ловушкой 7 и затвором <?, предназначенная
для откачки неконденсируемых газов, а также для пред-
варительной откачки камеры. Хладоагент подается
в криопанель из сосуда Дьюара 3 механическим вакуум-
ным насосом 4. При открытом регулирующем вентиле 5
в каналах криопанели создается вакуум и атмосферное
Рис 2-17. Внешний вид испари-
тельного крионасоса.
Рис. 2-18. Схема откачной си-
стемы с испарительным крио-
насосом.
давление выжимает жидкий гелий из сосуда Дьюара
в криопанель через вакуумно-изолированную трубку,
нижний конец которой доходит почти до самого дна со-
суда.
Вентилем 5 можно изменять количество подаваемого
хладоагента и таким образом устанавливать необходи-
мую температуру криопанели, что в свою очередь обеспе-
чивает более экономное расходование хладоагента.
Регулировать температуру криопанели можно венти-
лем либо с механическим, либо с электрическим управ-
лением от датчика температуры Р. С помощью такой
системы можно регулировать температуру до 2,5 К<
Данная конструкция крионасоса (диаметр криопане-
ли 75 мм, диаметр змеевика 98 мм и высота 10'0 мм)
80
обеспечивает при расходе жидкого гелия 1,2 дм3/ч быст-
роту откачки по азоту 5000 л/с и по водороду 2500 л/с.
Причем быстрота откачки его практически остается по-
стоянной в диапазоне давлений 1 • 10-6—1 • 10~2 Па. Крио-
панель охлаждается от комнатной температуры до тем-
пературы жидкого гелия за 25—30 мин. Во время охлаж-
дения расход жидкого гелия повышается примерно
в 2 раза. Насос подобной конструкции может работать и
с другими хладоагентами, например азотом и водородом.
Насосы с автономными ожижителями. В промышлен-
ных условиях или лабораториях, не имеющих собствен-
ных ожижителей, использование жидких хладоагентов
для охлаждения панелей крионасосов представляет из-
вестные технические и организационные трудности.
Насосы заливного и испарительного типа удобны
в эксплуатации только там, где имеется производство
жидких хладоагентов.
Дальнейшим развитием крионасосов являются агре-
гаты с питанием хладоагентом от автономного ожижи-
теля. Холод, содержащийся в парах хладоагента, выхо-
дящего из насосов заливного и испарительного типов,
обычно не используется или используется частично на
охлаждение экрана. Значительно экономнее используется
холод в автономных ожижителях. Отработанный холод-
ный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает в теп-
лообменниках свой холод встречному потоку газа, иду-
щему на ожижение, что существенно повышает эконо-
мичность устройства охлаждения насоса.
Для обеспечения работы криоконденсационного насо-
са с автономным ожижителем необходимо, кроме элек-
троэнергии, наличие воды и жидкого азота.
В [2-21] описана конструкция малогабаритного крио-
насоса с автономным водородным ожижителем, встро-
енным в корпус насоса. Автономный ожижитель работа-
ет по циклу с промежуточным азотным охлаждением и
дросселированием водорода, сжатого до 2,5 МН/м2.
Конструктивная схема насоса представлена на
рис. 2-19. Криопанель 12 соединена с бачком, в котором
собирается ожиженный водород, и поддерживается на
стойках 15 проволочными держателями 8. Между крио-
панелью и впускным отверстием насоса помещен шев-
ронный тепловой экран 11. Нижняя часть экрана, имею-
щая цилиндрическую форму, припаивается к крышке
азотной ванны 7. В пространстве, ограниченном крыш-
81
кой азотной ванны и тепловым экраном, расположены
противоточный теплообменник 9 и дроссель 10. Проти-
воточный теплообменник выполнен из спаянных по всей
длине трубок внутренним диаметром 0Д5 и 1,8 мм.
Промежуточный теплообменник выполнен из трубки
внутренним диаметром 2 мм и длиной около 3 м.
Рис. 2-19. Малогабаритный крионасос с автономным ожижителем.
/ — выход паров азота; 2 — к магниторазрядному насосу; 3, 13 — антирадиа-
ционные экраны, 4 — подача жидкого азота; 5 — вход сжатого водорода; 6 —
промежуточный теплообменник; 7 — азотная ванна; 8 — держатель криопанели;
9 — противоточный теплообменник; 10 — дроссель, 11 — шевронный антирадиа-
ционный экран; 12 — криопанель с отделителем жидкого водорода; 14 — кор
пус; 15 — стойка; 16 — уплотнитель; 17 — основание; 18 — выход водорода низ-
кого давления.
Промежуточное охлаждение сжатого водорода про-
исходит в теплообменнике 6. Для уменьшения расхода
жидкого азота между низкотемпературными частями
крионасоса и его оболочкой помещены теплозащитные
экраны 3 и 13.
Площадь поверхности криопанели, обращенной
к шевронному экрану, составляет примерно 280 см2.
Такой насос обеспечивает быстроту откачки по азоту и
воздуху примерно 900 л/с, а по аргону примерно 700 л/с.
Схема питания ожижителя водородом показана на
рис. 2-20. Водород отбирается из баллона 1 и через ре-
дуктор 2 подается в систему осушки и очистки. Осушка
сжатого водорода происходит сначала в цеолитовом
осушителе 3, а затем в левой по схеме секции противо-
82
точного теплообменника 4. Для очистки от примесей
азота и кислорода водород пропускается через два по-
следовательно включенных угольных адсорбера 5,
охлаждаемых жидким азотом в сосуде Дьюара 6. Очи-
щенный сжатый водород нагревается до комнатной тем-
пературы в правой секции теплообменника 4 теплом
Рис. 2-20. Схема питания крионасоса водородом.
/’—баллон со сжатым водородом; 2 — редуктор; 3 — цеолитовый осушитель;
4 — противоточный теплообменник; 5 — угольные адсорберы; 6 — сосуд Дьюара;
7 — фильтр; 9 — насос; 8, 10 — вентили; И — обратный клапан; 12 — расходо-
мер; 13 — выход водорода.
идущего на очистку водорода и через пылевой фильтр 7
поступает в крионасос 9. Сепаратор фильтра изготовлен
из ткани Ф'ПП-15-1,5, захватывающей частицы разме-
ром 2*10-7 м с эффективностью 99,99%. Тщательная
очистка сжатого водорода необходима для предотвра-
щения засорения отверстия дросселя и каналов теплооб-
менников крионасоса твердым конденсатом паро- и газо-
образных примесей или пылевыми частицами .
Автономными ожижителями наиболее целесообраз-
но снабжать крионасосы большой производительности.
Разработка больших крионасосов с автономными
ожижителями стимулировалась необходимостью откачи-
вать газы с очень большой быстротой в таких установ-
ках, как аэродинамические трубы и имитационные кос-
мические камеры- Крионасосы с автономными ожижите-
83
лями представляют собой сложные крупногабаритные
устройства. При этом размеры одних только холодиль-
ных устройств могут в несколько раз превосходить раз-
меры откачиваемых объектов вместе с крионасосом
Рис. 2-21. Водородный насос с автономным ожижителем.
На рис 2-21 представлен крионасос ВК-40 с быстро-
той откачки 40 000 л/с. Он представляет собой самостоя-
тельную установку, подсоединяемую к откачиваемому
объекту [2-22]
Криопанелью насоса является медный сосуд 9, запол-
няемый жидким водородом. Для уменьшения теплопри-
тока от окружающих стенок сосуд окружен цилиндриче-
84
ским медным экраном 8, охлаждаемым жидким азотом.
Задний экран с впаянной ловушкой 2 также охлаждает
ся жидким азотом.
Для откачки неконденсирующихся при температуре
жидкого водорода газов (водород, гелий, неон) и созда-
ния предварительного разрежения насос ВК-40 снабжен
пароструйным насосом 7 с быстротой откачки око то
2000 л/с, подсоединяемый через затворы 3 и 5.
Для предотвращения попадания паров масла и про-
дуктов его крекинга из диффузионного насоса 7 преду-
смотрены водяная ловушка 6 и жалюзийная азотная ло-
вушка 4. Жидкий азот для охлаждения экранов и ловуш-
ки подается из сосудов Дьюара 1 и 13. Питание насоса
жидким водородом осуществляется от автономного ожи-
жителя 12 с дросселем 11.
Площадь наружной поверхности сосуда (криопанели)
9 равна 5000 см2, и теоретическая быстрота откачки на-
соса по воздуху составляет свыше 550 л/с Практиче-
ская быстрота откачки несколько меньше из-за входных
потерь на фланце 10 она равна 40 000 л/с и не зависит
от давления в диапазоне 1 • 10~3—1 • 10“5 Па Предельное
давление, создаваемое насосом, достигает 1 • 10~8 Па при
расходе жидкого водорода 0,4 дм3/ч и жидкого азота
10—20 дм3/ч После длительной работы расход жидкого
водорода возрастает до 2 дм3/ч, так как увеличивается
приток тепла за счет излучения вследствие загрязнения
сконденсировавшимися газами и парами внешней по-
верхности сосуда 9.
Ожижитель рассчитан на работу с компрессором
производительностью 10 м3/ч при давлении 6 МН/м2.
Испытание насоса производилось путем откачки газа из
металлического сосуда объемом 1,5 м3, который был не-
достаточно хорошо очищен; при этом достигнуто предель-
ное давление 5-10~6 Па Затрата энергии на работу ожи-
жителя составляла 13 кВт, а с учетом расхода азота для
охлаждения экранов—17 кВт Эта мощность меньше
мощности, потребляемой паромасляным диффузионным
насосом той же производительности.
К недостаткам насоса ВК-40 можно отнести сравни-
тельную сложность обслуживания и необходимость по-
стоянного наблюдения за работой ожижителя и компрес-
сора. Конструкция насоса не допускает прогрева, так
как большинство узлов выполнено пайкой мягкими при-
поями, а уплотнение разъемных соединений осуществлено
85
Рис. 2-22. Крионасос с автономными водородным
лиевым ожижителями.
86
с помощью обычных резиновых вакуумных уплотнителей.
В [2-23] описана более сложная конструкция гелиево-
го крионасоса, построенного на базе автономных водо-
родного и гелиевого ожижителей.
Схематическое изображение насоса представлено па
рис. 2-22, I
Насос состоит из цилиндрического корпуса /, изго-
товленного из обычной стали толщиной 5, диаметром
1100 и длиной 2000 мм- Внутри корпуса вмонтированы
водородный 14 и гелиевый 15 ожижители. Внутри объе-
ма 7 размещена емкость 11 для жидкого водорода объе-
мом 40 дм3. Криопанель 10, охлаждаемая жидким гели-
ем, кипящим под пониженным давлением, представляет
собой спираль, свитую из медной трубки, имеющую по-
верхность 5-103 см2. Как емкость для водорода, так и
криопанель соединены соответственно с водородным и
гелиевым ожижителями, работающими по замкнутому
циклу. Ожижитель водорода служит для обеспечения
работы гелиевого ожижителя. Гелиевый ожижитель
с криопанелью, расположенный в объеме 8, экранирован
от стенок камеры, находящихся при комнатной темпера-
туре, медными экранами 9,12, //охлаждаемыми жидким
азотом из сосудов 13 для уменьшения теплового излу-
чения. Область камеры, где находится емкость для жид-
кого водорода, также частично экранирована холодными
экранами от стенок камеры. Наличие холодных экранов
позволяет получить внутри объема высокий вакуум, да-
же если установка собрана на резиновых уплотнениях и
не допускает прогрева. К объему гелиевого конденсаци-
онного насоса подсоединен через переходной патрубок
и водоохлаждаемую ловушку 4 диффузионный насос 3
с быстротой откачки 2500 л/с с механическим насосом 2
и с системой защиты объема 16 от загрязнений продук-
тами разложения рабочего вещества. Измерение предва-
рительного разрежения осуществляется манометриче-
ским датчиком 5-
Для откачки объема до форвакуумного давления и
обеспечения работы диффузионного насоса предназначен
масляный насос Н-2- Мотыльковый клапан 6 препятст-
вует попаданию продуктов разложения масла в объем
при отогреве ловушки 16-
Для того чтобы получить предельное давление тако-
го насоса в пределах 10~7—il0~8 Па, необходимо пони-
зить температуру криопанели до 3 К.
87
Рис 2-23. Схема гелиевого ожижителя
с двумя давлениями.
Для этих целей разработан
специальный ожижитель с двумя
давлениями, схема которого пред-
ставлена на рис. 2-23. Гелий вы-
сокого давления из компрессора
поступает в теплообменник 1.
В теплообменнике гелий высоко-
го давления охлаждается от ком-
натной температуры до 21 К за
счет жидкого азота 10, а также
холода, уходящего гелия низкого
давления, откачиваемого водоро-
да и холода паров гелия, идущих
из откачиваемого элемента. Да-
лее гелий высокого давления по-
ступает в водородный теплооб-
менник 2, где он охлаждается до
14,2—14,3 К за счет жидкого во-
дорода 5. После охлаждения
в теплообменнике 2 гелий высо-
кого давления поступает в тепло-
обменник 3, где он охлаждается
до температуры 6 К и расширяет-
ся в дросселе-вентиле Л до дав-
ления 0,11 МН/м2 и частично сжи-
жается. Жидкий гелий посту-
пает в сборник 4, а несжиженная часть и испаряющийся
из сборника гелий пропускаются с помощью регулирую-
щего вентиля 9 в спираль 7, которая служит откачиваю-
щим элементом. На стенке сборника гелия расположен
термодатчик 8. В спирали 7 создается давление ниже
атмосферного путем откачки паров гелия форвакуумным
насосом через трубопровод 6- Откачиваемые пары гелия
проходят через теплообменники 3 и 1 и отдают свой хо-
лод поступающему гелию высокого давления- Темпера-
тура стенки спирали не превышает 3 К, что создает
условия для откачки водорода и неона при давле-
нии, равном 10~8 Па, и обеспечивает теоретическую бы-
строту откачки по водороду. Гелиевый ожижитель рас-
88
считан на работу с компрессором производитель-
ностью 45 м3/ч. При этом давление гелия в сборнике
равно 0,11 МН/м2.
Запуск крионасоса происходит в следующей последо-
вательности. Объем насоса за время 0,5 ч откачивается
диффузионным насосом до давления, равного 10~3—
10-4 Па. Затем происходит запуск водородного и гелие-
вого ожижителей с одновременным охлаждением медных
экранов жидким азотом. Общее время запуска насоса от
форвакуумного давления до получения температуры
криопанели 3 К составляет 3,5 ч- В нормальном режиме
для работы крионасоса необходимо 30 дм3/ч жидкого
азота, из них 1,5 дм3/ч — на поддержание температуры
экранов и ловушек, равной 78 К, и 15 дм3/ч— на работу
водородного ожижителя. Охлаждение спирали до 3 К
осуществляется за несколько минут. Поверхность спира-
ли равнялась 5-Ю3 см2, что позволяло получить быстро-
ту откачки по водороду, равную 120-103 дм3/с в области,
где расположена спираль, и 40-Ю3 дм3/с в объеме каме-
ры. Такая разница в быстротах откачки обусловлена
тем, что объем, в котором размещена спираль, отделен
от откачиваемого объема жалюзийной перегородкой 12,
показанной на рис. 2-22.
Для установки требуется площадь 20 м2 и потребляе-
мая мощность 50 кВт-
Насосы с газовыми холодильными машинами (криоге-
нераторами). Последние достижения в области развития
холодильных установок с замкнутым циклом, реализуе-
мые с помощью расширительных газовых холодильных
машин, обеспечивающих температурный уровень до
15—20 К, открывают новые качественные возможности
в создании малогабаритных эффективных крионасосов,
удобных для эксплуатации в условиях, где отсутствуют
собственные ожижительные станции- Холодильные маши-
ны удобны тем, что для работы криогенераторов тре-
буется только электрическая сеть и обычная техническая
вода, а также тем, что они работают без расхода рабо-
чего газа. Весьма положительной особенностью холо-
дильных машин является то, что с увеличением тепло-
вой нагрузки, а следовательно, с повышением температу-
ры холодопроизводительность криогенератора растет, и
поэтому удельная быстрота откачки остается практически
постоянной. При использовании криогенераторов крио-
панель представляет собой развитую поверхность холод-
89
ной части (головки) машины, и поэтому непроизводи-
тельные потери холода сводятся к минимуму.
Криогенераторы работают по принципу обратного
цикла Стирлинга или холодильных циклов Джиффор-
да— Мак-Магона и Такониса и отличаются тем, что
рабочее тело совершает свой цикл, оставаясь в газовой
фазе. Насосы с криогенераторами более экономичны, так
как здесь холод используется непосредственно в месте
его получения.
Конструкция крионасосов представляет собой сочета-
ние в одном агрегате устройства для получения низких
температур (криогенератор) и устройства для обеспече-
ния откачки (криопанель с теплозащитным жалюзийным
экраном).
