Криогенный насос - один из видов современных высоковакуумных насосов. Эта разновидность имеет широкое использование во многих промышленных областях и в тех сферах, где необходим чистый вакуум, быстрая скорость действия и высокая производительность.
Особенность крионасоса
Основная проблема многих прикладных процессов, которые происходят в вакууме, - пары воды, которые в больших количествах оседают на поверхностях (например, на стенках вакуумной камеры).
С этим отлично справляются криогенные вакуумные насосы, которые с большой скоростью откачивают пары воды и помогают системе образовать базовый вакуум за минимальный отрезок времени.
Помимо паров воды крионасосы с высокой скоростью откачивают и другие газы - происходит их захват и накопление в виде замороженного “твердого” состояния (льда).
Преимущества криогенных насосов
-
По сравнению с остальными устройствами, с помощью которых возможно получить высокий вакуум, крионасосы обладают рядом значимых преимуществ:
- высокая производительность;
- высокое давление включения (порядка 150-300 Торр. л);
- чистота получаемого вакуума;
- высокая эффективность откачки водяных паров;
- стоимость ниже, чем у аналогов (равный уровень производительности и чистоты вакуума).
Составные элементы криогенного вакуумного насоса
Условно все элементы крионасоса можно разделить на три небольшие группы:- Основные: корпус насоса, рефрижератор, ступень с высокой температурой для водяного пара и с низкой - для оставшихся молекул газа;
- Элементы управления регенерацией:
- форвакуумный клапан участвует в создании специальных условий для процесса регенерации;
- продувочный клапан выводит из насоса те газы, которые начинают накапливаться;
- предохранительный клапан необходим для защиты рабочего объема от попадания тех молекул газа, которые были захвачены.
- Элементы измерения и контроля:
- термопарный датчик. С его помощью определяют давление;
- температурные датчики;
- микропроцессорный блок управления служит контролером главных параметров, показывает возможность стыковки с другими внешними устройствами.
Ступени криогенного вакуумного насоса
Принцип действия крионасосов заключается в процессе конденсации молекул газа при низких температурах, а именно на специально охлажденных поверхностях. Криогенный вакуумный насос состоит из нескольких уровней.
Первая ступень - охлаждение
Температура: 60 - 80 К.
Конденсация водяных паров и тяжелых “газов” - углеводородов.
Необходимо выровнять температурное поле. При давлении 15,5 кТорр и комнатной температуре 300 К гелий подводится к насосу с помощью внешнего компрессора, проходит через теплообменник и попадает в смеситель. На этом моменте гелий охлаждается до 65 К. Затем открывается выхлопной клапан, позволяющий газу в дальнейшем свободно циркулировать: при низких температурах гелий расширяется и образовывает обратный поток к компрессору через теплообменник. В результате температура газа становится комнатной.
Вторая ступень - регенерация
Температура: 10 - 20 К.
Происходит “оккупация” молекул азота, кислорода, аргона и иных газов при температуре 10 - 20 К. Частицы газа, не перешедшие при этой температуре в твердую фазу (словно лед), участвуют в процессе адсорбции на активированном угле при 10 - 12 К.
Через второй теплообменник проходит некоторая часть газа (65 К), передавая холодному газу некоторое тепло. Так как после прохождения двух теплообменников газ нагревается, нужно охладить компрессор с помощью воздуха или воды.
Происходит повторный процесс удаления твердых газов путем нагрева внутренней части крионасоса. Регенерация осуществляется тогда, когда холодильник выключен, все ступени откачки имеют температуру выше комнатной, а оставшиеся газы и пары воды успешно устранены из насоса продувкой.
Затем на активированном угле происходит адсорбция удаляемых газов, в результате чего появляется изолирующий вакуум. С помощью частичной (быстрой) регенерации удаляются аргон, азот и кислород и до первоначальных значений восстанавливается скорость откачки всех газов.
Третья ступень - откачка
Температура: приблизительно 10 К.
Скорость откачки(каждого кв. см насоса): около 14л/сек.
На финальной стадии молекулы углерода подвергают адсорбции оставшиеся частицы газа при 10 К.
При необходимости этот процесс можно провести отдельным крионасосом, который будет присоединяться к вакуумной камере. Процесс охлаждения будет происходить за счет внешнего холодильника.
Вывод
Принцип работы криогенного вакуумного насоса основан на использовании крайне низких температур, которые достигают такого уровня за счет интенсивности хаотического движения молекул газа.
Криогенный вакуумный насос состоит из трех ступеней: охлаждение, регенерация и откачка. Прохождение всех уровней происходит быстро и эффективно.
Крионасосы обеспечивают безопасность использования во многих отраслях. Однако не стоит забывать о важной особенности их эксплуатации - это устройства, которые поглощают газ. Поэтому:
- не используйте эти насосы для работы с легковоспламеняющимися газами;
- в случае процесса травления ограничьте откачку токсичных и едких газов.
