RU2031245C1

RU2031245C1 - Method of protecting adsorbent in cryostat and cryogenic pump

Info

Publication number: RU2031245C1
Authority: RU
Inventors: Ю.В. Холод; В.Б. Нестеренко; Е.И. Скибенко; В.Б. Юферов
Original assignee: Харьковский физико-технический институт
Priority date: 1991-05-30
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1995-03-20

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: water vapor is separated from mixture to be pumped by their condensation on the condensing surface. Flow of the mixture is controlled upstream of the adsorption zone to provide full condensation of component to be condensed. The adsorption zone are tightly separated from the condensation zone before regeneration of the cryogenic pump. The zones are interconnected after the secondary cooling of the cryogenic pump. Temperature of non- condensed component of the mixture to be pumped upstream of entering the adsorption zone is used for controlling flow of the mixture. The tank for coolant and cooled chamber filled with adsorbent are positioned inside the housing provided with vacuum duct. A part of the vacuum duct is constructed as labyrinth passage and received in the tank for coolant. A movable valving-controlling member of the valve is mounted at the outlet of the chamber inside the space of the vacuum duct. One of the ends of the pipe line is arranged in the zone of the vacuum duct bottom. The other end of the pipe line is brought out of the housing through the valve. A temperature gauge is mounted at the inlet of the chamber. EFFECT: improved design. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к криогенно-вакуумной технике, а именно к способам защиты адсорбента в крионасосах при откачке ими смеси газов и/или паров от конденсируемых компонентов, например паров воды, а также к конструкциям крионасосов с охлажденным адсорбентом для откачки осушенных от влаги газов. The invention relates to cryogenic-vacuum technology, and in particular to methods of protecting the adsorbent in cryopumps when they pump a mixture of gases and / or vapors from condensable components, for example water vapor, as well as to designs of cryopumps with a cooled adsorbent for pumping gases dried from moisture.

Известен способ защиты адсорбента в крионасосе, включающий сорбцию откачиваемой смеси газов охлажденным адсорбентом и последующую регенерацию последнего с отводом десорбирующего при этом газа наружу крионасоса. A known method of protecting the adsorbent in a cryopump, including sorption of the evacuated gas mixture by a cooled adsorbent and subsequent regeneration of the latter with the removal of the gas desorbing at the same time to the outside of the cryopump.

К недостаткам известного способа следует отнести малую эффективность защиты адсорбента от влаги, что объясняется неполной осушкой откачиваемой смеси из-за реализации вязкостного потока последней через охлажденную часть вакуум-провода крионасоса. The disadvantages of this method include the low efficiency of protecting the adsorbent from moisture, which is explained by incomplete drying of the pumped mixture due to the implementation of the viscous flow of the latter through the cooled part of the vacuum wire of the cryopump.

Способ-прототип включает предварительное отделение конденсируемых при рабочей температуре адсорбента компонентов, например паров воды, от откачиваемой смеси газов и/или паров путем их конденсации на конденсирующей поверхности, адсорбцию неконденсируемых компонентов откачиваемой смеси охлажденным адсорбентом, регенерацию последнего в крионасосе и последующее захолаживание адсорбента до рабочей температуры. The prototype method includes the preliminary separation of components that are condensed at the operating temperature of the adsorbent, for example, water vapor, from the evacuated mixture of gases and / or vapors by condensing them on the condensing surface, adsorption of non-condensable components of the evacuated mixture by the cooled adsorbent, regeneration of the latter in the cryopump and subsequent cooling of the adsorbent to the working one temperature.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести малую эффективность защиты адсорбента от влаги на стадии регенерации адсорбента и в промежутке от завершения регенерации адсорбента до повторного захолаживания. Во время отепления конденсирующей поверхности до комнатной температуры пары испарившейся воды сорбируются адсорбентом, а для их десорбции требуется прогрев адсорбента уже до 300-400^оС, что связано с высокими энергозатратами.The disadvantages of the prototype method include the low efficiency of protecting the adsorbent from moisture at the stage of regeneration of the adsorbent and in the period from the completion of regeneration of the adsorbent to re-cooling. During the heating of the condensing surfaces to room temperature evaporated water vapors are adsorbed with an adsorbent and the desorption required for heating the adsorbent has to 300-400 ^{° C,} due to the high energy costs.