Принципиальная конструктивная схема такого насо-
са представлена на рис. 2-24 {2-24, 2-25], где в качестве
криогенератора служит двухступенчатая газовая холо-
дильная машина, работающая по циклу, идеальным про-
тотипом которого является холодильный цикл Стирлин-
га. Криогенератор выполнен по схеме с вынесенным
дифференциальным вытеснителем 6 и встроенным двига-
телем 15 мощностью 2,2 кВт. Компрессорный поршень
18 имеет диаметр 70 мм, ход поршня 30 мм. Диаметр
вытеснителя первой ступени 40 мм, второй—30 мм. Ход
вытеснителя 8 мм. Компрессорный поршень и вытесни-
тель, расположенный в тонкостенном цилиндре 7, приво-
дятся в движение шатунами, расположенными на экс-
центриковых втулках 17 и 2 вала 16, число оборотов
которого составляет 1440 в минуту. Картер 1 криогене-
ратора через вентиль 4 заполняется рабочим газом (Не)
под давлением 1,6—2 МН/м2. В данной конструктивной
схеме криогенератора в вакуумной полости имеется
только одно герметичное разъемное соединение, распо-
ложенное в теплой зоне между фланцем тонкостенного
цилиндра 7 и верхней плитой картера 1.
Криогенератор действует следующим образом. Газ,
сжатый в полости компрессора до давления 3,5—
4 МН/м2, поступает в водяной холодильник 3, где отво-
дится теплота сжатия. Далее газ по каналу 5 проходит
через сетчатый генератор 8, расположенный в вытесни-
теле. Затем поток газа раздваивается. Часть газа посту-
пает в полость расширения 9 первой ступени, а другая
часть, пройдя ршенератор 13, поступает в полость рас-
ширения 12 второй ступени. При движении вытеснителя
90
вниз происходят расширение газа в обеих ступенях и
его охлаждение. Таким образом, холодопроизводитель-
ность машины реализуется на двух температурных уров-
нях. Холодопроизводительность первой ступени 10 Вт
при 100 К; второй ступени 4 Вт при 25 К. На головке пер-
вой ступени с хорошим тепловым контактом крепится
фЗМ
600
Рис. 2-24. Крионасос с автономным криогенератором Стирлинга,
жалюзийный тепловой экран 11, который поддерживает-
ся на температурном уровне 90—100 К и служит для
снижения теплопритоков к криопанели со стороны теп-
ловых стенок насоса и камеры.
Криопанель 10, изготовленная из медной пластины
площадью 50 см2, является откачивающим элементом
насоса. Она охлаждается до 25 К от второй ступени.
Крионасос переходным патрубком 14 присоединяется
к откачиваемому объему.
91
При давлении, равном 10 Па, средняя быстрота от-
качки составляла 100 л/с; при давлении 1 Па — 350 л/с.
В молекулярном режиме при давлении 1-Ю-2 Па насос
обеспечивал быстроту откачки по азоту, равную 1100 л/с,
которая оставалась практически постоянной в течение
10 ч. При этом слой криоосадка был меньше 1 мм и не
влиял на быстроту откачки насоса. При температуре
криопанели, равной 28 К, в камере объемом 50 см3 было
получено предельное давление, равное 2,5-10~5 Па.
Фирма Philips (Голландия) разработала новый ком-
пактный криогенератор модели К-20 [2-26], технические
данные которого приведены ниже.
Техническая характеристика криогенератора К-20
Холодопроизводительность, Вт:
при 100 К.................................... 100
при 20 К........................................ 10
Потребляемая мощность, кВт............................ 2
Расход охлаждающей воды, м3/ч...................... 0,25
Частота вращения приводного вала, об/мин.............. 950
Масса, кг............................................. 170
Размеры, мм ...................................... 385X406X727
При использовании криогенератора для создания
крионасоса на его головке монтируется криопанель. Хо-
лод, вырабатываемый на двух температурных уровнях
(100 и 20 К), непосредственно сообщается криопанели.
Криопанель, имеющая температуру 20 К, заключается
внутри шевронных экранов, имеющих температуру 100 К.
Пары воды и другие составляющие атмосферы ва-
куумной камеры, конденсирующиеся при более высокой
температуре, откачиваются панелью с температурой
100 К, в то время как оставшиеся газы с 'более низкой
температурой конденсации откачиваются панелью с тем-
пературой 20 К. Быстрота откачки азота насосом при-
мерно равна 5000 л/с.
Время откачки вакуумной камеры насосом может
быть в 4 раза меньше, чем при использовании диффузи-
онных насосов. В зависимости от газовой нагрузки
крионасосы подобного типа могут работать без отогрева
в течение целого дня.
В [2-27] приводятся характеристики крионасоса,
охлаждаемого рефрижератором, работающим по цик-
лу Джиффорда — Мак-Магона. Холодопроизводитель-
ность рефрижератора при температуре 15 К составляет
92
Рис. 2-25. Насос с криогене-
ратором Такониса.
2,5 Вт, время выхода на режим 40 мин. Теоретическая
скорость конденсации на криопанели равна 1-Ю5 л/с.
Теплозащитный экран охлаждается жидким азотом.
В [2-28] описан малогабаритный криогенный насос,
работающий по циклу Такониса (рис. 2-25). Криопа-
нелью служит отполированный медный диск 5, припаян-
ный к холодному концу рефрижератора 7. Для уменьше-
ния тепловой нагрузки крио-
панель окружена экраном 6,
охлаждаемым жидким азотом
4. Верхняя часть экрана пред-
ставляет собой оптически плот-
ные шевронные жалюзи 2, че-
рез которые проходит газовый
поток к криопанели. Эффектив-
ная площадь откачки состав-
ляет 1000 см2.
Камера 3 откачивается от
атмосферного давления меха-
ническим вакуумным насосом
с азотной ловушкой (быстрота
откачки 0,14 м3/мин). Через
15 мин, когда достигается дав-
ление, равное приблизительно
2,5 Па, вспомогательный насос
выключается, начинается ох-
лаждение экрана жидким азо-
том и включается ионно-распы-
лительный насос 1. Через
80 мин достигается давление, равное МО-5 Па, и вклю-
чается криогенератор. Через 1,5 ч после включения крио-
генератора достигается предельное давление, равное
5-10-7 Па, температура криопанели при этом 15,4 К.
Быстрота откачки, измеренная по воздуху (при от-
качке в комбинации с ионно-распылительным насосом
с быстротой откачки 50 л/с), при давлении, равном
6-10~2 Па, равна 3200 л/с. Быстрота откачки по аргону
2200 л/с. Ионный насос откачивает неконденсируемые
газы.
Насосы с автономными дроссельными рефрижератора-
ми. Определенный интерес представляют насосы, охлаж-
даемые от автономных рефрижераторных криогенных
устройств. Насосы, работающие на жидком гелии, эко-
номически не совсем выгодны (особенно насосы большой
93
производительности), поскольку получение температуры
около 4 К значительно дороже получения температуры
20 К. Кроме того, как в том, так и в другом случае необ-
ходимо иметь вспомогательную вакуумную систему для
откачки неконденсируемыл газов.
Поэюму наиболее целесообразно и экономически вы-
годно охлаждение крионасоса газообразным гелием
с температурой 20 К, получаемым в холодильных уста-
новках типа ожижителей, работающих в рефрижератор-
ном режиме. В этих установках гелий циркулирует по
замкнутой системе, включающей компрессор, предвари-
тельные теплообменники и устройства для повторного
охлаждения газа его расширением. В отличие от ожижи-
телей охлаждение криопанели осуществляется за счет
отвода тепла от криопанели нагревом охлажденного га-
зообразного гелия.
Рефрижераторные установки по существу не отлича- .
ются от ожижителей и базируются на конструктивных
схемах и элементах ожижителей.
В отличие от газовых холодильных машин (криогене-
раторов) дроссельные рефрижераторы не содержат дви-
жущихся деталей. Однако они, как и ожижители, тре-
буют сравнительно сложных систем питания их рабочим
газом, в которые входят компрессор, газгольдер, устрой-
ства для очистки и осушки газов и др.
2-4. СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ КРИОНАСОСОВ
Насос с использованием криозахвата. Конструкция испаритель-
ного насоса, в котором используется явление криозахвата
(рис. 2-26,а), описывается в [2-29]. Корпус крионасоса 4 подсоеди-
няется к откачиваемому объему 6. В корпусе расположен охлаж-
даемый экран 3, внутри которого помещена криопанель 2 с фигур-
ным профилем. В нем также расположен змеевик 1 для подвода
вспомогательного легкоконденсируемого газа. На рис. 2-26,6 в уве-
личенном масштабе показан элемент активной части крионасоса. Из
змеевика 1 через отверстие 7 в сторону криопанели поступает вспо-
могательный газ. Вспомогательный газ конденсируется на криопа-
нель, и одновременно происходит откачка неконденсируемых газов
на основе эффекта криозахвата. Кроме того, в данной конструкции
перед рабочим объемом расположена ловушка 5 жалюзийного типа.
Ее назначение состоит в том, чтобы защищать криопанель от тепло-
вых излучений со стороны тепловых стенок. Эта ловушка исполь-
зуется также для защиты объема от попадания вспомогательного
газа (в случае его неполной конденсации на криопанели).
В [2-30] сообщается об экспериментальном образце крионасоеа
(20 К), в котором в качестве вспомогательного газа используется
окись углерода.
94
Быстрота откачки водорода этим насосом в диапазоне давле-
ний 5-10~7—5-10~5 Па колеблется от 100 до 30 л/с. С помощью на-
соса в непрогреваемых установках получено предельное давление,
равное 1 • 10~8 Па
Низковакуумные крионасосы. В [2-31, 2-32] приведены резуль-
таты исследований криоконденсационной откачки воздуха с атмо-
сферного давления без форвакуумной откачки другими насосами.
Рис. 2-26. Насос с использованием эффекта
криозахвата.
На рис. 2-27 представлена схема экспериментальной установки,
вакуумная камера 1 которой представляет собой цилиндр диамет-
ром 300 мм и высотой 700 мм (объем 0,82 м3). В вакуумной
камере, присоединенной через клапан 2 к откачиваемому объему 3,
размещен конденсирующий элемент 4 в виде спирали, изготовленной
из медной трубки и имеющей ^наружную поверхность 2,3—103 см2.
Снизу к спирали прикреплена воронка 5, служащая для направлен-
ного стекания сконденсированного газа в сборник дьюаровского
типа 6, присоединенный к камере 1 через клапан 7. Датчики 8 и 9
регистрируют температуру хладоагента внутри спирали и давление
в откачиваемом объеме. Хладоагентом служил жидкий Нг, пода-
ваемый по спирали под избыточным давлением. Как только поверх-
ность спирали принимала температуру ниже температуры кипения
воздуха, при атмосферном давлении на ее поверхности газ начинал
конденсироваться в жидкость, стекавшую в сборник. При достиже-
нии давления, соответствующего тройной точке откачиваемых газов,
газ начинал конденсироваться в твердую фазу.
На рис 2-28 представлена трафическая зависимость давления
в откачиваемом объеме от времени. В интервале давлений 101 кПа—
6 кПа воздух удалялся из объема в жидкой фазе. В точке РТт
клапаном отсекается сборник с жидким воздухом и затем вымора-
живанием давление понижается до 5 Па. Предел обусловлен некон-
95
ценсируемыми примесями (Ne, Н2 и Не). Время откачки объема
конденсационным насосом от 101 кПа до 5 Па — 4 мин Расход
жидкого Н2—14 дм3. Быстрота откачки насоса много меньше тео-
ретической, вычисленной в предположении абсолютной «черноты»
конденсирующей поверхности. Это отличие объясняется конечной
скоростью процесса теплоотдачи при конденсации газа и кипении
хладоагента.
Рис. 2-28. Зависимость
давления в камере от
времени.
Рис 2-27. Схема эксперимен-
тальной установки.
Рис. 2-29. Крионасос для откачки ускорителя.
96
Рис. 2-30. Крионасос с термо-
изоляцией криопанели.
Насос может работать длительное время с постоянной быстро-
той откачки при отсутствии неконденсируемых компонентов и при
постоянной разности температур между поверхностью конденсации
и хладоагентом. Конденсация вещества в жидкую фазу происходит
при высокой равновесной упругости пара, значительно превышающей
парциальное давление неконденсирующихся компонентов.
В [2-33] сообщается об использовании заливного крионасоса,
работающего в условиях низкого вакуума, для откачки квазинепре-
рывного ускорителя плазмы.
Конструктивная схема насоса представлена на рис. 2-29. Насос
имеет форму полого цилиндра, для того чтобы избежать тепловых
нагрузок от потока плазмы. Криопанелью служат внешние стенки
цилиндра 9, заполняемого жидким
гелием. Теплозащитный экран
представляет собой систему, со-
стоящую из двух кольцевых сосу-
дов 1 и 5, заполняемых жидким
азотом. Эти сосуды соединены
между собой 36 трубками 2, рав-
номерно расположенными по ок-
ружности. К трубкам крепятся за-
черненные жалюзи 4 теплозащит-
ного экрана. Правая сторона
экрана представляет собой съем-
ный колпак 6. Емкость гелиевого
сосуда составляет 20 дм3, емкость
азотных сосудов 12 дм3.
Диаметр корпуса 3 насоса ра-
вен 700 мм. На внутренней стенке
гелиевого сосуда расположен труб-
чатый змеевик 8. По нему пропу-
скается жидкий азот для пред-
варительного охлаждения криопа-
нели от комнатной до азотной тем-
пературы во время запуска насо-
са, что обеспечивает экономию
расхода жидкого гелия. При этом
для обеспечения хорошей теплопе-
редачи к другим поверхностям
криопанели внутренняя полость со-
суда 9 заполняется газообразным
гелием. Испаряющийся во время работы насоса гелий отводится по
трубке 7. Были проведены испытания крионасоса по длительной
откачке водорода с интенсивностью напуска 10-2 г/с, при этом
давление во входной камере поддерживалось равным 2,5-10-1 Па.
При заполненном азотном бачке время охлаждения гелиевой емко-
сти до 80 К жидким азотом, пропускаемым по змеевику, составляло
около 1,5 ч. Охлаждение гелиевого сосуда и заполнение его жидким
гелием потребовало ПО мин. Расход гелия при непрерывной работе
насоса в течение 8 ч равнялся в среднем 5 дм3/ч.
Об использовании крионасоса с газовой холодильной машиной
для откачки азота и аргона в области среднего вакуума сообщается
в [2-34]. Показано, что насос может обеспечивать длительную откач-
ку при давлении, равном 10 Па, с интенсивным напуском рабочих
газов до 3 л/с при нормальных условиях.
97
Крионасосы с подвижными экранами. Крионасосы обычно на
чинают работать после откачки объема камеры формакуумными
насосами, т. е. от давления, равного примерно 10-1 Па.
При работе в различных интервалах давлений происходит изме-
нение тепловой нагрузки на криопанель. В связи с этим для охлаж-
дения системы требуется различная холодопроизводительность, что
нежелательно. Поэтому прибегают к различным способам оптимиза-
ции работы насосов. Примером выравнивания тепловой нагрузки на
крионасос в различных интервалах давлений и сокращения времени
охлаждения может служить конструктивная схема, показанная на
рис. 2-30, в которой криопанель в виде змеевика 3 во время работы
Рис. 2-31. Крионасос с поворотным теплоза-
щитным экраном.
в области низкого вакуума и во время захолаживания термически
изолируется с помощью колпака 2 с тепловой изоляцией /.
Колпак при понижении давления поднимается и занимает положе-
ние 8. Поднимается колпак с помощью оси 4, приводимой в движе-
ние зубчатой парой 7 от серводвигателя 6, который связан с термо-
датчиком 5 на криопанели.
'<98
Эти же цели преследовались при исполнении крионасоса с азот-
ным охлаждением поворотных антирадиационных шевронных жалю-
зи (рис. 2-31). Криопанель выполнена в виде спирали 3, которая
размещена в кожухе /, экранирующем криопанель от излучения
снизу и охлаждаемом жидким азотом. Азот проходит по трубке 13,
припаянной к кожуху. Для защиты от излучения сверху над крио-
панелью размещен экран 2, который может открывать криопанель,
поворачиваясь вокруг полой оси 12 вручную и от сервомотора 8
через зубчатую пару 11. Управляет сервомотором прибор 7, связан-
ный с датчиком давления 5. Экран также охлаждается жидким
азотом, проходящим по трубке 4. Внутри оси 12, имеющей вакуум-
Рис. 2-32. Крионасос с йодвижными теплоза-
щитными пластинами
но-плотный ввод 6 в стенке откачиваемого объема, проходят подвод-
ные трубки 9 и 10 для охлаждения экрана.
