RU2187695C2

RU2187695C2 - Adsorption pump

Info

Publication number: RU2187695C2
Application number: RU2000126943/06A
Authority: RU
Inventors: В.И. Гореликов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им.С.П.Королева"
Priority date: 2000-10-26
Filing date: 2000-10-26
Publication date: 2002-08-20

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: invention relates to adsorption pumps designed for maintaining vacuum by absorbing molecules of gases from closed spaces. Proposed adsorption pump has heat-insulated double-walled vessel with cooling agent and adsorbent secured on inner wall of vessel. Pump accommodates central capsule with adsorbent provided with outer jacket and ribs made of capillary-porous material, for instance, capillary-porous fluoroplastic. Ribs are made in form of radial vanes of curvilinear profile and are uniformly spaced in inner space of vessel being in contact with inner wall of vessel. Inner of capsule communicates with inter-wall space, for instance, through perforated covers. Heat insulation is placed in inter-wall space. Outer jacket has electric heater made in form of current-carrying core arranged inside non-conducting capillary-porous material. EFFECT: improved evacuation properties owing to provision of stabilization of cooling and increased efficiency of regeneration of adsorbent. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, а более конкретно к устройству адсорбционных насосов, предназначенных для поддержания вакуума путем поглощения молекул газов из замкнутых объемов. The invention relates to the field of cryogenic technology, and more particularly to a device for adsorption pumps designed to maintain a vacuum by absorbing gas molecules from closed volumes.

Известен адсорбционный насос (см. , например, Е.И.Микулин. Криогенная техника. М. : Машиностроение, 1969 г.), содержащий адсорбент, заключенный в перфорированную оболочку и закрепленный на холодной стенке криогенных устройств. Такой адсорбционный насос выполняется в виде самостоятельного кассетного или капсульного устройства, пристыковываемого к охлаждаемой хладагентом стенке холодильной машины, аппарата или емкости. Адсорбент в известном устройстве плохо защищен от внешних теплопритоков и имеет малоэффективное охлаждение, что отрицательно сказывается на его работоспособности. A known adsorption pump (see, for example, E.I. Mikulin. Cryogenic technology. M.: Engineering, 1969), containing an adsorbent enclosed in a perforated shell and mounted on a cold wall of cryogenic devices. Such an adsorption pump is made in the form of an independent cassette or capsule device, docked to the wall of the refrigerating machine, apparatus or container cooled by the refrigerant. The adsorbent in the known device is poorly protected from external heat influx and has ineffective cooling, which negatively affects its performance.

Недостатком такого адсорбционного насоса является низкая эффективность работы из-за малоэффективного охлаждения. The disadvantage of this adsorption pump is its low efficiency due to inefficient cooling.

Известен также адсорбционный насос (см., например, а.с. СССР 827835, кл. F 04 В 37/02, 1981 г.), выбранный в качестве прототипа. Данный адсорбционный насос содержит теплоизолированный сосуд с хладагентом и адсорбент, закрепленный на внутренней стенке сосуда. Адсорбент, например активированный древесный уголь, размещен в межстенной полости с обеспечением теплового контакта с внешней поверхностью внутренней стенки сосуда и имеет охлаждение от контакта с охлаждаемым экраном и с внутренней стенкой сосуда, заполненного криогенным продуктом, например жидким азотом. Also known is an adsorption pump (see, for example, AS USSR 827835, class F 04 B 37/02, 1981), selected as a prototype. This adsorption pump contains a thermally insulated vessel with refrigerant and an adsorbent mounted on the inner wall of the vessel. An adsorbent, for example activated charcoal, is placed in the interstitial cavity to provide thermal contact with the outer surface of the inner wall of the vessel and is cooled by contact with the cooled screen and the inner wall of the vessel filled with a cryogenic product, for example liquid nitrogen.

Адсорбент в данном устройстве подвергается воздействию теплопритоков из окружающей среды со стороны внешней стенки сосуда, а также охлаждается газовой фазой испаряющегося криогенного продукта, имеющей температуру более высокую, чем криогенная жидкость, что значительно ухудшает эффективность работы адсорбента. Кроме того, регенерация адсорбента производится малоэффективным способом нагрева - прокачкой теплого воздуха через внутреннюю полость сосуда. The adsorbent in this device is exposed to heat influx from the environment from the side of the outer wall of the vessel, and is also cooled by the gas phase of the evaporating cryogenic product, which has a temperature higher than the cryogenic liquid, which significantly affects the efficiency of the adsorbent. In addition, the regeneration of the adsorbent is performed by an ineffective heating method — by pumping warm air through the internal cavity of the vessel.

