Сорбционный насос

Сорбционный насос представляет собой вакуумный насос , который создает вакуум путем адсорбции молекул на очень пористом материале, например молекулярном сите , который охлаждается криогеном , обычно жидким азотом . Предельное давление около 10 ⁻² мбар . С помощью специальных методов это значение можно снизить до 10. ⁻⁷ мбар. Основными преимуществами являются отсутствие масла и других загрязнений, низкая стоимость и работа без вибраций, поскольку отсутствуют движущиеся части . Основными недостатками являются то, что он не может работать непрерывно и не может эффективно перекачивать водород , гелий и неон , все газы с более низкой температурой конденсации, чем жидкий азот. Основное применение — в качестве чернового насоса для ионно-распылительного насоса в экспериментах в сверхвысоком вакууме , например, в физике поверхности .

Строительство

Сорбционный насос обычно изготавливается из нержавеющей стали , алюминия или боросиликатного стекла . Это может быть простая колба из пирекса , наполненная молекулярным ситом, или сложная металлическая конструкция, состоящая из металлической колбы с перфорированными трубками и теплопроводящими ребрами. . предохранительного клапана Возможна установка Конструкция влияет только на скорость откачки, а не на предельное давление, которого можно достичь. Детали конструкции представляют собой компромисс между быстрым охлаждением с использованием теплопроводящих ребер и высокой газопроводностью с использованием перфорированных трубок.

Типичное используемое молекулярное сито представляет собой синтетический цеолит с диаметром пор около 0,4 нанометра (тип 4А) и площадью поверхности около 500 мкм. ² /г. Сорбционный насос содержит от 300 г до 1,2 кг молекулярного сита. 15-литровую систему прокачают примерно до 10. ⁻² мбар на молекулярном сите 300 г.

Операция

Сорбционный насос представляет собой насос циклического действия, его цикл состоит из 3 фаз: сорбция, десорбция и регенерация.

На этапе сорбции насос фактически используется для создания вакуума. Это достигается путем охлаждения корпуса насоса до низких температур, обычно путем его погружения в колбу Дьюара, наполненную жидким азотом. Газы теперь будут либо конденсироваться , либо адсорбироваться большой поверхностью молекулярного сита.

На этапе десорбции насосу дают прогреться до комнатной температуры, и газы выходят через предохранительный клапан или другое отверстие в атмосферу. Если насос использовался для перекачивания токсичных, легковоспламеняющихся или других опасных газов, необходимо соблюдать осторожность при безопасном сбросе в атмосферу, поскольку все газы, перекачиваемые на этапе сорбции, будут выделяться на этапе десорбции.

На этапе регенерации корпус насоса нагревается до 300 °C, чтобы удалить водяной пар, который не десорбируется при комнатной температуре и накапливается в молекулярном сите. Для полной регенерации насоса обычно требуется 2 часа.

Насос можно использовать в цикле сорбции и десорбции до тех пор, пока он не потеряет слишком большую эффективность и не будет регенерирован, или в цикле, где за сорбцией и десорбцией всегда следует регенерация.

После заполнения сорбционного насоса новым молекулярным ситом его всегда следует регенерировать, поскольку новое молекулярное сито, вероятно, насыщено водяным паром . Кроме того, когда насос не используется, его следует закрыть от атмосферы, чтобы предотвратить насыщение водяными парами.

Улучшение производительности

Производительность откачки можно улучшить, предварительно накачав систему другим простым и чистым вакуумным насосом, например диафрагменным насосом или даже водяным аспиратором подачи сжатого воздуха или насосом Вентури для .

последовательную или многоступенчатую откачку Для достижения более низкого давления можно использовать . В этом случае к вакуумному сосуду параллельно подключаются два или более насоса. Каждый насос имеет клапан, изолирующий его от вакуумного резервуара. В начале откачки все клапаны открыты. Первый насос охлаждается, а остальные еще горячие. Когда первый насос достигает предельного давления, он отключается, а следующий насос охлаждается. Конечное давление находится в пределах 10. ⁻⁴ мбарский регион. Остается в основном гелий, потому что его почти не накачивают. Конечное давление почти равно парциальному давлению гелия в воздухе.

Сорбционный насос эффективно перекачивает все газы, за исключением водорода, гелия и неона, которые не конденсируются при температуре жидкого азота и не эффективно адсорбируются молекулярными ситами из-за малого размера молекул. Эту проблему можно решить, продувая вакуумную систему сухим чистым азотом перед откачкой. В продувочной системе с аспирационной грубой откачкой предельное давление 10 ⁻⁴ мбар для одного сорбционного насоса и 10 ⁻⁷ мбар для последовательной накачки. Типичным источником сухого чистого азота является свободное пространство Дьюара с жидким азотом.

Было предложено что, применяя метод динамической откачки, можно также перекачивать водород, гелий и неон, не прибегая к продувке сухим азотом. Это осуществляется путем предварительного охлаждения насоса при закрытом клапане вакуумного сосуда. Клапан открывается, когда насос холодный, и поток адсорбируемых газов унесет все остальные газы в насос. Клапан закрывается до того, как водород, гелий или неон смогут вернуться в вакуумный сосуд. Также может применяться последовательная откачка. Окончательное давление не указано.

Непрерывную перекачку можно смоделировать, используя два насоса параллельно и позволяя одному насосу перекачивать систему, в то время как другой насос, временно изолированный от системы, находится в фазе десорбции и сбрасывается в атмосферу. Когда насос хорошо десорбируется, его охлаждают и снова подключают к системе. Другой насос герметично закрывается и переходит в режим десорбции. Это становится непрерывным циклом.