Сорбційні вакуумні насоси
Сорбційні вакуумні насоси
Сорбційний насос - це вакуумний насос, який створює вакуум, адсорбуючи молекули на дуже пористому матеріалі, наприклад, молекулярне сито, яке охолоджується кріогеном, як правило, рідким азотом. Максимальний тиск становить приблизно 10−2 мбар. За допомогою спеціальних методик, він може бути знижений до 10−7 мбар. Основними перевагами є відсутність масла або інших забруднень, низька вартість та робота без вібрації, оскільки немає рухомих деталей. Основні недоліки полягають у тому, що він не може працювати постійно та не може ефективно перекачувати водень, гелій, неон та всі гази з нижчою температурою конденсації, ніж рідкий азот. Основне застосування - як насос чорнової обробки для іонно-розпилювального насоса в експериментах надвисокого вакууму, наприклад в поверхневій фізиці.
Зміст
Історія розвитку вакуумної техніки
Початком наукового етапу в розвитку вакуумної техніки можна вважати 1643 р, коли Торічеллі вперше виміряв атмосферний тиск. В 1650 році Отто фон Геріке винайшов перший вакуумний насос. Вивчалась поведінка різних систем і живих організмів в вакуумі. У 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 Пірекс, наповнена молекулярним ситом, або складна металева конструкція, що складається з металевої колби, яка містить перфоровані трубки та теплопровідні плавники. Можна встановити запобіжний клапан. Конструкція впливає лише на швидкість відкачування, а не на максимальний тиск, який можна досягти. Деталі конструкції - це компроміс між швидким охолодженням із використанням теплопровідних плавників 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 випустити ці гази 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 потрібно 2 години для повного відновлення насоса.
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, шляхом попередньої подачі системи іншим простим і чистим вакуумним насосом таким, як мембранний насос, або навіть водяним аспіратором або насосом стисненого повітря Вентури.
Послідовна або багатоступенева відкачка може бути використана для досягнення більш нижчих тисків. У цьому випадку два або більше насосів підключаються паралельно до вакуумної посудини. Кожен насос має клапан, щоб ізолювати його від вакуумної посудини. На початку відкачування всі клапани відкриті. Перший насос охолоджується, в той час, як інші все ще гарячі. Коли перший насос досяг максимального тиску, він вимикається, а наступний насос охолоджується. Остаточний тиск знаходиться в області 10–4 мбар. Те, що залишилося, це в основному гелій, оскільки він майже не перекачується. 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 ефективно адсорбуються молекулярними ситами через їх малий молекулярний розмір. Цю проблему можна вирішити шляхом продування 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 послідовного перекачування. Типовим джерелом сухого чистого азоту може бути рідкий азот Дьюара.
Було запропоновано, що застосовуючи технологію динамічного відкачування, водень, гелій та неон також можна перекачувати, не вдаючись до продування сухим азотом. Це робиться шляхом попереднього охолодження насоса із закритим клапаном до вакуумної посудини. Клапан відкривається, коли насос холодний, і потрапляння адсорбованих газів перенесе всі інші гази в насос. Клапан закривається до того, як водень, гелій або неон можуть назад мігрувати у вакуумну посудину. Також можна застосовувати послідовне накачування. Остаточний тиск не надається.
Безперервна відкачка може бути змодельована за допомогою двох насосів з'єднаних паралельно і дозволити одному насосу перекачувати систему, тоді як інший насос, тимчасово відключений від системи, знаходиться у фазі десорбції та виведення газів в атмосферу. Коли насос добре десорбируєтся, він охолоджується і знову підключається до системи. Інший насос відключається і переходить у десорбцію. Це стає безперервним циклом.
Посилання
https://www.britannica.com/technology/sorption-pump
http://www.mdcvacuum.com/searchs/doc/VacuumPumps-Intro.htm
https://en.wikipedia.org/wiki/Sorption_pump
https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum_pump