Известен криосорбционный насос, содержащий сосуд для хладагента и размещенную в последнем камеру с адсорбентом, снабженную вакуум-проводом для подачи откачиваемой смеси газов и/или паров. Known cryosorption pump containing a vessel for the refrigerant and placed in the last chamber with adsorbent, equipped with a vacuum wire for supplying a pumped mixture of gases and / or vapors.

К недостаткам известного крионасоса следует отнести малую защищенность в нем адсорбента от влаги. Влага из откачиваемой смеси конденсируется на охлажденной части вакуум-провода лишь частично, основная же часть сорбируется адсорбентом. Для удаления влаги из адсорбента его необходимо прогревать до 300-400^оС, что требует высоких энергозатрат.The disadvantages of the known cryopump should include low protection of the adsorbent in it from moisture. Moisture from the pumped-out mixture condenses on the cooled part of the vacuum wire only partially, while the main part is adsorbed by the adsorbent. To remove moisture from the adsorbent it is necessary to warm up to 300-400 ^{° C,} which requires high energy consumption.

Крионасос-прототип содержит корпус с вакуум-проводом для подачи откачиваемой смеси газов и/или паров, размещенные в корпусе сосуд для хладагента и охлаждаемую камеру с адсорбентом, причем камера с адсорбентом подключена к вакуум-проводу при помощи охлаждаемых трубок. The prototype cryopump contains a housing with a vacuum wire for supplying a pumped mixture of gases and / or vapors, a refrigerant vessel placed in the housing, and a cooled chamber with adsorbent, the chamber with adsorbent being connected to the vacuum wire using cooled tubes.

К недостаткам крионасоса-прототипа следует отнести малую эффективность защиты адсорбента в нем на стадии регенерации адсорбента и в промежутке до его повторного захолаживания. При отеплении крионасоса-прототипа пары воды испаряются с поверхности трубок и сорбируются адсорбентом. Это существенно уменьшает сорбционную емкость адсорбента по неконденсируемым компонентам откачиваемой смеси. Для десорбции паров воды требуется прогрев адсорбента до 300-400^оС.The disadvantages of the cryopump prototype should be attributed to the low efficiency of protection of the adsorbent in it at the stage of regeneration of the adsorbent and in the interval before re-cooling. When the cryopump prototype is heated, water vapor evaporates from the surface of the tubes and is adsorbed by the adsorbent. This significantly reduces the sorption capacity of the adsorbent for non-condensable components of the pumped mixture. For desorption of water vapor requires heating the adsorbent to 300-400 ^about C.

Цель изобретения - повышение эффективности защиты адсорбента в крионасосе от конденсируемых при рабочей температуре адсорбента компонентов, например паров воды, при откачке крионасосом смеси газов и/или паров, его регенерации и последующего захолаживания адсорбента до рабочей температуры. The purpose of the invention is to increase the efficiency of protection of the adsorbent in the cryopump from components, such as water vapor, condensing at the adsorbent operating temperature, when the cryopump pumps out a mixture of gases and / or vapors, regenerates it and then cools the adsorbent to operating temperature.

Способ защиты адсорбента в крионасосе во время откачки смеси газов и/или паров, его регенерации и последующего захолаживания до рабочей температуры адсорбента от конденсируемых при рабочей температуре адсорбента компонентов, например паров воды, включающий предварительное отделение последних от откачиваемой смеси путем их конденсации на конденсирующей поверхности. В отличие от прототипа перед поступлением в зону адсорбции поток откачиваемой смеси путем его регулировки поддерживают на уровне, обеспечивающем полную конденсацию из смеси конденсируемых компонентов. Перед регенерацией крионасоса зону адсорбции герметично отделяют от зоны конденсации, а соединяют их после повторного захолаживания крионасоса. A method of protecting an adsorbent in a cryopump during evacuation of a mixture of gases and / or vapors, its regeneration and subsequent cooling to the working temperature of the adsorbent from components condensed at the operating temperature of the adsorbent, for example, water vapor, which includes preliminary separation of the latter from the pumped mixture by condensation on the condensing surface. Unlike the prototype, before entering the adsorption zone, the flow of the pumped out mixture by adjusting it is maintained at a level that ensures complete condensation from the mixture of condensable components. Before regeneration of the cryopump, the adsorption zone is hermetically separated from the condensation zone, and they are connected after repeated cooling of the cryopump.

