Hoe het werkt: Cryopomptechnologie 26 augustus 2020

Stelt u zich eens voor dat er condens op uw badkamerspiegel staat na een douche, dat de ijzige voorruit u begroet na een koude nacht of dat uw bril beslaat als u binnenkomt na een tijdje in het koude weer. 

Hetzelfde principe geldt voor cryopomptechnologie. 

Elk gas heeft een verzadigde dampdruk die een functie is van de temperatuur – hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de dampdruk. Condensatie op koude oppervlakken vermindert de dampdruk van het omringende gas. 

Als de temperatuur laag genoeg is, zal de damp overgaan in de vaste fase en condenseren. In het voorbeeld van een bevroren voorruit 'pompt' de voorruit in wezen waterdamp uit het vocht in de lucht. 

Als het gaat om het verpompen van gassen tot hoogvacuümdruk (HV), hebben we veel lagere temperaturen nodig. Bij temperaturen onder 423 graden Fahrenheit (20K) condenseren de meeste dampen bijvoorbeeld tot ultrahoge vacuümdrukken (UHV). 

Commerciële cryokoelers met helium, zoals die in ons productassortiment, kunnen gemakkelijk temperaturen in dit zeer lage bereik handhaven. De cryokoelers, ook wel koude koppen of cryokoelers genoemd, koelen de temperatuur van gassen in twee fasen. 

Eerst koelt de cryokoeler het gas ver onder de temperatuur van vloeibare stikstof (77K) met behulp van een hoge koelcapaciteit. Vervolgens koelt de cryokoeler het gas tot onder 20 K met een lagere koelcapaciteit. 

Aangezien een cryopomp op kamertemperatuur wordt opgeslagen, moeten er maatregelen worden genomen om de thermische straling van de buitenwanden te verminderen. Hiervoor wordt een stralingsscherm aangesloten op de 80K-trap. 

Het schild heeft een gasinlaatbaffle die de gassen die het interne pompgebied binnenkomen, voorkoelt. De buitenkanten zijn gecoat met een sterk reflecterend materiaal – net als een thermosfles – om warmte te reflecteren. 

Als de condensatie te dik wordt, is de bovenste laag, vergelijkbaar met een igloo, mogelijk niet koud genoeg vanwege de verminderde warmtegeleiding van ijs. 

Als dit gebeurt, worden de prestaties van de cryopomp verminderd. Op dit punt moet het gas worden verwijderd en geregenereerd met behulp van moderne pompsystemen met geïntegreerde bedieningselementen. Zodra de pomp weer online is, zullen de efficiëntie en UHV-snelheden terugkeren.

Cryopompen zijn efficiënter dan andere pompen die voor vergelijkbare toepassingen worden gebruikt. In tegenstelling tot gastransferpompen (zoals turbomoleculaire pompen of oliediffusiepompen ) condenseren cryopompen alle gassen die erin aanwezig zijn. 

Installateurs kunnen cryopompen in elke richting monteren. Als het systeem bijvoorbeeld bovenop of aan de zijkant van een vacuümkamer wordt gemonteerd zonder een bocht van 90 graden, heeft het minder geleidbaarheidsverliezen. 

Cryopompen zijn ook stiller. Alleen de eerste starts en het regeneratieproces vereisen ruw pompen. 

Rekening houdend met alle HV-pompen bieden cryopompen de snelst mogelijke evacuatietijd uit alle vacuümkamers. Vergeleken met een TMP kunnen cryopompen pompen:

• H2O vier keer hoger
• H2 twee keer zo hoog
• N2 40 procent hoger 

Cryopompen zijn ook minder gevoelig voor ioniserende straling en magnetische velden dan TMP's. 

Cryopompen zijn veel krachtiger dan oliediffusiepompen in grote vacuümvaten. Ze zijn verkrijgbaar met enorme pompsnelheden tot:

• 60.000 l/s voor N₂ 
• 180.000 l/s voor H₂ O

Omdat ze koolwaterstofvrij zijn, leveren cryopompen een schoon vacuüm zonder het risico op koolwaterstofverontreiniging. Omdat er geen bewegende delen zijn, hebben ze ook geen smering nodig. 

In tegenstelling tot oliediffusiepompen lopen olievrije cryopompen geen risico op schade of verbrande olie. Ze vereisen minder energie en water, waardoor de totale bedrijfskosten dalen.

Cryopompen zijn geschikt voor snelle evacuatietoepassingen, vooral wanneer grote oppervlakken en waterdampverontreiniging een probleem vormen. Toepassingsgebied:

• Ruimtesimulatiekamers
• Coatingapparaten
• Sputtersystemen in de halfgeleiderproductie 
• R&D
• HV-ovens gebruikt voor solderen en solderen

Belangrijke processen profiteren ook van de voordelen van cryopompen ten opzichte van oliediffusiepompen en TMP's, waaronder:

• Moleculaire-straalepitaxie (MBE), waarvoor een goede, koolwaterstofvrije UHV < 10-09 mbar vereist is. 
• Speciale R&D-toepassingen zoals beamline-experimenten in synchrotronen of opslagringen, waarvoor koolwaterstofvrije UHV's met hoge H2O- en H2-pompsnelheden nodig zijn.

Hoewel cryopompen verschillende duidelijke voordelen hebben in veel vacuümprocessen, kunt u nog steeds bedenkingen hebben bij het upgraden omdat ze moeilijk te gebruiken lijken.

Het goede nieuws is dat cryopompen met de juiste knowhow gemakkelijk kunnen worden ingezet. Het is essentieel om samen te werken met een leverancier die ervoor zal zorgen dat u zich na de implementatie op uw gemak voelt met de technologie.  

Cryopompen kunnen u tijd, frustratie en geld besparen. Ze zijn een verbetering ten opzichte van TMP's en oliediffusiepompen waar u kunt profiteren van zuiver, koolwaterstofvrij pompen van H₂ O, H₂ s en N₂ bij hoge snelheden.