Экран может быть выполнен в виде пластин, поворачивающих-
ся вокруг своей оси (рис. 2-32). Криопанель 3 выполнена в виде
цилиндрического змеевика, вокруг которого расположено большое
количество подвижных антирадиационных пластин /, укрепленных
99
на нижнем и верхнем дисках 5 и 11. Пластины могут быть поверну-
ты таким образом, что криопанель будет закрыта от излучения, или
открыта, или будет находиться в любом промежуточном положении
Таким образом регулируется также поток откачиваемого газа. Пла-
стины поворачиваются с помощью шестерен 2, соединенных с зуб-
чатым колесом 4 на оси 10, вращение которой осуществляется вруч-
ную или от сервомотора 9 через зубчатую пару Управляет серво-
двигателем прибор 8 от термодатчика 7 или датчика давления 6.
2-5. ЭКСПЛУАТАЦИЯ КРИОНАСОСОВ
Эксплуатационные особенности крионасосов. Наиболее
типичный процесс запуска криоконденсационного насо-
са, как правило, осуществляется по следующей схеме.
Вначале производится откачка форвакуумными насо-
сами и осуществляется охлаждение различных элементов
системы до азотной температуры (ловушки в случае при-
менения паромасляных насосов; теплозащитные экраны
крионасосов). С целью экономии хладоагентов (особен-
но при использовании жидкого гелия) криопанель также
предварительно охлаждается от комнатной до азотной
температуры. Особенно это важно для крупных насосов,
у которых масса, а следовательно, и теплоемкость крио-
панели могут быть очень большими и требуют большого
расхода хладоагентов при первоначальном охлаждении
насоса. Далее осуществляется охлаждение криопанели
до необходимой температуры. Таким образом, время за-
пуска крионасоса включает время форвакуумной откачки
системны; время охлаждения теплозащитных экранов до
промежуточных (часто азотных) температур; время
охлаждения криопанели.
Общее время в зависимости от размеров откачивае-
мых объемов, а также производительности форвакуум-
ной системы откачки и охлаждающих устройств может
составлять от нескольких десятков минут до 1—2 ч.
Так, например, в малых крионасосах при использова-
нии автономных криогенераторов процесс охлаждения
экранов и криопанели происходит одновременно и зани-
мает около 20 мин.
Длительная откачка в области среднего и низкого
вакуума сопровождается тем, что заметно увеличивает-
ся толщина намерзшего слоя криоосадка на поверхности
криопанели. Все тепловые нагрузки на криопанель пере-
даются через этот слои. Ввиду того, что слой обладает
некоторым тепловым сопротивлением, температура по-
верхности криоосадка, на которой происходит конденса-
100
ция газа, становится выше, чем температура криопане-
ли. В результате быстрота откачки уменьшается, и, на-
конец, полностью прекращается производительная
работа насоса.
При работе насоса в области высокого и сверхвысо-
кого вакуума рост криоосадка незначителен и почти не
оказывает влияния на быстроту откачки. Поэтому в об-
ласти высокого вакуума насос может работать непре-
рывно в течение длительного времени. При низком ва-
кууме из-за интенсивного роста криоосадка требуется
периодическая его остановка для регенерации. Макси-
мальная допустимая толщина слоя конденсата опреде-
ляется теплофизическими свойствами откачиваемых га-
зов, условиями конденсации, температурой криопанели.
Насос прекращает работу тогда, когда температура
поверхности криоосадка станет слишком высокой для
поддерживания требуемой упругости пара откачиваемых
газов Произведем расчет для наклоннощиткового защит-
ного экрана, полагая, что температура криопанели равна
17 К, а интенсивность излучения 0,15 Вт/см2.
Уравнение теплопроводности для единицы площади
криопанели
vq ХДГ
Взяв из табл. 2-3 значение v = 0,015 для наклонно-
щитковой конструкции теплозащитного экрана, опреде-
лим, какая толщина слоя конденсата t0 увеличит темпе-
ратуру поверхности до 20 К. Для сконденсированного
газа А= 1,67-10-3 Вт/(см-К).
Эта толщина равна 2 см, что соответствует 1 г/см2
или около 1,2 м3-Па/см2. Если перед защитным экраном
поддерживается давление, равное 1 -10—3 Па, а эффек-
тивная быстрота откачки равна 5 л/(с-см2), то общее
время непрерывной работы будет 250 дней.
Способность к регенерации является одной из важ-
ных эксплуатационных характеристик насосов поверх-
ностного действия. Наиболее просто процесс регенерации
осуществляется у криоконденсационного насоса. Если
адсорбционные насосы (цеолитовые, угольные) регенери-
руются при повышенных температурах с непрерывной
откачкой в течение нескольких часов, то крионасос реге-
нерируется простым «отогревом» его до температур, при
которых происходит испарение молекул сконденсирован-
ного газа. Процесс регенерации сокращается до несколь-
101
ких минут с помощью нагревателя, помещенного
в области криопанели.
Для безаварийной работы при обслуживании криона-
соса необходимо выполнять правила техники безопас-
ности и соблюдать определенные меры предосторожно-
сти При этом необходимо иметь в виду возможность
наступления следующих опасных случаев: разрыв метал-
лических сосудов Дьюара и емкостей крионасоса; вос-
пламенение смеси водорода с воздухом; обмораживание
тканей тела при соприкосновении с жидким хладоаген-
том, а также с холодными частями криогенных аппара-
тов; нанесение травм движущимися деталями газовых
холодильных и компрессорных машин. Возможность раз-
рыва сосудов с криогенными жидкостями может возни-
кать в результате нарушения изоляции, что приводит
к интенсивному испарению хладоагента и резкому повы-
шению давления.
При работе с жидким водородом следует соблюдать
особые требования техники безопасности. При содержа-
нии водорода в воздухе в количестве от 4,1 до 75%
образуется взрывоопасная смесь («гремучий газ»).
Сильное обмораживание, подобное ожогу, можно по-
лучить в случае контакта с источником низких
температур или попадания криогенных жидкостей на
незащищенные участки кожи или глаза.
В качестве необходимого условия для предупрежде-
ния несчастных случаев требуется строжайшее соблюде-
ние производственной дисциплины, инструкций по техни-
ке безопасности и правил эксплуатации оборудования.
Вакуумные измерения при криооткачке. Вакуумные
измерения при криооткачке имеют некоторые особенно-
сти
Первая особенность состоит в том, что температура
газов в полости вакуумного насоса существенно отлича-
ется от комнатной температуры, при которой калибру-
ются манометры. Второй особенностью является то, что
в больших объемах при больших быстротах откачки
(с развитыми откачивающими поверхностями) давление
в различных частях камеры может значительно отли-
чаться.
На рис. 2-33 представлена схема крионасоса, внутри
камеры 1 которого расположены экран 2 с температурой
7Э и криопанель 3 с температурой Тп. Объем теплоизо-
лирован, и стенки экрана охлаждены до температуры Т9
102
типа 4 помещен в объем
4 Т3(ТГ)
Рис
НИЯ
2-33 Схема определе-
температурной коррек-
тировки.
ниже комнатной температуры. При помощи стенки экра-
на, значительно большей площади криопанели, можно
принять, что температура газа равна температуре сте-
нок, т е Tt—Tq.
Для измерения предельного давления предусмотрены
два манометра: один открытого
насоса, другой закрытого типа
5 подсоединен через соедини-
тельную трубку. Необходимо
отметить, что наиболее часто
для практических измерений
применяют ионизационные ма-
нометры, в которых использу-
ется ионизация молекул с по-
следующей регистрацией обра-
зующихся ионов. Поскольку
при этом количество ионов
пропорционально количеству
молекул в пространстве иони-
зации, то по существу эти ма-
нометры измеряют плотность
внутри собственного объема.
Открытый манометр измеряет плотность частиц не-
посредственно в самой камере, так как его объем явля-
ется частью объема камеры и при температурной коррек-
тировке можно исходить из соотношения между давле-
нием Р и молекулярной плотностью пм в камере:
P = nmkT„ (2-6)
Отсюда действительное давление в камере выражает-
ся соотношением
Р& Р300
(2-7)
Показания открытого манометра могут зависеть от
места его положения при наличии анизотропности оста-
точной среды в камере.
При использовании закрытого манометра предпола-
гается, что преобладающие встречные потоки из объема
манометра или из объема вакуумной камеры отсутству-
ют. Тогда число молекул в объеме манометра будет
пропорционально числу молекул, падающих из вакуум-
ной камеры в единицу времени на единицу площади
соединительной трубки. Поэтому в данном случае мано-
метр регистрирует число частиц, падающих в единицу
103
времени на единицу площади стенки камеры. Тогда при
температурной корректировке следует принимать во вни-
мание соотношение
jVn = P//2^m^T. (2-8)
Отсюда действительное давление в камере
Рд=Рм./Л/ЗбО- С2’9)
В табл. 2-8 приведены значения температурной по-
правки Рд/Рзоо манометров закрытого и открытого типов
для трех значений температур.
Таблица 2-8
Влияние вида манометра на значение температурной
поправки (Рд/Рзоо)
Вид манометра Значение температурной поправки
77,4 20,4 4,2
Открытый 0,26 0,069 0,014
Закрытый 0,51 0,26 0,12
К погрешностям в измерении вакуума, кроме темпе-
ратурных различий, можно также отнести то, что в не-
которых условиях манометр по отношению к остальной
части установки может становиться либо откачивающим,
либо газовыделяющим элементом. В первом случае ма-
нометры дают заниженное значение давления, во вто-
ром— завышенное. Кроме того, манометр может сущест-
венно изменять состав остаточных газов. Необходимо
отметить также, что по мере достижения более высокого
вакуума влияние манометров сказывается более сильно.
Для снижения этого влияния необходимо обеспечивать
как можно большую проводимость между манометром
и вакуумной системой. Этому требованию больше отве-
чают открытые манометры, поскольку у закрытых мано-
метров всегда есть ограничивающие проводимость отвер-
стия или трубопроводы.
Однако при наличии в откачиваемом объеме молеку-
лярных потоков, связанных с присутствием разнородных
по температуре и газоотделению поверхностей, более
предпочтительными являются закрытые манометры. Ис-
пользуя их направленные свойства, можно точнее опре-
делить вакуумные условия в реципиенте, так как имеется
возможность оценить вклад отдельных поверхностей.
104
При однородных же условиях лучше использовать
открытые манометры.
В условиях сверхвысокого вакуума, получаемого низ-
котемпературными методами откачки, когда установка
изготовлена из нержавеющей стали, основным остаточ-
ным газом является водород, а если установка стеклян-
ная— гелий. Наличием других компонентов можно пре-
небречь.
Сравнение крионасосов с другими средствами откачки.
Практически все вакуумные насосы по принципу цх дей-
ствия можно разделить на две группы: динамические и
статические. Первую группу составляют те насосы, ак-
тивные (откачивающие) элементы которых в процессе
откачки совершают рабочие движения: у поршневого на-
соса поршень совершает возвратно-поступательное дви-
жение; у роторных насосов — вращение ротора; у струй-
ных насосов — движение откачивающей струи жидкости
или пара. Все эти насосы объединяет тот признак, что
они удаляют газ из откачиваемого объема.
Вторую группу составляют насосы, активные элемен-
ты которых в процессе работы насоса остаются непод-
вижными. Эти насосы удаляют газ из откачиваемого
объекта путем связывания его на некоторой откачиваю-
щей поверхности, обладающей особыми физико-химиче-
скими свойствами. Общим для этих насосов является то,
что откачиваемый газ не выводится из насоса. К насосам
этой группы, иногда называемым насосами «поверхност-
ного действия», относятся геттерные, криоадсорбционные
и криоконденсационные насосы. Рассмотрим принципи-
альные различия между этими двумя группами насосов.
В динамических насосах откачиваемые газы всегда
контактируют с различными жидкостями, которые ис-
пользуются либо для создания уплотнения (механиче-
ские насосы), либо в качестве рабочего тела для форми-
рования откачивающей струи (водоструйные и паро-
масляные насосы). При наличии жидкостей и смазок
в насосе всегда существует возможность попадания цх
паров в откачиваемый объем.
Насосы поверхностного действия являются «сухими»
насосами, что полностью исключает опасность подобных
загрязнений откачиваемого объема. Поэтому при помо-
щи насосов поверхностного действия и особенно при
помощи крионасосов обеспечиваются наиболее «чистые»
вакуумные условия. По существу крионасосы являются
105
единственным средством откачки, которое при своей ра-
боте не вносит загрязнений в откачиваемый объем.
Крионасосы обладают наибольшим диапазоном рабо-
чих давлений, в то время как другие виды насосов имеют
довольно ограниченную область рабочих давлений. Для
криоконденсационного насоса наибольшим давлением
запуска принципиально можно считать давление откачи-
ваемого газа в тройной точке. При этом условии будет
происходить типичная криооткачка, т. е. превращение
газа в твердую фазу, минуя жидкое состояние. Так, на-
пример, азот можно крионасосом откачивать с давления
12 500 Па и до области сверхвысокого вакуума при усло-
вии обеспечения соответствующей температуры криопа-
нели.
Достижение наивысшей быстроты откачки технически
и экономически целесообразно только при помощи крио-
конденсационных насосов, так как откачивающие охлаж-
денные поверхности могут помещаться непосредственно
в откачиваемый объем. Известны крионасосы, обеспечи-
вающие быстроту откачки до 106 л/с и более. Энергети-
ческие затраты крионасосов дают возможность достаточно
экономичного применения их в целом ряде вакуумно-
технических устройств. На рис. 2-34 для сравнения пред-
ставлены усредненные значения удельных энергетиче-
ских затрат для различных вакуумных насосов, а также
диапазоны их рабочих давлений [2-35]. На рисунке
сплошной линией выделены оптимальные области рабо-
ты насосов. Необходимо отметить, что в области низкого
и среднего вакуума (1000—5 Па) удельный расход энер-
гии для водородного крионасоса сравним с энергозатра-
тами механических форвакуумных насосов.
Применение крионасосов в области давлений
100 кПа—100 Па с точки зрения энергозатрат является
нецелесообразным, так как в этих условиях их удельные
значения могут в несколько десятков раз превышать
энергозатраты механических вакуумных насосов.
Следует также отметить большое достоинство многих
видов насосов поверхностного действия, заключающееся
в том, что в них нет подвижных деталей, а значит, при
их работе отсутствуют вибрации и шумы, что в некото-
рых случаях может быть решающим при выборе насоса.
Во многих случаях применения этих насосов не требует-
ся длительного предварительного прогрева рабочих ка-
мер с целью обезгаживания, поскольку развитые поверх-
106
ности азотного экрана интенсивно откачивают (конден-
сируют) пары воды, являющиеся основным компонентом
непрогреваемых вакуумных систем.
Конструкции самих крионасосов сравнительно про-
сты. Основными проблемами при их эксплуатации явля-
ются получение и использование низкотемпературных
хладоагентов [2-36].
Рис. 2-34. Удельные энергетические затраты для различных вакуум-
ных насосов в области их постоянной быстроты откачки.
1,2 — диффузионные насосы с азотно-жалюзийной защитой и быстротой откач-
ки соответственно до 1000 л/с и выше; 3, 4 — турбомолекулярные насосы;
Л, 6 — магнитные электроразрядные насосы; 7 — геттерно-ионные насосы; 8 —
автономный гелиевый конденсационный насос ГК-40; 9 — автономные водород-
ные конденсационные насосы ВК-40 и ВК-ЮО; 10 — технически возможные для
данных конструкций ожижителей водородные конденсационные насосы типа
ВК-40; 11 — бустерные насосы; 12, 13 — двухроторные насосы; 14 — эжекторные
насосы; 15, 16, 17 — механические форвакуумные насосы; 18 — форвакуумный
водородный конденсационный насос; 19 — то же с учетом возрастания хладо-
потерь в указанной области давлений.
Необходимо отметить еще одно полезное качество
крионасоса. Известно, что достижение предельно низких
давлений можно осуществить двумя путями: длительным
прогревом вакуумной системы с целью обезгаживания,
при этом применяются насосы с малой быстротой откач-
ки; без прогрева, но с применением насосов с большой
быстротой откачки.
107
Условия, встречающиеся в реалырй действительно-
сти, находятся в промежуточной области между двумя
этими крайними случаями. Чаще всего прогреваемая ва-
куумная система имеет участки либо не прогреваемые,
либо прогреваемые до температур, недостаточных для
эффективного обезгаживания.
К недостаткам насосов поверхностного действия сле-
дует отнести то, что все они, и особенно крионасосы, от-
личаются довольно резко выраженной селективностью
по откачке различных газов в сравнении с динамически-
ми насосами.
