Как работают вакуумные насосы с технологией криогенного насоса?

Как работают вакуумные насосы с технологией криогенного насоса?

Температура влияет на поведение водяного пара.

Представьте себе конденсат на зеркале в ванной после душа, ледяное лобовое стекло, которое встречает вас после холодной ночи, или как ваши очки запотевают, когда вы заходите внутрь после того, как проводите время на улице в холодную погоду.

Тот же принцип применим к технологии крионасосов.

Каждый газ имеет давление насыщенного пара, которое зависит от температуры — чем выше температура, тем выше давление пара. Конденсация на холодных поверхностях снижает давление пара окружающего газа.

Если температура будет достаточно низкой, пар превратится в твердую фазу и конденсируется. В примере с обледеневшим ветровым стеклом оно по существу «перекачивает» водяной пар из влаги в воздухе.

Криокулеры

Когда дело доходит до откачки газов до высокого вакуума (HV), нам нужны гораздо более низкие температуры. Например, при температурах ниже 20 Кельвина (-253,15⁰ С) большинство паров конденсируется до давления сверхвысокого вакуума (UHV).

Коммерческие криокулеры с гелиевым питанием, могут легко поддерживать температуру в этом очень низком диапазоне. Криоохладители, также называемые холодными головками или криохолодильниками, охлаждают температуру газов в два этапа.

Во-первых, криоохладитель охлаждает газ намного ниже температуры жидкого азота 77 К (-196,15⁰ С), используя высокую охлаждающую способность. Затем криокулер охлаждает газ до температуры ниже 20K (-253,15⁰ С), используя более низкую охлаждающую способность.

Радиационная защита

Поскольку крионасос находится в помещении при комнатной температуре, необходимо принять меры для уменьшения теплового излучения от внешних стен. Для этого к ступени 80К (-193,15⁰ С) подключается радиационная защита.

Экран имеет перегородку для впуска газа, которая предварительно охлаждает газы, поступающие во внутреннюю зону откачки. Внешние стороны покрыты материалом с высокой отражающей способностью, как у термосов, для отражения тепла.

Если конденсата много

Если конденсат становится слишком толстым, верхний слой, похожий на иглу, может быть недостаточно холодным из-за пониженной теплопроводности льда.

В этом случае производительность крионасоса снизится. На этом этапе его необходимо очистить от газа и регенерировать с использованием современных насосных систем со встроенными средствами управления. Как только насос снова будет в рабочем состоянии, КПД и скорость сверхвысокого вакуума вернутся.

Преимущества крионасоса 

Крионасосы более эффективны, чем другие насосы, используемые для аналогичных применений. В отличие от газоперекачивающих насосов (например, турбомолекулярных насосов (ТМН) или масляных диффузионных насосов) крионасосы конденсируют все находящиеся в них газы.

Установщики могут устанавливать крионасосы в любой ориентации. Например, при установке сверху или сбоку вакуумной камеры без изгиба на 90 градусов система испытывает меньшие потери проводимости.

Крионасосы также тише. Только первые запуски и процесс регенерации требует грубой откачки.

Криогенная откачка

Любой крионасос связывает молекулы газа, которые необходимо перекачивать на холодные поверхности.
Существуют поверхности с разной температурой для улавливания газов с разной температурой замерзания.

Например:

• Аргон и азот
• Водород
• Водяной пар

Водяной пар конденсируется при температуре около 100 К (-173,15⁰ С) на перегородке входного фланца насоса.  Бой охлаждается первой ступенью холодильника, а затем соединяется с первой ступенью радиационной защитой, имеющей температуру 80 — 100 К (-193,15 — -173,15⁰ С).

Аргон или азот конденсируются при температуре около 15 К (-258,15⁰ С) на холодных панелях второй ступени холодильника. Во время откачки слой льда непрерывно нарастает. Водород поглощается активированным углем на внутренней стороне холодных панелей.

Процесс регенерации

Процесс регенерации в вакуумном насосе начинается после закрытия высоковакуумного клапана.

