Роторный осевой насос для использования преимущественно в кристаллизационных установках

Роторный осевой насос для использования преимущественно в кристаллизационных установках

Реферат

Изобретение относится к элементам устройств для выращивания кристаллов из растворов и может быть использовано при скоростном выращивании профилированных кристаллов, например КН₂РО₄, KD₂PO₄, Ва(NO₃)₂ и др.

При выращивании кристаллов из растворов необходимо создать достаточно мощный и однородный поток пересыщенного раствора на растущие грани кристалла для обеспечения их питания. При традиционных методах роста это обеспечивается за счет относительно медленного (до ˜50 об/мин) реверсивного вращения кристалла. При скоростном методе роста всеми гранями используется быстрое вращение кристалла, однако, это не всегда позволяет достичь равномерного питания растущего кристалла.

Попытка устранения указанного недостатка предпринята в кристаллизаторе (пат. RU 2165486, М. кл. 7 С30В 7/00, С30В 29/14, С30В 29/10, публ. 2001 г.), в котором обеспечивается равномерное и интенсивное перемешивание раствора. Такой кристаллизатор содержит термостат, емкость для выращивания кристалла из пересыщенного раствора, внутри которой размещен кристаллоносец, симметрично и жестко соединенный с осью кристаллизатора. Кристаллоносец, выполненный в виде жестко соединенных кронштейна, стоек и платформы для размещения кристалла, снабжен центральным осевым отверстием, расположенным со стороны платформы, и системой отходящих от него радиальных каналов, которые при быстром вращении кристалла работают как насос, и создают дополнительный приток раствора к растущим граням кристалла. Описанная конструкция достаточно работоспособна при небольших объемах кристаллизатора (до 5 л), при увеличении объемов кристаллизатора эффективность перемешивания раствора снижается. Предложенное устройство не может обеспечить оптимальных гидродинамических режимов при выращивании кристалла во всем диапазоне изменяющихся габаритов кристалла (от ˜1 до ˜50 см в поперечнике) и не может быть применено в установках скоростного выращивания профилированных кристаллов. Кроме того, устройство содержит большое количество сложных, имеющих полости в виде каналов деталей, которые не могут быть выполнены без склеек, винтовых соединений и щелей. Это резко повышает вероятность образования паразитных кристаллов и возникновения массовой кристаллизации.

Широко известна конструкция устройства для выращивания кристаллов из раствора скоростным способом, содержащая герметичный кристаллизатор с раствором, внутри которого установлены камера роста с затравочным кристаллом и погружной насос с питателем, выходные сопла которого направлены на растущую грань кристалла и, периодически перемещаясь вдоль этой грани, осуществляют подачу раствора к ней (авт. свидетельство SU 1342056, публ. 10.12.1996, МПК С30В 7/00; Беспалов В.И. и др. "Скоростное выращивание водорастворимых кристаллов и проблемы создания большеапертутных преобразователей частоты света", Изв. АН СССР, т.51, № 8, 1987 г., стр.1354-1360; V.I.Bespalov, V.I.Bredikhin, V.P.Ershov et al. Gained experience in production of wide-aperture optical elements using KPD, DKPD crystals rapid growth technology, Proc. of SPIE, v.4424 124-127, 2001). В таких установках в качестве погружного насоса используется полуосевая центробежная помпа, выполненная из оргстекла или тефлона, корпус которой состоит из нескольких деталей, скрепляемых между собой резьбовыми соединениями. Ротор насоса также содержит несколько деталей, его винт изготавливается путем наклеивания лопастей на основу, прикрепляемую к оси. Основным недостатком данного устройства является высокая вероятность спонтанной кристаллизации, что не обеспечивает стабильности процесса выращивания кристаллов. Образование паразитных кристаллов в процессе роста вызвано большим количеством деталей и, соответственно, наличием мест их соединений.

Для более эффективного преобразования центробежного движения раствора в направленный поток разработан осевой центробежный насос, использованный в кристаллизационной установке (Laser Program Annual Report of Lawrence Livermore National Laboratory 85, November 1986, editors: M.Louise Rufer, Peter W.Murphy, p.p.7-61-7-67; UCRL-50021-85). Насос выполнен из полипропилена и полисульфона и состоит из статора, включающего основную часть корпуса, содержащую впускные окна, и нижнюю часть корпуса, содержащую питатель с выходными направляющими соплами. К корпусу прикрепляются статорные лопатки и направляющий конус, которые устраняют нежелательную турбулентность раствора и преобразуют его центробежное движение в нисходящий осевой поток. Внутри корпуса располагается ротор, изготовленный в виде многолопастного разборного винта, закрепленного на оси. Использованный в установке насос выбран в качестве прототипа. Основным недостатком насоса-прототипа является достаточно высокая вероятность образования паразитных кристаллов, что приводит к нарушению или даже срыву процесса выращивания. Источниками образования паразитных кристаллов являются образующиеся в местах соединения деталей насоса многочисленные щели и стыки, в которых в процессе роста кристалла застаивается раствор.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка конструкции насоса для кристаллизационных установок, обеспечивающего устойчивость процесса выращивания кристаллов за счет устранения источников спонтанной кристаллизации при сохранении достаточной производительности.