Существенной особенностью насосов поверхностного
действия является то, что они могут работать ограничен-
ное время до появления насыщения. В результате насы-
щения откачивающая поверхность теряет свою актив-
ность и наступает значительное ослабление откачиваю-
щего действия или полное его прекращение. Поэтому для
восстановления активности откачивающей поверхности
должна производиться регенерация насоса. Регенерация
бывает двух типов: непрерывная и периодическая. При
непрерывной регенерации активность откачивающей по-
верхности поддерживается за счет постоянного восста-
новления ее откачивающих свойств в процессе откачки
без останова насоса. Так, в геттерны,х насосах это реали-
зуется путем постоянного осаждения геттера на откачи-
вающую поверхность насоса. При периодической реге-
нерации восстановление активности откачивающей по-
верхности производится путем остановки насоса и его
прогрева (адсорбционные и криоконденсационные). Кро-
ме того, при наличии интенсивных выделений неконден-
сируемых газов крионасосы требуют сравнительно
высокопроизводительных вспомогательных средств от-
качки, что приводит к усложнению откачной системы.
Глава третья
ЭЛЕМЕНТЫ РАСЧЕТА КРИОНАСОСОВ
3-1. РАСЧЕТЫ ВАКУУМНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Быстрота откачки насоса. Быстрота откачки является
одной из важнейших характеристик крионасоса. Обычно
быстроту откачки S выражают графически или аналити-
чески в функции давления Р, т. е.
(3-1)
108
Для определения быстроты откачки насоса (согласно
схеме на рис. 2-1) вначале необходимо определить ско-
рость конденсации SK газов на криопанели:
‘5к = С35т/’п.э> (3-2)
где Дэ — эффективная площадь криопанели, см2.
Определение эффективной площади криопанели
иногда затруднительно, особенно когда насос работает
в условиях быстрого роста конденсата или когда криопа-
нель имеет неравномерное распределение температуры
по поверхности.
Процессы криооткачки, как уже отмечалось, могут
протекать в различных условиях, поэтому коэффициенты
захвата должны выбираться в зависимости от конкрет-
ных условий.
Имеющиеся в литературе данные о значениях коэф-
фициента захвата часто имеют расхождения, что, оче-
видно, вызвано погрешностями при измерениях, а также
тем, что условия опытов были различными. Из многих
литературных источников автором собраны и проанали-
зированы числовые значения коэффициента захвата для
наиболее часто встречающихся в практике случаев. При
инженерных расчетах можно пользоваться значениями
коэффициентов захвата, приведенными в табл. 1-8.
Быстрота откачки насоса SH зависит от общей прово-
димости соединительных коммуникаций и теплозащитно-
го экрана t/0 и может быть выражена соотношением
Общая проводимость Uo должна рассчитываться для
каждой конкретной конструктивной схемы крионасоса
с помощью соотношений, приведенных в [2-2, 3-1].
Следует обратить внимание на следующее обстоя-
тельство. Обычно предполагается, что при достижении
предельного вакуума эффективная быстрота откачки ва-
куумного насоса снижается до нуля. Однако для криона-
соса это не всегда справедливо. Представим уравнение
(1-48) в виде
п т
P0=^GJSKl+^Pai, (3-4)
t = l t = l
109
где GKi — поток конденсирующегося газа; SKj — быстро-
та откачки насоса по данному конденсирующемуся газу;
или
п п 1т
^SKi = ^GKi 2РЯ-РО. (3-5Ь
/=1 /=1 / г = 1
Отсюда видно, что если давление ограничено не по-
током откачиваемых газов, а суммой парциальных дав-
лений неконденсируемых газов, то при достижении пре-
дельного давления быстрота откачки конденсирующихся,
газов будет оставаться неизменной.
Общий характер зависимости быстроты откачки на-
соса от давления во всем диапазоне работы крионасоса
(при постоянной температуре криопанели) можно опи-
сать следующим образом. При низкцх давлениях в каме-
ре, сравнимых с упругостью паров конденсируемых
газов, быстрота откачки насоса равна нулю. С повыше-
нием давления быстрота откачки насоса растет за счет
увеличения коэффициента захвата. При достижении не-
которого значения быстрота откачки практически
во всей области молекулярного течения газа имеет при-
мерно постоянное значение до переходного режима.
В переходной области, где число Кнудсена принимает зна-
чения Кп = 5—10, снова начинается повышение быстроты
откачки крионасоса. При этом быстрота откачки растет
до числа Кнудсена Кп~0,01.
Когда отношение давлений вдали от криоповерхности
и непосредственно перед ней достигает критического, то
поток будет набегать на криопанель со скоростью звука.
В этом случае быстрота конденсаций, л/(с-см2), опре-
делится из выражения {3-2]:
s^0,032]/ ^-gRT^ (3-6)
Предельное значение объема набегающего газа
ограничивается максимальной скоростью потока, которая
может быть достигнута при истечении газа через диаф-
рагму в полость, в которой поддерживается высокий ва-
куум:
V0>032(3-7)
где k — показатель адиабаты; g=9,8 м/с2—ускорение
силы тяжести; 189 Дж/(кг-гр) —газовая постоянная;
тТ — масса молекул газа; ТТ — температура газа, К-
110
Так, например, поток воздуха (тг = 48-10~24 г) при
Тг=293 К Ум будет примерно равен 20 л/(с-см2). В моле-
кулярном же режиме теоретическая быстрота откачки
составляет 11,6 л/(с-см2).
При числах Кнудсена менее 0,01 происходит пони-
жение быстроты откачки насоса, что можно объяснить
значительным повышением температуры криопанели за
счет увеличения тепловых нагрузок в области низкого
вакуума. На рис. 3-1 представлены результаты измене-
ния быстроты откачки в широком диапазоне давлений
СО2 на криопанели с температурой 77 К.
Рис. 3-1. Изменение быстроты откачки крионасоса в зависимости от
давления.
Предельное давление крионасоса. Статика криоконден-
сации, т. е. равновесие между твердой и газовой фазами,,
определяет по существу предельное давление, создавае-
мое насосом. Равновесие между фазами определяется
термодинамическими свойствами газа, а также темпера-
турой криопанели. Оно является границей существова-
ния процесса криооткачки, который происходит только
до тех пор, пока парциальное давление газов выше-
равновесного давления их над криопанелью.
Предельным давлением называется наименьшее оста-
точное давление, которое может быть достигнуто насо-
сом в определенных условиях.
111
Величина предельного давления имеет значение для
высоковакуумных крионасосов, которые часто использу-
ются либо для работы в области высокого вакуума, либо
специально для создания наиболее низкого остаточного
давления в системе, не имеющей больших газовыделе-
ний. Для крионасосов, работающих в области среднего
и низкого вакуума, величина предельного давления не
имеет определяющего значения, так как они предназна-
чены для удаления больших количеств газа из откачи-
ваемых систем.
При определении предельного давления насоса необ-
ходимо иметь в виду, что в насосе соблюдается статиче-
ское равновесие. Объем насоса делится теплозащитным
экраном как бы на две части с разным температурным
режимом, подобно тому как рассматривается истечение
газа в вакуум через диафрагму.
Предельное давление насоса, т. е. давление Pi во
входной полости насоса (рис. 2-1), будет несколько выше
давления Р2 и с учетом эффекта Кнудсена может быть
приблизительно определено по уравнению
(3-8)
или с учетом соотношения (1-29)
( 1__, 1 \
2 \К тэ "’’/Х /’
(3-9)
Эти зависимости справедливы для однокомпонентной
газовой среды.
В случае откачки многокомпонентной газовой среды
в уравнении (3-9) следует учитывать присутствие некон-
денсирующихся газов.
Из табл. 3-1, в которой приведено содержание отдель-
ны^ газов в воздухе в объемных процентах и их парци-
альное давление, видно, что в воздухе содержатся не-
конденсируемые при температуре 20 К газы: неон, гелий,
водород.
Их парциальное давление, составляющее 2,4 Па, бу-
дет определять предельное давление водородного крио-
насоса в том случае, если он будет откачивать рабочий
объем от атмосферного давления.
Для того чтобы снизить парциальное давление некон-
денсируемых газов, рабочий объем предварительно отка-
чивают каким-либо вспомогательным насосом до области
112
среднего вакуума и ниже. Поскольку общее давление
при этом снижается на несколько порядков, то в таком
же соотношении снижается и парциальное давление не-
конденсируемых газов. В результате с помощью криона-
соса, охлаждаемого до ^=20,4 К, удается получать и
длительно поддерживать предельное давление около
10-7 Па.
При использовании жидкого гелия для охлаждения
криопанели (7’п=4,2 К) принципиально возможно полу-
чение давления, равного 10-9 Па.
Таблица 3-1
Состав воздуха
Газ Содержание газа в воздухе, % Парциальное давление газа, Па
Азот 78,09 7,9-104
Кислород 20,95 2,1*104
Аргон 0,93 9,4-102
Криптон 1,1-10-4 1,1*10-1
Неон 1840-4 1,83
Г елий 5,3-10-4 5,4-10-1
Водород 0,5-10-4 5,1*10-2
НеконденСируемые газы (сум- марно при 20 К) 2,38-10-3 2,42
В [3-3, 3-4] рассматривается вопрос о получении очень
высокого предельного вакуума с помощью абсолютного
криоконденсационного насоса, т. е. внутри вакуумной
камеры, погруженной в жидкий гелий.
Откачивая пары над жидким гелием в конденсацион-
ном насосе, можно понизить температуру конденсирую-
щей поверхности настолько, что равновесная упругость
пара всех веществ, исключая гелий, станет очень малой.
В установке с таким конденсационным насосом в прин-
ципе можно получить очень высокий вакуум, если нет
выделения или натекания газообразного гелия. При этом
температура конденсирующей поверхности должна быть
настолько низкой, чтобы упругость насыщенного пара
не только наиболее распространенного изотопа Не3 была
очень малой.
В табл. 3-2 приведены значения упругости насыщен-
ного пара изотопов гелия, рассчитанные по экстраполя-
ционным формулам.
Измерения предельного давления показали, что оно
строго соответствовало упругости насыщенных паров oi-
8—631 113
качиваемого вещества при температуре конденсирующей
поверхности.
В камере объемом 0,5 дм3 было получено давление
10~9—10~10 Па при напуске некоторого количества газо-
образного гелия. При откачке большие количеств водо-
рода измерено давление (8±3)-10~13 Па. Это значение
ограничивалось не возможностью насоса, а чувствитель-
ностью измерительного прибора. Экспериментально по-
Таблица 3-2
Упругость паров изотопов Не
Температура криопанели, К Не4, Па Нез, Па
0,5 2,16-Юз 21
0,3 4,15-Ю-з 2,5-10-1
0,2 9,35-10-1* 1,6-Ю-з
0,1 Ю-зо 1,3-10-9
казано, что в установке, стенки которой охлаждены жид-
ким гелием, возможно получение давления меньше
10-13 Па.
Во многих случаях, когда насосы используются в си-
стемах с большими газовыми нагрузками, величина пре-
дельного давления не имеет существенного значения, так.
как в этом случае важна их производительность при
сравнительно высоких давлениях.
Производительность насоса связана с быстротой от-
качки соотношением, л-Па/с:
GH=SHP. (ЗЮ>
При оценке величины предельного вакуума и време-
ни его получения необходимо учитывать явление пере-
конденсации. Это явление характерно для работы прак-
тически всех криогенные насосов и холодных ловушек
и выражается в значительном запаздывании достижения
предельного вакуума после откачки криогенным насосом
больших количеств газа. При работе крионасоса газ
конденсируется не только на криопанели, но и на грею-
щихся частях насоса (например, на теплозащитных,
экранах).
После прекращения напуска газ, ранее откачанный
участками с повышенной температурой, будет перекачи-
ваться на участки с пониженной температурой. В случае*
114
конденсационного насоса предельное давление, соответ-
ствующее упругости паров при наинизшей температуре
поверхности, не будет достигнуто, пока весь газ не пере-
конденсируется с участков, находящихся при повышен-
ной температуре. Это время переконденсации может
быть весьма длительным, особенно при достижении дав-
лений, меньших 10-8 Па [3-5].
Аналитическая оценка эффекта переконденсации в ре-
альны^ насосах довольно затруднена, так как в насосах
имеются поверхности, температура которых плавно ме-
няется от температуры криопанели до комнатной. Кроме
того, при откачке многокомпонентной среды существен-
ное значение может иметь криосорбция.
Вспомогательные откачные средства. Криоконденса-
ционные насосы, как и все насосы поверхностного дейст-
вия, характеризуются резкой селективностью по откачке
различных газов. Поэтому вакуумные системы с исполь-
зованием этих насосов требуют вспомогательных средств
откачки.
Вспомогательная откачка системы для крионасосов
в общем случае выполняет следующие функции: предва-
рительную откачку объемов с целью удаления основной
массы газа; создание условий для преодоления параме-
тров тройной откачки; уменьшение парциального давле-
ния неконденсирующихся газов при получении высокого
предельного вакуума; огкачку неконденсирующихся со-
ставляющих.
Для обеспечения заданного времени предварительной
откачки при проектировании откачных систем с криона-
сосом исходным моментом выбора быстроты откачки
вспомогательной системы служит известное уравнение
газового баланса при откачке замкнутого объема. Так
как предварительная откачка крионасоса производится
до давления 10~3—1 Па, то можно допустить отсутствие
натеканий и газовыделений в системе. Тогда
dz~~ v , (3-11)
где V — откачиваемый объем; SB— быстрота откачки
вспомогательного насоса; UB— пропускная способность
коммуникаций вспомогательной системы.
При коротком трубопроводе большого диаметра
(1/в»5в) величиной 1/UB в уравнении (3-11) можно пре-
8* 115
небречь. Тогда
T = 2,3^-lg^-, (3-12)
где Pi —начальное давление, Па; Р2 — конечное давле-
ние, Па; S'B— средняя быстрота откачки вспомогатель-
ного насоса в интервале давлений между Pi и Рг.
На практике формулой (3-12) можно пользоваться
при всех режимах течений газа, когда пропускная спо-
* собность коммуникаций превышает в 5—10 раз быстроту
откачки насоса.
В случае, когда коммуникация имеет малую пропуск-
ную способность (1/в<с5в), значением 1/SB в уравнении
(3-12) можно пренебречь. Тогда
x = 4'^-. (3-13)
h
Рекомендации по определению времени откачки и
расчету пропускной способности различного вида ва-
куум-проводов подробно изложены в [2-2].
Предельное давление, создаваемое крионасосом в си-
стеме, в значительной степени зависит от предваритель-
ного разрежения, так как при откачке объема, содержа-
щего многокомпонентную газовую смесь, оно определя-
ется упругостью паров конденсируемых и суммой давле-
ний неконденсируемых газов:
п т
<3-14)
1=1 1=1
Например, при атмосферном давлении парциальное
давление неконденсирующихся газов при 20 К (табл. 3-1)
составляет 2,42 Па. Это давление и установится в поло-
сти абсолютного криоконденсационного насоса при тем-
пературе его стенок (криопанели), равной 20 К. При
температуре же криопанели, равной 4 К, практически
не конденсируется только гелий и давление (табл. 3-1)
будет равно 5,4-Ю-1 Па.
Если провести предварительную откачку объема не-
селективными средствами откачки до некоторого давле-
ния, то в той же мере понизится парциальное давление
неконденсирующихся газов и будет обеспечено получе-
ние низких предельных давлений. Например, при пред-
116
варительной откачке объема до давления, равного
10-3 Па, предельное давление неконденсирующихся га-
зов при температуре криопанели 20 К будет равно 2,42X
Х10~8 Па.
В открытых системах с постоянным поступлением
неконденсирующихся составляющих второе слагаемое
в уравнении (3-14) можно представить как
при условии
т т
2 р«=2
1=1 1=1
п т
1=1 1=1
(3-15)
(3-16)
что всегда реально существует в области предельного
давления, величина которого
т т
р„ = 2 р.<« 2 <3-17>
1=1 /=1
Отсюда видно, что при малых количествах неконден-
сирующихся газов можно существенно понизить предель-
ное давление при использовании малого по производи-
тельности вспомогательного насоса.
Для решения вопроса о выборе эффективных средств
отвода неконденсирующихся газов из системы запишем
общее уравнение процесса откачки в виде [3-6]
_ VdP= (SnP+SBP—SKiP—SBiP) dr, (3-18)
где V — объем откачиваемой системы; Р — давление; Sn
и SB — соответственно скорость конденсации на криопа-
нели и быстрота откачки вспомогательного насоса; SKl
и SHj — скорость поступления соответственно конденси-
рующихся и неконденсирующихся газов; т — время.
Аналитическое решение уравнения (3-18) может быть
получено только тогда, когда известны зависимости
SKj=A(P); SB=f2(P);
SKj=f3(T); SHi=f4(x). (3-19)
Принимая в качестве расчетного среднее давление
в камере Рор, материальный баланс для вспомогатель-
ного насоса можно записать в виде
SP = MSP -4-5(1 — 5)SP —SP , (3-20)
в ср Н К ср I К X ' к ср н ср’ X '
117
Рис. 3-2. Зависимость скорости
конденсации от давления в ка-
мере.