Быстрая регенерация

Холодные панели второй ступени локально нагреваются электронагревателями, а бой на первой ступени вообще не нагревается и поддерживает свою температуру. Во-первых, при температуре 20–100 K (-253,15 — -173,15⁰ С) водород выделяется и удаляется из вакуумнного насоса с помощью форвакуумного насоса. Форвакуумный клапан снова закрывается.

Полная регенерация

Холодные панели первой и второй ступени локально прогреваются электронагревателями до комнатной температуры. Между 20–310 К (-253,15 — 36,85⁰ С) все конденсированные и адсорбированные газы выпускаются и удаляются из крионасоса с помощью форвакуумного насоса при контролируемом и безопасном давлении <20 мбар. После самоуправляемой очистки крионасос начинает автоматически охлаждаться. Охлаждение занимает около 90 минут, и насос готов к продолжению работы.

После регенерации

Между 100 (-173,15⁰ С) и 140 К (-133,15⁰ С) технологические газы (аргон, азот) плавятся. Жидкость начинает закипать, поэтому давление внутри прибора повышается, после чего открывается клапан быстрой регенерации и выпускаются технологические газы.  После сброса давления форвакуумный клапан открывается, и агрегат далее откачивается форвакуумным насосом.

Через некоторое время холодные панели второй ступени снова охлаждаются, и форвакуумный клапан закрывается. Приблизительно через 40 минут достигается температура ниже 20 K (-253,15⁰ С) и крионасос снова готов к продолжению производства.

Крионасосы и термомеханические насосы

Что касается всех насосов HV, крионасосы обеспечивают максимально быстрое время вакуумирования из всех вакуумных камер. По сравнению с TMP крионасосы могут перекачивать:

• H ₂ O в четыре раза выше
• H ₂ вдвое выше
• N _{2 на} 40 процентов выше

Крионасосы также менее чувствительны к ионизирующему излучению и магнитным полям, чем ТМП.

Крионасос против масляных диффузионных насосов

Крионасосы намного мощнее масляных диффузионных насосов в больших вакуумных сосудах. Они доступны с гигантскими скоростями откачки до:

• 60 000 л / с для N ₂
• 180000 л / с для H ₂ O

Поскольку крионасосы не содержат углеводородов, они создают чистый вакуум без риска загрязнения углеводородами. Поскольку движущихся частей нет, они также не нуждаются в смазке.

В отличие от масляных диффузионных насосов, безмасляные крионасосы не подвержены риску повреждения или сжигания масла. Они требуют меньшего расхода энергии и воды, что снижает общие эксплуатационные расходы.

Применение крионасоса

Крионасосы подходят для систем быстрого вакуумирования, особенно там, где большие поверхности и загрязнение водяным паром являются проблемой. Использование включает:

• Камеры космического моделирования
• Устройства для нанесения покрытий
• Системы напыления в производстве полупроводников
• Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР)
• Высоковольтные печи для пайки и спайки

Ключевые процессы также извлекают выгоду из преимуществ крионасосов по сравнению с масляными диффузионными насосами и ТМН. Среди них:

• Молекулярно-лучевая эпитаксия (МБЭ), которая требует хорошего сверхвысокого давления без углеводородов <10-09 мбар.
• Специальные приложения НИОКР, такие как эксперименты на канале пучка в синхротронах или накопительных кольцах, которые требуют сверхвысокого давления без углеводородов с высокими скоростями откачки H2O и H2.

Усовершенствуйте свои процессы с помощью современной технологии крионасосов

Хотя крионасосы имеют ряд явных преимуществ во многих вакуумных процессах, у вас все же могут быть оговорки по поводу модернизации, поскольку они кажутся сложными в использовании.

Хорошая новость заключается в том, что при наличии правильного ноу-хау крионасосы могут быть легко развернуты. Очень важно установить партнерские отношения с поставщиком, который будет работать над тем, чтобы вам было комфортно работать с этой технологией после развертывания.

Крионасосы могут сэкономить ваше время, нервы и деньги. Они являются улучшением по сравнению с TMP и ма

сляными диффузионными насосами везде, где вы можете извлечь выгоду из чистой, безуглеводородной перекачки H2O, H2s и N2 на высоких скоростях.