Come funziona una pompa criogenica?
Come si può osservare, l'acqua si condensa sulle tubazioni idriche fredde o sulle finestre e forma del ghiaccio sull'evaporatore nel frigorifero. Questo effetto della condensazione di gas e vapori su superfici fredde, in particolare vapore acqueo, come è noto nella vita quotidiana, si verifica non solo alla pressione atmosferica ma anche nel vuoto.
Questo effetto è stato utilizzato per un lungo tempo nei condensatori principalmente in relazione ai processi chimici; in precedenza, il deflettore sulle pompe a diffusione veniva raffreddato mediante macchine refrigeranti. Anche in uno spazio sigillato (camera a vuoto) la formazione di condensa su una superficie fredda significa che un gran numero di molecole di gas viene rimosso dal volume: esse rimangono posizionate sulla superficie fredda e non partecipano più alla caotica atmosfera gassosa all'interno della camera a vuoto. Diciamo quindi che le particelle sono state pompate e parliamo di pompe criogeniche quando "l'effetto di pompaggio" viene ottenuto per mezzo di superfici fredde.
L'ingegneria criogenica si differenzia dall'ingegneria della refrigerazione in quanto le temperature coinvolte nell'ingegneria criogenica rientrano in un intervallo inferiore a 120 K [< -153 °C (-243,4 °F)]. Abbiamo qui a che fare con due domande:
a) Quale principio di raffreddamento viene utilizzato nell'ingegneria criogenica o nelle pompe criogeniche e come si riduce o si elimina il carico termico della superficie fredda?
b) Quali sono i principi di funzionamento delle pompe criogeniche?
Tipi di pompe criogeniche
A seconda del principio di raffreddamento, si distingue tra
- Criostati a bagno
- Pompe criogeniche a flusso continuo
- Pompe criogeniche con refrigeratore
Criostati a bagno
Nel caso dei criostati a bagno, nel caso più semplice una trappola fredda riempita di LN2 (azoto liquido), la superficie di pompaggio viene raffreddata dal contatto diretto con un gas liquefatto. Su una superficie raffreddata con LN2 (T ≈ 77 K), H2O e CO2 sono in grado di condensarsi. Su una superficie raffreddata a ≈ 10 K, tutti i gas tranne He e Ne possono essere pompati per condensazione. Una superficie raffreddata con elio liquido (T ≈ 4,2 K) è in grado di condensare tutti i gas tranne l'elio.
Pompe criogeniche a flusso continuo
Nelle pompe criogeniche a flusso continuo, la superficie fredda è progettata per funzionare come uno scambiatore di calore. L'elio liquido viene pompato da una pompa ausiliaria da un serbatoio nell'evaporatore in quantità sufficiente a raggiungere una temperatura sufficientemente bassa sulla superficie fredda (cryopanel).
L'elio liquido evapora nello scambiatore di calore e quindi raffredda il cryopanel. Il gas di scarico prodotto (He) viene utilizzato in un secondo scambiatore di calore per raffreddare il deflettore di uno schermo contro le radiazioni termiche che protegge il sistema dalle radiazioni termiche provenienti dall'esterno. Il gas di scarico elio freddo espulso dalla pompa dell'elio viene inviato a un'unità di recupero dell'elio. La temperatura dei cryopanel può essere controllata regolando il flusso di elio.
Pompe criogeniche con refrigeratore
Oggi le pompe criogeniche con refrigeratore vengono utilizzate quasi esclusivamente (freddo su richiesta). Queste pompe funzionano praticamente allo stesso modo di un comune frigorifero domestico, in cui possono essere utilizzati i seguenti cicli termodinamici che utilizzano l'elio come refrigerante:
- Processo Gifford-McMahon
- Processo Stirling
- Processo Brayton
- Processo Claude
Il processo Gifford-McMahon è quello principalmente utilizzato oggi ed è quello che è stato sviluppato prima. Offre la possibilità di separare le posizioni dell'unità compressore principale e dell'unità di espansione in cui avviene il processo di refrigerazione. In questo modo, è possibile progettare una fonte di freddo compatta e a basse vibrazioni. La serie di pompe criogeniche prodotta da Leybold funziona con teste di raffreddamento a due stadi secondo il processo Gifford-McMahon, illustrato in dettaglio nel seguito.
