Вакуумные насосы

КРИОГЕННЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ

Процесс откачки криогенных вакуумных насосов основан на процессах сорбции молекул при криогенных температурах при давлениях 10-3 – 10-11 мбар. Принцип его действия состоит в том, что молекулы газа проникают в охлаждаемые поверхности, внутри насоса происходят процессы криоконденсации, криосорбции.
Крионасосы можно разделить на две группы: большие крионасосы, которые используются в крупных вакуумных системах, например для моделирования условий космического пространства или для получения сверхвысокого вакуума в камерах ускорителей заряженных частиц, и малые крионасосы, которые используются в небольших системах (объемом ~1 м3), для которых не допускаются какие-либо загрязняющие примеси.

Преимущество использования криогенных вакуумных насосов:

• Производительность. Обычно, откачные характеристики криогенных вакуумных насосов можно сравнить на основе скорости откачки по воздуху. Это связано с тем, что откачные характеристики стандартных насосов синхронно изменяются в зависимости от типа газа. У крионасосов скорости откачки по различным газам сильно отличаются. Также криогенный вакуумный насос может монтироваться непосредственно на рабочий объем. Эта возможность позволяет достигать максимально возможных скоростей откачки по кислороду, водороду, азоту и другим загрязняющим газам, что, в свою очередь, улучшает качество покрытия.
• Чистота откачки. Криогенные вакуумные насосы являются самыми «чистыми» из всего семейства высоковакуумных насосов, которые приемняются в настоящий момент. В крионасосах отсутствуют подвижные части, рабочие жидкости или другие рабочие элементы, которые могут загрязнить откачиваемый объем, что полностью исключает попадание каких-либо загрязнений в вакууммируемый объем во время откачки. 
• Также крионасосы способны запускаться и самостоятельно производить дальнейшую откачку с так называемого давления запуска достаточного для того, чтобы полностью устранить самый главный источник загрязнения - обратный ток масла из форвакуумного насоса, создающего предварительное разряжение. Характерное значение запуска крионасоса определяет то начальное давление, с которого запускается крионасос, принимающий с этого момента на себя всю газовую нагрузку, в зависимости от величины откачиваемого объема. При давлении, превышающем давление запуска, в форвакуумном насосе предварительного разряжения сохраняется вязкостное течение откачиваемого газа, которое удерживает пары масла внутри насоса предварительного разряжения. Таким образом, крионасосы не только способны обеспечить сверхчистый вакуум, но и способны избавить пользователя от трудоемкой очистки рабочего объема от паров масла, попадающих во время предварительной откачки.

Механизм работы криогенного вакуумного насоса

Какой бы тип насоса Вы не использовали, принцип создания вакуума не меняется. Вакуум создается путем удаления газа молекула за молекулой из герметично закрытого рабочего объема. В то время как стандартные методы откачки продавливают молекулы через насос, криогенные вакуумные насосы вымораживают газы до твердого состояния, тем самым уменьшая давление паров до тех пор, пока не будет создан высокий вакуум.
Для охлаждения специальных встроенных криопанелей до 10К и 80К, на которых происходит осаждение молекул газа, в крионасосе используется система охлаждения замкнутого цикла с гелием в качестве рабочего газа. Молекулы откачиваемого газа, беспорядочно передвигаясь, вступают в контакт с криопанелями и конденсируются или поглощаются на них.
При работе криогенного вакуумного насоса гелий, находящийся при комнатной температуре и высоком давлении, нагнетается специальным удаленным гелиевым компрессором в крионасос на охлажденную головку поршня, которая термически связана с двумя рядами конденсационных решеток.
Поступающий на головку поршня под давлением гелий затем расширяется и охлаждает решетки. Внешний ряд решеток охлаждается до 80К и используется для конденсации паров воды, которые обычно являются основной газовой нагрузкой. Внутренний ряд конденсационных решеток охлаждается до температуры 15К и предназначен для основной части оставшихся газов. Все конденсирующиеся газы переходят в твердое состояние с давлением паров менее 10-12 Торр. Неконденсируемые газы, такие как гелий, водород и неон одновременно адсорбируется слоем из капсулированного активированного (древесного) угля, охлажденного до 15 К.

Скорость откачки

Крионасос состоит из трех независимых насосов или решеток, каждый из которых откачивает определенные типы газов с различными скоростями. Скорость откачки напрямую зависит от конструкции решетки.
В большинстве практических приложений передняя решетка испытывает колоссальную нагрузку. Эта решетка должна удалять водяные пары, которые создают основную газовую нагрузку при откачке рабочего объема. При этом внешняя решетка должна обеспечивать максимально высокую проводимость, чтобы остальные газы могли свободно поступать на внутренние решетки. В результате скорость откачки воздуха криогенным вакуумным насосом в несколько раз превышает скорость откачки другими насосами. То же самое относится к скоростям откачки по другим газам.

Предельный вакуум

Поскольку крионасосы обычно откачивают конденсируемые газы до давления паров менее 10-12 Торр, предельно создаваемый вакуум определяется исключительно скоростью откачки и газовой нагрузкой. Крионасосы в которых используются уплотнения из эластомеров могут создавать разряжение ниже 10-7 Торр, а при использовании металлических уплотнений - ниже 5*10-10Торр.
Регенерация
Так как криогенные вакуумные насосы захватывают молекулы, а не продавливают их через себя, им требуется периодическая регенерация или «разморозка» для того, чтобы освободиться от накопившихся газов. В большинстве практических применений крионасоса короткий цикл регенерации не сокращает производственное время работы насоса. Это объясняется тем, что насос можно выключить непосредственно перед концом рабочего дня, перед выходными или во время регулярного планового техобслуживания системы, давая возможность спокойно провести регенерацию. Для большего удобства быстрый цикл регенерации может проходить автоматически, восстанавливая тем самым работоспособность насоса без дополнительного обслуживания.
Чистка нагретым газом также может существенно сократить время регенерации.
Сбои в электропитании
В случае, если произойдет сбой в электропитании, в криогенном вакуумном насосе в течение примерно 10 минут будет поддерживаться рабочая температура. При этом крионасос будет не только поддерживать вакуум, но и продолжать свою работу. После включения электропитания крионасос автоматически запустится.
Таким образом, кратковременные сбои в питании вообще не влияют на работу откачной системы.