Недостатком известного адсорбционного насоса являются низкие откачные характеристики насоса из-за малоэффективных регенерации и охлаждения адсорбента. A disadvantage of the known adsorption pump is the low pumping characteristics of the pump due to inefficient regeneration and cooling of the adsorbent.

Задачей настоящего изобретения является создание адсорбционного насоса, который обладал бы повышенными откачными характеристиками за счет обеспечения стабилизации охлаждения и повышения эффективности регенерации адсорбента. The present invention is the creation of an adsorption pump, which would have improved pumping characteristics by ensuring stabilization of cooling and increasing the efficiency of regeneration of the adsorbent.

Это достигается тем, что в адсорбционном насосе адсорбент имеет стабильное охлаждение при температуре криогенной жидкости, обеспечиваемое использованием капиллярно-пористого материала, который за счет капиллярных свойств создает постоянное насыщение рубашки жидким криогенным продуктом и обеспечивает подвод его к стенкам капсулы и сосуда, а нагрев при регенерации адсорбента производят электронагревателем, размещенным на капсуле. This is achieved by the fact that in the adsorption pump the adsorbent has stable cooling at the temperature of the cryogenic liquid, provided by the use of a capillary-porous material, which due to capillary properties creates a constant saturation of the shirt with a liquid cryogenic product and ensures its supply to the walls of the capsule and vessel, and heating during regeneration the adsorbent is produced by an electric heater placed on the capsule.

Сущность изобретения заключается в том, что в адсорбционном насосе, содержащем теплоизолированный двухстенный сосуд с хладагентом и адсорбент, закрепленный на внутренней стенке сосуда, установлена центральная капсула с адсорбентом, снабженная внешней рубашкой и ребрами, выполненными из капиллярно-пористого материала, при этом ребра изготовлены в виде радиальных лопастей с криволинейным профилем, расположены равномерно во внутренней полости сосуда и соприкасаются с внутренней стенкой сосуда, а внутренняя полость капсулы сообщена с межстенной полостью сосуда, причем внешняя рубашка снабжена электронагревателем, выполненным в виде токопроводящей жилы, расположенной в среде неэлектропроводного капиллярно-пористого материала. The essence of the invention lies in the fact that in the adsorption pump containing a thermally insulated double-walled vessel with refrigerant and adsorbent mounted on the inner wall of the vessel, a central capsule with adsorbent is installed, equipped with an external jacket and ribs made of capillary-porous material, while the ribs are made in in the form of radial blades with a curved profile, are evenly located in the inner cavity of the vessel and are in contact with the inner wall of the vessel, and the inner cavity of the capsule is in communication with zhstennoy cavity vessel, wherein the outer jacket is provided with an electric heater embodied as a conductor disposed in the medium nonconductive capillary-porous material.

Технический результат в части установки центральной капсулы с адсорбентом, снабженной внешней рубашкой и ребрами, выполненными из капиллярно-пористого материала, сообщение внутренней полости капсулы с межстенной полостью и снабжение электронагревателем, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов адсорбционного насоса обеспечивает откачные характеристики за счет стабилизации охлаждения адсорбента, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения. The technical result in terms of installing a central capsule with an adsorbent provided with an external jacket and ribs made of capillary-porous material, communication of the internal cavity of the capsule with an interstitial cavity and supply of an electric heater, as well as the mutual structural connection of all the constituent elements of the adsorption pump provides pumping characteristics due to stabilization adsorbent cooling, which is confirmed by tests of prototypes made using the proposed technical solution .

Использование предлагаемого устройства адсорбционного насоса для поддержания вакуума в замкнутых объемах, например в теплоизоляционных полостях криогенных емкостей при длительном хранении криогенных продуктов, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения повышенных откачных характеристик путем стабилизации охлаждения адсорбента. The use of the proposed adsorption pump device to maintain vacuum in confined spaces, for example, in heat-insulating cavities of cryogenic containers during long-term storage of cryogenic products, will allow a significant economic effect by providing increased pumping characteristics by stabilizing the cooling of the adsorbent.

На фиг.1 изображен общий вид адсорционного насоса. Figure 1 shows a General view of the adsorption pump.

На фиг.2 изображен вид по сечению А-А на фиг.1. Figure 2 shows a view along section aa in figure 1.

