+7 (495) 664 22 07 baza@vacuumpro.ru

Крионасосы

Криовакуумные насосы обеспечивают чистую высокоскоростную откачку всех газов из криогенных вакуумных камер и систем. Они функционируют благодаря сочетанию конденсации и адсорбции газов и паров на поверхностях, охлаждаемых до очень низких температур. В большинстве криогенных насосов используются наборы поверхностей (панелей), поддерживаемых при двух конкретных диапазонах температур посредством работающего обратно-поступательно механического охладителя, где используется гелий в качестве хладагента. Гелий подается под высоким давлением и комнатной температуре дистанционным компрессором и возвращается в компрессор при низком давлении, но при температуре несколько выше комнатной. Все холодные (но не движущиеся) детали охладителя находятся в пределах вакуумной среды насоса. В результате такого подхода создается надежный, экономичный вакуумный насос, подходящий для многих видов применения.

Констукция криогенного насоса

Корпус крионасосов, в частности таких, как на рис. 1, представляет собой вакуумный сосуд из коррозионностойкой стали или алюминия с высоковакуумным фланцем для установки высоковакуумного клапана.

криовысоковакуумные насосы

Рис. 1. Криовысоковакуумные насосы.

Двухступенчатый криоохладитель прикреплен болтами или соединен с сосудом посредством сварки. Поверхности охладителя, находящиеся под действием вакуума, выполнены из нержавеющей стали. Массивные медные нагревательные станции, иногда имеющие никелевое покрытие для антикоррозийной защиты и улучшения внешнего вида, припаяны к цилиндру охладителя для эффективной отдачи теплоты на конденсирующие криопанели. Медный тепловой излучающий экран, представляющий собой большую емкость с черной внутренней поверхностью, присоединен к станции нагревании первой ступени. Тепловой излучающий экран, покрытый черной краской, поддерживаемый посредством охладителя при температуре приблизительно 65 К, поглощает входящую из системы теплоту. Наружная сторона экрана имеет никелевое покрытие для уменьшения передачи теплового излучения от вакуумного резервуара, находящегося при комнатной температуре. Впускной массив медных криопанелей с никелевым покрытием прикрепляется к отверстию теплового излучающего экрана и также поддерживается при температуре, близкой 65 К. Впускной массив действует в качестве насоса для водяного пара (см. рис. 2).

конструкция криогенного насоса

Рис. 2. Конструкция криогенного насоса.

Внутри объема, заключенного между впускным и излучающим экраном, находятся криопанели второй ступени. Присоединенные к станции нагревания более низкой температуры (10-20 К), медные криопанели в виде медных дисков, пластин или конусов используются в качестве второго насоса для аргона, кислорода, азота и других газов, которые откачиваются посредством конденсации. Эти криопанели также имеют никелевое покрытие. Над большей частью поверхности криопанелей второй ступени находится слой активированного или древесного угля. Он обеспечивает третий тип откачки внутри крионасоса: сорбционный насос для легких газов - водорода, гелия и неона. Размер, форма и число этих поверхностей определяют быстроту откачки и емкость для всех газов, откачиваемых на второй ступени.

 

Каталог криогенных насосов

oerlicon leybold vacuum

Leybold COOLVAC

криогенные насосы oerlicon leybold coolvac

Крионасосы серии COOLVAC используются для создания ультрачистого вакуума и оборудованы системой управления через ПК.

Перейти в каталог криогенных насосов Oerlicon Leybold COOLVAC...

перейти в каталог криогенных насосов gvt

GVT ICP

криогенные вакуумные насосы gvt icp

Криогенные насосы с возможностью регенерации в автономном режиме, надежные и простые в обслуживании.

Перейти в каталог криогенных насосов GVT ICP...

GVT HPM

криогенные вакуумные насосы gvt hpm

Вакуумные криогенные насосы GVT HPM используются для создания чистого вакуума с максимальной производительностью.

Перейти в каталог криогенных насосов GVT HPM...