При регулировке потока откачиваемой смеси в качестве рабочего параметра используют температуру неконденсируемых компонентов откачиваемой смеси перед их поступлением в зону адсорбции. When adjusting the flow of the pumped-out mixture, the temperature of the non-condensable components of the pumped-out mixture before they enter the adsorption zone is used as an operating parameter.

Криогенный насос содержит корпус с вакуум-проводом для подачи откачиваемой смеси газов и/или паров, размещенные в корпусе сосуд для хладагента и охлаждаемую камеру с адсорбентом. The cryogenic pump comprises a housing with a vacuum wire for supplying a pumped mixture of gases and / or vapors, a refrigerant vessel placed in the housing, and a cooled chamber with adsorbent.

В отличие от прототипа, по меньшей мере часть вакуум-провода выполнена в виде лабиринтного канала и размещена в сосуде для хладагента. Во внутренней полости вакуум-провода на входе камеры с адсорбентом размещен подвижный запорно-регулирующий элемент клапана. В зоне днища вакуум-провода размещен один конец трубопровода, другой конец которого через запорный вентиль выведен наружу корпуса. На входе в камеру с адсорбентом установлен термометр. Unlike the prototype, at least part of the vacuum wire is made in the form of a labyrinth channel and placed in a vessel for the refrigerant. In the inner cavity of the vacuum wire at the inlet of the chamber with the adsorbent, a movable locking and regulating element of the valve is placed. In the area of the bottom of the vacuum wire there is one end of the pipeline, the other end of which is led out of the housing through the shut-off valve. A thermometer is installed at the entrance to the chamber with the adsorbent.

На фиг.1 и 2 изображены криогенные насосы, с помощью которых осуществляется предлагаемый способ защиты адсорбента. Figure 1 and 2 shows the cryogenic pumps, with which the proposed method of protecting the adsorbent.

Криогенный насос содержит корпус 1 с вакуум-проводом 2 для подачи откачиваемой смеси газов и/или паров. В корпусе 1 размещен сосуд 3 для хладагента, внутри которого помещена охлаждаемая камера 4 с адсорбентом 5, охлаждаемым путем теплообмена с наружной поверхностью либо змеевика 6 (фиг. 1), либо дополнительного кольцевого сосуда 7 (фиг.2). The cryogenic pump comprises a housing 1 with a vacuum wire 2 for supplying a pumped mixture of gases and / or vapors. A vessel 3 for refrigerant is placed in the housing 1, inside of which there is a cooled chamber 4 with adsorbent 5 cooled by heat exchange with the outer surface of either a coil 6 (Fig. 1) or an additional annular vessel 7 (Fig. 2).

Для конденсации паров воды и других конденсируемых компонентов откачиваемой смеси часть вакуум-провода 2 для подачи последней выполнена в виде лабиринтного канала из патрубков 8 и 9 (фиг.1 и 2) и 10 (фиг.1). В случае крионасоса (фиг. 2) завершающая часть лабиринтного канала образована внутренней поверхностью патрубка 9 и наружной поверхностью боковой стенки охлаждаемой камеры 4. Часть вакуум-провода 10, размещенная внутри камеры 4 с адсорбентом 5, для обеспечения доступа сорбируемого газа к адсорбенту 5 выполнена перфорированной. To condense water vapor and other condensable components of the pumped-out mixture, part of the vacuum wire 2 for supplying the latter is made in the form of a labyrinth channel from pipes 8 and 9 (Figs. 1 and 2) and 10 (Fig. 1). In the case of a cryopump (Fig. 2), the final part of the labyrinth channel is formed by the inner surface of the nozzle 9 and the outer surface of the side wall of the cooled chamber 4. The part of the vacuum wire 10 located inside the chamber 4 with adsorbent 5 is perforated to provide access to the adsorbed gas 5 .

