Часть III. ПРАКТИКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

Глава X. ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ

§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ

Современная вакуумная техника в большинстве случаев имеет дело с приборами и установками, в которых рабочее давление составляет Такие давления, как правило, создаются посредством диффузионных пароструйных насосов, в которых подлежащие откачке газы диффундируют в струю паров рабочей жидкости насоса. В дальнейшем при конденсации паров эти газы освобождаются и откачиваются форвакуумным насосом. В качестве рабочей жидкости в диффузионных насосах применяются ртуть (в ртутных пароструйных насосах) либо специальные масла с большим молекулярным весом и низкой упругостью паров (в паромасляных диффузионных насосах). В качестве рабочих жидкостей для паромасляных насосов используются определенные сорта минеральных масел (типа нафтенов), органические масла (например, эфиры некоторых органических кислот) или, наконец, синтетические органические масла и кремнийорганические соединения (полисилоксаны).

В отечественной вакуумной промышленности наибольшее распространение получило вакуумное масло ВМ-1, представляющее тяжелые фракции вазелинового масла, полученного в результате вакуумной дистилляции.

Из практики эксплуатации высоковакуумных откачных устройств известно, что основным фактором, обеспечивающим предельное понижение давления в откачиваемом объеме, является упругость паров используемой в насосе рабочей жидкости. Обычные масла, применяющиеся в паромасляных насосах, позволяют

получить предельный вакуум Дальнейшее понижение давления невозможно из-за наличия в высоковакуумной части системы так называемых остаточных паров.

Источником остаточных паров, ухудшающих вакуум, является в основном пароструйный насос, из которого происходит «вылет» масла, достигающий час. Кроме того, источником остаточных паров могут быть стенки вакуумной камеры и расположенные в ней детали, а также продукты, выделяющиеся в результате проведения рабочих процессов в вакууме.

Кроме ухудшения вакуума, наличие остаточных паров масла весьма вредно сказывается на работе многочисленных вакуумных устройств. Так, например, в ускорителях элементарных частиц наличие паров масла вызывает диффузное рассеяние пучка, загрязняет источники и является причиной возникновения электрических пробоев. В прецизионной вакуумной металлургии лары масла загрязняют получаемый продукт. Мощные генераторные лампы метрового и сантиметрового диапазонов, работающие под постоянной откачкой, при попадании в них паров масла выходят из строя. Даже незначительное количество паров масла, попавшее на оксидный катод в электровакуумных приборах, приводит к потере его эмиссионной способности. В электроннолучевых приборах (электронно-оптические преобразователи, - фотоэлектронные умножители, приемные и передающие телевизионные трубки и др.) попадание паров масла на светочувствительный элемент — фотокатод либо мозаику — приводит к выходу прибора из строя.

Из приведенных примеров видно, насколько актуальной является проблема предотвращения проникновения остаточных ларов масла из диффузионного насоса в откачиваемый объем.

Одним из основных способов улучшения предельного вакуума и значительного уменьшения количества остаточных паров является дополнительная конденсация паров масла посредством охлаждаемой ловушки, расположенной между насосом и откачиваемым объемом. Следует отметить, что охлаждаемые ловушки не являются самостоятельными откачными устройствами. Не влияя на давление большинства газов в вакуумных устройствах, они конденсируют пары и удерживают их на своих рабочих поверхностях.

Понижение упругости паров на поверхностях конденсации ловушки является функцией времени и характеризуется скоростью действия ловушки, которая в свою очередь определяется скоростью конденсации паров на охлажденных поверхностях. Скорость конденсации паров в охлаждаемой ловушке можно с достаточной степенью точности определить по формуле

где скорость конденсации паров ловушкой, молекулярный вес паров конденсирующейся жидкости; давление паров при температуре конденсации, парциальное давление конденсируемых паров при температуре — величина эффективной поверхности конденсации ловушки,

Очевидно, что при повышении температуры поверхностей конденсации ловушки величина будет приближаться к и при скорость конденсации паров в ловушке будет равна нулю.

В настоящее время для охлаждения высоковакуумных ловушек применяются фреоновые компрессионные машины, так называемые рассолы и жидкий азот.

К недостаткам фреоновых ловушек следует отнести относительно высокую их температуру, низкий к. . п. д. системы что является следствием больших тепловых потерь, так как система, содержащая компрессор и испаритель, располагается вне ловушки.

Рассольный метод охлаждения, основанный на явлении понижения температуры при растворении в воде некоторых солей, получил в вакуумной технике незначительное распространение из-за недостаточного охлаждения поверхностей конденсации ловушки и больших эксплуатационных неудобств.

