Санкт-Петербург, Политехническая ул., д. 29, Г.З., оф.234, общий отдел:  920-01-97, вакуумное оборудование: 920-71-97

Крионасосы Криогенные насосы

Сводная таблица основных технических характеристик криогенных насосов компании Austin Scientific 

Характеристика

Cryo-Plex 8

Cryo-Plex 8LP

Cryo-Plex 10

Cryo-Plex 16

Скорость откачки, л/с

Воздух

1500

1500

3000

5000

Водяные пары

4000

4000

9000

16000

Водород

2500

2200

5000

5000

Аргон

1200

1200

2500

4200

Производительность, ст.см/мин.

Аргон

700

700

1500

500

Емкость, ст.л

Аргон

1000

1000

2000

2500

Водород (при давлении 5•10-6 Торр)

18

12

24

15

 

Характерное значение запуска (произведение объема камеры на давление запуска крионасоса), Торр•л

150

150

300

300

Время охлаждения

1,5 ч

1,5 ч

1 ч

2,5 ч

Фланец

ДУ200

ДУ200

ДУ320

ДУ400

 

В чем заключаются преимущества использования крионасосов:

В тех практических задачах, где возникает потребность в создании разрежения в пределах от 10-3 до 10-10 Торр, обычно используется один из трех типов насосов: масляный диффузионный насос, турбомолекулярные насосы и крионасосы. Из всех перечисленных типов насосов крионасосы наиболее просты в эксплуатации, обеспечивают наиболее быструю откачку и при этом абсолютно не загрязняют откачиваемый объем. Проблема прямой зависимости давления паров от температуры при применении крионасосов решается очень просто и элегантно. Дело в том, что крионасосы не перемещают молекулы газа, а замораживают их. В связи с этим у крионасосов отсутствуют какие-либо подвижные части или жидкие среды, контактирующие непосредственно с вакуумом из откачиваемого объема. Это обстоятельство полностью исключает вероятность загрязнения рабочего объема в процессе откачки. Крионасосам, в процессе эксплуатации, требуется минимальное техническое обслуживание. Следует отметить, что надежная пайка, применяемая для крепления криопанелей в насосах Austin Scientific, дает возможность откачивать, в том числе, и агрессивные газы, такие, например, как Cl2, HCl. Все части крионасосов Austin Scientific, контактирующие с откачиваемым газом покрыты стойким сплавом. В том случае, если требуется исполнение с повышенной химстойкостью, возможно нанесение покрытия из тефлона. Важным преимуществом криогенных откачных систем является более высокие по сравнению с другими типами насосов скорости откачки при гораздо меньших габаритах.

Производительность:

Обычно, откачные характеристики вакуумных насосов сравниваются на основе скорости откачки по воздуху. Это связано с тем, что откачные характеристики стандартных насосов синхронно изменяются в зависимости от типа газа. У крионасосов, однако, скорости откачки по различным газам сильно отличаются. Так, например, в большинстве случаев водяные пары являются основной газовой нагрузкой, и скорость откачки паров воды является определяющим фактором при оценке общего времени откачки рабочего объема. Скорость откачки паров воды стандартного крионасоса Austin Scientific с ДУ 150мм составляет 4000 л/с. Стандартным насосом для достижения такой производительности требуются дорогостоящие азотные ловушки (LN2).

Также крионасос может монтироваться непосредственно на рабочий объем, что очень важно, в таких промышленных процессах, как, например, процесс металлизации. Эта возможность позволяет достигать максимально возможных для данного насоса скоростей откачки по кислороду, водороду, азоту и другим загрязняющим газам, что, в свою очередь, улучшает качество покрытия.

Чистота откачки:

Существенно, что крионасосы являются самыми «чистыми» из всего семейства высоковакуумных насосов, применяющихся в настоящий момент. В крионасосах отсутствуют подвижные части, рабочие жидкости или другие рабочие элементы, способные загрязнить откачиваемый объем, что полностью исключает попадание каких-либо загрязнений в вакууммируемый объем во время откачки.

Кроме того, крионасосы способны запускаться и самостоятельно производить дальнейшую откачку с так называемого давления запуска, обычно 0,5 Торр или выше, достаточного, чтобы полностью устранить самый главный источник загрязнения – обратный ток масла из форвакуумного насоса, создающего предварительное разрежение. Характерное значение запуска крионасоса измеряется в Торр·л и определяет то начальное давление, с которого запускается крионасос, принимающий с этого момента всю газовую нагрузку на себя, в зависимости от величины откачиваемого объема. При давлении, превышающем давление запуска, в форвакуумном насосе предварительного разрежения сохраняется вязкостное течение откачиваемого газа, которое удерживает пары масла внутри насоса предварительного разрежения. Таким образом, крионасосы не только обеспечивают сверхчистый вакуум, но также избавляют пользователя от трудоемкой очистки рабочего объема от паров масла, попадающих туда во время предварительной откачки.

Экономичность:

Несмотря на то, что стоимость крионасосов находится между стоимостью диффузионных и турбонасосов с аналогичными откачными характеристиками, очень невысокая стоимость технического обслуживания крионасосов в процессе эксплуатации ставит их в ряд наиболее экономичных, рассчитанных на длительную эксплуатацию, высоковакуумных насосов.