перейти в каталог криогенных насосов shi cryogenics

SHI Cryogenics SICERA

криогенный насос shi sicera

Криогенные насосы SHI Cryogenics SICERA используют инверторную технологию, позволяющую снизить потребление электричества на 30%.

Перейти в каталог криогенных насосов SHI Cryogenics SICERA...

SHI Cryogenics MARATHON

криогенный насос shi marathon

Криогенные насосы SHI Cryogenics MARATHON оборудованы системой регенерации ксенона, для дальнейшего применения в области научных изысканий.

Перейти в каталог криогенных насосов SHI Cryogenics MARATHON...

 

История создания

В первых крионасосах, начиная с 1930-х гг., для охлаждения использовались жидкие хладагенты, в частности жидкий азот при 77 К и жидкий гелий при 4,2 К. Несмотря на простую конструкцию, они требовали постоянного пополнения хладагентов. Наиболее значимыми прорывами в технологии крионасосов была разработка цикла охлаждения Джиффорда-Макмагона и использование активированного древесного угля для сорбции водорода, гелия и неона в 1960-х гг. Первоначально разработанные в компании Arthur D. Little, Inc. для конденсации водорода при 20 К и охлаждения микроволновых приемников для наземных станций спутниковой связи, охладители Джиффорда-Макмагона доказали свою способность работать в течение многих лет при незначительном объеме технического обслуживания или даже при его отсутствии на удаленных площадках во всем мире. Другие модели охладителей были первоначально разработаны для охлаждения инфракрасных датчиков и твердотельных лазеров, используемых в военных программах.

Работа охладителя

Цикл Джиффорда-Макмагона - это цикл термодинамического расширения «без совершения работы» с использованием регенеративных теплообменников. В криовакуумных насосах конфигурация охладителя обычно состоит из двух ступеней разных диаметров, одна над другой (см. рис. 3).

охладитель джиффорда макмагона

Рис. 3. Охладитель Джиффорда-Макмагона.

Поршень-вытеснитель, состоящий из двух частей разного диаметра, вставляется в цилиндр охладителя. Часть, имеющая больший диаметр, уплотняется сотнями дисков, которые составляют металлический экран. Часть меньшего диаметра добавочного поршня уплотнена свинцовыми шариками или подобными материалами. Экраны и шарики являются матрицей теплообменника. Сам корпус поршня изготовлен из прочной пластмассы с низкой теплопроводностью. Несколько отверстий в поршне направляют через него поток газа. Экраны и шарики уплотнены таким образом, чтобы стимулировать относительно свободный поток газа через матрицу, открывая поверхности шариков и экранов действию газа для оптимального обмена теплотой.

Низкоскоростной двигатель или пневматический привод перемещает поршень вверх и вниз внутри расточного отверстия цилиндра с номинальной частотой 60-72 хода в минуту. Когда охладитель работает, торец большого цилиндра первой ступени рядом с приводным механизмом находится при комнатной температуре. Другой конец цилиндра первой ступени, к которому припаяна станция нагревания первой ступени, имеет температуру приблизительно 65 К. Цилиндр меньшего диаметра второй ступени приварен к торцу первой ступени. Противоположный торец цилиндра второй ступени имеет температуру приблизительно 10-15 К. Точные температуры ступеней определяются создаваемой на них термической нагрузкой, конструкцией поршней-вытеснителей в охладителе, значением давления подачи и возврата гелия из компрессора и рядом других переменных.

