Конденсационно-адсорбционные насосы

Типичная схема насоса представлена на рис. 7.4, а. Внешний вид насосов различных производителей показан на рис. 7.4, б, 7.5 и 7.6.

Принципиально крионасос состоит из трех ступеней. Первая ступень (входная) конденсирует молекулы водяного пара и тяжелые углеводороды при температурах от 60 до 80 К.

Вторая ступень (конденсирующая) «захватывает» молекулы аргона, азота, кислорода и других газов при температурах от 10 до 20 К. Те газы, которые не переходят в твердую фазу при данных температурах, адсорбируются на третьей ступени, содержащей активированный уголь при температурах 10-12 К. Третья ступень откачки расположена с внутренней стороны конденсирующей ступени. Для охлаждения специальных встроенных криопанелей до 10 и 80 К, на которых собственно и происходит осаждение молекул газа, в крионасосе используется система охлаждения замкнутого цикла с гелием в качестве рабочего газа. Молекулы откачиваемого газа, хаотически передвигаясь, контактируют с криопанелями и конденсируются или поглощаются на них.

Криогенный насос состоит из корпуса, рефрижератора, высокотемпературной ступени для водяного пара и низкотемпературной ступени для остальных газов. Кроме того, предусмотрены средства для управления процессом регенерации. Они включают в себя форвакуумный и продувочный клапаны для удаления скопившихся газов из насоса; предохранительный клапан, защищающий рабочий объем от попадания в него захваченных молекул газа. Помимо этого криогенный насос содержит термопарный датчик для измерения давления; набор температурных датчиков; микропроцессорный блок управления для контроля основных параметров и возможности стыковки с внешними устройствами.

При работе крионасоса гелий, находящийся при комнатной температуре и высоком давлении (около 15,5 атм), нагнетается специальным удаленным 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 80 К и используется для конденсации паров воды, которые обычно являются основной газовой нагрузкой. Внутренний ряд конденсационных решеток охлаждается до температуры 15 К и предназначен для основной части оставшихся газов. Все конденсирующиеся газы переходят в твердое состояние с давлением паров менее 10^-10 Па. Неконденсируемые газы, такие как гелий, водород и неон, одновременно адсорбируются слоем из капсулированного активированного (древесного) угля, охлажденного до 15 К. Для большинства газов емкость насоса определяется только располагаемым пространством внутри насоса, необходимым для накопления льда (газов в твердой фазе).

Устройство рефрижератора. Внешний компрессор подводит гелий к насосу при комнатной температуре (300 К) и давлении 15,5 атм. Газ, проходя через теплообменник в смеситель, охлаждается до 65 К. Смеситель осуществляет перемещение газа от более нагретого участка к менее нагретому. Как только поле температур выравнивается, происходит открытие выхлопного клапана.

Выходной патрубок также соединен с компрессором, в котором поддерживается давление около 5,1 атм. Холодный газ, расширяясь даже при низких температурах, создает обратный поток через теплообменник по направлению к компрессору. На выходе газ уже имеет комнатную температуру. Подача гелия осуществляется посредством гибких металлических трубопроводов.

Вторая стадия охлаждения необходима для понижения температуры до 10-20 К. Часть газа при температуре 65 К пропускается сквозь второй теплообменник. Тепло передается от второй ступени к холодному газу через стенки цилиндра. После этого рабочий газ возвращается обратно, проходя сквозь два теплообменника, соединенных между собой. Гелий выбран в качестве рабочего газа потому, что при температурах 10 К и ниже он остается в газообразном состоянии. Компрессор обеспечивает непрерывную циркуляцию гелия, создавая разницу давлений на входе и выходе. Проходя через компрессор, газ нагревается, поэтому необходимо воздушное или водяное охлаждение компрессора. Если используется масляное охлаждение, тогда компрессор должен содержать фильтр для разделения паров масла и рабочего газа. Появляющиеся примеси в потоке гелия уменьшают производительность рефрижератора и могут служить причиной повышенного шума или механических повреждений.

Регенерация — это процесс нагрева внутренней области криогенного насоса для повторного удаления замороженных газов в атмосферу. Полная регенерация достигается путем выключения рефрижератора, нагрева всех ступеней насоса до температуры выше комнатной и откачки форвакуумным насосом скопившихся газов и паров воды из крионасоса. Последующее включение холодильника приводит к охлаждению до рабочей температуры.