La configurazione completa di una pompa criogenica con refrigeratore è illustrata nella Fig. 2.65 ed è costituita dal gruppo compressore (1) collegato alla pompa criogenica (3) tramite linee di pressione flessibili (2) e quindi senza vibrazioni. La pompa criogenica consiste nell'alloggiamento della pompa e nella testa fredda contenuta all'interno. Come refrigerante viene utilizzato elio, che circola a ciclo chiuso con l'ausilio del compressore.
2.65 Tutti i componenti di una pompa criogenica per refrigeratore.
- Gruppo compressore
- Tubazioni flessibili della pressione
- Testa fredda (senza superfici di condensazione)
La testa fredda e il suo principio di funzionamento
All'interno della testa fredda, un cilindro è diviso in due spazi operativi V1 e V2 da un dislocatore. Durante il funzionamento, lo spazio destro V1 è caldo e quello sinistro V2è freddo. Alla frequenza del dislocatore f, la potenza di refrigerazione W del refrigeratore è: (2.26)
2.26
Il dislocatore viene mosso avanti e indietro da un azionamento pneumatico in modo che il gas venga forzato attraverso il dislocatore e quindi attraverso il rigeneratore situato all'interno del dislocatore stesso. Il rigeneratore è un accumulatore di calore dotato di un'ampia superficie e capacità di scambio termico che funziona come scambiatore di calore all'interno del ciclo. Nella Fig. 2.66 sono mostrate le quattro fasi di refrigerazione in un refrigeratore a testa fredda monostadio operante secondo il principio Gifford-McMahon.
Fig. 2.66 Fasi di refrigerazione con testa fredda monostadio operante secondo il processo Gifford-McMahon.
Fase 1:
Il dislocatore si trova al punto morto sinistro; V2, dove il freddo prodotto ha le dimensioni minime. La valvola N rimane chiusa, la valvola H è aperta. Il gas alla pressione pH passa attraverso il rigeneratore in V2. Qui il gas si riscalda per l'aumento della pressione in V1.
Fase 2:
La valvola H rimane aperta, la valvola N chiusa: il dislocatore si sposta a destra ed espelle il gas da V1 attraverso il rigeneratore a V2 dove si raffredda sul rigeneratore freddo; V2 ha il volume massimo.
Fase 3:
La valvola H è chiusa e la valvola N sul serbatoio a bassa pressione è aperta. Il gas si espande da pH a pN e quindi si raffredda. In questo modo il calore viene rimosso dall'ambiente circostante e trasportato con il gas in espansione al compressore.
Fase 4:
Con la valvola N aperta, il dislocatore si sposta verso sinistra; il gas da V2, max passa attraverso il rigeneratore raffreddandolo, quindi passa nel volume V1 e nel serbatoio a bassa pressione. In questo modo il ciclo viene completato.
Principio di funzionamento della testa fredda Leybold GM
Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump
Testa fredda a due stadi
Le pompe criogeniche per refrigeratore realizzate in serie da Leybold utilizzano una testa fredda a due stadi che opera secondo il principio Gifford-McMahon (vedere la Fig. 2.67). Nei due stadi collegati in serie, la temperatura dell'elio viene ridotta a circa 30 K nel primo stadio e a circa 10 K nel secondo stadio. Le basse temperature ottenibili dipendono, tra le altre cose, dal tipo di rigeneratore. Per il rigeneratore del primo stadio viene generalmente utilizzato il rame, bronzo, mentre per quello del secondo stadio il piombo. Altri materiali sono disponibili per rigeneratori per applicazioni speciali come i criostati per temperature estremamente basse (T < 10 K). Il design di una testa fredda a due stadi è mostrato schematicamente nella Fig. 2.67. Per mezzo di un meccanismo di controllo con una valvola di controllo azionata da un motore (18), disco di controllo (17) e fori di controllo, la pressione nel volume di controllo (16) viene prima modificata, causando lo spostamento dei dislocatori del primo (6) e del secondo stadio (11); subito dopo, la pressione nell'intero volume del cilindro viene equalizzata dal meccanismo di controllo. La testa fredda è collegata al compressore tramite tubazioni di pressione flessibili.
Fig. 2.67 Schema di una testa fredda a due stadi.