где gH, &к— соответственно доля неконденсирующегося и
конденсируемого газа, откачиваемая вспомогательным
насосом; g — доля неконденсирующегося газа в смеси,
поступающей в камеру и откачиваемой только вспомога-
тельным насосом.
Из выражения (3-20) скорость напуска газа в систему
= - «)! (3-21)
\ ср /I
Так как парциальные давления конденсируемого
компонента Рк и неконденсирующегося газа Рн пропор-
циональны их локальным концентрациям в точках заме-
ра пк и пн, производительность вспомогательного насоса
в формуле (3-21) можно представить как
Sb^b ==*SbjPh+SbPk. (3-22)
Решить уравнение (3-21) можно после установления
экспериментальным путем gH, £к и в зависимости от кон-
центрации неконденсиру-
ющихся газов, геометрии
криопанелей, мощности
вспомогательного насоса,
места его расположения
в системе и других фа-
кторов.
На рис. 3-2 приведены
результаты эксперимен-
тов по определению влия-
ния концентрации некон-
денсирующихся газов на
скорость конденсации.
В качестве рабочих сме-
сей использовались СО2—
0,34% N2 (кривая /) и
СО2—0,7% N2 (кривая 2),
криопанель охлаждалась
жидким азотом.
Увеличение содержания неконденсирующегося газа
в откачиваемой смеси gH при неизменной быстроте откач-
ки вспомогательного насоса приводит к снижению бы-
строты откачки крионасоса. Причем влияние примесей
сказывается сильнее при больших давлениях, т. е. при
приближении к переходному режиму. Давления, при ко-
торых наступает максимум быстроты откачки, также за-
висят от содержания азота в углекислоте, что можно
118
объяснить с помощью формулы (3-21). Увеличение
приводит соответственно к росту числа молекул, отра-
жающихся от криопанели при их первом соударении.
В переходном режиме происходят молекулярные
столкновения набегающего потока с отраженным от
криопанели, в результате которых возрастает доля мо-
лекул конденсируемого компонента, откачиваемая вспо-
могательным насосом.
Наиболее часто встречающимся неконденсируемым
компонентом, подлежащим откачке, кроме инертныд га-
зов, является водород, поэтому вспомогательные насосы
должны обладать высокой эффективностью по водороду.
Комбинированные системы с крионасосами строятся
с использованием как паромасляных насосов, так и без-
масляных средств откачки (геттерных, геттерно-ионных
и турбомолекулярных). Как правило, предварительная
откачка и тренировка системы осуществляются с по-
мощью вспомогательных средств откачки.
При использовании паромасляных насосов существу-
ет опасность загрязненности откачиваемого объема па-
рами масла. Паромасляные насосы обычно экранируют-
ся азотоохлаждаемыми ловушками {3-7, 3-8].
В случае, когда вакуумно-технологический процесс
сопровождается выделением больших количеств водоро-
да, целесообразно применять титановые сублимационные
насосы Эти насосы не откачивают инертные газы и по-
этому их следует применять там, где откачка этид газов
не является обязательной.
Более универсальной безмасляной вспомогательной
системой является система с магниторазрядным насо-
сом. Результаты исследования такой системы приведены
в [2-21].
Схема экспериментальной установки показана на
рис. 3-3. К впускному отверстию комбинированной от-
качной системы, состоящей из крионасоса 2 и магнито-
разрядного насоса /, присоединен коллектор, снабжен-
ный патрубками, в которых помещены датчики давления
5 и 6. Кроме того, к коллектору 10 присоединены датчик
парциального давления 11 и игольчатый натекатель 7.
Давление у впускного отверстия комбинированной систе-
мы измеряется датчиком 3, установленным в патрубке
на уровне шевронного антирадиационного экрана. Для
выравнивания интенсивности потока газа по сечению на
входе коллектора 10 и у впускного отверстия системы
119
установлены сетчатые рассеиватели 9 и 12. Предвари-
тельная откачка вакуумной системы до давления, равно-
го 1 —10”1 Па, осуществляется механическим насосом
через охлаждаемую жидким азотом ловушку 18. Все
датчики давления — открытого типа.
Рис. 3-3. Схема экспериментальной установки.
t — магниторазрядный насос НОРД-ЮО; 2 — крионасос; 3—5 — датчики давле-
ния ИМ.-12; 4 — датчики давления ЛТ-4М; 6 — датчик давления ЛМ-2; 7 —
игольчатый натекатель; 8 — подача газа; 9, /2 — рассеиватель; /0 — маномет-
рический коллектор; 11 — датчик парциального давления PMO-4C; 13 — сосуд
Дьюара; /4 — напуск газа; 15, /5 — вентили; /7 — к механическому насосу;
18 — ловушка.
Для обезгаживания экспериментальной установки
прогревом применялись внешние электронагреватели.
Подготовка установки к работе проводилась в следую-
щем порядке: после предварительной откачки и обезга-
живания системы в течение 5—6 ч включался магнито-
разрядный насос; через 1—2 ч, когда давление в системе
уменьшалось до 10-5 Па, начиналось предварительное
охлаждение низкотемпературного блока крионасоса;
к концу периода предварительного охлаждения, продол-
120
Рис. 3-4. Зависимость быстроты
откачки комбинированной систе-
мы от давления.
1 — по азоту и воздуху; 2 —по аргону;
3 — по водороду.
жающегося 20—25 ч, давление в системе достигало ве-
личины порядка 10~6 Па, затем включался в работу во-
дородный рефрижератор крионасоса, и через 2,5—3 ч
давление в системе уменьшалось до 10~7 Па.
Результаты измерения быстроты откачки комбиниро-
ванной системы представлены на рис. 3-4. Быстрота от-
качки комбинации насосов по какому-либо газу склады-
вается из быстрот откачки отдельных насосов. Если учи-
тывать, что быстрота откачки насоса НОРД-ЮО по азоту
приблизительно равна 100 л/с, то быстрота откачки
крионасоса по азоту — 870 л/с.
Как видно из экспериментальных данные, комбиниро-
ванная система с высокой быстротой откачивает не толь-
ко азот и воздух, но и аргон, который хорошо конденси-
руется при температуре криопанели, равной 20 К. В свя-
зи с этим следует отметить, что в диапазоне давлений
10~5—10~4 Па измеренная быстрота откачки насоса
НОРД-ЮО по аргону составила 8 л/с, что почти на два
порядка меньше быстроты откачки комбинированной си-
стемы по этому газу.
Рис. 3-5. Парциальные давления веществ в комбинированной систе-
ме до запуска крионасоса при давлении 2,5*10“6 Па (заштрихован-
ные столбики) и после (пезаштрихованные столбики) откачки объема
крионасоса до давления 6-10~7 Па (после обезгаживания в тече-
ние 6 ч).
121
Сравнительно низкая быстрота откачки системы по
водороду объясняется тем, что водород не конденсирует-
ся на криопанели, охлажденной до температуры 20 К, и
откачивается только магниторазрядным насосом. Это
обстоятельство служит также причиной низкой быстроты
откачки комбинированной системы по гелию (14 л/с
в диапазоне давлений 10~б—10-4 Па).
Эксперименты по изучению состава остаточного газа
и определению конечного давления комбинированной си-
стемы проводились на этой же установке при удаленных
рассеивателях 9 и 12. Из данных масс-спектрометриче-
ского анализа (рис. 3-5) видна высокая эффективность
крионасоса.
3-2. ТЕПЛОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ОХЛАЖДАЕМЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
НАСОСА
Основные виды теплопритоков. Задача тепловых рас-
четов крионасосов состоит в определении расхода хла-
доагентов или мощности криогенных устройств. Тепло-
вые нагрузки и расход ^хладоагента зависят от конкрет-
ных условий работы и конструкции крионасоса.
В общем виде задача тепловых расчетов крионасо-
сов разбивается на следующие этапы:
1) определение тепловых нагрузок на криопанель и
теплозащитный экран;
2) определение расхода хладоагентов или мощности
криогенных устройств.
Следует отметить, что определенные затруднения при
расчетах тепловой нагрузки состоят в отсутствии надеж-
ных данных по выбору приведенной степени черноты.
Поэтому при тепловых расчетам необходимо предусма-
тривать некоторый запас по этому параметру.
Энергозатраты на охлаждение криопанелей оценива-
ются следующим отношением:
Ашг —
—О’ Л
где Ямин — минимальная энергия, необходимая для пере-
носа тепла с более низкого температурного уровня Л
на более высокий температурный уровень окружающей
среды Тг в идеальных условиях; Q — количество тепла,
переносимое с температурного уровня 7\ на уровень Т2.
122
Рис. 3-6. Затраты энергии при пе-
реносе тепла с различных темпе-
ратурных уровней.
/—гелиевые машины, 2 — водородные
машины, 3 — азотные машины
На рис. 3-6 графически
показаны отношения затра-
ченной работы А 'при пере-
носе тепла Q с различного
температурного уровня для
цикла Карно (штриховая ли-
ния) и ориентировочные зна-
чения отношения AJQ для
реальных холодильных ма-
шин, работающих на разных
температурных уровнях.
При решении -вопроса о
целесообразности примене-
ния крионасоса необходимо оценить затраты на получе-
ние низких температур. Поэтому при проектировании
насосов необходимо знание тепловых нагрузок для того,
чтобы определить мощность холодильных устройств или
расход сжиженных газов, компенсирующих эти тепло-
притоки.
В общем виде тепловой поток (тепловая нагрузка)
на криопанель Qn складывается из следующих основных
составляющих:
Qn—Qh+Qm+Qk+Qr, (3-24)
где QH — тепловой поток за счет теплоизлучения с по-
верхностей, окружающих криопанель; QM — тепловой по-
ток через тепловые мосты (механические опоры и дер-
жатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки
для подачи жидких хладоагентов и отвода испаряющих-
ся газов и др.); QK— тепловой поток за счет непрерыв-
ной конденсации откачиваемых газов; Qr — тепловой по-
ток за счет теплопроводности остаточных газов от стенки
насоса к криопанели.
При давлениях ниже 10~2 Па основными источниками
тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое
излучение и теплопроводность по тепловым мостам.
В этой области давлений теплота конденсации и
теплота за счет теплопроводности остаточные газов в об-
123
щем балансе тепловых нагрузок составляют незначи-
тельную долю и ими можно пренебречь. Так, например,
теплота конденсации 1 дм3 воздуха при 20 К составляет
560 Дж, чго эквивалентно испарению 10 см3 жидкого
водорода, а при остаточном давлении Ро<1 Па требуе-
мый расход .хладоагента на откачку 100 дм3 воздуха
составляет всего 2-Ю-2 см3 жидкого водорода. Таким
образом, для высоковакуумных систем достаточно опре-
делить:
Рис. 3-7. Тепловые нагрузки на крионасос в зависимости от давле-
ния в откачиваемом объеме.
Для предварительной оценки тепловых нагрузок на
криопанель за счет излучения, теплопроводности и тепло-
ты конденсации можно пользоваться графиком, изобра-
женным на рис. 3-7, где область I соответствует тепло-
обмену между корпусом насоса (Гс = 300 К) и криопа-
нелью (Тп = 4,2 К), а область II соответствует теплооб-
мену между теплозащитным экраном (Гэ=100 К) и
криопанелью (Гп=4,2 К) [3-9].
Теплопритоки излучением. Основное расчетное урав-
нение, определяющее поток лучистого тепла к телу 7,
заключенному в полость тела 2, имеет вид:
Си = сеГ2(Г\-Р1), (3-26)
124
где g — постоянная Стефана — Больцмана, равная 5,7Х
Х10~12 Вт/(см2-К4); Л, Т2 — соответственно температура
«холодного» и «теплого» тела; F2 — поверхность «теп-
лого» тела; е — приведенная степень черноты (без-
размерная величина, учитывающая степень черноты об-
менивающихся теплом поверхностей).
Понятия степень черноты и поглощающая способ-
ность применительно к крионасосам следует считать
эквивалентными, поскольку диэлектрики и металлы
в инфракрасной области (при криогенных температурах)
приближенно можно считать серыми телами.
Приведенная степень черноты зависит от характера
отражения излучения и геометрической формы поверх-
ностей. Для коаксиальных цилиндров, концентрических
сфер и параллельных плоскостей в предположении серо-
го излучения для диффузионного отражения приведен-
ная степень черноты определяется по формуле
— 1V (3-27)
ei F2 < ~ ;
где 81 и 82 — степени черноты соответственно «холодно-
го» и «теплого» тела; Л — поверхность «голодного»
тела.
При расчетах для определения приведенной степени
черноты сложных конфигураций теплообменивающихся
поверхностей следует обращаться к специальной лите-
ратуре [3-10].
Непосредственно из формулы (3-27) видно, что в слу-
чае F2^>Fi можно принять 82 = 81.
Значения степени черноты материалов, наиболее
употребляемых в крионасосах, представелны в табл. 3-3.
Таблица 3-3
Экспериментальные значения степени черноты для
некоторых материалов с чистыми гладкими поверхностями
[3-11]
Материал Степень черноты при различных температурах, К
ЗОЭ 78 4,3
Медь 0,03 0,019 0,015
Алюминий 0,03 0,018 0,011
Нержавеющая сталь 0,10 0,06 —
Углеродистая сталь 0,6 — —-
Серебро 0,03 0,01 —
125
При определении степени черноты криопанели сле-
дует учитывать, что конденсирующийся газ сильно из-
меняет поглощающуюся способность ее поверхности.
Наиболее характерными откачиваемыми компонентами
являются пары воды при откачке азотным насосом, азот-
но-водородным и водородно-гелиевым. С увеличением
толщины слоя криоосадка происходит повышение степе-
ни черноты. На рис. 3-8 показана зависимость погло-
щательной способности от количества сконденсирован-
ного азота на криопанели Gn, выраженного в (ПаХ
Хл)/см2 [3-12].
Рис. 3-8. Зависимость коэффи- Рис. 3-9. Зависимость степени
циента поглощения для N2 от черноты поверхности конденса-
количества конденсата. ционного насоса от количества
сконденсированного СО2.
В [3-13] приведены результаты измерения степени
черноты в зависимости от количества сконденсирован-
ного СО2 (рис. 3-9). Измерения проводились при охлаж-
дении криопанели из полированной меди до температуры
примерно 20 К. Из графика видно, что при работе крио-
насоса в области высокого вакуума с низкой интенсив-
ностью роста криоосадка поглощательная способность
практически не меняется и за коэффициент лучепогло-
щения криоосадка можно принимать коэффициент луче-
поглощения материала криопанели.
