Кріогенні вакуумні насоси

Рис.1. Кріогенний вакуумний насос

Кріогенні вакуумні насоси забезпечують чисте високошвидкісне відкачування всіх газів з кріогенних вакуумних камер і систем. Вони функціонують завдяки поєднанню конденсації і адсорбції газів і парів на поверхнях, що охолоджуються до дуже низьких температур. У більшості кріогенних насосів використовуються набори поверхонь (панелей), підтримуваних при двох конкретних діапазонах температур за допомогою працюючого назад-поступально механічного охолоджувача, де використовується гелій в якості холодоагенту. Гелій подається під високим тиском і кімнатній температурі дистанційним компресором і повертається в компресор при низькому тиску, але при температурі трохи вище кімнатної. Всі холодні деталі охолоджувача знаходяться в межах вакуумного середовища насоса. В результаті такого підходу створюється надійний, економічний вакуумний насос.

Вступ

У тих практичних завданнях, де виникає потреба в створенні розрідження в межах від [math]10^{-3}[/math] до [math]10^{-10}[/math] Торр, зазвичай використовується один з трьох типів насосів: масляний дифузійний насос, турбомолекулярні насоси і кріонасоси. З усіх перерахованих типів насосів, кріонасоси найбільш прості в експлуатації, забезпечують найбільш швидку відкачку. Проблема прямої залежності тиску пари від температури при застосуванні кріонасосов вирішується дуже просто і елегантно. Справа в тому, що кріонасоси не переміщують молекули газу, а заморожують їх. У зв'язку з цим у кріонасосов відсутні будь-які рухомі частини або рідкі середовища, які контактують безпосередньо з вакуумом з відкачуваного об'єму. Ця обставина повністю виключає вірогідність забруднення робочого об'єму в процесі відкачування. Кріонасосам, в процесі експлуатації, потрібно мінімальне технічне обслуговування.

Конструкція кріогенного насоса

Корпус кріонасосів, зокрема таких, як на рис. 2, являє собою вакуумну посудину з корозійностійкої сталі або алюмінію з високовакууним фланцем для установки високовакуумного клапану.

Рис.2. Конструкція кріогенного вакуумного насоса

Двоступеневий кріохолоджувач прикріплений болтами або з'єднаний з посудиною за допомогою зварювання. Поверхні охолоджувача, що знаходяться під дією вакууму, виконані з нержавіючої сталі. Масивні мідні нагрівальні станції, іноді мають нікелеве покриття для антикорозійного захисту і поліпшення зовнішнього вигляду, припаяні до циліндра охолоджувача для ефективної віддачі теплоти на конденсуючі кріопанелі. Мідний тепловий випромінюючий екран, який представляє собою велику ємність з чорною внутрішньою поверхнею, приєднаний до станції нагрівання першого ступеня. Тепловий екран, покритий чорною фарбою, підтримуваний за допомогою охолоджувача при температурі приблизно 65 К, поглинає теплоту, яка входить в систему. Зовнішня сторона екрану має нікелеве покриття для зменшення передачі теплового випромінювання від вакуумного резервуару. Впускний масив мідних кріопанелей з нікелевим покриттям прикріплюється до отвору теплового екрану і також підтримується при температурі, близькій 65 К.

Всередині об'єму, між впускним і випромінюючих екраном, знаходяться кріопанелі другого ступеня, приєднані до станції нагрівання більш низької температури (10-20 К), мідні кріопанелі у вигляді мідних дисків, пластин або конусів використовуються в якості другого насоса для аргону, кисню, азоту та інших газів, які відкачуються за допомогою конденсації.

Принцип роботи кріогенного насоса

Устаткування знайшло широке застосування в різних галузях промисловості. Принцип роботи кріогенного насоса полягає в конденсації газових молекул на охолоджувану поверхню матеріалу. Обладнання складається з трьох ступенів:

● Перша - вхідна. У ній конденсуються молекули водяної пари, а також вуглеці. Робочий температурний режим на цій стадії становить 60-100 К.
● Друга ступінь - конденсування. У ній відбувається «захоплення» робочої речовини (азоту, аргону і іншого). Температури коливається між 10-20 К. Газові суміші, які не переходять у третю стадію, абсорбуються на активованому вугіллі.
● Третя ступінь - відкачування. На цій стадії процесу утворюються гранули вуглецю, які розташовуються з внутрішньої сторони другого ступеня.

Створення вакуумного середовища в обладнанні здійснюється за рахунок видалення газових сумішей з герметичного робочого об'єму камери. Стандартні насосні установки відкачують молекули газу за допомогою роботи установки. Кріогенні насоси заморожують молекули робочої речовини. При цьому зменшується тиск парів. Цей процес виконується до того, поки не створиться високий вакуум.

Переваги в роботі кріогенних насосних установок

● Відсутність забруднень робочої речовини;
● В процесі функціонування створюється вакуумне середовище, яке повністю очищене від повітряних мас;
● Надійний захист від перепадів електричної енергії, що позитивно позначається на тривалості експлуатації обладнання;
● Автоматизований захист від поломок насосної установки.

Список використаних джерел інформації

- https://www.cryosystems.ru/wp-content/uploads/2010/05/Cryopumps_by-Gary-Ash_rus.pdf

- http://mml-me.ru/kriogennyj-nasos/

- https://leybold.ru/vakuumnie-nasosi-criogennie-coolvac-leybold.html

- http://cialis20.ru/kriogennye-nasosy/#1