Газ из компрессора под давлением приблизительно 20 атм. впускается в теплый торец цилиндра посредством механически синхронизированного впускного клапана. Гелий проходит через матрицы добавочного поршня и заполняет весь объем цилиндра до получения давления подачи. По мере того, как газ проходит через экраны и шарики, он охлаждается в процессе движения. В свою очередь, каждый экран или шарик становится немного теплее. Перемещающийся поршень-вытеснитель проходит через газ, уменьшая в конечном итоге объем газа на теплом торце почти до нуля. В результате этого также создаются малые объемы газа при 65 К и 10 К на другом конце цилиндра по мере того, как поршень доходит до конца своего хода. В этой точке впускной клапан закрывается, а открывается выпускной клапан, который соединен с линией возврата, идущей в компрессор. Поскольку линия возврата имеет давление приблизительно 6-7 атмосфер, газ внутри цилиндров расширяется, охлаждается и движется обратно через поршни. При каждом ходе удаляется небольшое количество теплоты с каждой станции нагревания (и присоединенного массива криопанелей) для поддержания рабочих температур. Холодный газ, идущий обратно над шариками и экранами, охлаждает их снова до своей предыдущей температуры. По мере того, как поршень продолжает свое возвратнопоступательное движение, небольшие холодные объемы уменьшаются, принудительно заставляя оставшийся холодный газ перемещаться через матрицу поршня. Газ, выходящий из выпускного клапана охладителя, несколько теплее газа, вошедшего в цилиндр. Поскольку цилиндры охладителя - это сварная трубка, гелий вообще не попадает в вакуумное пространство. Аналогичным образом ни один из газов, конденсирующихся в криогенном насосе, никогда не попадает в поток гелия.

Компрессоры

Компрессор выполняет одну основную функцию: он забирает обратный газ из охладителя при давлении 6-7 атм. и повышает давление до 20 атм. перед возвращением его в охладитель. При сжатии гелия выделяется большое количество теплоты, которая должна передаваться либо охлаждающей воде, либо воздуху, подаваемому снаружи. Поскольку компрессор - это механическое устройство, требующее смазки, в возвращающийся гелия впрыскивается масло и предается в компрессорный насос. Масло также служит в качестве эффективной охлаждающей и теплопередающей среды. После сжатия и охлаждения через теплообменник поток гелия освобождается от масла посредством сепаратора тумана. Дополнительный патрон адсорбера обеспечивает окончательную очистку гелия, прежде чем он выйдет в охладитель.

Типичная схема замкнутой системы циркуляции компрессора показана на рис. 4.

система циркуляции гелия масла и охлаждающей воды в компрессоре крионасоса

Рис. 4. Система циркуляции гелия, масла и охлаждающей воды в компрессоре крионасоса.

Чистота газа поддерживается на уровне десятков - сотен частей на миллион.

Поскольку компрессор только забирает и выдает относительно постоянный объем гелия, предела расстояния сепарации компрессора и присоединенных криогенных насосов нет. Широко распространены участки линий гелия длиной 3-18 м, а компрессор может устанавливаться за десятки или сотни метров от насосов, когда используются линии соответствующего диаметра. Расстояние сепарации не создает никаких потерь в эффективности работы охладителя.

Основными факторами эффективности работы крионасоса, управляемого компрессором, являются следующие: абсолютное давление и перепад давлений в линиях подачи и возврата. При остальных равных условиях более высокая охлаждающая способность создается более высоким перепадом давлений. Эффективность работы несколько лучше при более низких значениях абсолютного давления. Более высокая охлаждающая способность обеспечивает более короткое время охлаждения и регенерации, а также большую способность справляться с тепловыми нагрузками при постоянной температуре. Поскольку компрессоры изготавливаются с механическими насосами объемного действия, увеличение выходного потока гелия сокращает перепад давлений. Это означает, что когда большее количество малых насосов подсоединяется к одному большому насосу, способность охлаждения каждого насоса уменьшается, увеличивая время охлаждения. Для ограничения максимального перепада давления и абсолютного давления до разумного уровня обходной клапан с пружиной в компрессоре ограничивает перепад давлений, когда компрессора включен, но ничего не выдает на выходе (криогенные насосы в состоянии регенерации) или только выдает газ с низким давлением на выходе. В зависимости от вида применения эффективность работы крионасосов может быть увеличена путем обеспечения такой величины мощности компрессора, которая является экономически целесообразной. В многонасосных системах с автоматизированными органами управления на компрессоры может приходиться только 15-20% всех затрат на откачку, таким образом, существует большой потенциал использования небольших инвестиций для обеспечения значительной дополнительной компрессорной мощности.