Определение действительного значения степени чер-
ноты для поверхности криопанели, а следовательно, и
тепловой нагрузки за счет излучения весьма сложно, так
как 8 сильно зависит от свойств слоя сконденсирован-
ных газов на поверхности криопанели и, кроме того, 8
меняется во время работы насоса по мере роста слоя
криоосадка. Из формулы (3-26) видно, что снижение
тепловой нагрузки на криопанель можно осуществлять
126
127
Продол жение табл 3-4
е Тепловая нагрузка для различной величины поверхности криопанели, см2 102
10 20 30 40 50 60 70 80 90 1 100
0,01 2-Ю-з 4-Ю-з 6-Ю-’ 8-Ю-з 1-10-2 1,2-10-2 1,4-10-2 1,6-10-2 1,8-10-2 2-10-2
0,02 4-Ю-з 8-10-’ 1,2-10-2 1,6-10-2 2.10-2 2,4-10-2 2,8 10-2 3,2-10-2 3,6-10-2 4-10-2
0,03 6-Ю-з 1,2-10-2 1,8-10-2 2,4-10-2 3-10-2 3,6-10-2 4,2-10-2 4,8-10-2 5,4-10-а 6-10-2
0,04 8-Ю-з 1,6-10-2 2,4-10-2 3,2-10-г 4-10-2 4,8-10-2 5,6-10-2 5,6-10-2 7,2-10-2 8-10-2
0,05 1-10-2 2-10-2 3-10-2 4-10-2 5-10-2 6-10-2 7-10-2 8-10-2 9-10-2 ыо-1
0,06 1,2-10’2 2,4-10-2 3,6-10-2 4,8-10-2 6-10-2 7,2-10-2 8,4-10-2 9,6-10-2 10,8-10-2 1,2.10-1
0,07 1,4-10-2 2,8-10-2 4,2-10-2 5,6-10-2 7-10-2 8,4-10-2 9,8-10-2 11,2-10-2 12,6-10-2 1,4.10-1
0,08 1,6-10-2 3,2-10-2 4,8-10-2 6,4-10-2 8-10-2 9,6-10-2 11,2-10-2 12,8-10-2 14,4-10-2 1,6-10-1
0,09 1,8-10-2 3,6-10-2 5,4-10-2 7,2-10-2 9-10-2 10,8-10-2 12,6-10-2 14,4-10-2 16,2-10-2 1,8-10-1
0,10 2-10-2 4-10-2 6-10-2 8-10-2 Ы0-1 1,2-10-* 1,4-10-1 1,6-10-1 1,8-10"* 2-10-1
0,20 4-10-2 8-10-2 1,2-10-1 1,6-10-1 2-10-1 2,4-10-* 2,8-10-1 3,2-10-1 3,6-10-* 4.10-1
0,30 6-10-2 1,2-10-* 1,8-10-1 2,4-10-* 3-10-1 3,6-10-* 4,2-10-1 4,8-10-1 5,4-10-* 6-10-1
0,40 8-10-2 1,6-10-» 2,4-10-1 3,2-10-* 4-10-1 4,8-10-* 5,6-10-1 6,4-10-1 7,2-10-* 8-10-1
0,50 l-10-i 2-10-* 3-10-1 4-10-* 5-10-1 6-Ю-* 7-10-1 8-10-1 9-10-* 1,0
0,60 1,2-10-1 2,4-10-2 3,6-10-1 4,8-10-* б-10-i 7,2-10-* 8,4-10-1 9,6-10-1 10,8-10-* 1,2
0,70 1,4-10-1 2,8-10-2 4,2-10-1 5,6-10-* 7-10-1 8,4 10-* 9,8-10-1 11,2-10-1 12,6-10-* 1,4
0,80 1,6-10-1 3,2-10-1 4,8-10-1 6,4-10"* 8-10-1 9,6-10** 11,2.10’1 12,8-10-1 14,4-10-* 1,6
0,90 1,8-10-1 3,6-10-1 5,4-10-1 7,2-10-* 9-10-1 10,8-10"* 12,6-10-1 14,4-10-1 16,2-10-* 1,8
1,00 2-10-1 4-10-1 6-10-1 8-10-1 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
'1 а б д и ц и 3-5
Зависимость тепловой нагрузки на теплозащитный экран (77 К) излучением от стенок
насоса (300 К) от приведенной степени черноты
£ Тепловая нагрузка для различных величин поверхности экрана, смМО2 __
1 2 3 4 5 1 1 6 1 1 7 8
0,01 4,6-10-2 9,2-10-2 13,8-10-2 18,4-10-2 2,3.10-1 2,76-10-1 3,22-10-1 3,68.10'1
0,02 9,2-10-2 18,4-10-2 2,76-10-1 3,68-10-1 4,6-10-1 5,52-10-1 6,44-10-1 7,36-10-1
0,03 13,8-10-2 2,76-10-1 4,14-10-1 5,52-10-1 6,9-10-1 8,28-10-1 9,66-10-1 1,104
0,04 18,4-10-2 3,68-10-1 5,52-10-1 7,36-10-1 9,2-10-1 1,104 1,288 1,472
0,05 2,3.10-1 4,6-10-1 6,9-10-1 9,20-10-1 1,15 1,38 1,61 1,84
0,06 2,76-10-1 5,52-10-1 8,28-10-1 1,104 1,38 1,656 1,932 2,208
0,07 3,22-10-1 6,44-10-1 9,66-10-1 1,288 1,61 1,932 2,254 2,576
0,08 3,68-10-1 7,36-10-1 1,104 1,472 1,84 2,208 2,576 2,944
0,09 4,14-10-1 8,28-10-1 1,242 1,656 2,07 2,484 2,898 3,312
0,10 4,6-10-1 9,2-10-1 1,38 1,84 2,3 2,76 3,22 3,680
0,20 9,2-10-1 18,4-10-1 2,76 3,68 4,6 5,52 6,44 7,36
0,30 13,8.10-1 2,76 4,14 5,52 6,9 8,28 9,66 11,04
0,40 18,4-10-1 3,68 5,52 7,36 9,2 11,04 12,88 14,72
0,50 2,3 4,6 6,9 9,2 11,5 13,8 16,1 18,4
0,60 2,76 5,52 8,28 11,04 13,8 16,56 19,32 22,08
0,70 3,22 6,44 9,66 12,88 16,1 19,32 22,54 25,76
0,80 3,68 7,36 11,04 14,72 18,4 22,08 25,76 29,44
0,90 4,14 8,28 12,42 16,56 20,7 24,84 28,98 33,12
1,00 4,6 9,2 13,8 18,4 23 27,6 32,2 36,80
за счет введения между теплой стенкой корпуса насоса
и криопанелью экрана, охлажденного до промежуточных
температур. Обычно для крионасосов, работающих при
температурах ниже 30 К, вводят азотоохлаждаемые
экраны.
Для удобства расчетов в табл. 3-4 приведены значе-
ния теплопритоков к криопанели (4,2 К) от теплового
экрана (77 К) для поверхности криопанели от 102 до
104 см2 и приведенной степени черноты от 0,1 до 1.
В табл. 3-5 приведены значения теплопритоков к тепло-
защитному экрану (77 К) от теплой стенки насоса
(300 К) [3-14].
Чернением теплозащитные экраны могут быть выпол-
нены со степенью черноты более 0,9 в очень широкой
области длин волн, однако конденсация на этих поверх-
ностях паров воды и углеродов также приводит к суще-
ственному понижению ее значения.
В [3-15] исследовалось влияние тепловые нагрузок
на криопанель в зависимости от степени черноты по-
верхностей теплозащитного азотоохлаждаемого экрана,
а также определялись расходы жидкого азота и гелия
в зависимости от условий теплообмена.
В табл. 3-6 приведены данные по расходу жидких
гелия и азота для трех случаев: а) теплозащитный экран
Таблица 3-6
Расход хладоагентов при различной степени
черноты экранов
X чадоагент Расход хладоагента, см3/ч, по типам обработки экрана
а б в
Жидкий гелий Жидкий азот 430 160 35 370 20 410
отполирован со всех сторон 0,1; б) внутренние поверх-
ности шевронных жалюзей зачернены 0,99; в) теплоза-
щитный экран полностью зачернен.
Указанным в таблице значениям соответствуют тем-
пература криопанели 4,2 К, площадь криопанели 420 см2,
поверхность стенок камеры 5300 см3.
Из таблицы видно, что внешние поверхности шеврон-
ные перегородок экрана следует полировать, а их вну-
тренние поверхности чернить.
131
130
Теплопритоки по тепловым мостам. Теплопритоки по
тепловым мостам (с учетом зависимости теплопровод-
ности материалов от температуры) могут быть опреде-
лены по формуле
т9
QM=-rpdr’ <3’28)
где F — площадь поперечного сечения; / —длина тепло-
вого моста; Л — коэффициент теплопроводности; Л, Т2—
температура соответственно на «холодном» и «теплом»
концах теплового моста.
При расчетах можно пользоваться средним значе-
нием коэффициента теплопроводности, что упрощает вы-
числение.
Тогда
<?М='ТЯ^-7’1). (3-29)
Для уменьшения притоков тепла за счет теплопро-
водности обычно применяются длинные тонкостенные
трубки из металлов с малой теплопроводностью — не-
ржавеющей стали, нейзильбера, мельхиора. Значения
коэффициентов теплопроводности этих металлов приве-
дены в табл. 3-7.
Таблица 3-7
Зависимость коэффициента теплопроводности для сплавов
от температуры
Сплав и состояние образца Коэффициент теплопроводности, Вт/(см-К), при различных температурах, К
4 6 10 20 40 80 150 300
Нейзильбер не обработанный 0,007 0,013 0,028 0,074 0,13 0,17 0,18 0,2
Нержавеющая сталь не об- работанная 0,0025 0,004 0,007 0,020 0,046 0,080 0,11 0,15
Для удобства расчетов в табл. 3-8 приведены значе-
ния теплопритоков в ваттах через тонкостенные трубки
из кованой нержавеющей стали на длину 100 мм.
Другие виды теплопритоков. При среднем и низком
вакууме, когда на поверхность криопанели падает боль-
шое количество молекул, некоторое значение имеют
теплопроводность газов и теплота конденсации.
132
Таблица 3-8
Теплопритоки через тонкостенные трубки
Размер трубки Площадь поперечно- го сече- ния, мма Теплоприток для трубки длиной 100 мм, Вт, при различных температурах на концах трубки, К
диаметр, мм толщина стенки, мм Л = 4 К Т2 = 77 К 7\ = 77 К Т2 = 300 к Л = 4 к Т2 = 330 к
2 0,2 1,13 3,92-10'3 3,78-10'2 4,17-10'2
3 0,2 1,76 6,11-10'3 5,88-10'2 6,49-10-2
4 0,2 2,39 8,33-10'3 7,99-10'2 8,82-10'2
5 0,2 3,02 1,05-10'2 1,02-10'1 1,12-10'1
6 0,2 3,64 1,20-10'2 1,21-10'1 1,34-10-1
7 0,2 4,27 1,48-10'2 1,42-10'1 1,57-10-1
8 0,2 4,91 1,71-10'2 1,64-10'1 1,81-10'1
9 0,2 5,53 1,94-10'2 1,85-10'1 2,04-10'1
10 0,2 6,16 2,14-10'2 2,03-10'1 2,27-10'1
11 0,2 6,78 2,36-10'2 2,26-10'1 2,50-10'1
4 0,5 5,50 1,91-10'2 1,84-10'1 2,03-10'1
10 0,5 14,92 5,18-10'2 4,99-10'1 5,51-10'1
11 0,5 16,49 5,72-10'2 5,52-10'1 6,09-10'1
12 0,5 18,07 6,26-10'2 6,05-10'1 6,68-10-1
13 0,5 19,63 6,81-10'2 6,57-10'1 7,25-10-1
14 0,5 21,21 7,36-10'2 7,09-10'1 7,83-10-1
15 0,5 22,78 7,90-10'2 7,61-10'1 8 -О-10'i
16 0,5 24,34 8,44-10'2 8,12-10-1 8/6-10-1
17 0,5 25,92 9,00-10'2 8,67-10-1 9,57-Ю"1
18 0,5 27,49 9,55-10-2 9,25-10'1 1,02
21 0,5 32,20 1,12-10-1 1,08 1,19
8 1 22,00 7,64-10-2 7,36-10'1 8,12-10-1
10 1 28,27 9,83-10-2 9,42-10-1 1,04
14 1 40,84 1,42-10-1 1,37 1,51
18 1 53,41 1,85-10-1 1,79 1,97
20 1 59,69 2,07-10-1 1,99 2,20
25 1 75,39 2,62-10-1 2,52 2,78
28 1 84,82 2,94-10'1 2,84 3,13
40 1 122,53 4,25-10-1 4,10 4,52
45 1 13$, 23 4,79-10'1 4,62 5,10
50 1 153,94 5,34-10-1 5,15 5,68
60 1 185,35 6,48-10-1 6,24 6,89
70 1 216,77 7,54-10-1 7,25 8,00
133
Приток тепла теплопроводностью остаточных газов
не зависит от давления при сравнительно высокие дав-
лениях, когда длина свободного пробега молекул мень-
ше расстояния между стенками. Когда длина свободного
пробега молекул оказывается больше расстояния между
сгенками, теплопроводность остаточных газов становится
пропорциональной давлению и тепловая нагрузка может
быть вычислена по уравнению, Вт:
’ = 3'2' ТЖ<г‘-
(3-30)
где Рс — давление, Па; k — показатель адиабаты; а —
коэффициент аккомодации.
Ориентировочные значения коэффициентов аккомода-
ции для различных газов и значений температур приве-
дены в табл. 1-3.
В [3-9] показано, что при давлении воздуха ниже
10~2 Па теплопроводность его равна 0,01% теплопро-
водности при атмосферном давлении, т. е. при этих зна-
чениях давлений теплопроводность незначительна по
сравнению с радиационными тепловыми нагрузками и
имеет малое значение в тепловом режиме крионасоса.
Тепловые нагрузки, обусловленные теплотой конден-
сации, выделяющейся на поверхности криоосадка, вы-
ражаются соотношением, Вт:
$к = 6АЯ, (3-31)
где АЯ— среднее изменение энтальпии при конденсации;
G — поток конденсирующегося газа.
Удельные тепловые нагрузки с учетом коэффициента
захвата приближенно определяются по уравнению, Вт/м2:
<7 = -^- = сР—_к_ ЛЯ. (3-32)
Из формулы (3-32) видно, что удельные тепловые
нагрузки пропорциональны давлению конденсирующего-
ся газа.
На рис. 3-10 приведены значения тепловой нагрузки
при конденсации азота, водорода и водяного пара, при
разности энтальпий от 300 К до абсолютного нуля, вклю-
чая теплоту испарения и конденсации. Значения рассчи-
таны по формуле (3-32) при условии, что коэффициент
захвата равен единице.
134
В случае предварительного охлаждения газа, напри-
мер на азотоохлаждаемохм тепловОхМ экране, удельная
тепловая нагрузка на криопанель за счет компенсации
теплоты конденсации будет меньше. При высоком ва-
кууме теплота конденсации составляет незначительную
часть тепловые нагрузок и ею можно пренебречь.
Рис 3-10. Тепловые нагрузки за счет теплоты конден-
сации.
1 — пары воды, 2 — водород, 3 — азот.
Расход хладоагентов. Для того чтобы насос начал
нормально функционировать, его надо охладить oi ком-
натной до рабочей температуры.
При конструировании насоса важно обеспечить как
минимальное время охлаждения, так и минимальную
мощность охлаждающих устройств или минимальный
расход хладоагентов. Необходимо отметить, что иногда
количество ,хладоагента, затраченного на предваритель-
135
ное охлаждение, превосходит количество хладоагента,
затраченного на весь рабочий цикл насоса.
Сокращение времени охлаждения насоса часто огра-
ничивается не только теплотехническим процессом, но
и возникновением механических напряжений. При очень
быстром охлаждении из-за появления механических на-
пряжений в местах пайки и сварки могут образоваться
микротрещины, что нарушит вакуумную герметичность
насоса.
Если охлаждение крионасоса от температуры 1\ до
Т2 производится только за счет теплоты испарения, то
расход хладоагента
Gx=77j^r> С3'33)
К
где тп — масса охлаждаемого элемента насоса; сп —
удельная теплоемкость материала; — теплота испа-
рения хладоагента.
Таблица 3-9
Средние удельные теплоемкости некоторых
металлов и сплавов
Метала или сплав Диапазон темпера- тур, К Средняя удельная тепло- емкость, Дж/(г К)
Медь 20—77 0,10
77—293 0,33
Нержавеющая сталь ти- 20—77 0,07
па 18-8 77—293 0,36
Алюминий 20—77 0,17
77—293 0,73
Никель 20—77 0,09
77—293 0,86
Монель 20—77 0,08
77—293 0,33
Интегральная зависимость обусловлена непостоян-
ством сп в широком диапазоне температур.
При практических расчетах можно пользоваться
средними значениями удельных теплоемкостей (табл.
3-9), тогда формула (3-33) существенно упрощается:

(3-34)
136
Значения теплоты испарения хладоагента представле-
ны в табл. 3-10.
Если при охлаждении насоса используются как тепло-
та испарения, так и холод, содержащийся в парах, то
Таблица 3-10
Теплота испарения хладоагентов
Параметры Вид сжиженного газа
Na Ne н2 Не
Температура кипения, К . . Скрытая теплота парообра- 77,3 27,2 20,4 4,2
зования, Дж/г Скрытая теплота парообра- 200 87 450 21,6
зования, кДж/дм3 .... Количество испаряющегося хладоагента на 1 Вт теп- 162 102 31,7 2,7
ловой нагрузки, дм3/ч . . 0,021 0,035 0,16 1,4
расход хладоагента можно определить из уравнения
Приняв сп постоянной,
из уравнения (3-35) можно
определить количество хладоагента:
/О тпсп 1 Ях 4“ (Т'н 7и) С г
(3-36)
где Тн — начальная температура; Ти — температура испа-
рения; Тп — температура панели; сг — среднее теплосо-
держание охлаждающего газа (рис. 3-11).
10—631
137
В заливных насосах при их работе тепловые нагруз-
ки на криопанели должны компенсироваться за счет
скрытой теплоты испарения жидких хладоагентов.
Количество испаряемого в крионасосе хладоагента
определяется по формуле
Gx = -^. (3-37)
"и
В насосах испарительного типа после испарения ге-
лия с его паров может сниматься холод вплоть до тем-
пературы, равной 20 К.
Ориентировочно считают, что в среднем на быстроту
откачки в 103 л/с удельный расход жидкого водорода
составляет 20—50 см3/ч, жидкого гелия — 200—500 см3/ч.
3-3. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ
КРИОНАСОСОВ
Вводные замечания. С точки зрения интенсивности газовых на-
грузок вакуумные системы разделяются на закрытые и открытые.
