Физико-химические методы получения вакуума.
Физико-химические методы получения вакуума позволяют для работы в определенном диапазоне давлений создавать насосы с лучшими, чем у механических, технико-экономические показатели. Существенное преимущество их заключается в возможности устранения загрязнения откачиваемой камеры парами рабочих жидкостей, которые присутствуют во многих механических насосах для смазки и гермитизации.
Высоковакуумные крионасосы
Работа крионасосов основана на использовании низких температур для осаждения откачиваемых газов на специально сформированных криогенных поверхностях, размещаемых или в объеме насоса, или непосредственно в вакуумной камере.
Классификация и описание работы крионасосов
Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте действия, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме.
Температурный уровень криопанели - это основной фактор, определяющий давление паров откачиваемого газа, а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню крионасосы подразделяются на четыре группы в соответствии с температурами кипения азота (77 К), неона (27,1 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении.
Быстрота действия S, 
, в основном зависит от размеров криопанели, а значит, и от энергозатрат на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы подразделяются на три группы: малые с 
(для охлаждения требуется мощность в несколько вт); средние с S=10…50 (мощность несколько десятков Вт; крупные с S 
(мощность - несколько сот и даже тысяч вт).
|
|
|
По способу охлаждения крионасосы классифицируются на охждаемые сжиженными газами и газовыми холодильными машинами. Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности насосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей.
По конструктивной схеме насосы бывают фланцевые и встроенные. Быстрота действия насосов первого типа в основном определяется проводимостью фланца. Эти насосы выполняются в виде отдельного агрегата, подсоединяемому к откачиваемому сосуду. Насосы второго типа проектируются применительно к конкретным условиям эксплуатации. Криопанели в этих насосах обычно располагают в откачиваемом сосуде в непосредственной близости от источника газовыделения.
Для создания условий, моделирующих космический вакуум, необходимы специальные вакуумные системы, предназначенные для откачки паров и газов выделяющихся из испытуемых КА и поддержания в них рабочих давлений, в ряде случаев весьма низких (до 
; 
).
При больших газовыделениях испытуемых объектов необходимо реализовать в вакуумных установках огромные (до ~ 
) объемные скорости откачки и малые коэффициенты возврата Z частиц газа и паров (Z 
).
|
|
|
Рассмотрим основные источники газовыделений в моделирующих установках и примерный состав паров и газов, подлежащих откачке.
В первую очередь, это атмосферный воздух или другой балластный газ, которым заполнена установка до начала откачки. Затем, это пары и газы, выделяющиеся из КА и их элементов, состоящие из 
и летучих компонентов уплотнений, проводов, изоляций, сублимирующих материалов, летучих веществ из поверхностных терморегулирующих покрытий и теплоизоляционных и теплозащитных материалов, утечки газа из геметичных отсеков и т.п. Кроме того, в установках обычно присутствуют пары различных веществ, вносимых откачными системами (например, пары масел диффузионных насосов; метан из новых сорбционных насосов; пары низкокипящих охлаждающих жидкостей, просачивающиеся в вакуум через неплотности криорешеток и крионасосов и т.п.
В вакуумных системах моделирующих установок необходимо одновременное использование нескольких типов насосов, что является следствием избирательной (селективной) откачной способности каждого типа насоса применительно к одному или нескольким типам паров и газов и большого разнообразия паров и газов, подлежащих откачке.
|
|
|
Используются насосы основной, вспомогательной и предварительной откачки. Последние предназначены лишь для начального вакуумирования установок (от 
до 
Па), после чего они, как правило, отсекаются и отключаются, и начинают действовать насосы основной и вспомогательной откачки.
Для основной откачки используются криокондесационные насосы поверхностного действия, использующие в максимально возможной степени внутреннюю поверхность установки, что позволяет получить в крупногабаритных установках большую быстроту откачки, низкие коэффициенты возврата и состав остаточного газа, приближающийся к таковому в космосе. Действие таких насосов основано на вымораживании откачиваемых паров и газов, т.е. в образовании твердой или жидкой фазы откачиваемого газа на криоповерхностях и, как следствие этого, понижении парциальных (а следовательно, и суммарного) давлений паров и газов в откачиваемом объеме. Криоконденсация может эффективно применяться для откачки газов, равновесное давление насыщенных паров 
которых при температуре криоповерхности 
является более низким, чем требуемое давление. Например, при температуре жидкого азота не конденсируются инертные газы, равновесное давление насыщенных паров которых приблизительно Па; при температуре жидкого водорода - водород и гелий; при температуре жидкого гелия - гелий и частично водород ( 
). Поэтому при использовании криокондесационных насосов для основной откачки для получения сверхнизких давлений одновременно необходимо использование насосов вспомогательной откачки.
