Если на производстве или каком-либо предприятии необходимо наличие в вакуумных системах низкого давления от 10-2 до 10-10 Торр, то в большинстве случаев используется несколько подходящий для этих целей видов насосов, среди которых присутствует диффузионно масляный, турбомолекулярный и криогенный насосы. Последняя разновидность вакуумный агрегатов отличается от остальных более простым способам эксплуатации, повышенной скоростью производимой откачки, а также полным отсутствием внесения загрязняющих масс в обрабатываемую среду. Такое оборудование без проблем справляется с появлением прямой зависимости давления пара от температурного режима, что исключает применение дополнительного оборудования. Это связано с тем, что конструкция криогенного насоса не занимается транспортировкой частиц газа, а просто их замораживает. За счет такой технологии внутри криогенных агрегатов отсутствуют движущиеся части и отпадает необходимость в применении масляного либо водяного уплотнения, которые бы в процессе эксплуатации могли загрязнять или увлажнять обрабатываемую среду. За счет всего вышеописанного, появление необходимости в ремонте криогенного насоса происходит достаточно редко, что в несколько раз увеличивает эксплуатационный срок, в сравнении с другими типами насосов. В дополнение, в процессе сборки корпуса и деталей криогенного насоса используется индиевая пайка, исключающая применение каких-либо уплотнителей, прокладок и сальников, что соответственно дает возможность с помощью данной техники осуществлять перекачку агрессивных газов и веществ, без нанесения вреда оборудованию. В зависимости от предназначения насоса, существуют модели, внутренние части которых покрываются специальным тефлоновым слоем, обладающим повышенной химической стойкостью.
Криогенный насос: что это?
Основным параметром, который влияет на характеристики криогенного насоса, является скорость откачки молекул газа по воздуху. Это отличает данный тип насосов от других разновидностей, так как простые агрегаты меняют скорость откачки, если молекулярный состав газа отличается, то есть, у криогенных насосов нет прямой зависимости от типа обрабатываемого вещества. Однако, на скорость откачки данных агрегатов существенно влияет процент вхождения в обрабатываемое вещество воды, что снижает производительность при увеличении количества жидкости в газе. Для примера, в стандартном исполнении криогенного насоса с входным фланцем dn200, его производительность будет превышать 4.500 л в секунду. Для того, чтобы добиться такой скорости откачки используя обычный насос, потребуется дополнительное оборудование в виде азотных уловителей, чтобы максимально снизить физическое сопротивление всасываемости среды, в отношении процессов сжатия.
Криогенные насосы в силу своей конструкции можно устанавливать непосредственно на вакуумной установке, что положительно влияет на согласие производителей применять данный тип агрегатов, к примеру на машинах, производящих процесс металлизации. Это стало доступным за счет возможности откачки криогенным насосом вакуумной среды, содержащей водород, азот и другие загрязненные газы, с максимально возможной для этих агрегатов скоростью. Эта особенность гораздо ускоряет процесс производства и увеличивает характеристики получаемого покрытия.
Степень загрязненности перекачиваемой среды
Данный тип оборудования считается самым экологически чистым в процессе работы, по сравнению с остальными современными приспособлениями такого типа. За счет того, что внутри насоса нет ни единой движущейся части, рабочей или смазывающей жидкости, которые способны внести нежелательные включения в перекачиваемую среду, агрегат можно применять на тех производствах, где экологическая чистота обработки материалов играет очень важную роль.
За счет того, что для первоначального стартового запуска и дальнейшей автономной работы криогенных насосов хватает остаточного давления в пределах 0.4 Па, не возникает обратного всасывания с последовательно подключенных форвакуумных насосов масляных паров, в процессе генерации вакуума. Показатель уровня пусковой мощности криогенного насоса определяется в Торр/л и указывает на показатель уровня давления, которое находится в системе при запуске аппарата, поглощающего на этом этапе всю газовую активность в свой рабочий объем, которая зависит от количества откачиваемого рабочего газа. Если сжатое давление превосходит пусковую тягу, внутри форвакуумного насоса скапливается загустевшая масса газа, которая удерживает маслянистые пары во внутреннем объеме агрегата. Такая способность криогенного насоса параллельно с перекачкой чистой среды, освобождает оператора вакуумной системы от трудоемкой и дорогостоящий очистки рабочей камеры от маслянистых остатков, возникающих при предварительном откачивании газовых молекул в стандартных системах, не включающих в свой состав криогенных насосов.
Конструкция криогенного насоса
Для примера рассмотрим агрегат, который используется для заправки малообъемных сосудов и больших цистерн, с помощью центробежного криогенного насоса, которой обладает следующими преимуществами:
- Механическое взаимодействие с кольцом из композита, материал которого более чем в 3 раза увеличивает эксплуатационный срок этого механизма, по сравнению со стандартными графитовыми кольцами;
- Рабочая область, где осуществляется процесс перекачки при минусовой температуре отливается из бронзового сплава;
- Вал привода имеет полную структуру;
- Корпус насоса надежно защищен специальным кожухом;
- Сам агрегат имеет небольшой вес и маленькие габариты;
- Вращательный момент осуществляется с помощью 7-ми ступенчатой зубчатой передачи;
- Агрегат издает достаточно низкий уровень шума.