Предлагаемый адсорбционный насос состоит из теплоизолированного двухстенного сосуда 1 с хладагентом 2 и адсорбента 3, закрепленного на внутренней стенке 4 сосуда 1. В насосе установлена центральная капсула 5 с адсорбентом 6, снабженная внешней рубашкой 7 и ребрами 8, выполненными из капиллярно-пористого материала, например из капиллярно-пористого фторопласта. The proposed adsorption pump consists of a heat-insulated double-walled vessel 1 with refrigerant 2 and adsorbent 3, mounted on the inner wall 4 of vessel 1. The pump has a central capsule 5 with adsorbent 6, equipped with an outer jacket 7 and ribs 8 made of capillary-porous material, for example from capillary-porous fluoroplastic.

Ребра 8 изготовлены в виде радиальных лопастей 9 с криволинейным профилем 10, расположены равномерно во внутренней полости 11 сосуда 1 и соприкасаются с внутренней стенкой 4 сосуда 1. Внутренняя полость 12 капсулы 5 сообщена с межстенной полостью 13, например, посредством перфорированных крышек 14. В качестве адсорбентов 3 и 6 применяют, например, активированный древесный уголь, цеолит марки СаЕ и др. Сосуд 1 содержит теплоизоляцию 15, размещенную в межстенной полости 13. The ribs 8 are made in the form of radial blades 9 with a curved profile 10, are evenly located in the inner cavity 11 of the vessel 1 and are in contact with the inner wall 4 of the vessel 1. The inner cavity 12 of the capsule 5 is in communication with the interwall cavity 13, for example, through perforated covers 14. As Adsorbents 3 and 6 are used, for example, activated charcoal, CaE brand zeolite, etc. The vessel 1 contains thermal insulation 15 located in the interwall cavity 13.

Внешняя рубашка 7 снабжена электронагревателем 16, выполненным в виде токопроводящей жилы, расположенной в среде неэлектропроводного капиллярно-пористого материала 17, например капиллярно-пористого фторопласта. Насос снабжен трубопроводами заправочным 18 и дренажным 19, патрубком 20 с клапаном вакуумирования 21. The outer jacket 7 is equipped with an electric heater 16, made in the form of a conductive core, located in the environment of non-conductive capillary-porous material 17, for example, capillary-porous fluoroplastic. The pump is equipped with refueling pipelines 18 and drainage 19, a pipe 20 with a vacuum valve 21.

Работает адсорбционный насос следующим образом. The adsorption pump operates as follows.

Хладагент 2, например жидкий азот, заливают посредством заправочного трубопровода 18 во внутреннюю полость 11 сосуда 1, в результате чего первоначально происходит захолаживание адсорбционного насоса с последующим заполнением внутренней полости 11 до заданного уровня. Испаряющийся азот отводят через дренажный трубопровод 19. Адсорбенты 3 и 6, размещенные соответственно на внутренней стенке 4 и во внутренней полости 12 капсулы 5, при охлаждении включаются в работу и чем лучше организовано охлаждение, тем эффективнее работа адсорбентов 3, 6. Охлаждаясь до температуры жидкого азота, адсорбенты 3 и 6 поглощают молекулы газов из межстенной полости 13 и тем самым повышают и поддерживают вакуум порядка 1•10^-4 мм рт.ст. в межстенной полости 13, в которой размещена теплоизоляция 15, например экранно-вакуумная теплоизоляция, эффективно работающая при вакууме порядка 1•10^-4 мм рт.ст.The refrigerant 2, for example liquid nitrogen, is filled by means of a filling pipe 18 into the internal cavity 11 of the vessel 1, as a result of which the adsorption pump is cooled down first and then the internal cavity 11 is filled to a predetermined level. Evaporating nitrogen is discharged through the drainage pipe 19. Adsorbents 3 and 6, placed respectively on the inner wall 4 and in the inner cavity 12 of the capsule 5, are switched on during cooling and the better cooling is organized, the more efficient the adsorbents 3, 6 are. When cooled to liquid temperature nitrogen, adsorbents 3 and 6 absorb gas molecules from the interstitial cavity 13 and thereby increase and maintain a vacuum of the order of 1 • 10 ^-4 mm Hg. in the inter-wall cavity 13, in which the thermal insulation 15 is placed, for example, screen-vacuum thermal insulation, which effectively works under a vacuum of the order of 1 • 10 ^-4 mm Hg.

При высоком вакууме и высокоэффективной работе теплоизоляции 15 теплопритоки извне к жидкому азоту снижаются до минимума, что обеспечивает длительное хранение жидкого азота, а следовательно, и длительную работу адсорбционного насоса. Посредством патрубка 20 и вакуумного клапана 21 адсорбционный насос подсоединяют к откачиваемому объему. With a high vacuum and a highly efficient operation of thermal insulation 15, heat influx from the outside to liquid nitrogen is reduced to a minimum, which ensures long-term storage of liquid nitrogen, and hence the long-term operation of the adsorption pump. Through the pipe 20 and the vacuum valve 21, the adsorption pump is connected to the pumped volume.

