§ 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛОВУШКИ ДЛЯ ЕДИНОЙ СЕРИИ НАСОСОВ

В период с 1957 по 1964 г. были разработаны высоковакуумные ловушки с термоэлектрическим охлаждением, предназначенные для работы с диффузионными паромасляными насосами так называемой единой серии. К этой серии относятся насосы с производительностями В стадии разработки находится ловушка для насоса с производительностью

Рис. 59. Разрез ловушки для насоса

Все ловушки указанной серии имеют двухкаскадную термоэлектрическую батарею, холодные коллекторы которой являются поверхностями конденсации для паров масла. Съем тепла с горячих спаев термоэлектрической батареи во всех типах ловушки осуществляется проточной водой, подаваемой в ловушку последовательно с системой охлаждения высоковакуумного насоса. Пространственное расположение поверхностей конденсации ловушки образует «жалюзную» систему, обеспечивающую минимум двукратное попадание молекул пара на охлажденную поверхность. Благодаря этому «пролет» масла через ловушку не превышает час. Кроме того, при выборе числа, формы и взаимного расположения поверхностей конденсации учитывалось требование минимального сокращения ловушкой скорости откачки насоса. Многочисленные испытания термоэлектрических ловушек показали, что при температуре на поверхностях конденсации второго каскада —50° предельный вакуум в откачиваемом объеме улучшается на порядка.

Термоэлектрическая ловушка для насоса в разрезе изображена на рис. 59.

Корпус ловушки 1 с фланцами 2 и 3, служащими для присоединения ловушки к насосу и откачиваемому объему, изготовлен из стали. В средней части корпуса имеется кольцевая проточка 4, закрытая кольцом 5, образующая систему съема тепла с ловушки. Вода в рубашку охлаждения подается и сливается через два штуцера 6. Все детали корпуса вакуумноплотно спаяны медью по швам 7.

Одновременно с пайкой медью деталей корпуса ловушки осуществляется горячее меднение внутренней поверхности корпуса. Это необходимо для последующей пайки к корпусу медных деталей и для создания антикоррозионного защитного покрытия. Изнутри к корпусу припоем припаивается медное кольцо 8. Система теплоотвода от термоэлектрической батареи ловушки выполнена еле дующим образом.

Рис. 60. Общий вид ловушки для насоса

Из алюминия марки или изготавливаются бобышки 9, которые электрохимическим путем покрываются тонким (2— 4 мк) слоем окиси алюминия.

Благодаря толщине и хорошей теплопроводности окиси алюминия этот слой обладает незначительным тепловым сопротивлением. Одновременно этот слой является хорошим электроизолятором. Сверху на алюминиевые бобышки чистым оловом напаиваются медные пластинки 10, на которые в дальнейшем монтируется термобатарея. Для создания хорошего теплового контакта между оксидированными бобышками и кольцом 8 последнее заливается специальным сплавом 11 с температурой плавления 140°. Двухкаскадная термоэлектрическая батарея ловушки имеет в первом каскаде 6 термоэлементов, параллельно с которыми соединены 3 термоэлемента второго каскада.

Полупроводники первого каскада 12 припоем с температурой плавления 90° напаиваются на теплоотводящие элементы. Коллекторы холодных спаев первого каскада выполнены из медных сегментов 13, к внутренней поверхности которых припоем припаиваются поверхности конденсации 14.

Полупроводники второго каскада 15 припаяны сплавом Вуда к коллекторам холодных спаев первого каскада. К трем сегментообразным деталям 16 припаяны поверхности конденсации второго каскада 17. Количество поверхностей конденсации в первом и

втором каскадах и их взаимное пространственное расположение выбраны с учетом того, чтобы молекула пара масла претерпела минимум двукратное отражение от охлажденных поверхностей и, кроме того, чтобы ловушка обладала максимальной проводимостью. При выбранной системе поверхностей конденсации сопротивление откачки, оказываемое ловушкой, равно 60%. Питание термоэлектрической батареи осуществляется через вакуумноплотный ввод, состоящий из впаянного в корпус медью коварового стаканчика 18, в который через стекло 19 впаян молибденовый электрод 20. Второй конец питания ловушки выведен на корпус. Для исключения проникновения масла через центральную область ловушки служит маслоотражатель 21.

Рис. 61. Разрез ловушки для насоса

Общий вид ловушки приведен на рис. 60.

Для насоса было разработано три конструктивных варианта термоэлектрических ловушек. Они соответственно получили обозначения Ловушка имеет секторообразную систему поверхностей конденсации, смонтированных на первом и втором каскадах термоэлектрической батареи. Система теплоотвода и другие конструктивные элементы ловушки аналогичны ловушке типа описанной выше. Второй конструктивный вариант ловушки имеет двухрядную жалюзную систему поверхностей конденсации и жидкостную систему теплоотвода, расположенную в вакуумной полости ловушки. И, наконец, третий вариант был разработан с целью максимального сокращения сопротивления скорости откачки ловушки. Для этого корпус ловушки имел бочкообразную форму с большим проходным сечением в области расположения термобатареи. В серийное производство была передана ловушка типа

Разрез этой ловушки представлен на рис. 61. В стальной корпус ловушки припоем вакуумноплотно впаян

теплоотводящий узел 1, изготовленный из бескислородной меди марки По внутренним каналам, выполненным в этом узле, протекает вода, снимающая тепло с горячих спаев термоэлектрической батареи ловушки. Подвод и слив воды производятся через штуцера 2. Термоэлементы первого каскада 3 припаиваются к теплоотводящему основанию через электроизо-лированные теплопереходы 4.