Как правило, компрессоры требуют незначительного технического обслуживания. С периодическими интервалами от одного до трех лет следует заменять адсорбер для поддержания высокой чистоты газа. Если количество гелия уменьшилось и статическое давление гелия (при выключенном компрессоре) упало, следует добавить гелий с чистотой 99,999%. В случае загрязнения гелия, о чем свидетельствует появление стука при каждом ходе охладителя, компрессор и каждый из присоединенных криогенных насосов должны быть продуты и перезаправлены. Кроме этого, в этот момент следует поменять адсорбер. Компрессоры будут работать в течение многих лет, не требуя никакого другого технического обслуживания. Срок службы в пределах 50 000 - 100 000 ч. является вполне обычным явлением.

Виды применения

Высоковакуумные испарители - это первый вид коммерческого применения крионасосов, когда они пришли на смену диффузионным насосам. Отсутствие обратного потока масляного пара и способность достигать значения давления около 10-7 Торр и ниже делают крионасосы привлекательными для использования при нанесении разнообразных электронных и оптических тонких пленок путем испарения или металлизации напылением. Модели крионасосов сверхвысокого вакуума работают в пределах от 10-8 до 10-11 Торр в системах, изучающих физику поверхности и молекулярно-пучковую эпитаксию. При производстве полупроводников крионасосы работают в системах для напыления металлизированных покрытий при 5x10-3 Торр и на конечных станциях установки ионной имплантации и линий пучка. Процессы ионного травления с помощью инертных газов, в частности таких, как аргон, а также реактивных газов, происходят в вакууме при откачке крионасосами. Промышленное оборудование, в частности электроннолучевые сварочные аппараты, вакуумная пайка, а также печи термообработки, основаны на свободной от масла среде камер с откачкой криогенными насосами для высококачественной обработки металла. НАСА и аэрокосмические компании пользуются большими крионасосами 90-120 см в диаметре для откачки имитационных камер космического пространства длиной 33 м до 10-8 Торр, хотя при этом используются насосы гораздо большего размера с несколькими охладителями и LN2 для части охлаждения. Малые криогенные насосы диаметром 100 мм используются на загрузочном шлюзе вакуумных систем и в аналитических приборах, в частности таких, как системы вторичного ионного масс-спектрометра.

Наиболее популярные криовакуумные насосы имеют диаметр 200 мм, и большинство из них используются в коммерческих полупроводниковых производственных системах. Типичные характеристики крионасоса диаметром 200 мм приведены ниже:

Характеристики крионасоса диаметром 200 мм

Быстрота откачки водяного пара 4000 - 4500 л/с
Быстрота откачки азота 1500 л/с
Быстрота откачки аргона 1200 л/с
Быстрота откачки водорода 2200 - 2500 л/с
Сорбционная емкость (по аргону) 700 см3/мин
Сорбционная емкость (по водороду) 12-18 л
Производительность по аргону 700 см3/мин
Переходная характеристика 150 Торр-л
Время охлаждения 90-100 л
Время полной регенерации 2,5-3 ч

Группа РОСВАКУУМ

Адрес: 107023 Россия, г. Москва, Электрозаводская улица, 21

Часы работы офиса: с 9:00 до 18:00 по Москве.

 

Телефон: +7 (495) 664-22-07

E-mail: baza@vacuumpro.ru

 

Чтобы заказать бесплатный подбор оборудования, отправить заявку, запрос или получить консультацию инженеров - свяжитесь с нами по телефону или E-mail.

В базе 310 производителей и поставщиков вакуумного оборудования и техники (РФ, СНГ и зарубежные компании). Цены, наличие на складах и технические характеристики оборудования и техники уточняйте только по электронной почте E-mail.