Установка капсулы 5 с адсорбентом 6 в центре сосуда 1 и сообщение полости 12 капсулы 5 с межстенной полостью 13 обеспечивает постоянное охлаждение адсорбента 6 жидким азотом и эффективную работу адсорбента 6 при температуре жидкого азота. Кроме того, выполнение ребер 8 и внешней рубашки 7 из капиллярно-пористого материала позволяет за счет капиллярных свойств этого материала обеспечивать постоянную подпитку и насыщение жидким азотом внешней рубашки 7 и ребер 8 вплоть до полного испарения жидкого азота из сосуда 1. Соприкосновение ребер 8 с внутренней стенкой 4 сосуда 1 и изготовление их в виде радиальных лопастей 9 с криволинейным профилем 10, равномерно расположенных во внутренней полости 11 сосуда 1, обеспечивает равномерное распределение и подвод жидкого азота как к внешней рубашке 7 капсулы 5, так и к внутренней стенке 4, на которой закреплен адсорбент 3. The installation of the capsule 5 with adsorbent 6 in the center of the vessel 1 and the communication of the cavity 12 of the capsule 5 with the interwall cavity 13 provides constant cooling of the adsorbent 6 with liquid nitrogen and the effective operation of the adsorbent 6 at the temperature of liquid nitrogen. In addition, the implementation of the ribs 8 and the outer jacket 7 of a capillary-porous material allows, due to the capillary properties of this material, to ensure constant feeding and saturation with liquid nitrogen of the outer jacket 7 and the ribs 8 until the complete evaporation of liquid nitrogen from the vessel 1. The contact of the ribs 8 with the inner the wall 4 of the vessel 1 and their manufacture in the form of radial blades 9 with a curved profile 10, evenly spaced in the inner cavity 11 of the vessel 1, provides a uniform distribution and supply of liquid nitrogen as external ubashke 7 of the capsule 5 and the inner wall 4 on which is fixed adsorbent 3.

Для восстановления эффективной работы адсорбционного насоса (эффективного поглощения молекул газа) периодически производят регенерацию адсорбентов 3, 6, для чего в освобожденном от жидкого азота адсорбционном насосе включают электронагреватель 16 и одновременно производят вакуумирование межстенной полости 13 через патрубок 20 и клапан вакуумирования 21, например, вакуумным механическим насосом. To restore the effective operation of the adsorption pump (effective absorption of gas molecules), adsorbents 3, 6 are periodically regenerated, for which an electric heater 16 is turned on in the adsorption pump freed from liquid nitrogen and at the same time the interstitial cavity 13 is evacuated through the pipe 20 and the vacuum valve 21, for example, by a vacuum mechanical pump.

В процессе регенерации адсорбентов 3, 6 их нагревают посредством электронагревателя 16 до температуры порядка 120^oС. По окончании регенерации адсорбентов 3, 6 клапан вакуумирования 21 закрывают и отстыковывают вакуумный насос.During the regeneration of adsorbents 3, 6, they are heated by means of an electric heater 16 to a temperature of the order of 120 ^o C. At the end of the regeneration of adsorbents 3, 6, the vacuum valve 21 is closed and the vacuum pump is undocked.

Таким образом, предлагаемое конструктивное исполнение адсорбционного насоса за счет стабилизации охлаждения адсорбента 3, 6 при эксплуатации, а также за счет повышения эффективности регенерации адсорбентов 3, 6 при их периодическом очищении и восстановлении работоспособности обеспечивает улучшение откачных характеристик насоса, что позволяет выполнить поставленную задачу. Thus, the proposed design of the adsorption pump by stabilizing the cooling of the adsorbent 3, 6 during operation, as well as by increasing the efficiency of regeneration of the adsorbents 3, 6 during their periodic cleaning and restoration of operability, improves the pumping characteristics of the pump, which allows to achieve the task.

Claims

An adsorption pump containing a thermally insulated double-walled vessel with refrigerant and an adsorbent mounted on the inner wall of the vessel, characterized in that a central capsule with adsorbent is installed in it, equipped with an external jacket and ribs made of capillary-porous material, while the ribs are made in the form of radial the blades with a curved profile, are evenly located in the inner cavity of the vessel and are in contact with the inner wall of the vessel, and the inner cavity of the capsule is in communication with the interstitial cavity Osuda, wherein the outer jacket is provided with an electric heater embodied as a conductor disposed in the medium of capillary-porous material.