Указанный технический результат достигается тем, что разработанный насос, так же, как и устройство-прототип, содержит ротор и корпус (статор), снабженный впускными окнами, входными и выходными спрямляющими сепараторами, и выходной конец корпуса снабжен, по крайней мере, одним направляющим соплом.

Новым в разработанном устройстве является то, что корпус насоса изготавливается как единая неразборная деталь с сепараторами в виде радиальных пластин, а ротор содержит не более двух деталей, изготовленных из химически стойкого материала, при этом количество и размер лопастей винта ротора выполнены соответствующими размерам ячеек входного сепаратора корпуса.

Целесообразно при выполнении насоса для изготовления корпуса использовать кварцевое стекло как материал химически стойкий и удобный для обработки. Используя, например, горячую сварку, можно изготовить весь корпус насоса в виде единой детали, без стыков и щелей, чем обеспечивается основной заявленный технический результат.

В частном случае ротор насоса целесообразно изготавливать в виде единой детали, представляющей собой многолопастной винт, расположенный на оси.

В другом частном случае в целях экономии материала ротор насоса целесообразно выполнять в виде двух отдельно изготовленных и соединенных между собой деталей: винта и оси.

При изготовлении насоса целесообразно ротор выполнять из наиболее химически стойкого в данном растворе материала, например фторопласта или углепластика.

При изготовлении ротора насоса целесообразно армировать ось из химически стойкого материала несущим металлическим стержнем, не имеющим контакта с раствором, что помимо основного заявленного результата позволяет сделать конструкцию насоса более прочной.

В частном случае целесообразно для увеличения предельной мощности насоса установить на наружной стороне корпуса «зонтик» в виде достаточно широкого кольца, расположенного ниже уровня раствора, но выше верхнего края впускных окон. Наличие такого «зонтика» позволяет исключить появление в растворе нежелательных пузырьков воздуха, которые образуются при всасывании раствора с поверхности при достижении некоторой скорости вращения.

Технический результат - устранение в процессе выращивания источников образования паразитных кристаллов, т.е. повышение стабильности процесса выращивания при сохранении требуемой производительности, достигается в разработанном устройстве за счет устранения соединений и стыков между деталями путем минимизации числа деталей, из которых изготавливается погружной насос. Новая конструкция предложенного насоса позволяет уменьшить количество деталей насоса до трех (вариант по п.4) или до двух (вариант по п.3) сборочных узлов, что также упрощает сборку конструкции и ее подготовку к каждому новому циклу роста кристаллов.

На чертеже показан пример выполнения насоса в соответствии с п.1, размещенного в кристаллизаторе (вертикальный разрез в плоскости, проходящей через ось насоса).

Роторный осевой насос, используемый для выращивания кристаллов из растворов, представленный на чертеже, содержит корпус 1, выполненный в виде цилиндрической трубы, в котором расположены впускные окна 2. Радиальные пластины входного 3 и выходного 4 спрямляющих сепараторов прикрепляются к внутренней поверхности корпуса 1, а к его выходному торцу прикрепляются направляющие раствор сопла 5. Противоположный торец корпуса 1 снабжен фланцем 6, за который с помощью прокладки 7 и прижимного кольца 8 корпус 1 крепится болтами 9 к крышке 10 кристаллизатора 11. Внутри корпуса 1 насоса располагается ротор в виде многозаходного винта 12 на оси 13, которая соединяется с приводом 14, расположенным на крышке 10 кристаллизатора 11. Винт 12 ротора насоса располагается между пластинами входного 3 и выходного 4 спрямляющего сепараторов, а количество и размеры лопастей винта 12 выполнены соответствующими размерам секций между пластинами входного сепаратора 3. Осевой насос располагается в кристаллизаторе 11 и погружен в раствор 15 таким образом, что впускные окна 2 расположены ниже уровня раствора 15.

Ось 13 ротора может быть армирована изнутри несущим металлическим стержнем 16, не имеющим контакта с раствором 15.

К наружной стороне корпуса 1 ниже уровня раствора 15, но выше впускных окон 2 может быть прикреплен «зонтик» 17 в виде кольца.

Корпус 1 разработанного насоса может быть изготовлен из кварцевой трубы, радиальные пластины сепараторов 3 и 4, а также сопла 5 изготовлены из того же материала и прикрепляются к корпусу 1 с помощью горячей сварки.

Дополнительная прочность конструкции ротора обеспечивается за счет металлического стержня 15, изготовленного, например, из титана или нержавеющей стали, которым армируется изнутри ось 13.