На первый взгляд может оказаться, что масляный диффузионный насос является недорогой альтернативой крионасосу. На самом деле это не совсем так. Дело в том, что диффузионному насосу для достижения высокой производительности требуются азотные ловушки, регулировки уровней, сосуды Дьюара и другое дополнительное техническое оборудование, затраты на которое быстро увеличат на тысячи долларов стоимость откачной системы на основе такого насоса. Кроме этого, эксплуатационные расходы на жидкий азот и электричество в дальнейшем сделают такую откачную систему много дороже криогенной.

Турбомолекулярным насосам не требуются дорогостоящее дополнительное техническое оборудование и ловушки, но и их стоимость при этом оказывается существенно больше, чем у крионасосов с аналогичными откачными характеристиками.

Таким образом, крионасосы являются оптимальным решением с точки зрения создания не загрязняющей рабочий объем откачной системы с минимальной стоимостью и максимальной производительностью.

Механизм работы крионасоса:

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, крионасосы вымораживают газы до твердого состояния, уменьшая тем самым давление паров до тех пор, пока не будет создан высокий вакуум.

Для охлаждения специальных встроенных криопанелей до 15К и 80К, 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.

При работе крионасоса гелий, находящийся при комнатной температуре и высоком давлении, 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 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 10-12Торр. Неконденсируемые газы, такие как гелий, водород и неон адсорбируются слоем из капсулированного древесного угля, охлажденного до 15 К.

Скорость откачки:

По существу крионасос состоит из трех независимых насосов или решеток, каждый из которых откачивает определенные типы газов с различными скоростями. При этом 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. Как видно из вида разреза на рисунке, внешняя решетка, поддерживаемая при температуре 80К, представляет собой несколько больших конденсирующих поверхностей для паров воды, свободно пропускающих остальные газы к внутренним решеткам. В результате скорость откачки воздуха крионасосом во много раз превышает скорость откачки другими насосами. То же самое относится к скоростям откачки по другим газам.

Давление запуска:

Стандартные, так называемые пропускные, высоковакуумные насосы сбрасывают откачиваемый воздух в форвакуумный насос предварительного разрежения и, в силу этого, начинают работать с определенного давления. Крионасосы начинают работать с того момента, когда масса газа, находящегося в откачиваемом объеме достигает определенной величины. Таким образом, давление запуска определяется величиной откачиваемого объема, а характерное значение запуска насоса выражается в Торр·литр. Для того чтобы сравнить напрямую давление запуска крионасоса с давлением запуска любого другого насоса, необходимо знать размер откачиваемого объема.

Зная объем, нужно просто разделить характерное значение запуска данного крионасоса, выраженное в Торр*л на рабочий объем в литрах.

 Пример:

Максимальное достигаемое характерное значение запуска насоса, например, для насоса Cryo-Plex 8 компании Austin Scientific составляет 150 Торр·л. Следовательно, при откачке сосуда объемом 100 л перепускное давление вычисляется делением 150 Торр·л на 100 л и оказывается равным 1,5 Торр.

Как становится видно из примера, переключение на крионасос с насоса предварительного разрежения обычно происходит при более высоких давлениях, чем давления в случае работы со стандартными высоковакуумными насосами. Это обстоятельство говорит о том, что при прочих равных условиях время откачки крионасосом существенно уменьшается по сравнению со временем откачки стандартными высоковакуумными насосами. К тому же, более высокое перепускное давление дает возможность поддерживать вязкостное течение откачиваемого газа в линии предварительного разрежения, что, в свою очередь, предотвращает возможный обратный ток паров масла в откачиваемый объем - главный источник загрязнения откачиваемого объема в большинстве вакуумных систем.

Предельный вакуум:

Поскольку крионасосы обычно откачивают конденсируемые газы до давления паров менее 10-12Торр, предельно создаваемый вакуум определяется исключительно скоростью откачки и газовой нагрузкой. Крионасосы в которых используются уплотнения из эластомеров могут создавать разрежение ниже   10-8 Торр, а при использовании металлических уплотнений – ниже 5·10-10Торр.

Регенерация:

Так как крионасосы захватывают молекулы, а не продавливают их через себя, им требуется периодическая регенерация или «разморозка» для того, чтобы освободиться от накопившихся газов. В подавляющем большинстве практических применений крионасоса короткий цикл регенерации никоим образом 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 том случае, если произойдет сбой в электропитании, в крионасосе в течение примерно 10 минут будет поддерживаться рабочая температура. При этом крионасос будет не только поддерживать вакуум, но и продолжать интенсивно работать. После включения электропитания крионасос автоматически запустится. Таким образом, кратковременные сбои в питании вообще не смогут повлиять на работу откачной системы.

Модели компрессоров, выпускаемые компанией Austin Scientiifc и их технические характеристики: 

Модель компрессора 125 450
Производительность по гелию 354 ст.л/мин 1274 ст.л/мин
Тип охлаждения воздушное/водяное воздушное/водяное
Мощность 1,5 кВт 5 кВт
Питание 50Гц, 220В 50Гц, 380В, трехфазное
Наибольший совместимый насос Cryo-Plex 8 Cryo-Plex 16
 

Опционные системы управления крионасосами

Компания Austin Scientific предлагает также дополнительное оборудование для формирования законченной криогенной вакуумной системы: автоматику для регенерации, аппаратуру для контроля рабочих параметров насоса, клапаны и арматуру для совместной работы криогенного и форвакуумного насосов в единой схеме на вакуумной камере.

blms

mirror: www.tuap-spb.com

mirror: tuap-spb.narod.ru