- Collegamenti elettrici e passaggio della corrente per il motore nella testa fredda
- Raccordo He ad alta pressione
- Raccordo He a bassa pressione
- Cilindro, 1° stadio
- Dislocatore, 1° stadio
- Rigeneratore, 1° stadio
- Volume di espansione, 1° stadio
- 1° stadio (raffreddamento) (flangia in rame)
- Cilindro, 2° stadio
- Dislocatore, 2° stadio
- Rigeneratore, 2° stadio
- Volume di espansione, 2° stadio
- 2° stadio (raffreddamento) (flangia in rame)
- Camera di misurazione della pressione del vapore
- Pistone di controllo
- Volume di controllo
- Disco di controllo
- Valvola di controllo
- Indicatore per il termometro a pressione vapore di idrogeno
- Motore nella testa fredda
Design delle pompe criogeniche con refrigeratore
La Fig. 2.68 mostra il design di una pompa criogenica. Essa viene raffreddata da una testa fredda a due stadi. Lo schermo contro le radiazioni termiche (5) e il deflettore (6) sono strettamente collegati dal punto di vista termico al primo stadio (9) della testa fredda. Per pressioni inferiori a 10-3 mbar, il carico termico è causato principalmente dalla radiazione termica. Per questo motivo, il secondo stadio (7) con i pannelli di condensazione e l'adsorbimento criogenico (8) è circondato dallo schermo contro le radiazioni termiche (5), nero e lucido all'interno e nichelato all'esterno. In assenza di carico, il deflettore e lo schermo contro le radiazioni termiche (primo stadio) raggiungono una temperatura compresa tra 50 e 80 K sui cryopanel e di circa 10 K al secondo stadio. Le temperature superficiali di questi cryopanel sono decisive per l'effettivo processo di pompaggio. Queste temperature superficiali dipendono dalla potenza di refrigerazione fornita dalla testa fredda e dalle caratteristiche di conduzione termica nella direzione dell'alloggiamento della pompa. Durante il funzionamento della pompa criogenica, il carico dovuto al gas e al calore della condensa comporta un ulteriore riscaldamento dei cryopanel. La temperatura superficiale non dipende solo dalla temperatura del cryopanel, ma anche da quella del gas che è già stato congelato sul cryopanel. I cryopanel (8) collegati al secondo stadio (7) della testa fredda sono rivestiti con carbone attivo sul lato interno per poter pompare gas che non si condensano facilmente e che possono essere pompati solo mediante adsorbimento criogenico (vedere nel seguito).
Fig. 2.68 Design di una pompa criogenica con refrigeratore (schema).
- Flangia per vuoto alto
- Corpo della pompa
- Flangia per pre-vuoto
- Valvola di sicurezza per lo scarico del gas
- Schermo contro le radiazioni termiche
- Deflettore
- 2° stadio della testa fredda (≈ 10 K);
- Cryopanel
- 1° stadio della testa fredda (≈ 50-80 K)
- Indicatore per il termometro a pressione vapore di idrogeno
- Raccordi del gas elio
- Motore della testa fredda con alloggiamento e collegamenti elettrici
Guarda il video qui sotto per vedere un'animazione del funzionamento di una pompa per vuoto in azione
Leybold COOLVAC iCL
Legame del gas su superfici fredde
La conducibilità termica dei gas condensati (solidi) dipende molto dalla loro struttura e quindi dal modo in cui viene prodotta la condensa. Sono possibili variazioni della conducibilità termica di diversi ordini di grandezza! Con l'aumento dello spessore della condensa, la resistenza termica e, di conseguenza, la temperatura superficiale, aumentano, riducendo la velocità di pompaggio. La velocità di pompaggio massima di una pompa rigenerata di recente è detta velocità di pompaggio nominale. Il processo di legame dei vari gas in una pompa criogenica avviene in tre fasi: prima la miscela di gas e vapori diversi incontra il deflettore, che si trova a una temperatura di circa 80 K. Qui, la maggior parte di H2O e CO2 si condensa. I gas rimanenti penetrano nel deflettore e arrivano a contatto dell'esterno del cryopanel del secondo stadio, raffreddato a circa 10 K. Qui i gas come N2, O2 e Ar si condensano. Solo H2, He e Ne rimarranno. Questi gas non possono essere pompati dai cryopanel e, dopo diversi impatti con lo schermo contro l'irraggiamento termico, passano all'interno di questi pannelli, che sono rivestiti di materiale adsorbente (pannelli di crioadsorbimento), dove vengono legati mediante crioadsorbimento. Pertanto, al fine di valutare la pompa criogenica, i gas sono divisi in tre gruppi a seconda della temperatura all'interno della pompa stessa alla quale la loro pressione parziale scende al di sotto di 10-9 mbar:
