Принцип криооткачки
Технологии нанесения металлических покрытий на бумагу и пластик, покрытия фар, линз, стёкол и зеркал, производство плоских дисплеев, магнитных накопителей и электронных компонентов требуют высокого вакуума. Крионасосы предназначены для его получения с высокой скоростью: газ конденсируется и адсорбируется на поверхностях, охлаждённых до низких температур.
Способность холодной поверхности откачивать газ определяется зависимостью давления его насыщенных паров от температуры. Для большинства газов эта зависимость описывается законом Клапейрона—Клаузиуса; наклон кривой связан с теплотой испарения.
В замкнутом объёме равновесное давление складывается из равновесных парциальных давлений компонентов. Быстрота действия максимальна, когда давление заметно выше равновесного давления паров при температуре холодной поверхности, и уменьшается по мере приближения к предельному давлению для данного газа и крионасоса.
Водяной пар как вакуумная нагрузка
После удаления основной части воздуха водяной пар часто становится существенной составляющей газовой нагрузки. Молекула H₂O имеет угловое строение и дипольный момент; её неподелённые электронные пары могут взаимодействовать с поверхностью и с другими адсорбированными молекулами.
На металлических поверхностях вода может адсорбироваться недиссоциативно или диссоциативно. Для недиссоциативной адсорбции в приведённых исследованиях отмечены следующие особенности:
- связь с поверхностью преимущественно образуется через атом кислорода;
- перенос электронного заряда с молекулы воды на металл изменяет работу выхода электрона;
- длина связи O—H, валентный угол H—O—H и частоты внутримолекулярных колебаний изменяются незначительно;
- даже при малом покрытии возможны поверхностные ассоциаты молекул воды, связанные водородными связями.
Водяной пар может образовывать на внутренних поверхностях вакуумного объёма десятки монослоёв. Его десорбция занимает время и влияет на цикл откачки. В процессах нанесения плёнок присутствие воды может ухудшать качество покрытия, поэтому криоповерхность целесообразно размещать близко к основному источнику паров.
Конструкция криоповерхности и тепловая нагрузка
Конструкция крионасоса определяется температурой криоповерхности, её расположением и геометрией, тепловой нагрузкой, режимом регенерации, начальным давлением криооткачки и требованиями к энергоэффективности. Быстрота откачки связана с коэффициентом прилипания, молекулярной массой газа, температурой и площадью криопанели.
На практике применяют гладкотрубные змеевики и панели. Змеевики обладают малым сопротивлением откачиваемому потоку, небольшой степенью затенения и удобны для изготовления спиральных, серпантинных и тромбонных конфигураций.
Тепловая нагрузка складывается из теплового излучения, охлаждения криоповерхности до рабочего режима и теплоты фазового перехода конденсируемого вещества. При запуске с относительно высоким давлением нагрузка от конденсации может превысить холодопроизводительность. Поэтому крионасос включают после предварительной откачки механическим насосом.
Системы PFC для откачки водяных паров
В источнике рассмотрены системы PFC (Polycold Fast Cycle), работающие на автокаскадном смесевом замкнутом цикле с одним компрессором. В процессе охлаждения хладагент испаряется в змеевике при температурах от −90 до −150 °C; при отогреве в тот же змеевик подают предварительно очищенный горячий газ. Переключение режимов осуществляется соленоидными вентилями.
Источник приводит данные о времени охлаждения и отогрева стандартного змеевика, а также о диапазоне быстроты действия систем PFC. Конкретную производительность, температуру и режим работы следует определять по документации выбранной модели и условиям процесса.
Низкотемпературные ловушки Aqua Trap
Для удаления водяных паров из газовых смесей применяют низкотемпературные ловушки типа Aqua Trap. Ловушку устанавливают между турбомолекулярным насосом и откачиваемым объёмом: пары воды вымерзают на криопанелях, а неконденсируемые газы, в том числе азот и аргон, откачиваются турбомолекулярным насосом.
В описанных исследованиях для ловушки Aqua Trap-200 приводятся результаты сравнения откачки с охлаждённой ловушкой и без неё. Также отмечается снижение быстроты откачки азота при установке ловушки; этот компромисс учитывают при расчёте всей вакуумной системы.
Эксплуатационные выводы
Криооткачка особенно полезна там, где скорость удаления паров воды влияет на длительность технологического цикла и качество покрытия. Эффективность решения зависит не только от параметров самого насоса, но и от его размещения, предварительной откачки, тепловой нагрузки, логики отогрева и удаления конденсата.
Для выбора оборудования необходимо рассмотреть вакуумную камеру как систему: определить состав газовой нагрузки, требуемое давление, время цикла, допустимое размещение криоповерхностей, состав форвакуумного оборудования и порядок регенерации.
Литература
- D. M. Hoffman, B. Singh, J. H. Thomas. Handbook of Vacuum Science and Technology. Academic Press, 1998.
- А. М. Кузнецов. Адсорбция воды на металлических поверхностях. Соросовский образовательный журнал, 2000, том 6, № 5, с. 45–51.
- D. J. Missimer. Managing High Gas/Vapor Throughputs in Production Vacuum Chambers. Society of Vacuum Coaters, San Francisco, 1988.
- D. J. Missimer. New Water Vapor Cryopump for Ultra Fast Pumpdowns. Society of Vacuum Coaters Annual Technical Conference, Philadelphia, 1985.
- O. Podtcherniaev, M. Boiarski, K. Flynn. Performance of Throttle-Cycle Coolers Operating with Mixed Refrigerants Designed for Industrial Applications in a Temperature Range 110 to 190 K. Advances in Cryogenic Engineering, 2002.
- M. Boiarski, A. Khatri, S. Nesterov, A. Androsov. Compact Trapping Device Integrated with a Throttle-Cycle Cooler Operating with Mixed Refrigerant. American Vacuum Symposium, 2001.
- С. Б. Нестеров, А. В. Андросов, М. Ю. Боярский. Низкотемпературная ловушка, работающая на дроссельном цикле. Материалы V международного симпозиума «Вакуумные технологии и оборудование», 2002.
- G. V. Kachalin, A. P. Kryukov, R. Longsworth, S. B. Nesterov. Cold Trap Optimization for Pumping of Gas Mixtures Including Water Vapours. 10th International Conference on Thin Films and 5th European Vacuum Conference, 1996.
- Г. В. Качалин, А. П. Крюков, С. Б. Нестеров. Расчёт и сопоставление характеристик холодных ловушек. «Вакуумная наука и техника», 1996.
- G. V. Kachalin, A. P. Kryukov, S. B. Nesterov, M. E. Vorsobin. Calculation of Rarefied Gas Flows in Vacuum Systems at Transition and Free Molecular Flows. Rarefied Gas Dynamics Conference, 1997.
- A. Khatri, M. Boiarski, S. Nesterov. A Throttle Cycle Cryocooler with Mixed Gas Refrigerant for a Water Trap. 44th National Symposium, 1997.
- A. Khatri, M. Boiarski, S. Nesterov. Water Trap Refrigerated by a Throttle-Cycle Cooler Using Mixed Gas Refrigerant. Advances in Cryogenic Engineering, 1998.