Во внутренней полости патрубка 9 (прикрепленного неподвижно, например, к патрубку 8) на входе камеры 4 с адсорбентом 5 размещен подвижный запорно-регулирующий элемент 11 клапана 12 с уплотнителем 13. Для перемещения элемента 11 предусмотрен привод 14, выведенный наружу корпуса 1. Для контроля температуры неконденсирующихся компонентов откачиваемой смеси предусмотрен термометр 15. In the internal cavity of the pipe 9 (fixed, for example, to the pipe 8) at the inlet of the chamber 4 with adsorbent 5, a movable locking and regulating element 11 of the valve 12 with a seal 13 is placed. To move the element 11, a drive 14 is provided, which is led outside the housing 1. For control temperature non-condensable components of the pumped mixture provides a thermometer 15.

Предлагаемый способ реализуется с помощью криогенного насоса следующим образом. Вакуумируют рубашку сосуда 3, после чего его заполняют жидким азотом (при закрытых клапанах 12 и 16, вентилях 17, 18 и 19). После захолаживания элементов крионасоса до рабочей температуры (примерно 80 К) - контроль по термометру 15, открывают клапаны 16 и 12. При этом откачиваемая смесь газов и/или паров проходит по вакуум-проводу 2 и лабиринтному каналу, освобождаясь при этом от паров воды и других конденсируемых компонент, и поступает в охлаждаемую камеру 4 с адсорбентом 5. Для полного отделения конденсируемых компонент из откачиваемой смеси поток последней регулируют таким образом, чтобы обеспечить их полную конденсацию. При этом в качестве рабочего параметра используют температуру неконденсируемых откачиваемой смеси, измеряемую термометром 15 на входе в камеру 4 (фиг.2), либо патрубка 10 (фиг.1). The proposed method is implemented using a cryogenic pump as follows. The jacket of the vessel 3 is evacuated, after which it is filled with liquid nitrogen (with valves 12 and 16 closed, valves 17, 18 and 19). After cooling the elements of the cryopump to operating temperature (approximately 80 K) - control by thermometer 15, open valves 16 and 12. In this case, the pumped-out mixture of gases and / or vapors passes through the vacuum wire 2 and the labyrinth channel, being freed from water vapor and other condensable components, and enters the cooled chamber 4 with adsorbent 5. To completely separate the condensable components from the pumped mixture, the flow of the latter is regulated in such a way as to ensure their complete condensation. In this case, the temperature of the non-condensable pumped out mixture, measured by a thermometer 15 at the inlet to the chamber 4 (Fig. 2) or pipe 10 (Fig. 1), is used as an operating parameter.

Во внутренней полости охлаждаемой камеры 4 неконденсируемые компоненты откачиваемой смеси (азот, кислород и другие) сорбируются адсорбентом 5. Процесс откачки вакуумируемого объема осуществляют до получения в нем нужного вакуума, либо до насыщения адсорбента газом. При понижении давления в вакуумируемом объеме увеличивают объемный поток откачиваемой смеси (вплоть до полного открытия клапана 12). Для увеличения пропускной способности крионасоса в области высокого вакуума часть лабиринтного канала (патрубок 16, фиг. 2) целесообразно выполнить из пористого материала. При этом часть откачиваемой смеси проникает через пористый материал (освобождаясь при этом от конденсируемых компонентов) в камеру и с адсорбентом 5, практически минуя полную длину лабиринтного канала. In the internal cavity of the cooled chamber 4, non-condensable components of the pumped mixture (nitrogen, oxygen and others) are adsorbed by the adsorbent 5. The evacuated volume is pumped out until the desired vacuum is obtained in it, or until the adsorbent is saturated with gas. By lowering the pressure in the evacuated volume, the volumetric flow of the pumped mixture is increased (up to the complete opening of valve 12). To increase the throughput of the cryopump in the high vacuum region, it is advisable to make part of the labyrinth channel (pipe 16, Fig. 2) from a porous material. At the same time, part of the pumped-out mixture penetrates through the porous material (being freed from the condensed components) into the chamber and with adsorbent 5, almost bypassing the full length of the labyrinth channel.