Si fa differenza tra i diversi meccanismi di legame come segue:
Criocondensazione
La criocondensazione è il legame fisico e reversibile di molecole di gas tramite le forze di Van der Waals su superfici sufficientemente fredde dello stesso materiale. L'energia del legame è uguale all'energia di vaporizzazione del gas solido legato alla superficie e quindi diminuisce con l'aumentare dello spessore della condensa con la pressione del vapore. Il crioadsorbimento è il legame fisico e reversibile delle molecole di gas tramite le forze di Van der Waals su superfici sufficientemente fredde di altri materiali. L'energia del legame è uguale al calore di adsorbimento, che è maggiore del calore di vaporizzazione. Non appena si forma un monostrato, le molecole che seguono urtano su una superficie dello stesso tipo (adsorbente) e il processo si trasforma in criocondensazione. La maggiore energia di legame della criocondensazione impedisce l'ulteriore crescita dello strato di condensa, limitando pertanto la capacità dei gas adsorbiti. Tuttavia, gli adsorbenti utilizzati, come carbone attivo, gel di silice, gel di allumina e setaccio molecolare, hanno una struttura porosa con superfici specifiche molto ampie di circa 106m2/kg. Il criointrappolamento è inteso come l'inclusione di un gas a basso punto di ebollizione difficile da pompare, come l'idrogeno, nella matrice di un gas che ha un punto di ebollizione più alto e che può essere pompato facilmente come Ar, CH4 o CO2. Alla stessa temperatura, la miscela di condensa ha una pressione del vapore di saturazione di diversi ordini di grandezza inferiore alla condensa pura del gas con il punto di ebollizione più basso.
Considerando la posizione dei cryopanel nella pompa criogenica, la conduttanza dalla flangia del vuoto a questa superficie e anche la sequenza di pompaggio sottrattiva (ciò che è già condensato sul deflettore non può arrivare al secondo stadio e consumare capacità), la situazione si presenta come mostrato nella Fig. 2.69.
Fig 2.69 Cryopanel: temperatura e posizione definiscono l'efficienza della pompa criogenica.
Idrogeno - Vapore acqueo - Azoto
Conduttanza correlata alla superficie della flangia di aspirazione in l/s · cm2:
43,9 - 14,7 - 11,8
Velocità di pompaggio della pompa criogenica correlata alla superficie in l/s · cm2:
13,2 - 14,6 - 7,1
Rapporto tra velocità di pompaggio e conduttanza:
30% - 99% - 60%
Le molecole di gas che entrano nella pompa producono la velocità di pompaggio teorica correlata alla superficie in base all'equazione 2.29a con T = 293 K. Le differenti velocità di pompaggio sono state combinate per tre gas rappresentativi H2, N2e H2O tratti da ciascuno dei suddetti gruppi. Poiché il vapore acqueo viene pompato sull'intera superficie di ingresso della pompa criogenica, la velocità di pompaggio misurata per il vapore acqueo corrisponde quasi esattamente alla velocità di pompaggio teorica calcolata per la flangia di aspirazione della pompa criogenica. L'N2, d'altra parte, deve prima superare il deflettore prima di potersi legare sul pannello di criocondensazione. A seconda del design del deflettore, il 30-50% di tutte le molecole di N2 viene riflesso.
(2.29a)
L'H2 arriva nei pannelli di crioadsorbimento dopo ulteriori collisioni e quindi raffreddamento del gas. Nel caso di cryopanel progettati in modo ottimale e di un buon contatto con il carbone attivo, è possibile legare fino al 50% dell'H2 che ha superato il deflettore. A causa delle limitazioni relative all'accesso alle superfici di pompaggio e al raffreddamento del gas dovuto alle collisioni con le pareti all'interno della pompa prima che il gas raggiunga la superficie di pompaggio, la velocità di pompaggio misurata per questi due gas è pari solo a una frazione della velocità di pompaggio teorica. La parte che non viene pompata viene riflessa principalmente dal deflettore. Inoltre, la probabilità di adsorbimento per H2 differisce tra i vari adsorbenti ed è < 1, mentre le probabilità di condensazione del vapore acqueo e di N2 è ≈ 1.
