8.3. Криогенные вакуумные насосы

Несмотря на большое многообразие крионасосов, их можно разделить по следующим основным признакам: по принципу действия, температурному уровню криопанели, быстроте откачки, способу охлаждения криопанели и конструктивной схеме. На рис.8.6 представлена классификационная схема криогенных насосов.

Криогенные насосы по принципу действия классифицируются на:

• криоадсорбционные – это насосы, в которых откачка происходит вследствие обратимой адсорбции газа при низкой температуре;

• криоконденсационные – это насосы, в которых откачка производится путем конденсации газа на охлаждаемых до криогенных температур поверхностях.

По температурному уровню крионасосы разделяются на три группы в соответствии с тремя значениями температур криооткачки, а именно с температурами кипения азота (77 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) при атмосферном давлении. Таблица 8.1 иллюстрирует теоретические возможности криогенной откачки конденсацией газов на различных температурных уровнях.

Таблица 8.1

Конденсируемость газов при различных температурах криопанели

№ п/п	Температура криопанели, К	Основные конденсируемые газы	Основные неконденсируемые газы
1	77	Н2О, СО2, углеводороды	Не, Н2, Nе, N2, СО, О2, СН4
2	20	Газы конденсируемые при 77К, СН4, О2, СО, N2	Не, Н2, Nе
3	4,2	Газы конденсируемые при 20К, Nе, Н2

Быстрота откачки в основном определяется размерами криопанели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте откачки крионасосы условно подразделяются на три группы: малые, средние и большие. Так, например, насосы с большой быстротой откачки на охлаждение затрачивают несколько сотен и даже тысяч ватт электрической мощности.

По способу охлаждения крионасосы можно подразделить на две основные группы: насосы, охлаждаемые сжиженными газами, и насосы, охлаждаемые при помощи автономных рефрижераторов.

По способу охлаждения первая группа насосов в свою очередь делится на насосы заливные, испарительные и с автономными ожижителями. Заливные и испарительные насосы охлаждаются сжиженными газами: азотом, водородом и гелием, которые получают на ожижительных станциях и транспортируют к месту потребления в специальных танках или сосудах Дьюара. Такое охлаждение используется обычно в насосах с малой и средней быстротой откачки. Этот способ наиболее прост, но вместе с тем и наименее экономичен, так как сопровождается большими потерями криоагента при заливке его на ожижительных станциях и в крионасос, а также при транспортировке.

Насосы с автономными ожижителями обычно применяются для получения высокой быстроты откачки, когда необходимо охлаждать криопанели большой поверхности. В этом случае заливная система крайне неэкономична. В ожижительных установках испаряющийся газ возвращается в теплообменники установки для полезного использования содержащегося в нем холода. Это позволяет в несколько раз увеличить холодопроизводительность установки при затрате той же мощности.

По способу охлаждения вторая группа насосов охлаждается с помощью криогенных устройств рефрижераторного типа, в которых рабочий газ не доводится до жидкого состояния, а в охлажденном состоянии поступает в полости криопанелей. Большими достоинствами насосов с рефрижераторным охлаждением являются их высокая экономичность, так как в этом случае холодопроизводительность установки легко согласуется с тепловой нагрузкой крионасоса; удобство эксплуатации, что имеет большое значение для применения этих насосов в промышленных установках.

Насосы с криогенераторами используют для получения относительно невысокой быстроты откачки. Этот способ охлаждения удобен там, где возникают затруднения с доставкой жидких криоагентов со стороны. С этой точки зрения целесообразным является использование криогенераторов, работающих по обратному циклу Стирлинга или Гиффорта – Мак Магона. С помощью одноступенчатых машин получают температуру около 50 К, с помощью двухступенчатых машин – 20 К, приэтом время выхода на требуемый температурный уровень составляет 10…15 мин для машины Стирлинга и от 30…40мин и более – для машин Гиффорта – Мак Магона.

Рефрижераторные дроссельные холодильные установки на базе ожижителей используются также для охлаждения крионасосов с большой быстротой откачки.

По конструктивной схеме крионасосы можно подразделить на две группы: насосы фланцевого и встроенного типов. Быстрота действия насосов фланцевого типа в основном определяется пропускной способностью фланца. Насосы фланцевого типа обычно выполняются в виде отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому объему.

Насосы встроенного типа проектируются применительно к конкретным случаям использования. Криопанели у этих насосов обычно располагаются в откачиваемом объеме в непосредственной близости от источников газовыделения.