|
|
|
Криогенные насосы конструктивно выполняются в виде криорешеток, по внутренним каналам которых циркулирует хладоагент. Схемы решеток могут быть различными (рис. 28)
Используют и комбинированные решетки. Одни охлаждаются жидким или кипящим азотом и располагаются так, чтобы воспринимать тепловое излучение, исходящее от испытуемого объекта, имитаторов внешних тепловых потоков, стенок вакуумной камеры. Другие охлаждаются холодным газообразным или жидким гелием и помещаются в промежутках между элементами азотных решеток таким образом, чтобы не подвергаться воздействию чрезмерной тепловой нагрузки и в то же время выполнять функции крионасоса. Экранирование наиболее холодных поверхностей ухудшает, конечно, характеристики откачки этих устройств, но значительно повышает их экономичность. В целом криорешетки обеспечивают внутренним поверхностям вакуумных установок высокую эффективность откачки и низкий возврат газовых частиц.
При исследовании теплового состояния КА системы, моделирующие космический вакуум, призваны обеспечить выполнение следующих условий :
- Давление газовой среды в экспериментальной установке должно быть настолько малым, чтобы теплообмен между неконтактирующими поверхностями осуществлялся в основном излучением.
- Коэффициент 
возврата частиц, покидающих поверхность КА в экспериментальной установке, должен быть пренебрежимо малой величиной.
- Необходимо ( по возможности) исключить попадание на исследуемый объект паров органических веществ ( масел), источником которых являются откачные средства систем вакуумирования .
Выполненные в [ 9 ] оценки величины давления 
газовой среды, при котором в экспериментальной установке, как и в космосе, можно пренебречь теплопередачей за счет теплопроводности остаточного газа, свидетельствуют о том, что давление на уровне 
является вполне приемлемым в установках, предназначенных для исследования тепловых режимов КА.
Необходимость моделирования условий, при которых коэффициент возврата является, как и в космосе, пренебрежимо малой величиной, обусловлена , главным образом, тем, что от величины этого коэффициента может существенно зависеть степень загрязнения поверхности КА продуктами собственного выделения. В лабораторных условиях коэффициент определяется следующим выражением [ 6 ] :
( 1) ,
где 
- вероятность захвата молекулы стенкой экспериментальной установки, 
- вероятность попадания отраженной от стенки молекулы вновь на объект. Величина зависит от соотношения размеров, геометрической формы исследуемого объекта и экспериментальной установки, а также от характера отражения молекул. При диффузном отражении, например, для сферической вакуумной камеры и сферического объекта коэффициент можно принять равным квадрату отношения диаметра объекта и камеры ( 
) . Если , допустим, 
, то 
. Величина определяется выражением 
(2) ,
где 
- относительная величина площади откачивающей поверхности установки ( по отношению к площади поверхности установки) , 
- эффективный коэффициент откачки стенок установки. Коэффициент для разных газов различен. Неодинаков для них будет и коэффициент , поэтому обычно говоря о коэффициенте возврата по определенному газу, например, по азоту.
Из соотношений (1) и (2) следует, что пренебрежимо малое значение может быть реализовано при близком к 1 , что может быть достигнуто в том случае, если молекулярной ловушкой являются стенки вакуумной установки. Допустим, 
, 
, 
, тогда 
, то есть вакуумные условия в этом случае приближаются к космическим. Если, предположим, 
, то при и 
, то есть покинувшая объект молекула в среднем 10 раз может вернуться назад на объект. Адсорбируясь на каких-то поверхностях КА эти молекулы могут вызвать изменение поверхностных свойств, в частности, радиационно-оптических.
Таким образом , откачные устройства, моделирующие космический вакуум, должны являться частью внутренней поверхности установки. Это диктуется также необходимостью реализации в вакуумных установках огромных значений объемной скорости откачки при больших газовыделениях испытуемых объектов.
Адсорбционные насосы
Принцип действия адсорбционного насоса основан на температурной обратимости физической адсорбции, т.е. поглощении газа твердым адсорбентом при снижении температуры и выделении его адсорбентом при повышении температуры.
Адсорбционные насосы представляют собой устройство, содержащее слой адсорбента толщиной не более 30 мм, расположенного внутри корпуса на развитой теплообменной поверхности криопанели, омываемой криоагентом.
Корпус насоса снабжен, как правило, двумя патрубками: один (большого диаметра) служит для подсоединения к камере, другой (меньшего диаметра) - для регенерации. Насос может включать в себя устройство для нагрева адсорбента.
Адсорбционные насосы применяют в системах безмасляной откачки для получения как форвакуума, так и весьма низких давлений (до 
Па) в замкнутых объемах.
