Криоконденсационная и криоадсорбционная откачка

Криоконденсационная откачка - это удаление газов из вакуумной системы за счет их конденсации на охлажденных поверхностях насоса.

Криоадсорбционная откачка осуществляется адсорбцией газов на охлаждаемых адсорбентах. Равновесное давление откачиваемых газов определяется изотермами адсорбции, устанавливающими связь между количеством поглощенного газа и давлением при постоянной температуре. Количество адсорбированного газа должно составлять значительную часть газа в объеме вакуумной системы, что обычно наблюдается при температурах адсорбирующих поверхностей ниже температуры кипения газа при атмосферном давлении.

Конструкции криогенных насосов

Рассмотрим основные варианты конструкций криогенных адсорбционных насосов. Для работы в низком вакууме используются насосы погружного типа (рисунок 6, а), а для работы в высоком вакууме - заливного типа (рис. 6, б). Адсорбент 1 для предотвращения загрязнения и улучшения условий охлаждения помещается внутри пористого металлического фильтра 2. Нагреватель 3 служит для регенерации адсорбента после его насыщения откачиваемым газом. Разница в конструкции насосов погружного и заливного типов состоит в том, что сосуд Дьюара 4 для размещения криоагента 5 в насосах погружного типа выполняется съемным, а в насосах заливного типа в качестве теплоизоляции между стенками насоса и сосудом с криоагентом используется вакуум, создаваемый самим насосом. В качестве криоагентов используются сжиженные газы.

Схемы криоадсорбционных насосов с неподвижным адсорбентом конструктивно просты, но требуют дополнительной арматуры и дублирования откачных средств для обеспечения непрерывного процесса откачки, имеют высокие эксплуатационные расходы криоагента и электроэнергии на изменение температуры не только самого адсорбента, но и корпуса насоса.

Рисунок 6 – Конструктивные схемы адсорбционных насосов

Схема криадсорбционного насоса с движущимся адсорбентом (рисунок 6, в) обеспечивает постоянство быстроты откачки и предельного давления независимо от времени работы насоса. Адсорбент движется по замкнутому контуру с линейной скоростью v_л проходя на своем пути камеру адсорбции 1, шлюз 2, нагреватель 5, камеру десорбции 4, шлюз 3, холодильник 6 и вновь попадает в камеру адсорбции.

Криоконденсационные насосы заливного типа имеют конструктивную схему согласно рисунка 6, г. В полость 2 заливается низкотемпературный криоагент (жидкий гелий или водород), а в полость 3 - высокотемпературный криоагент (жидкий азот). Экраны 1 защищают поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом от излучения стенок насоса, не препятствуя проникновению откачиваемого газа к охлажденной поверхности. Очень часто в криоконденсационных насосах используется адсорбционный способ поглощения неконденсирующихся газов, для чего поверхность сосуда с низкотемпературным криоагентом покрывается адсорбентом в виде пористой оксидной пленки (или в процессе работы насоса на ней осаждается пористый слой хорошо конденсируемых газов).

Криоконденсационные насосы испарительного типа (рис. 6, д) имеют криопанели в виде змеевиков, по которым циркулируют пары криоагента, испаряющегося из сосуда Дьюара. Циркуляция может осуществляться за счет создания избыточного давления в сосуде Дьюара или всасывающего действия механического вакуумного насоса. Испаряющийся в криопанели 1 криоагент используется для охлаждения внешнего экрана 2, защищающего криопанель от излучения стенок насоса.

Криосорбционные насосы могут снабжаться автономными криогенераторами (рис. 6, е), в которых криопанель 1 охлаждается от автономной газовой машины 2, а экран 3 служит для уменьшения притока теплоты к криопанели.

Для откачки широко применяются адсорбенты с большой площадью внутренней поверхности: активные угли, цеолиты, силикагели.

Активные угли - пористые углеродные адсорбенты, которые получают из торфа, каменного угля, опилок и других видов органического сырья путем термической обработки без доступа воздуха для удаления воды и смол с последующей активацией окислением при температуре около 900 °С в присутствии С0₂. Так как поверхность углерода электронейтральна, то адсорбция на углях в основном определяется дисперсионными силами взаимодействия. Активные угли имеют поры различных размеров. Площадь поверхности активных углей при насыпной плотности 0,5 г/см³ может достигать 2000 м²/г.

Цеолиты - это алюмосиликаты, содержащие в своем составе SiO₂ и А1₂О₃, окислы щелочных и щелочноземельных металлов, а также молекулы кристаллической воды. После удаления кристаллической воды термообработкой при 400-500 °С в различных типах цеолитов появляется регулярная структура пор размером от 0,3 до 0,9 нм. Поверхность цеолитов полярна, и адсорбция во многом зависит от ориентационного эффекта взаимодействия. Цеолиты бывают природные и синтетические, получаемые кристаллизацией исходных компонентов из раствора при температуре 100 °С. Активная поверхность цеолитов может достигать 1000 м² /г при насыпной плотности 0,7 г/см³.

Силикагелъ - аморфная форма гидратированного кремнезема (SiO₂nН₂0), получаемого при взаимодействии силикатов щелочных металлов и минеральных кислот. При высушивании гидрогеля кремниевой кислоты образуется структурная сетка из сферических частиц, поверхность пор в которой может достигать 500 м² /г при насыпной плотности 0,7 г/см³ Размеры пор изменяются от 1 до 7 нм в зависимости от режимов обработки.