Сорбційні вакуумні насоси

Сорбційні вакуумні насоси

Сорбційний насос- це вакуумний насос, який створює вакуум, адсорбуючи молекули на дуже пористому матеріалі, як молекулярне сито, який охолоджується кріоген , як правило, рідкий азот. Кінцевий тиск становить приблизно 10 ⁻² mbar. За допомогою спеціальних методик це може бути знижено до 10 ⁻⁷ мбар. Основними перевагами є відсутність олії та інших забруднень, низька вартість та без вібрації, оскільки немає рухомих деталей. Основні недоліки полягають у тому, що він не може працювати постійно та не може ефективно перекачувати водень, гелій та неон всі гази з меншою температурою конденсації, ніж рідкий азот. Основне застосування - як насос чорнової обробки іонно-розпилювального насоса в експериментах надвисокого вакууму, наприклад в поверхневій фізиці.

Історія розвитку вакуумної техніки

Початком наукового етапу в розвитку вакуумної техніки можна вважати 1643 р, коли Торічеллі вперше виміряв атмосферний тиск. В 1672 році Отто фон Геріке винайшов механічний поршневий насос з водяним ущільнювачем. Вивчалась поведінка різних систем і живих організмів в вакуумі. В 80-х р XIX ст. людство переступило в технологічний етап створення вакуумних пристроїв і техніки. Це зв'язано з відкриттям А.Н. Лодигіним електричонї лампи розжарення з вугільним електродом (1873) і відкриття Т.А. Едісоном термоелектронної емісії (1883). Винайдено такі вакуумні насоси: обертальний (Геде, 1905), кріосорбційний (Дж.Дюар, 1906), молекулярний (Геде, 1912), дифузійний (Геде, 1913); манометри: компресорний (Г.Мак-Леод, 1874), тепловий (М. Пірані, 1909), іонізаційний (О. Баклі, 1916)

Будова

Сорбційний насос зазвичай виготовляється з нержавіючої сталі, алюмінію або боросилікатного скла. Це може бути проста колба Pyrex, наповнена молекулярним ситом, або складна металева конструкція, що складається з металевої колби, що містить перфоровані трубки та теплопровідні плавники. Можна встановити запобіжний клапан. Конструкція впливає лише на швидкість накачування, а не на максимальний тиск, який можна досягти. Деталі конструкції є компромісом між швидким охолодженням із використанням тепловідвідних ребрах та високою газопровідністю з використанням перфорованих труб.

Типовим молекулярним ситом є синтетичний цеоліт з діаметром пор приблизно 0,4 нанометра (Тип 4А) та площею близько 500 м2 / г. Сорбційний насос містить від 300 г до 1,2 кг молекулярного сита. 15-літрова система буде завантажуватися до приблизно 10-2 мбар молекулярним ситом 300 г.

Принцип роботи

Сорбційний насос - це циклічний насос і його цикл має 3 фази: сорбцію, десорбцію та регенерацію.

У фазі сорбції насос фактично використовується для створення вакууму. Це досягається шляхом охолодження корпусу насоса до низьких температур, як правило, зануренням його в колбу Дьюара, наповнену рідким азотом. Тепер гази або конденсуються, або будуть адсорбуватися великою поверхнею молекулярного сита.

У фазі десорбції насосу дозволяється нагрітися до кімнатної температури, а гази виходять через клапан скидання тиску або інший отвір в атмосферу. Якщо насос використовувався для перекачування токсичних, легкозаймистих чи інших небезпечних газів, потрібно бути обережним, щоб безпечно виходити в атмосферу, оскільки всі гази, що перекачуються під час сорбційної фази, будуть виділятися під час фази десорбції.

У фазі регенерації корпус насоса нагрівається до 300 ° С для відведення водяної пари, яка не десорбується при кімнатній температурі і накопичується в молекулярному ситі. Зазвичай потрібні 2 години для повного відновлення насоса. [1]

Насос можна використовувати в циклі сорбції та десорбції до тих пір, поки він не втратить занадто велику ефективність і не буде відновлений, або в циклі, де за сорбцією та десорбцією завжди йде регенерація.

Після наповнення сорбційного насоса новим молекулярним ситом його завжди слід регенерувати, оскільки нове молекулярне сито, ймовірно, насичене водяною парою. Також, коли насос не використовується, його слід закрити від атмосфери, щоб запобігти насиченню водяної пари.

Підвищення продуктивності

Потужність накачування можна покращити, підготувавши систему іншим простим і чистим вакуумним насосом, як мембранний насос, або навіть водяним аспіратором або насосом з вентиляцією стисненого повітря.

Послідовна або багатоступенева накачка може бути використана для досягнення нижчих тисків. У цьому випадку два або більше насосів підключаються паралельно до вакуумного посудини. Кожен насос має клапан, щоб ізолювати його від вакуумної ємності. На початку насоса всі клапани відкриті. Перший насос охолоджується, а інші ще гарячі. Коли перший насос досяг максимального тиску, він вимикається, а наступний насос охолоджується. Остаточний тиск знаходиться в області 10–4 мбар. Залишився головним чином гелій, оскільки він майже не перекачується. [2] Кінцевий тиск майже дорівнює парціальному тиску гелію в повітрі.

Сорбційний насос ефективно перекачує всі гази, за винятком водню, гелію та неону, які не конденсуються при температурі рідкого азоту і не є ефективно адсорбованими молекулярними ситами через їх малий молекулярний розмір. Цю проблему можна вирішити шляхом продувки вакуумної системи сухим чистим азотом перед відкачуванням. У продуваній системі з аспіратором можна досягти граничного тиску 10–4 мбар для одного сорбційного насоса та 10–7 мбар для послідовної перекачування. [3] Типовим джерелом сухого чистого азоту буде рідкий азотний простір Дюара.

[4] було запропоновано [4], що застосовуючи динамічну технологію накачування водень, гелій та неон також можна перекачувати, не вдаючись до продувки сухим азотом. Це робиться шляхом попереднього охолодження насоса із клапаном до закритого вакуумного посудини. Клапан відкривається, коли насос холодний, і потрапляння адсорбованих газів перенесе всі інші гази в насос. Клапан закритий до того, як водень, гелій або неон можуть назад мігрувати у вакуумний посудину. Також можна застосовувати послідовне накачування. Остаточного тиску не надається.

Безперервна відкачка може бути змодельована за допомогою двох насосів паралельно і дозволити одному насосу перекачувати систему, тоді як інший насос, тимчасово відключений від системи, знаходиться у фазі десорбції та відведення атмосфери. Коли насос добре десорбируется, він охолоджується і знову підключається до системи. Інший насос герметизується і переходить у десорбцію. Це стає безперервним циклом.

Посилання

https://en.wikipedia.org/wiki/Sorption_pump https://wiki.tntu.edu.ua/%D0%92%D0%B0%D0%BA%D1%83%D1%83%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%B9_%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%BE%D1%81