КРИОГЕННЫЕ НАСОСЫ
Криогенный насос - один из видов современных высоковакуумных насосов. Насосы этого типа широко используются во многих промышленных технологиях и научном оборудовании, где необходим чистый вакуум и высокая производительность.
Криогенные насосы предназначаются для получения чистого высокого и сверхвысокого вакуума. В них нет рабочих жидкостей и подвижных частей, следовательно, полностью отсутствует вероятность проникновения в камеру паров первых и продуктов износа последних. Отсутствие подвижных деталей обусловливает высокую долговечность насоса.
Криогенные насосы обеспечивают откачку в диапазоне давлений ниже 10-2 Па и способны откачать вакуумную камеру до давления ~10-13 Па.
ПРЕИМУЩЕСТВА КРИОГЕННЫХ НАСОСОВ
По сравнению с остальными устройствами, с помощью которых возможно получить сверхвысокий вакуум, крионасосы обладают рядом значимых преимуществ:
высокая производительность;
чистота получаемого вакуума;
продолжительный срок службы;
отсутствие необходимости в постоянной форвакуумной откачке;
регенерация насоса после завершения рабочего цикла;
стоимость ниже, чем у аналогов (при равной производительности и чистоте вакуума).
СОСТАВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ КРИОГЕННОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА
Условно все элементы крионасоса можно разделить на три небольшие группы:
Основные:
корпус насоса с высоковакуумным фланцем;
генератор холода (криоголовка);
криопанель с относительно высокой температурой для конденсации водяного пара и углекислого газа;
криопанель с низкой температурой - для других газов;
тепловой экран.
Элементы управления регенерацией:
нагреватель для регенерации насоса
откачной порт – предназначен для откачки накопленных газов при регенерации насоса;
продувочный клапан – предназначен для продувки насоса в процессе регенерации для вывода из него накопленных вредных, взрывоопасных и токсичных газов;
предохранительный клапан – необходим для защиты рабочего объема насоса от чрезмерного повышения давления в случае непредвиденного отказа систем охлаждения или регенерации.
Элементы измерения и контроля:
термопарный датчик – с его помощью определяют температуру в насосе;
датчик давления – сигнализирует о давлении в насосе, позволяет определить заполнение насоса;
микропроцессорный блок управления – контролирует состояние насоса, управляет работой компрессора и генератора холода, а также передает информацию о состоянии насоса внешним управляющим устройствам.
Насос оснащается компрессором для подачи гелия.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КРИОГЕННОГО ВАКУУМНОГО НАСОСА
В основе принципа действия крионасосов лежит явление конденсации молекул газа при низких температурах на специально охлажденных поверхностях. Криогенный вакуумный насос состоит из двух ступеней с тремя видами газоулавливающих поверхностей – криопанелей.
С помощью высоковакуумного фланца насос подсоединяется к откачиваемому объему. Генератор холода – криоголовка – охлаждает криопанели насоса до рабочей температуры.
Первая ступень располагается на входе в насос и представляет собой систему концентрических или прямых жалюзи, установленных под углом. Ступень охлаждается до температуры 60 - 80 К. При такой температуре водяной пар, углекислый газ, углеводородные соединения и некоторые другие газы конденсируются на поверхностях ступени и не проникают в объем насоса. Жалюзи выполняют также функцию теплового экрана, препятствующего проникновению теплового излучения из вакуумной камеры в объем насоса.
Вторая ступень располагается во внутренней полости насоса и охлаждается до температур 10 - 20 К. На поверхностях панелей этой ступени конденсируются азот, кислород, аргон и другие газы. Для улучшения конденсации панели ступени покрывают активированным углем.
Однако, при этих температурах некоторые газы: водород, гелий, неон остаются в газообразном состоянии. Для их откачки в наиболее холодной зоне насоса размещают пористые адсорбенты, обладающие развитой адсорбционной поверхностью: активированный уголь, силикагель,.алюмогель или цеолиты (удельная поверхность пор до 106 м2/кг). Газы адсорбируются на поверхности пор этих материалов.
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ НАСОСА
В процессе работы насоса на криопанелях постепенно намораживается слой откачиваемых газов. В силу ограниченной теплопроводности этого слоя температура внешней его поверхности становится выше, чем температура самих криопанелей. Вследствие этого достигаемое остаточное давление насоса уменьшается по мере его работы, и, в конце концов, откачка до требуемого предельного давления становится невозможной. Криогенные насосы способны откачать ограниченное количество газов, т.е обладают конечной емкостью. Тем не менее, при работе в диапазоне высокого и сверхвысокого вакуума емкость насоса обеспечивает его работу в течение весьма длительного времени. Но в какой-то момент времени насос приходится регенерировать.
Быстрота действия и емкость насоса отличаются для различных газов. В качестве примера: быстрота действия поставляемого нашей компанией криогенного насоса ECP160 составляет по парам воды 2550 л/с, по аргону – 620 л/с, и по водороду – 1700 л/с, емкость по аргону – 5,6 × 107 Па×л, а по водороду – почти в 100 раз меньше, – 8 × 104 Па×л.
Важная особенность работы крионасосов – отсутствие необходимости в постоянной форвакуумной откачке. Предварительная откачка нужна только на начальном этапе технологического процесса. Когда давление в камере достигает значения, при котором в работу включается крионасос, предварительную откачку отсекают. Дальше работает только крионасос. Учитывая относительно низкое давление запуска крионасоса и его ограниченную емкость, для предварительной откачки камеры часто используют комбинацию из форвакуумного и другого высоковакуумного, например турбомолекулярного, насоса.
Крионасосы отличаются относительно большим временем запуска, т.е. временем, необходимым для охлаждения криоипанелей до рабочих температур. Даже у небольших по размеру насосов время запуска (охлаждения) составляет около 1 часа, а у производительных систем может достигать 5-6 часов.
РЕГЕНЕРАЦИЯ НАСОСА
Регенерация насоса заключается в удалении из него «намороженных» и сорбированных газов. Для регенерации насос отсекают от откачиваемого объема, отключают охлаждение, включают нагреватель и открывают клапан форвакуумной откачки. Нагреватель разогревает криопанели, осажденные на них газы высвобождаются и откачиваются форвакуумным насосом. При необходимости полость насоса продувают сухим чистым азотом или аргоном. Когда криопанели полностью очистятся от осажденных газов, форвакуумный клапан закрывают. Насос снова готов к работе.
А что произойдет, если насос станет нагреваться самопроизвольно? Например, если отключится электроэнергия, или охлаждение насоса прекратится по какой-либо другой причине? Осажденные на криопанелях газы будут высвобождаться в объем насоса. Давление в насосе будет нарастать. На этот случай предусмотрен предохранительный клапан, обеспечивающий сброс газов во внешнюю среду (или отводящий трубопровод) при чрезмерном повышении давления в насосе.
ВЫВОД
Криогенный насос – идеальный инструмент для получения чистого высокого и ультрасверхвысокого вакуума в научно-исследовательских и технологических вакуумных установках.
При корректном использовании крионасос способен поддерживать чистый сверхвысокий и ультрасверхвысокий вакуум в течение длительного времени, при этом форвакуумная откачка требуется только на начальном этапе процесса.
Криогенный насос – надежное, долговечное средство откачки. Ввиду простоты конструкции и отсутствия движущихся частей насос отличается высокой надежностью и длительным сроком службы, а также относительно невысокой стоимостью и эксплуатационными издержками по сравнению с другими насосами, предназначенными для достижения сверхвысокого вакуума.