Le dimensioni delle tre superfici (deflettore, superficie di condensazione all'esterno del secondo stadio e superficie di adsorbimento all'interno del secondo stadio) danno origine a tre differenti capacità della pompa, per i gas che possono essere pompati. Nella progettazione di una pompa criogenica, si ipotizza una composizione media del gas (aria) che naturalmente non vale per tutti i processi sottovuoto (ad esempio, processi di polverizzazione, vedere "Rigenerazione parziale" nel seguito).
Grandezze caratteristiche di una pompa criogenica
Le grandezze caratteristiche di una pompa criogenica sono le seguenti (in nessun ordine particolare):
- Tempo di raffreddamento
- Valore di crossover
- Pressione finale
- Capacità
- Potenza di refrigerazione e potenza di refrigerazione netta
- Tempo di rigenerazione
- Potenzialità produttiva e flusso pV massimo
- Velocità di pompaggio
- Vita di esercizio o durata di funzionamento
- Pressione di avviamento
Tempo di raffreddamento
Il tempo di raffreddamento delle pompe criogeniche è l'intervallo di tempo che intercorre tra l'avviamento e l'inizio dell'effetto di pompaggio. In caso di pompe criogeniche per refrigeratore, il tempo di raffreddamento è indicato come il tempo richiesto dal secondo stadio della testa fredda per il raffreddamento da 293 K a 20 K.
Valore di crossover
Il valore di crossover è una grandezza caratteristica di una pompa criogenica per refrigeratore già fredda. È importante quando la pompa è collegata a una camera a vuoto tramite una valvola HV/UHV. Il valore di crossover è la quantità di gas riferita a Tn = 293 K che la camera a vuoto può contenere al massimo senza che la temperatura dei cryopanel aumenti di 20 K a causa della rapida uscita del gas all'apertura della valvola. Il valore di crossover è solitamente indicato come un valore pV in mbar · l.
Il valore di crossover e il volume della camera V determinano la pressione di crossover pc alla quale deve essere portata la camera a vuoto prima di aprire la valvola che porta alla pompa criogenica. Quanto segue può servire da guida:
(2.27)
V = Volume della camera a vuoto (l),
Q2 (20 K) = capacità di refrigerazione netta in W, disponibile al secondo stadio della testa fredda a 20 K.
Pressione finale pend
Nel caso della criocondensazione (vedere la sezione "Legame di gas su superfici fredde" sopra), la pressione finale può essere calcolata così:
(2.28)
pS è la pressione del vapore di saturazione del gas o dei gas che devono essere pompati alla temperatura TK del cryopanel e TG è la temperatura del gas (temperatura della parete in prossimità del cryopanel).
Esempio: con l'ausilio delle curve di pressione del vapore in Fig. 9.15, per H2 e N2, le pressioni finali riassunte nella Tabella 2.6 a TG = 300 K risultano:
Fig 9.15 Pressione del vapore di saturazione ps di varie sostanze rilevanti per la tecnologia criogenica nell'intervallo di temperatura T = 2-80 K.
La tabella mostra che per l'idrogeno a temperature T < 3 K, a una temperatura del gas TG = 300 K (ossia quando il cryopanel è esposto alla radiazione termica della parete), è possibile raggiungere pressioni finali sufficientemente basse. A causa di una serie di fattori interferenti, come desorbimento dalla parete e perdite, nella pratica, le pressioni finali teoriche non vengono mai raggiunte.
Tabella 2.6 Temperature finali a una temperatura della parete di 300 K.
Capacità C (mbar · l)
La capacità di una pompa criogenica per un determinato gas è la quantità di gas (valore pV a Tn = 293 K) che può essere legata dai cryopanel prima che la velocità di pompaggio per questo tipo di gas G scenda al di sotto del 50% del suo valore iniziale.
La capacità dei gas pompati per mezzo del crioadsorbimento dipende dalla quantità e dalle proprietà dell'agente adsorbente; dalla pressione ed è generalmente di diversi ordini di grandezza inferiore alla capacità indipendente dalla pressione dei gas pompati per mezzo della criocondensazione.