«Зонтик» 17 также может быть изготовлен из кварцевого стекла и крепится на внешней стороне корпуса 1 с помощью горячей сварки.

В примере конкретной реализации при выращивании кристалла КДР сечением 80×80 мм высотой до 75 мм в качестве кристаллизатора 11 используется стеклянный цилиндрический стакан, изготовленный из пирекса, объемом 10 л. В качестве корпуса 1 насоса используется кварцевая труба с внутренним диаметром 61 мм, подача раствора на растущий кристалл осуществляется с помощью выходного сопла 5 сечением 70×12 мм и длиной 60 мм. Входной сепаратор 3 содержит две радиальные пластины размером в плоскости оси кристаллизатора 20×20 мм, расположенные вертикально на внутренней стенке корпуса 1 диаметрально противоположно друг другу. Выходной сепаратор 4 содержит четыре радиальные пластины размером в плоскости оси кристаллизатора 20×20 мм, расположенные равномерно через 90° одна от другой на внутренней стенке корпуса 1 под винтом 12. Пластины сепараторов 3 и 4, а также «зонтик» 17 в виде кольца с наружным диаметром 120 мм прикреплены к корпусу 1 насоса методом горячей сварки, так что они составляют с корпусом 1 единую деталь. В разработанном устройстве в качестве ротора использован шестилопастной винт 12 диаметром 57 мм, изготовленный как единое целое с осью 13 из фторопласта. В соответствии с геометрией входного сепаратора 3 между двумя парами диаметрально расположенных лопастей винта 12 ротора прорезаны щели так, чтобы при сборке и разборке насоса винт 12 ротора мог пройти через входной сепаратор 3. Общая длина насоса с соплом 5 составляла 22 см. Описанный вариант насоса позволил достичь производительности 72 л/мин при оборотах насоса до 600 об/мин (или до 1,1 л/см² мин на 1 см, растущей поверхности) при скорости истечения раствора из сопла до 140 см/с, что вполне достаточно для скоростного выращивания кристаллов указанных размеров.

Разработанное устройство работает следующим образом.

Производится сборка кристаллизационной установки. Подготовка рабочего раствора и заполнение кристаллизатора производятся по обычной методике. При этом сборка насоса производится в следующей последовательности: ось 13 ротора насоса соединяется с осью привода вращения 14, предварительно установленного на крышке 10 кристаллизатора 11. После чего корпус 1 насоса пристыковывается к крышке 10 кристаллизатора 11, при этом винт 12 ротора и корпус 1 ориентируют между собой так, что пластины входного сепаратора 3 проходят через соответствующие прорези между лопастями винта 12 ротора. Затем ориентируют систему сопел 5 в соответствии с геометрией выращиваемого кристалла и ростовой камеры (не показаны). Болтами 9, используя прижимное кольцо 8 и прокладку 7, корпус 1 насоса крепят за фланец 6 к крышке 10 кристаллизатора 11.

Разборка установки производится в обратном порядке, за исключением ориентации сопел.

Подготовленный по традиционным технологиям раствор 15 заливают в собранный кристаллизатор 11 так, чтобы уровень раствора был выше «зонтика» 17, но ниже элементов крепления 9 корпуса 1 насоса к крышке 10 кристаллизатора 11. Выращивание кристалла проводят в соответствии с обычной технологией, регулируя при необходимости мощность насоса изменением скорости вращения ротора насоса.

Таким образом, разработанное устройство, изготовленное в соответствии с п.1 формулы, позволяет решить поставленную задачу и при этом удовлетворяет основным требованиям химии высокочистых веществ и условиям обеспечения гидродинамических режимов, необходимых для скоростного выращивания высококачественных кристаллов.

1. Роторный осевой насос, содержащий ротор и выполненный из химически стойкого материала корпус с впускными окнами, входными и выходными сепараторами, снабженный, по крайней мере, одним направляющим раствор соплом, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде одной неразборной детали с сепараторами в виде радиальных пластин, а ротор изготовлен таким образом, что содержит не более двух деталей из химически стойкого материала, при этом количество и размеры лопастей винта ротора соответствуют размерам секций входного сепаратора корпуса.

2. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве химически стойкого материала для изготовления корпуса насоса используется кварцевое стекло.

3. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде единой детали, представляющей собой многолопастной винт.

4. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что ротор выполнен в виде соединенных между собой винта и оси.

5. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве химически стойкого материала для изготовления ротора насоса используется фторопласт.

6. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что в качестве химически стойкого материала для изготовления ротора насоса используется углепластик или другой химически стойкий в данном растворе материал.

7. Роторный осевой насос по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что ось ротора для жесткости армируется металлическим стержнем без выхода металла в раствор.

8. Роторный осевой насос по п.1, отличающийся тем, что корпус насоса снаружи снабжен «зонтиком», расположенным ниже уровня раствора, но выше впускных окон.