Рис. 62. Общий вид ловушки для иасоса

Второй каскад термоэлементов 5 напаивается на термоэлементы первого каскада. Поверхности конденсации первого 6 и второго 7 каскадов термобатареи ловушки образуют «жалюзную» двухпролетную систему, обеспечивающую практически полную конденсацию остаточных паров масла при относительно малом сокращении скорости откачки насоса.

Присоединение ловушки к насосу и откачиваемому объему производится через основание 8 и фланец 9. Питание термобатареи ловушки выведено на корпус и вакуумноплотный токоподвод, состоящий из коварового стаканчика 10 и впаянного в него через стекло 11 коварового ввода 12. Все стальные, медные и коваровые узлы ловушки спаяны вакуумноплотно медью и серебряно-медными припоями в водородной печи.

Общий вид ловушки приведен на рис. 62.

Испытания ловушки показали, что минимальная температура на поверхностях конденсации второго каскада ловушки устанавливается через 55 мин. после включения, причем понижение температуры происходит не линейно со временем. Это относится ко всем типам термоэлектрических вакуумных ловушек.

Скорость понижения температуры на поверхностях конденсации второго каскада ловушки приведена на рис. 63.

Рис. 63. Скорость понижения температуры на поверхностях конденсации второго каскада ловушки

На рис. 64 приведен разрез ловушки типа для насоса

К стальному корпусу 1 приварены стальные фланцы 2 и 3, служащие для присоединения ловушки к насосу и откачиваемому объему. В корпус ловушки вваривается система теплосъема, представляющая собой стальной вкладыш 4 с двумя каналами для прохождения воды, снимающей тепло с горячих спаев термобатареи. Термоэлементы первого каскада 5 через гофрированные теплопереходы 6 припаиваются к теплоотводящему основанию. Коллекторы холодных спаев 7 несут на себе расположенные под углом 45° к оси поверхности конденсации 8, которые имеют температуру —26°.

Рис. 64. Разрез ловушки для насоса

Термоэлементы второго каскада 9 припаиваются к коллекторам холодного спая первого каскада, при этом электрическое питание второго каскада термобатареи осуществляется параллельно питанию первого каскада. Термоэлементы второго каскада несут на себе коллекторы холодных спаев 10, снабженные поверхностями конденсации 11, расположенными под углом 90° к поверхностям конденсации первого каскада. На поверхностях конденсации второго каскада, как указывалось выше, температура достигает —50—52°.

Электрическое питание термоэлектрической батареи осуществляется через вакуумноплотный ввод 12. Второй полюс питания термобатареи выведен на корпус - ловушки. Вода в системе теплосъема подается через два штуцера 13.

Общий вид ловушки представлен на рис. 65.

Ловушки для более мощных насосов (начиная с насоса конструктивно отличались от описанных ловушек. Эти отличия сводились к следующему.

1. В результате значительной тепловой нагрузки на поверхности конденсации первого каскада, приносимой парами масла, в ловушке был предусмотрен еще один ряд поверхностей конденсации, смонтированный непосредственно на теплоотводящих основаниях и соответственно имеющий температуру воды в системе теплосъема. Таким образом, эта система поверхностей конденсации принимала на себя основную тепловую нагрузку, снижая тем самым нагрузку на термоэлектрическую батарею.

2. Скорость «откачки ловушки» определяется объемом пара, конденсирующегося в ней за 1 сек., поэтому было предусмотрено увеличение эффективной площади ловушки, т. е. развитие поверхностей конденсации.

Рис. 65. Общий вид ловушки для насоса

В связи с этим корпуса ловушек имеют увеличенную площадь сечения без изменения присоединительных размеров. В результате этого, несмотря на наличие трехрядной системы поверхностей конденсации (азотная ловушка имеет всего один ряд поверхностей конденсации), сопротивление откачки у термоэлектрических ловушек оказалось меньшим, чем у соответствующих им азотных ловушек.

В последнее время для насосов (начиная с разработаны и изготовлены образцы разборных ловушек, у которых термоэлектрическая батарея вместе с системой поверхностей конденсации может выниматься из корпуса ловушки. Такое конструктивное решение облегчает разборку ловушки для периодической чистки от сконденсировавшегося масла, так как не требует демонтажа ловушки из вакуумной системы.

На рис. 66 приведен разрез разборной ловушки типа для насоса Здесь термоэлектрическая батарея вместе с системой электропитания и теплоотвода представляет собой

Таблица 17 (см. скан) Предельный вакуум на агрегатах, полученный с термоэлектрическими и азотными ловушками

Таблица 18 (см. скан) Скорости откачки вакуумных агрегатов с термоэлектрическими и азотными ловушками

самостоятельный конструктивный узел, который вставляется в корпус и уплотняется в нем на вакуум по поверхности бокового фланца корпуса. Ловушки для насосов отличаются друг от друга количеством термоэлементов в термобатарее, режимами питания и габаритами.

На рис. 67 приведен общий вид разборной ловушки для насоса установленной для испытаний на откачном агрегате

Данные сравнительных испытаний термоэлектрических и азотных ловушек на предельный вакуум и скорости откачки 3 приведены в табл. 17, 18. Эти испытания показали, что предельный вакуум, полученный на агрегатах с термоэлектрическими ловушками, не хуже, чем с ловушками, охлаждаемыми жидким азотом,

(кликните для просмотра скана)

а скорость откачки агрегатов, снабженных термоэлектрическими лцвушками несколько выше, чем с азотными ловушками. В качестве источника питания термоэлектрических ловушек может быть использован селеновый выпрямитель (например, либо выпрямитель с сильноточными германиевыми диодами, обеспечивающий требуемые параметры.

Рис. 67. Общий вид разборной ловушки для насоса

Для предотвращения проникновения паров масла из форвакуумной магистрали в высоковакуумный насос была разработана термоэлектрическая разборная форвакуумная ловушка Общий вид ловушки приведен на рис. 68.