Центробежные криогенные насосы, в основном, используют для транспортировки гранул сухого льда с изотермических камер либо резервуаров в криогенную вакуумную установку поршневого типа. Особенности территориального расположения обуславливают монтаж такого оборудования вблизи от центрального пульта управления и изотермического резервуара.
Если используются трубопроводы, через которые проходят частицы льда либо влажные испарения, то для их транспортировки наиболее подходящим механизмом будет именно криогенный насос.
Что касается принципа работы, то он основан на методе конденсации, при котором поступившая в систему вода легко улавливается крио поверхностями, а когда есть наличие 130 К, давление пара стабилизируется, что обеспечивает максимальную эффективность перекачки обрабатываемой среды с рабочим давлением менее 10-10 Торр. Чтобы достигнуть абсолютной эффективности в процессе откачки воды и газовых сред, обладающих большим количеством молекулярной массы, то поверхность криогенного насоса должна составлять 65-90 К. Если будут достигнуты такие обстоятельства, то рабочий конденсат станет похож на лед, так как визуально будет схож с твердым веществом.
Существуют также виды криогенных насосов, которые можно погружать непосредственно в холодную жидкость. Эта особенность позволяет обеспечивать производство беспрерывным функционированием и при необходимости дает возможность производить последовательный запуск либо остановку. Таким образом, с помощью данного оборудования можно перекачивать сжиженный газ, осуществлять загрузочно-разгрузочные манипуляции транспортировочных автомобилей и емкостей, не нарушая температурного режима для криогенных жидкостей.
Еще один тип криогенных насосов является гелиевым, который предназначен для осуществления криогенных процессов при любой температуре охлаждения, вне зависимости от силы нагрузки.
Криогенный насос: принцип действия
В принципе, разновидность криогенного насоса не влияет на способ генерации вакуума и самой среды. Это достигается в силу метода отвода газов и выпуска молекул из любой замкнутой системы в вакуумных объемах. В стандартных агрегатах для откачки вакуумной среды, молекулы газа проходят через сам насос, а в случае с криогенными аппаратами эти газы охлаждаются до твердой формы, что понижает давление испарения по максимуму, до момента пока не сгенерируется низкая степень вакуума.
Чтобы замораживать частицы газа без застоя в криогенных насосах с применением охладительных панелей 10 К и 80 К, рабочий объем дополнительно снабжается циркуляцией гелиевого газа. Таким образом, откаченные частицы могут свободно перемещаться и в процессе работы насоса касаются поверхности охладительных панелей, в силу чего переходят в фазу конденсата либо поглощаются этими крио панелями.
Для того, чтобы незначительная часть газа, имеющая комнатную температуру, при нахождении в вакууме могла соприкоснуться с плоскостью панелей для перехода в конденсат, применяется его нагнетание вспомогательным компрессором, засасывающим газ на охлажденную часть поршня, а оттуда, для конденсации он переходит на специальные решетки, осуществляющие необходимый процесс.
Чтобы данные решетки не забивались, имеющийся в системе насоса гелий, от попадания на поверхность поршня расширяется и тем самым освобождает ячейки решеток для их нормальной функциональности. С наружной стороны решеток температура составляет порядка 85 К, чтобы они могли перевести в конденсат возникающие водяные испарения, являющиеся показателем основной нагрузки системы. Что касается внутренней поверхности решеток, то ее температура колеблется в пределах 16 К и осуществляет конденсацию остальных молекул газа, входящих в состав оттачиваемой среды. Все газы, переведенные в конденсат, переходят в твердую форму и имеют давление испарения ниже 10-11 Topр. Отработанный вспомогательный газ типа гелия, неона, либо водорода, отслаивается при помощи специального фильтра на основе древесного угля, для качественной производительности которого, температура фильтра должна составлять около 16 К.
Использование криогенных насосов
Первые агрегаты, где начали применять в качестве дополнительного оборудования криогенные насосы – это высоковакуумные испарители. В силу того, что данное оборудование полностью исключает возврат паромасляный отложений в вакуумную систему, а также способность создавать степень давления, которое может быть ниже даже 10-8 Торр, получается просто идеальный инструмент для осуществления процессов нанесений разного рода тонких покрытий из оптической и электрической пленки. Типы криогенного оборудования, рабочее давление которых может достигать от 10-7 до 10-11 Торр, активно используют при исследованиях физики плоскостей и процессов проведения молекулярной эпитаксии.
Данные устройства также применяются для создания полупроводников, нанесения защитных напылений на металл и при вакуумной среде показателем 5×10-4 Торр. Если особенности производства обуславливают полное отсутствие масляный включений в откачиваемой среде, например, при работе вакуумных печей, проведение электронно-лучевой сварки и прочих действиях, вакуумные криогенные насосы просто незаменимы. Даже космическая компания НАСА, чтобы воссоздать космическое пространство в замкнутых объемах, использует криогенные насосы, создающие давление порядка 10-6 Topр, что правда требует дополнительного оснащения агрегатов охлаждающими приспособлениями и морозильными установками, увеличивающими мощность процесса заморозки.