В качестве адсорбентов в насосах используют пористые вещества с сильно развитой внутренней поверхностью ( 
), к которым относятся синтетические и природные цеолиты, силикогели, алюмогели и активированные угли.
Наибольшее распространение в качестве адсорбента получили цеолиты, представляющие собой алюмосиликаты щелочного или щелочноземельного металла природного или искусственного происхождения. Они содержат в своем составе 
и 
, окислы щелочных и щелочноземельных металлов, а также молекулы кристаллической воды. После удаления кристаллической воды термообработкой в цеолитах появляется регулярная структура пор. Активная поверхность цеолитов может достигать 1000 
при насыпной плотности 
.
Силикагель - аморфная форма гитратированного кремнезема 
.
Активированные угли - пористые углеродные адсорбенты. Площадь поверхности активных углей может достигать 2000 при насыпной плотности 
.
Адсорбционные насосы создают вакуум, свободный от углеводородов, имеют практически неограниченный срок службы и при эксплуатации не создают шума.
Пористую структуру и очень хорошие адсорбирующие свойства цеолиты приобретают после прокаливания; при этом кристаллическая решетка не разрушается, и после удаления кристаллизационной воды в цеолитах получается очень равномерные по размерам тонкие поры. В поры могут проникать только те газы, диаметр молекул которых меньше размеров пор, т.е. цеолиты обладают избирательным поглощением газов, и это дало повод называть их “молекулярными ситами”. Например, один из цеолитов обладает порами с диаметром 0,5 нм., а диаметр основных атмосферных газов 
близки к 0,3 нм. Многочисленные поры образуют большую удельную поверхность. Эта поверхность может достигать 600 .
Недостатком цеолитов, как, впрочем, и других адсорбентов является то, что они плохо поглощают инертные газы, в частности аргон, содержание которого в воздухе составляет 1%, а также практически их полная неэффективность по отношению газам с очень низкой точкой кипения ( 
С увеличением количества поглощаемого газа при неизменной температуре адсорбента возрастает равновесное давление откачиваемого газа. Вместе с тем при одном и том же количестве поглощенного газа равновесное давление над поверхностью адсорбента тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому в вакуумных адсорбционных насосах адсорбент обычно охлаждается жидким азотом, реже, жидким водородом или гелием.
Один из вариантов устройства адсорбционного насоса показан на рис. 26. В цилиндрический корпус 3, изготовленный из нержавеющей стали, вставлена перфорированная трубка 2. Кольцевое пространство между трубкой и корпусом заполнено адсорбентом 1. Для охлаждения адсорбента на насос снизу одевается сосуд Дьюара, в который заливается жидкий азот. После окончания откачки кран на входе насоса закрывается, сосуд Дьюара снимают и насос отогревается до комнатной температуры. При этом вследствие обратного выделения газа из адсорбента давление в объеме насоса может превысить атмосферное. В связи с этим в верхней части насоса предусмотрен клапан (пробка) 4, предохраняющий насос от разрушения при выделении газа из адсорбента. Такого отогрева с выпуском выделяющихся газов в атмосферу достаточно, чтобы насос был готов к следующему циклу откачки.
Предельное остаточное давление насоса определяется адсорбционной емкостью адсорбента и зависит от количества поглощенного насосом газа.
С целью получения низких предельных остаточных давлений рекомендуется осуществлять предварительную откачку сосуда до давления 
Па водоструйным или механическим вакуумным насосом. Иногда в качестве насоса для форвакуумной откачки используют другой также адсорбционный насос.
Рассмотрим некоторые другие конструктивные варианты криосорбционных насосов.
Для работы в низком вакууме используются насосы погруженного типа (рис. 27а) , а для работы в высоком вакууме - заливного типа (рис 27б).
Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Разница в конструкции насосов погруженного и заливного типа состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагента 5 в насосах погруженного типа выполняется съемным, а в насосах заливного типа в качестве теплоизоляции между стенками насоса и сосудом с криоагентом используется вакуум, создаваемый самим насосом.
На рис. 27в изображена схема криосорбционного насоса с движущимся адсорбентом, что обеспечивает постоянство быстроты откачки и предельного давления независимо от времени работы насоса. Адсорбент движется по замкнутому контуру, проходя на своем пути камеру адсорбции 1, шлюз 2, нагреватель 5, камеру десорбции 4, шлюз 3, холодильник 6, и вновь попадает в камеру адсорбции.
Основным достоинством адсорбционных насосов является полное отсутствие органических загрязнений откачиваемого сосуда. Недостатки насосов - необходимость использования жидкого азота, периодическая регенерация и довольно значительное время охлаждения насоса.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 32; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!