К закрытым системам относятся те, в которых не происходит на-
пуска газов извне во время проведения технологического процесса
(например, в откачных постах при обезгаживании электровакуум-
ных-приборов). Обычно закрытые системы характеризуются необхо-
димым достигаемым предельнм давлением.
К открытым системам относятся те, которые характеризуются
большим напуском газов во время проведения технологического про-
цесса (например, испытания в аэродинамических трубах, в процес-
сах катодного распыления и др.).
Открытые системы характеризуются необходимой производитель-
ностью насоса при заданном рабочем давлении.
При проведении расчетов крионасосов обычно принимаются сле-
дующие допущения:
1) молекулы газов взаимодействуют с твердыми поверхностями
по диффузному закону, по которому пиело молекул, отражающихся
в некотором направлении, пропорционально косинусу угла между
этим направлением и нормалью к поверхности в точке отражения;
2) в объеме насоса имеет место молекулярный режим тече-
ния газа;
3) температурное сопротивление криоосадка пренебрежимо
мало;
4) локальные изменения свойств поверхностей крионасоса, нахо-
дящихся на различных температурных уровнях, отсутствуют
Эти допущения справедливы только при работе крионасоса
в высоком вакууме.
Целью расчета является определение геометрических размеров
основных элементов крионасоса (криопанели, теплозащитных экра-
нов, входного диаметра насоса и др.) и мощности охлаждающих
устройств или расхода жидких хладоа1ентов.
Исходными данными при расчете являются характер газовыде-
лений или газовой нагрузки, требуемые быстрота откачки при задан-
138
ном давлении или пред льный вакуум, а также конструктивная схе-
ма крионасоса.
В общем виде задача проектирования и расчета крионасоса
разбивается на следующие этапы.
1. Выбор принципиальной конструктивной схемы и способа
охлаждения в зависимости от условий эксплуатации и требуемых
параметров насоса.
2 Составление расчетной схемы насоса с указанием температур-
ных уровней.
3. Определение площади криопанели на основании требуемой
быстроты откачки и с учетом пропускной способности теплозащиты
экранов.
4. Выбор вспомогательных средств откачки
Методика расчета крионасоса. Общую методику рас-
чета крионасоса рассмотрим на наиболее простой конст-
рукции заливного гелиевого насоса, изображенного на
рис. 2-13. Требуемая быстрота откачки азота — 2000 л/с.
Рис. 3-12. Упрощенная
расчетная схема крио-
насоса
На рис. 3-12 представлена расчетная схема этого насоса
с указанием температурных уровней его конструкцион-
ных элементов [2-13]. Поверхность криопанели определя-
ется из выражения (3-3), которое можно представить
в виде
SH=(FnsK+t/9)/(/?nSKU), (3-38)
где 14— пропускная способность. '
139
Если известна вероятность пролета сп молекул от-
качиваемого газа через экран, то формула определения
поверхности криопанели (при коэффициенте захвата,
равном единице, для N2 при температуре криопанели,
равной 4,2 К) может быть записана в виде
Fn = Sh/skCh- (3-39)
Пренебрегая изменением коэффициента аккомодации
молекул откачиваемого газа на азотном экране, можно
считать, что теоретическая скорость конденсации газа
при 300 К будет равна 11,6 л/(с-см2). Вероятность про-
лета молекул через шевронный экран сп=0,20 (табл. 2-3).
Тогда
Задавшись геометрическими соотношениями бачка
2г=А, найдем диаметр и высоту бачка (т. е. размер
криопанели)
2r = h= ^FJi^ 11,5 см.
При определении тепловых нагрузок на криопанель
принимаем степень черноты криопанели еп=0,5 (с уче-
том покрытия ее слоем конденсата). Тогда по формуле
(3-26) или табл. 3-4 определяем тепловую нагрузку за
счет излучения QHn=|6,28-10~2 Вт.
Для определения тепловых нагрузок на теплозащит-
ный экран определим его поверхность из условия, чго
он отстоит от бачка на 1 см. При этом условии
= 885 см2. При зачерненной наружной поверхности тепло-
защитного экрана (вэ = 0,9) по формуле (3-26) или
табл. 3-5 тепловая нагрузка будет равна примерно
36,5 Вт.
Далее перейдем к определению нагрузок через тепло-
вые мосты, которыми являются трубки подвеса гелиево-
го и азотного бачков. Гелиевый бачок подвешен на двух
трубках длиной 40 см, которые на */4 части своей длины
контактируют с азотоохлаждаемой поверхностью.
Диаметр трубок 11 мм, толщина стенки 0,2 мм. Так как
трубки изготовлены из нержавеющей стали, то по фор-
муле (3-29) в диапазоне температур 4 и 77 К теплопри-
токи Qmu=0,016 Вт.
140
Тепловая нагрузка на азотный бачок осуществляется
через две трубки гелиевого бачка длиной V4 части и че-
рез две трубки азотного бачка V2 части общей длины
трубок гелиевого бачка (рис. 3-12).
QM э = 0,22 + 0,44 = 0,66 Вт.
Таким образом, тепловая нагрузка на гелиевый ба-
чок (2п=Фип + Фмп = 0,08 Вт, а на азотный — Q3=
~ Сиэ + Qm э~37,4 Вт.
Последний этап расчета состоит в определении рас-
хода хладоагентов. По табл. 3-10, в которой приведены
количества испаряемого хладоагента на 1 Вт тепловой
нагрузки, вычисляем, что расход гелия составляет около
0,11 дм3/ч, расход жидкого азота около 0,8 дм3/ч.
Эффективность и экономичность криооткачки сущест-
венно зависят от конструктивной схемы насоса и тепло-
защитного экрана, а также от расположения насоса отно-
сительно камеры [3-15]. Сравнительная оценка различ-
ных конструктивных схем, изображенных на рис. 3-13,
приводилась по удельным характеристикам, отнесенным
к единице эффективной быстроты откачки:
РгА$эф*, Qs/Ssfy.
Расчет велся по воздуху в предположении, что коэф-
фициент захвата с3=1. Тогда теоретическая удельная
быстрота sM=ll,6 л/(с-см2).
На рис. 3-13,а изображена схема, где криопанель рас-
положена в откачиваемом объеме и не имеет теплоза-
щитного экрана. В этом случае тепловая нагрузка за
счет радиации при условии еп = 0,5, Тс = 300 К, Тп=20 К
по формуле (3-26) Qn//7n=23-10~3Вт/см2.
При открытом расположении криопанели Fn[S^ =
= 1/$м. Приняв для всех случаев эффективную быстроту
откачки 5эф=1-104 л/с, можно подсчитать для случая
рис. 3-13,а поверхность криопанели
/7п=5эф/5м=104/11,6 = 860 см2.
Тепловая нагрузка на криопанель Qn=23-10~3-860=
= 19,6 Вт, что потребует расхода жидкого гелия 27 дм3/ч
при температуре 7,п=4,2 К или 4,6 дм3/ч при температу-
ре Тп=20 К.
FJS . = l/s =86-10-’ см2-с/л;
QJS . = F QJSa.F = 86-10~3 - 23Ю"» =
^П' эф п^-п эф п
= 1,98.10-» Вт-с/дм».
141
Вычисленные данные сведены в табл. 3-11. На
рис. 3-13,6 представлена схема, где криопанель также
размещена в откачиваемом объеме, но уже окружена
теплозащитным экраном шевронного типа (с вероятно-
стью пролета молекул сп = 0,29). При степени черноты
экрана 8э=0,9 коэффициент тепловой радиации на крио-
панель будет составлять v = 0,007 (табл. 2-3).
Рис. 3-13. Конструктивные схемы криовакуумных систем:
а — без экранов; б —с экранами; в — с затвором; а —с конической криопа-
нелью; 1 — откачиваемая камера; 2 — корпус крионасоса; 3—затвор, 4 — крио-
панель; 5 — теплозащитный экран.
Эффективная быстрота откачки £Эф в данном случае
может быть определена из основного уравнения вакуум-
ной техники, а скорость конденсации на криопанели ST
по уравнению (1-32):
ST=sTFn. (3-40)
При условии, что 7^=300 К; Л4 = 39; F9=Fn
^9ф = Ж + 1)/3,64 Г7уЖ = 0,40 см’-с/л.
Тепловая нагрузка на криопанель
о (Tt — \
+ F Л" - ’‘.I- (3-41)
После подстановки получим:
<Эп/Лх=0,255-10-3 Вт/см‘;
<2п/5Эф = 0,102 • 10-3 Вт • с/л.
142
Отсюда видно, чго тепловая нагрузка на криопанель
снизилась по сравнению с предыдущим случаем в 20 раз:
Q3//?n=42-10~3 Вт/см2;
<)э/3Эф=46,8-10-3 Вт-с/л.
Иногда по условиям конструктивной компоновки не-
возможно разместить криопанель непосредственно в ва-
куумной камере, тогда крионасос подсоединяют при
помощи фланца через затвор.
Для крионасосов, показанных на рис. 3-13,в и г, мож-
но записать:
1/$8ф=1/(/з+ l/t/o+l/Sn, (3-42)
где U3— пропускная способность затвора; Uo — пропуск-
ная способность между затвором и крионасосом.
Для того чтобы получить такое же значение
в камере, как и для случая, изображенного на рис. 3-13,6,
необходимо, чтобы Ua=2S^, и, как следует из уравне-
ния (3-42), быстрота откачки насоса должна быть SH=
= 25Эф (при 1/Uo<g.l/Ua). Тогда размеры конструкции
насоса по рис. 3-13,в должны быть в 2 раза больше, чем
в случае показанном на рис. 3-13,6, что приведет к уве-
личению в 2 раза расхода жидкого гелия и азота.
При рациональной конструкции крионасоса можно
снизить расходы хладоагентов, что демонстрируется на
схеме, приведенной на рис. 3-13,г. Здесь теплозащитный
экран расположен по периферии камеры и над верхней
частью конусообразной криопанели. Такое расположение
обеспечивает высокую пропускную способность простран-
ства между затвором и криопанелью, т. е. U0^Ua.
Приняв, что SB=SK=iFasT и что 173=5я=25Эф, полу-
чим 77п/5эф = 2/5к.
Это означает, что размер криопанели в данном слу-
чае будет больше, чем в случае, представленном на
рис. 3-13,а.
Тепловая нагрузка за счет излучения при еп=0,5, Тэ=
=77 К, 7п=20 К по уравнению (3-26) QB=Fa-2‘ 10-3Вт,
а отношение Qn/S^=0,34-10-3 (Вт-с)/л.
Хорошо зачерненный экран, расположенный против
криопанели, позволяет снизить расход гелия примерно
на 17%.
При хорошо отполированной внешней поверхности
экрана основная тепловая нагрузка на него передается
143
только за счет радиации через отверстие фланца F$ на
зачерненную внутреннюю поверхность.
При входном патрубке насоса диаметром 2г и длиной
более 2г пропускная способность затвора
и3-0,5Рф£т. (3-43)
Из уравнений (3-42) и (3-43) поперечное сечение
патрубка
F ф — 45эф/<$т*
Тепловая нагрузка определится по уравнению (3-26),
а ее отношение
<2Э/Зэф= 15,8-10-3 Вт- с/л.
Из табл. 3-11, где представлены эти случаи, наглядно
видно преимущество последней системы.
Таблица 3-11
Сравнительные данные различных конструкционных
схем насоса
Схема насоса, показанная на рис 3 13 ^п/^эф’ 10‘3 см2/(с-л) Фп/^эф’ 10‘3 Вт с/л Фэ/*$эф’ 10"3 Вт*с/л
а 86 1,98 0
б 400 0,102 16,8
в 800 0,200 33,2
г 172 0,034 15,8
О расчетах методом Монте-Карло. Со времени появления крио-
насосов постоянно совершенствуется расчет их с использованием
метода статистических испытаний (метод Монте-Карло), который
впервые был применен для расчета пропускной способности элемен-
тов вакуумных систем [3-16]. Схемы расчета составляются для
определенных конкретных конструктивных схем и конфигураций
защитных экранов и криопанелей. Суть метода заключается в после-
довательном моделировании (разыгрывании) случайных траекторий
отдельных молекул, попадающих из откачиваемого объема во вход-
ное отверстие насоса. В расчетах с помощью быстродействующих
ЭВМ прослеживается весь путь движения большого количества мо-
лекул от входного отверстия до столкновения их с криопанелью или
при неблагоприятных обстоятельствах до вылета их из насоса через
входной патрубок обратно в откачиваемый объем.
Проследив таким образом достаточное для достижения требуе-
мой точности число молекул, определяют коэффициент откачки с0
как отношение числа откачанных молекул к числу молекул, вошед-
ших в насос через входной патрубок.
Для числа испытаний около 10 тысяч при степени достоверно-
сти 0,90 максимальная ошибка составит 1,6% Допустимое для прак-
тических расчетов снижение точности расчета до ±10% дает воз-
144
можность ограничиться при этом небольшим числом испытаний
(примерно 2(Ю) и применить так называемый упрощенный графо-
аналитический метод статистических испытаний [3-17], который был
использован для расчета крионасоса в [2-6].
Применение ЭВМ позволяет проводить более точные расчеты и
исключает трудоемкие графические работы, необходимые при
использовании графоаналитического метода. Однако здесь появ-
ляются большие трудности при кодировании сложных систем гео-
метрических поверхностей насоса в виде аналитических уравнений.
В (3-18] сообщается о расчете быстроты откачки крионасоса методом
Монте-Карло с использованием ЭВМ
В [3-19] развит аналитический метод расчета систем, содержа-
щих квазиточечный газовый источник и осесимметричную структуру
с сорбирующими стенками, базирующийся на аддитивности газоди-
намических процессов и позволяющий выбирать геометрию откачных
устройств с сорбирующими стенками. Для определения коэффициен-
та откачки использован метод последовательного интегрального
учета траекторий молекул после одного, двух и т. д. соударений со
стенками, при этом принимается, что вероятность связывания моле-
кул сорбирующей стенкой при соударении (коэффициент захвата)
постоянен во всех точках.
При проведении экспериментальных работ иногда бывает необ-
ходимо знать не только давление в камере, где находится изучае-
мый объект, но и вероятность возврата молекул, ранее покинувших
поверхность объекта. В [3-20] рассмотрена задача по> определению
коэффициента возврата для объекта, помещенного в камере с про-
стейшей геометрией, откачиваемой крионасосом.
Коэффициент возврата, характеризующий вероятность попада-
ния молекулы на исследуемый объект после столкновения со стен-
ками камеры, может служить характеристикой работоспособности
вакуумной системы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1-1. Бейзер А. Основные представления современной физики.
Пер. с англ. М., Атомиздат, 1973. 548 с. с ил.
1-2. Телеснин Р. В. Молекулярная физика. М., «Высшая шко-
ла», 1965. 298 с. с пл.
1-3. Справочник по физико-техническим основам криогеники.
Изд. 2-е. Под ред. М. П. Малкова. М., «Энергия», 1973. 392 с. с ил.
Авт.: М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович и др.
1-4. Минайчев В. Е., Зыков В. М. Крионасосы. М., ЦНИИ
«Электроника», 197'2. 73 с. с ил.
1-5. Киреев В. А. Краткий курс физической химии. М., «Химия»,
1969, 4'28 с. с ил.
1-6. Черепнин Н. В. Сорбционные явления в вакуумной технике.
М., «Советское радио», 1973. 383 с. с ил.
1-7. Де Бур Я. X. Динамический характер адсорбции. М.,
Изд-во иностр, лит., 1962. 290 с. с ил.
1-8. Гейнце В. Введение в вакуумную технику. Т. ’1. М., Гос-
энергоиздат, 1960. 511 с. с ил.
1-9. Venables J. A., English С. A. Thin films of condensed ga-
ses.— «Thin Solid Films», 1*971, № 6, p. 369—389.
1-10. Мейер К. Физико-химическая кристаллография. М., «Ме-
таллургия», 1972. 530 с с ил.
1-Г1. Hinig R. Е., Hook Н. О. Vapor pressure data for some
common gases. — «Radio corporation of America. RCA Review»,
v. XXI, № 3, I960, p. 360—368.
1-12. Moore R. V. Cryopumping in the free-molecular flow regime.
Trans, of the Nat. Vac. Symip., 1961, Pergamon Press, Inc., New
York, 1962, p. 426—4'38
1-13. Klipping G., Mascher W. Vacuumerzengung dereh Konden-
sation an tiefgekiihlten Flachen I. Kryopumpen. — «Vakuum-Technik»,
1962, Bd 4'1, № 3, S. 81—85.
1-1'4. Поуэр 'В. Д. 'Высоковакуумные откачные устройства. М.,
«Энергия», 1969, '528 с. с ил.
’1-Т5. Hood С. В., Barnes С. В. Relation ships between pumping
speed carture probability, and chamber geometry in a Spherical cryo-
pumped vacuum chamber. — «J. Vacuum Sci. and Technol.», 1965,
v. 2, № 6, p. 302—306.