Potenza di refrigerazione Q (W)
La potenza di refrigerazione di una fonte di refrigerazione a una temperatura T indica la quantità di calore che può essere estratta dalla fonte di refrigerazione mantenendo questa temperatura. Nel caso dei refrigeratori, si è stabilito di indicare per le teste di raffreddamento monostadio la potenza di refrigerazione a 80 K e per le teste di raffreddamento a due stadi, la potenza di refrigerazione del primo stadio a 80 K e per il seconda stadio a 20 K, quando entrambi gli stadi vengono caricati termicamente simultaneamente. Durante la misurazione della potenza di refrigerazione, il carico termico viene generato da riscaldatori elettrici. La potenza di refrigerazione è massima a temperatura ambiente ed è minima (zero) alla temperatura finale.
Potenza di refrigerazione netta Q (W)
Nel caso del refrigeratore, la potenza di refrigerazione netta disponibile alle normali temperature di esercizio (T1 < 80 K, T2 < 20 K) definisce in modo sostanziale la potenzialità produttiva e il valore di crossover. La potenza di refrigerazione netta, a seconda della configurazione della pompa, è molto inferiore al potere refrigerante della testa fredda utilizzata senza la pompa.
Flusso pV
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Tempo di rigenerazione
Come dispositivo di intrappolamento di gas, la pompa criogenica deve essere rigenerata dopo un determinato periodo di funzionamento. La rigenerazione comporta la rimozione dei gas condensati e adsorbiti dai cryopanel mediante riscaldamento. La rigenerazione può essere eseguita completamente o solo parzialmente e differisce principalmente dal modo in cui i cryopanel vengono riscaldati.
In caso di rigenerazione totale, si distingue tra:
- Riscaldamento naturale: dopo aver spento il compressore, i cryopanel all'inizio si riscaldano solo molto lentamente a causa della conduzione termica e quindi grazie ai gas rilasciati.
- Metodo con gas di spurgo: la pompa criogenica viene riscaldata mediante l'immissione di gas di spurgo caldo.
- Riscaldatori elettrici: i cryopanel della pompa criogenica vengono riscaldati del primo e del secondo stadio. I gas rilasciati vengono scaricati attraverso una valvola di sovrappressione (metodo con gas di spurgo) o da pompe primarie meccaniche. A seconda delle dimensioni della pompa, è necessario prevedere un tempo di rigenerazione di diverse ore.
Rigenerazione parziale
Poiché la limitazione della vita di esercizio di una pompa criogenica dipende, nella maggior parte delle applicazioni, dal limite di capacità dei gas azoto, argon e idrogeno pompati dal secondo stadio, spesso è necessario rigenerare solo questo stadio. Il deflettore trattiene il vapore acqueo durante la rigenerazione parziale. Per questo motivo, la temperatura del primo stadio deve essere mantenuta al di sotto di 140 K, altrimenti la pressione parziale del vapore acqueo diventerebbe così elevata che le molecole d'acqua potrebbero contaminare l'adsorbente del secondo stadio.
Nel 1992, Leybold è stato il primo costruttore di pompe criogeniche a sviluppare un metodo che consente una tale rigenerazione parziale. Questo processo di rigenerazione rapida è controllato da un microprocessore e consente una rigenerazione parziale della pompa criogenica in circa 40 minuti rispetto alle 6 ore necessarie per una rigenerazione totale basata sul metodo del gas di spurgo. La Fig. 2.70 mostra un confronto tra i cicli tipici per la rigenerazione totale e parziale. Il tempo risparmiato dal sistema di rigenerazione rapida è evidente. In un ambiente di produzione, per i processi di sputtering tipici, è necessario prevedere una rigenerazione totale dopo 24 rigenerazioni parziali.
Fig 2.70 Confronto tra la rigenerazione totale (1) e parziale (2)
Potenzialità produttiva e flusso pV massimo: (mbar l/s)
La potenzialità produttiva di una pompa criogenica per un determinato gas dipende dal flusso pV del gas G attraverso la luce di aspirazione della pompa:
QG = qpV,G; si applica la seguente equazione
QG = pG · SG con
pG = pressione di aspirazione,
SG = capacità di pompaggio per il gas G
Il flusso pV massimo a cui i cryopanel vengono riscaldati fino a T ≈ 20 K in caso di funzionamento continuo, dipende dalla potenza di refrigerazione netta della pompa a questa temperatura e dal tipo di gas. Per le pompe criogeniche per refrigeratore e i gas condensabili, è possibile utilizzare a titolo di riferimento:
Q.2 (20 K) è la potenza di refrigerazione netta in W disponibile nel secondo stadio del riscaldamento a freddo a 20 K. in caso di funzionamento intermittente, è consentito un flusso pV più elevato (vedere il valore di crossover).