Использование жидкого азота особенно на крупных вакуумных установках с большим количеством мощных насосов сопряжено с рядом неудобств, основными из которых являются: большой расход относительно дефицитного жидкого азота, что требует сооружения специальных, весьма дорогостоящих криогенных станций; наличие сложной системы разводки жидкого азота в которой неизбежны большие потери; сложность аппаратуры контроля уровня азота в ловушках и ряд других.

Опыт эксплуатации многочисленных высоковакуумных устройств показал, что применение жидкого азота для охлаждения вымораживающих ловушек в большинстве случаев не оправдано.

Масс-спектрометрические исследования количества конденсирующихся паров масла в зависимости от температуры показали, что уже при температуре в —40° происходит практически полная конденсация остаточных паров. На рис. 57 приведена масс-спектро-грамма, снятая с помощью омегатрона, установленного на паромасляном насосе типа работающем на тяжелых фракциях вазелинового масл? В масс-спектрограмме зарегистрированы пики водорода, воды, окиси углерода и ряд пиков углеводородов с массовыми числами от 43 до 148, характеризующих пары масла и продукты их разложения (крекинга). Между омегатроном и насосом помещалась ловушка жалюзного типа, температуру которой можно было менять. При температуре на поверхностях конденсации ловушки в —40° интенсивность основных пиков

с массовыми числами 57—148 уменьшалась в 10—30 раз (заштрихованные области на рис. 57). Естественно, что при этой температуре не вымораживались продукты с малыми массовыми числами (2—28). Однако наличие незначительных количеств в остаточных парах не столь опасно, как присутствие тяжелых углеводородов.

Вышеприведенные данные говорят о том, что в подавляющем большинстве случаев охлаждение вымораживающей ловушки до —40—50° вполне удовлетворяет основным требованиям эксплуатации высоковакуумных систем.

Рис. 57. Масс-спекгрограмма остаточных паров масла, прошедших через вакуумную ловушку жалюзного типа. Заштрихованная область — ловушка не охлаждается; незаштрихованная — ловушка охлаждена до

Исходя из этого, описываемые ниже высоковакуумные ловушки с термоэлектрическим охлаждением снабжены двухкаскадной термоэлектрической батареей, обеспечивающей на поверхностях конденсации второго каскада температуру Трехкаскадная термобатарея обеспечивает на поверхностях конденсации третьего каскада температуру —65—70°. Однако усложнение при этом конструкции ловушки является неоправданным, так как эффект конденсации паров оказывается примерно таким же, как и при температуре —50°.

Проникновение масла из насоса в откачиваемый объем может идти двумя путями: либо в виде остаточных паров, несконденсировавшихся в системе охлаждения насоса, либо посредством миграции жидкой фазы масла по внутренним поверхностям стенок вакуумной системы. Если остаточные пары можно достаточно

эффективно задержать охлаждаемой ловушкой, то для предотвращения проникновения в откачиваемый объем мигрирующего по стенкам масла требуются дополнительные устройства. Было предложено много систем антимиграционных устройств, однако все они только замедляли скорость миграции масла, и ни одна из них не позволяла полностью устранить это крайне нежелательное явление. Все известные антимиграционные устройства основаны на искусственном удлинении пути для масла посредством создания на внутренних стенках вакуумной системы ловушки развитых поверхностей — карманов. В одних случаях эти карманы имели температуру стенки, в других искусственно охлаждались водой или жидким азотом.

Рис. 58. Схема устройства антимигратора масла.

При разработке конструкций термоэлектрических охлаждающих ловушек в них был предусмотрен антимигратор нового типа, который основан на использовании материала, не смачивающегося маслом.

Кроме несмачиваемости, материал антимигратора должен был обладать низкой упругостью пара в вакууме. Этим условиям удовлетворяет фторопласт-4 (кристаллический полимер тетрафторэтилена).

Антимигратор, изготовленный из фторопласта-4, представляет собой два кольца 1 к 2 (рис. 58), плотно посаженные в корпус ловушки. Расстояние между фторопластовыми кольцами фиксируется дюралюминиевым кольцом 3. Подобная система, выполненная «в замок», позволяет не только получить развитую поверхность фторопласта, но и исключает возможность напыления ларов масла на внутренние поверхности колец.

Развитие теории и практики термоэлектрического охлаждения позволило в 1957 г. впервые создать выеоковакуумную ловушку с термоэлектрическим охлаждением для паромасляного насоса В последующие годы были разработаны термоэлектрические ловушки для всех выпускаемых отечественной промышленностью диффузионных насосов.

Серийное производство термоэлектрических ловушек ведется с 1960 г.