Для полного удаления паров воды в течение полной регенерации все внутренние компоненты крионасоса могут нагреваться до температур от 40 до 60 °С. Более того, требуется напуск азота в объеме от 1,400 до 2,800 л для испарения одной унции (28 г) воды в жидком состоянии при комнатной температуре. Для удаления всей воды требуется значительный объем газа.

Частичная (быстрая) регенерация удаляет скопившийся газ со второй ступени, но оставляет воду на первой. Этот процесс занимает не более 1 ч. Если частичная регенерация проведена должным образом, считается, что все газы (аргон, азот и водород) удалены, емкость и скорость откачки по все газам восстановлены до первоначальных значений. В системах с давлением паров воды ниже 10^-5 Па непрерывная работа в течение года позволит собрать только 3 чайные ложки (15 см³) воды. В процессах ионной имплантации быстрая регенерация эффективна для восстановления скорости откачки по водороду, хотя аккумулирование воды ограничивает ее применение.

Достоинства: те же, что и у крионасосов (криостатов). Кроме того, стоимость конденсационно-адсорбционных крионасосов находится между стоимостью диффузионных и турбо-молекулярных насосов с аналогичными откачными характеристиками, а очень невысокая стоимость технического обслуживания крионасосов в процессе эксплуатации ставит их в ряд наиболее экономичных, рассчитанных на длительную эксплуатацию, высоковакуумных насосов.

За счет нагрева криопанелей крионасоса во время регенерации и улучшенного контроля системы время полной регенерации сокращается от половины до одной трети времени традиционной регенерации. Кроме того, функция «быстрой» регенерации позволяет еще больше сократить время регенерации. В этом режиме регенерируется только вторая ступень крионасоса, которая обычно насыщается значительно быстрее первой. Для систем, состоящих из нескольких крионасосов серии и соединенных в одну сеть, регенерацию предпочтительно проводить последовательно.

Снижение концентрации водяного пара в процессах напыления улучшает качество и однородность свойств получаемых пленок, а использование безмасляных средств откачки также улучшает адгезию пленок.

Недостатки: необходимость периодической регенерации; значительное (1,5-2 ч) время пуска (время охлаждения до рабочей температуры); не всегда хорошо откачивают легкие газы — водород, гелий, неон (если работают на жидком азоте), так как температура перехода этих газов в жидкое состояние ниже, чем у азота, и они улавливаются только сорбентом.

Основные области применения: те же, что и у крионасосов.

Маркировка: НВК-200-1,5 — насос вакуумный криогенный, первая цифра — диаметр условного прохода, вторая — быстрота действия по воздуху, м³/с, при входном давлении в диапазоне 10^-4-5-10^-5 Па; НВК-0,6-Р1 — первая цифра — быстрота действия по воздуху, м³/с, вторая цифра и буква — насос на основе холодильной машины. Производитель — ООО НТК «Криогенная Техника» и ООО СКБ «Термомеханика» (г. Омск), ОАО «Крио-генмаш» (г. Балашиха Московской области).

Серии Cryo_Torr и On_Board — «CTI Cryogenics» (часть холдинга HELIX Technology Corporation, г. Бостон, США); серии Cryo Plex-10 — Austin Scientific, Великобритания. Крионасосы серий COOLVAC 800 BL (Basic Lane — стандартная комплектация), COOLVAC 2.000 CL (Classic Lane — автоматическое управление) с компрессорами COOLPAK: цифра -быстрота откачки по азоту, л/с, Oerlicon Leybold Vacuum; Coolstar 400 Cryo Pump (л/с по азоту), Ricor (Израиль); серии Mara-thonCP-8 и системы SICERA (включают в себя насос, компрессор и переносной контроллер) фирмы Sumitomo Heavy Industries, Ltd (SHI Cryogenic), Япония.

Эти фирмы также выпускают сопутствующие продукты -гелиевые компрессоры, рефрижераторы, охлаждающие головки, вымораживатели воды, криокулеры и пр. Компания Stirling Cryogenics предлагает широкий модельный ряд криокулеров для реконденсации азота и ксенона с рабочей температурой 65-77 К (LCP) и 20-30 К (GPS).