Velocità di pompaggio Sth
Quanto segue si applica alla velocità di pompaggio (teorica) di una pompa criogenica:
(2.29)
AK - Dimensione dei cryopanel
SA - Velocità di pompaggio relativa all'area della superficie (tasso di impatto correlato all'area secondo le equazioni 1.17 e 1.20, proporzionale alla velocità media delle molecole di gas nella direzione del cryopanel).
α - Probabilità di condensazione (pompaggio)
pend - Pressione finale (vedere sopra)
p - Pressione nella camera a vuoto
(1.17)
(1.20)
L'equazione (2.29) si applica a un cryopanel integrato nella camera a vuoto, la cui superficie è piccola rispetto a quella della camera stessa. A temperature sufficientemente basse α = 1 per tutti i gas. L'equazione (2.29) mostra che per p >> pend, l'espressione tra parentesi si avvicina a 1 per cui in caso di sovrasaturazione p >> pend > Ps e quindi:
(2.29a)
TG - Temperatura del gas in K
M - Massa molare
Nella Tabella 2.7 è riportata la velocità di pompaggio SA relativa all'area della superficie in l · s-1 · cm-2 per alcuni gas a due diverse temperature del gas TG in K, ottenuta dall'equazione 2.29a. I valori indicati nella tabella sono valori limite. Nella pratica, la condizione di un equilibrio quasi indisturbato (cryopanel piccoli rispetto a un'ampia superficie della parete) spesso non è vera, poiché sono necessari cryopanel di grandi dimensioni per ottenere tempi di pompaggio brevi e un buon vuoto finale. Le deviazioni si verificano anche quando i cryopanel sono circondati da un deflettore raffreddato sul quale la velocità delle molecole che penetrano è già ridotta dal raffreddamento.
Tabella 2.7 Velocità di pompaggio relative alla superficie per alcuni gas
Vita di esercizio o durata del funzionamento: parte superiore (s)
La durata di funzionamento di una pompa criogenica per un determinato gas dipende dall'equazione:
con
CG = capacità della pompa criogenica per il gas G
QG(t) = produttività della pompa criogenica per il gas al punto temporale t
Se si conosce la media costante nel tempo per la produttività QG, si applica quanto segue:
(2.30)
Una volta trascorso il periodo di funzionamento top,G, la pompa criogenica deve essere rigenerata per quanto riguarda il tipo di gas G.
Pressione di avviamento po
Fondamentalmente, è possibile avviare una pompa criogenica alla pressione atmosferica. Tuttavia, ciò non è auspicabile per diversi motivi, a condizione che il percorso libero medio delle molecole di gas sia inferiore alle dimensioni della camera a vuoto (p > 10-3 mbar), la conducibilità termica del gas è così elevata che una quantità di calore troppo elevata viene trasferita ai cryopanel. Inoltre, durante l'avviamento si formerebbe uno strato relativamente spesso di condensa sul cryopanel. In questo modo si ridurrebbe notevolmente la capacità della pompa criogenica disponibile per la fase di funzionamento effettiva. Il gas (solitamente l'aria) viene legato all'adsorbente, poiché l'energia di legame con questo è inferiore a quella relativa alle superfici di condensazione. Ciò riduce ulteriormente la capacità, già limitata, per l'idrogeno. Si consiglia di avviare la pompa criogenica nell'intervallo del vuoto alto o del vuoto ultra alto con l'ausilio di una pompa primaria a pressioni p < 5 · 10-2 mbar. Non appena viene raggiunta la pressione di avviamento, la pompa primaria può essere spenta.
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Riferimenti
- Simboli del vuoto
- Glossario delle unità
- Riferimenti e fonti
Simboli del vuoto
Glossario dei simboli comunemente utilizzati negli schemi della tecnologia del vuoto come rappresentazione visiva dei tipi di pompe e delle parti dei sistemi di pompaggio
Glossario delle unità
Panoramica delle unità di misura utilizzate nella tecnologia del vuoto e dell'importanza dei simboli, nonché degli equivalenti moderni delle unità storiche
Riferimenti e fonti
Riferimenti, fonti e ulteriori letture riguardanti la i fondamenti della tecnologia del vuoto