*1-16. Chubb J. N., Pollard I. E. Condensation Pumping of Hydro-
gen and Denterium on to Liquid-Helium Cooled Surfaces. — «J. Phys.
Ser. D.», 1968, v. 1, № 3, p. 361—370.
1-'17. Chubb J. N., Pollard I. E. Experimental studies of hydrogen
condensation on to liquid helium cooled surfaces. — «Vacuum», 1965,
v. 15, p. 491—496.
1-18. Buffham B. A., Henault P. B., Flinn R. A. A theoretical
evaluation of the sticking coefficient in cryopumping. — «Trans. 9th
146
Nat. Vacuum Sympos. Amer. Vacuum Soc. Los Angeles, Calif., 1962>\
New York, Macmillan Go., London, Collier-Macmillan Ltd., 1962,
p. 205—211.
1-19. Hengevoss J. Gas sorption by surfaces cooled to low tem-
peratures.— «Trans. 3rd Internal. Vacuum Congr., Stuttgard, 1965».
V. 1. Pergamon Press, 1966, p. 51—63.
1-20. Dawson J. P., Haygood J. D. Cryopumping — «Cryogenics»,
1965, v. 5, № 2, p. 57—66.
1-21. Dawson J. P., Haygood J. D., Collins J. A. Temperature
Effects on the Capture Coefficients of Carbon Dioxide, Nitrogen and
Argon. — «Advances in Cryogenic Engineering», 1964, v. 9,
p. 433—450.
1-22. Eisenstadt M. M. Condensation of Gases during Cryopum-
ping.— The Effects of Surface Temperature on the Critical Energy
for Trapping. — «J. Vac. Sci. and Technol.», 1970, v. 7, № 4,
p. 479—4<84.
1-23. Levenson L. L. Condensation Coefficients of Argon, Kryp-
ton, Xenon and Carbon Dioxide Measured wiith a Quarts Crystal Mi-
crobalance.— «J. Vac. Sci. and Technol.», 1971, v. 8, № 5,
p. 629—635.
1-24. Шумский К. П. Вакуумные аппараты и приборы химиче-
ского машиностроения. М., «Машиностроение», 1974, 576 с. с ил.
d-25. Юферов В. Б. О влиянии условий формирования на
адсорбционные свойства слоев сконденсированных газов. — «Вопро-
сы атомной науки и техники. Сер. Низкотемпературная адсорбция
и криогенный вакуум», вып. 1(4), Харьков, ФТИ АН УССР, 1973,
с. 3—9.
1-26. Юферов В. Б., Бусол Ф. И. Исследование сорбции водоро-
да и неона слоями сконденсированных твердых газов. — ЖТФ,
т. XXXVI, № И, 1966, с. 2042—20'50.
1-27. Юферов >В. Б., Кобзев П. М. Откачка гелия сконденсиро-
ванными слоями газов в интервале давлений 10-9—10~13 тор.—
ЖТФ, т. XXXIX, № 3, 1969, с. 572—576.
1-28. Юферов В. Б. Конденсационно-адсорбционная откачка.—
«Вопросы атомной науки и техники. Сер. Низкотемпературная
адсорбция и криогенный вакуум», вып. 1, Харьков, ФТИ АН УССР,
1971, с. 125—145.
1-29. Coethers В. Н. High altitude and Space simulation Tes-
ting.— «ARS Journal», 1962, v. 32, № 6, p. 872.
1-30. Wang E. S. J., Collins J. A., Heygood J. D. General Cryo-
pumping Study. — «Advances in Cryogenic Engineering», 1962, v. 7,
p. 44—56.
1-31. Hengevoss J. Continuous cryotrapping of hydrogen by argon
in the temperaturange between 4,2 and 15°K. — «Vacuum», 1967,
v. 17, № 9, p. 495—500.
1-32. Юферов В. Б., Сороковой Л. Г. К вопросу о криозахвате.—
«Вопросы атомной науки и техники. Сер. Низкотемпературная ад-
сорбция и криогенный вакуум» вып. 1, Харьков, ФТИ АН УССР,
1971, с. 158—161.
2-4. Данилин Б. С., Минайчев В. Е. Основы конструирования
вакуумных систем. М., «Энергия», 1971. 392 с. с ил.
'2-2. Пипко А. И., Плисковский В. Я., Пенчко Е. А. Расчет и
конструирование вакуумных систем. М., «Энергия», 1970. 504 с.
с ил.
147
2-3. Микулин Е. И. Криогенная техника. М., «Машиностроение»,
1969. 270 с. с ил.
2-4. Данилин Б. С., Минайчев В. Е. Основы криогенной техники.
М, изд. МИРЭА, 1968. 1*5*1 с. с ил.
2-5. Bessot J. J. Paroi cryopompate a structure alveolaire perfec-
tionnele. Патент Франции № 1,564.955.
2-6. Кондряков И. К., Иванов В. И. Определение эффективности
панелей криогенного насоса. — «Известия вузов. Энергетика», 1973,
№ 4, с. 143—146.
2-7. Кошеров В. В., Мартинсон Е. Н., Шальников А. И. Сорбция
газов оксидной пленкой на алюминии.—ПТЭ, № 1, 1'971, с. 180—182.
2-8. Henault F. В., Fennema Р. Y., Buffham В. A. Cryogenic
Pumping. — Environmental Sciences», 1963, v. 8, ip. ’1’5—23.
2-9. Forth H. J. Nonveaux developpements dans le domaine des
pompes cryostatignes. — «Vide», 1965, v. 20, № 119, p. 343—348.
2-10. Hands B. A. A novel cryopump configuration. — «Cryoge-
nics», 1973, v. 13, № >12, 'p. 699—701.
2-11. Powers R. J., Chambers R. M. A clean cryovacuum system
with high pumping speeds for all gas species. — «J. Vac. Sci. and
Technol.», 1971, v. 8, № 1, p. 319—323.
2-12. Cryopump model № 0.916-000. Проспект фирмы Varian,
Vac 2056A, 1963.
2-13. Schafer G., Schikmann M. Thermische Belastung von Bad-
Kryopumpen. — «Vakuum-Technik», 1973, № 1, S. 10—15.
2-14. Криогенный сверхвысоковакуумный насос с малым расхо-
дом жидкого гелия. — ЖТФ, 1972, № 9, с. 1987—1991. Авт.:
С. Ф. Гришин, Е. Я. Гришина, В. А. Коваленко и др.
2-15. Баева Н. Н., Данилова Н. П., Шальников А. И. Крионасос
для получения сверхвысокого вакуума. — ПТЭ, 1966, № 6,
с. 204—206.
2-16. Герасимов Л. Л., Данилова Н. П., Шальников А. И.
Сверхвысокий вакуум в нетренированной аппаратуре. — ПТЭ, 1964,
№ 4, с. 155—156.
2-17. Keck К., Schubert G. U., Weichert Н. Eine Kryopumpe fur
Temperaturen bis 1,5 К mit sehr geringem Kalteverbranch. — «Trans.
Third Intern. Vacuum Congress», Stuttgart, Germany, 1965, v. 2,
pt 3, p. 559—564.
248. Bolton E. J. Cryopump system for laboratory evaporator.—
«J. Scient. Instrum.», 1965, v. 42, № <12, p. 894—895.
2-19. Насосы криосорбционные заливные гелиевые. — «Электрон-
ная промышленность», 1974, № 9, с. 97—98. Авт.: А. С. Грибов,
В. В. Кошеров, Е. Н. Мартисон и др.
2-20. Проспект фирмы Leybold, HV65, 1965.
2-21. Гоникберг С. И. Высоковакуумный криогенный насос
с автономным рефрижератором. — «Электронная техника. Сер.»,
«Электроника СВЧ», № 6, 1970, с. 126—435.
2-22. Боровик Е. С., Лазарев Б. Г., Михайлов И. Ф. Водород-
ный конденсационный насос с автономным ожижителем. — «Хими-
ческое машиностроение», 1961, № 1, с. 1—2.
2-23. Батраков Б. П., Боровик Е. С., Кобзев П. М. Гелиевый
конденсационный насос со скоростью откачки по водороду 40 000 л/с
и предельны^ давлением ниже 10~9 Па. — ЖТФ, № 10, 1970,
с. 2225—2232.
148
2-24. Шелякин О. П., Минайчев В. Е., Зыков В. М. Высокова-
куумная система с крионасосом на базе газовой холодильной ма-
шины.— «Электронная техника. Сер. Микроэлектроника», 1968,
вып. 3, с. 92—96.
2-25. Минайчев В. Е., Зыков В. М. Криоконденсационный бу-
стерный насос. — ПТЭ, 1974, № 3, с. 148—150.
2-26. Реклама фирмы Филипс. — «Cryogenics», 1973, № 10,
р. 626(A)—626(Д).
2-27. Nighida К., Goton М., Ione К-, Kimbara A. Some Characte-
ristics of Cryopump. — «J. Vac. Soc. Japan», 1969, № 12, p. 450—456.
2-28. Turner F. T., Hogan W. H. Smal Cryopump with Integral
Refrigerator. — «J. Vac. Sei. and Technol.», 1966, v. 3, № 5,
p. 252—257.
2-29. Trandelenburg E., Hargentoss J. Vertahrew und Einrichtung
zur Erzengung lines-hihen v>akuums —Пат. Швейцарии № 411. 211.
2-30. Bewilogua L. Kryopumpen. — «Monatber. Dtsch. Akad. Wiss.
Berlin», 1969, Bd 11, № 11—12, S. 837—842.
2-31. Кобзев П. M., Юферов В. Б., Гласов Б. В. Исследование
конденсационной откачки азота и воздуха в интервале 760 тор —
тройная точка. — ПТЭ, 1970, № 1, с. 250.
2-32. Боровик Е. С., Михайлов И. Ф., Косик Н. А. Конденса-
ционный метод форвакуумной откачки. — УФЖ, 1970, т. 15, № 2,
с. 274—280.
2-33. Bieger W., Forth Н. J., Tuczek Н. Kryopumpe fur guasi-kon-
tinnierlichen Plasmabegchleniger. — «Vakuum-Technik», 1970, № 1/2,
S. 12—17.
2-34. Минайчев В. E., Зыков В. M., Шелякин О. П. Иопользо-
j вание крионасоса с автономным криогенератором в установке ка-
тодного распыления. — «Тезисы докладов V Всесоюзной научно-тех-
нической конференции», Казань, 1972, с. 78—80.
2-35. Боровик Е. С., Михайлов И. Ф., Косик Н. А. Конденсаци-
онный метод форвакуумной откачки. — «Украинский физический
журнал», 1970, т. 15, № 2, с. 274—280.
2-36. Водородный конденсационный насос. — «Украинский физи-
ческий журнал», 1957, т. 2, № 1, с. 175—182. Авт.: Б. Г. Лазарев,
Е. С. Боровик, М. Ф. Федорова и др.
3-1. Дешман С. Научные основы вакуумной техники. М., «Мир»,
1964. 715 с. с ил.
3-2. Абрамович Г. Н. Прикладная газодинамика. М., «Наука»,
1969. 442 с. с ил.
3-3. Боровик Е. С., Гришин С. Ф., Гришина Е. Я. Абсолютный
конденсационный насос.— ЖТФ, 1970, № 3, с. 581—586.
3-4. Получение ультравысокого вакуума 10~13 Па с помощью
конденсационных насосов.— ЖТФ, 1971, № 7, с. 1519—1524. Авт.:
С. Ф. Гришин, Е. Я. Гришина, В. Я. Чернышенко и др.
3-5. Влияние переконденсации (перекачки) на получение ваку-
ума при использовании криогенных насосов. — «Вопросы атомной
науки и техники. Сер. Низкотемпературная адсорбция и криогенный
вакуум», Харьков, 1971, вып. 1, с. 47—51. Авт.: С. Ф. Гришин,
Е. Я. Гришина, В. А. Коваленко и др.
3-6. Кондряков Н. К., Янченко В. М. Влияние неконденсирую-
щихся газов на работу криогенного вакуум-насоса. — В кн.; Техника
низких температур. Изд. Ленинградского технологического ин-та
холодильной промышленности, 1971, с. 63—67.
149
3-7. Боровик Е. С., Гришин С. Ф., Лазарев Б. Г. О предельном
вакууме криоконденсационных насосов. — ПТЭ, 196b, № 1,
с. 11'5—118.
3-8. Mahnert Н. Uber die Kombination einer Kryosorptionspumpe
mit Diffusionspumpen ftir den IO-9 Torr-Bereich. — «Luft- und Kalte-
techn.», 1970, Bd 6, S. 3'11—315.
3-9. Wutz M. Theorie und Praxis der Vakuumtechmk. Friedrich
Vieweg & Sohn, Braunschweig, 1965. 438. s.
3-10. Кутателадзе С. С., Боришанский В. M. Справочш к по
теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959. 428 с. с ил.
3-11. Скотт Р. Б. Техника низких температур. М., Изд-во иностр,
лит., 1962. 413 с с ил.
342. Поглощательная способность поверхности конденсационно-
го насоса — чистой и со слоем конденсата. — «Вопросы атомной
науки и техники. Сер. Низкотемпературная адсорбция и криоген-
ный вакуум», вып. 1, Харьков, ФТИ АН УССР, 1971, с. 51—56. Авт.:
С. Ф. Гришин, Е. Я. Гришина, 'В. А. Коваленко и др.
3-13. Moore В. С. Effect of gas condensate on cryopumps. Trans
of the Nat. Vac. Symp. Amer. Vac. Soc., Macmillan Co., New York—
London, 1962, p. 21i2—215.
3-14. Kinel G., Wutz M. Eine Kryopumpe fur Betriebstemperaturen
unterhalb 4,2K mit sehr geringen Kuhlmittelverbrauch. — «Vakuum-
Technik», 1'9'66, № 2, S. 40—4'6.
3-15. Anwendung und Bemessung von Kryopunrpen.— «Vakuum-
Technik», 1'972, № 4, S. 81—86 (Auth.: G. Schafer e. a.).
3-16. Devis D. H. Monte-Carlo calculation of molecular rates
through a cylindrical elbow and other shapes. — «J. Appl. Rhas.»,
1960, v. 31, № 7, p. 1169—1176.
3-17. Жилнин В. С. К вопросу расчета пропускной способности
вакуумных систем при молекулярном режиме течения газа. — «Тези-
сы докладов на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции по
вакуумной технике». Казань, 1965, с. 68—100.
3-18. Akiyama Y., Nakayama К., Saito М. Calculation of cryo-
pumping speeds by ithe Monte-Carlo method —«Vacuum», 1971, v. 21,
№ 5, p. 167—173.
3-19. Ивандикова H. А., Саксаганский Г. Л. Эффективность
сорбирующих структур в вакуумных системах с квазиточечным
газовым источником. — ЖТФ, 1971, №2, с. 436—440.
3-20. Исследование работы криогенного насоса в свободномо-
лекулярном режиме. — ЖТФ, 1967, № 6, с. 1105—1111. Авт.:
Н. Н. Багров, А. (И. Бутенко, А. А. Гусляков и др.
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие
Глава первая. Физические основы криокон-
денсационной откачки ...................... 6
1-1. Общие сведения по криоконденсационной
откачке ............................... б
1-2. Природа межмолекулярных взаимодей-
ствий ....................................13
1-3. Представление о структуре и физических
свойствах криоосадка ...... 22
1-4. Криоконденсационные процессы на крио-
панели ................................32
1-5. Некоторые особые случаи криоконденсации 43
Глава вторая. Основы конструирования крио-
насосов ...................................33
2-)1. Общие сведения...................53
2-2. Конструктивные элементы крионасосов . 60
2-3. Конструктивные схемы крионасосов . . 71
2-4 Специальные конструкции крионасосов . 94
2-5. Эксплуатация крионасосов ..... 100
Глава третья. Элементы расчета крионасосов 108
3-1. Расчеты вакуумных параметров . . . 108
3-2. Тепловые нагрузки на охлаждаемые эле-
менты насоса..........................122
3-3 Практические рекомендации по расчету
крионасосов...........................138
Список литературы...............................146
Виктор Егорович Минайчев
ВАКУУМНЫЕ КРИОНАСОСЫ
Редактор Е. С. Фролов
Редактор издательства А. А. Цитленко
Обложка художника Н. А. Князькова
Технический редактор Н. Н. Левченко
Корректор И. А. Володяева
Сдано в набор 19/Ш 1976 г Подписано к печати 28/VI 1976 г.
Т-11055 Формат 84 X 108’/за Бумага типографская № 1
Усл печ л 7,98 Уч.-изд л 8,44
Тираж 5000 экз. Зак 631 Цена 46 коп
Издательство «Энергия», Москва, М 114, Шлюзовая наб, 10
Московская типография № 10 Союзполиграфпрома
при Государственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли
Москва, М 114, Шлюзовая наб , 10.