После завершения откачки смеси закрывают клапаны 12 и 16 (отделяя при этом камеру 4 с адсорбентом 5 от зоны конденсации) и удаляют остатки жидкого азота из сосуда 3. Отогревают последний до комнатной температуры, что приводит к десорбции газа из адсорбента 5. Отводят десорбированный газ через вентиль 17 наружу крионасоса. After completion of pumping the mixture, valves 12 and 16 are closed (while separating chamber 4 with adsorbent 5 from the condensation zone) and the remaining liquid nitrogen is removed from vessel 3. The latter is warmed to room temperature, which leads to gas desorption from adsorbent 5. The desorbed gas is removed through valve 17 to the outside of the cryopump.

Конденсат (в основном вода) отжимается, стекает вниз и накапливается в нижней части лабиринтного канала, откуда выдавливается наружу крионасоса сжатым газом через патрубок с вентилем 19. После полного и раздельного удаления из крионасоса жидкого конденсата (воды) и отвода десорбированного газа регенерация крионасоса завершена. После повторного захолаживания крионасос готов к работе. Condensate (mainly water) is squeezed out, flows downward and accumulates in the lower part of the labyrinth channel, from where it is squeezed out of the cryopump by compressed gas through the nozzle with valve 19. After the liquid condensate (water) is completely and separately removed from the cryopump and the desorbed gas is removed, the cryopump regeneration is completed. After repeated cooling, the cryopump is ready for operation.

Предотвращение возможности попадания конденсируемых компонентов откачиваемой смеси в зону адсорбции на всех этапах работы крионасоса, включая подготовительные операции (регенерацию), позволяет эффективно защитить адсорбент в крионасосе от загрязнения конденсируемыми компонентами (парами воды). При этом для регенерации адсорбента достаточно отогревать его до комнатной температуры, что существенно уменьшает энергозатраты при эксплуатации крионасоса. Prevention of the possibility of condensed components of the pumped mixture getting into the adsorption zone at all stages of the cryopump operation, including preparatory operations (regeneration), can effectively protect the adsorbent in the cryopump from contamination by condensed components (water vapor). At the same time, to regenerate the adsorbent, it is enough to warm it to room temperature, which significantly reduces energy consumption during operation of the cryopump.

Claims

METHOD FOR PROTECTING AN ADSORBENT IN A CRYON PUMP AND A CRYOGEN PUMP.

1. A method of protecting the adsorbent in a cryopump during evacuation of a mixture of gases and / or vapors, its regeneration and subsequent cooling to the working temperature of the adsorbent from components condensed at the operating temperature of the adsorbent, for example, water vapor, which includes preliminary separation of the latter from the pumped mixture by condensation on the condensing surface, characterized in that, in order to increase the efficiency of protection, before entering the adsorption zone, the flow of the pumped mixture by adjusting it is maintained at providing full condensation from the mixture of condensable components, and before the regeneration of the cryopump, the adsorption zone is hermetically separated from the condensation zone, and they are connected after repeated cooling of the cryopump.

2. The method according to claim 1, characterized in that when adjusting the flow of the pumped mixture, the temperature of the non-condensable components of the pumped mixture before they enter the adsorption zone is used as the operating parameter.

3. A cryogenic pump comprising a housing with a vacuum wire for supplying a pumped mixture of gases and / or vapors, a refrigerant vessel and a cooled chamber with adsorbent located in the housing, characterized in that at least part of the vacuum wire is made in the form of a labyrinth channel and placed in the vessel for the refrigerant, and in the inner cavity of the vacuum wire at the inlet of the chamber with the adsorbent is placed a movable locking and regulating element of the valve, while in the area of the bottom of the vacuum wire there is one end of the pipeline, the other end of which is cut out shut-off valve body displayed.

4. The pump according to claim 3, characterized in that a thermometer is installed at the entrance to the chamber with the adsorbent.