ปั๊มแช่แข็งทํางานอย่างไร
ตามที่คุณอาจสังเกตเห็น น้ําควบแน่นบนแหล่งจ่ายน้ําเย็นหรือหน้าต่าง และน้ําแข็งเกิดขึ้นบนเครื่องระเหยในตู้เย็นของคุณ ผลกระทบของการควบแน่นของก๊าซและไอระเหยบนพื้นผิวที่เย็น โดยเฉพาะไอน้ํา ดังที่รู้จักกันในชีวิตประจําวัน ไม่เพียงเกิดขึ้นที่ความดันบรรยากาศเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในสุญญากาศด้วย
ผลกระทบนี้ถูกนํามาใช้เป็นเวลานานในคอนเดนเซอร์ โดยส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมี ก่อนหน้านี้ แผ่นกั้นบนปั๊มแพร่กระจายเคยถูกทําให้เย็นด้วยเครื่องทําความเย็น นอกจากนี้ ในพื้นที่ปิดผนึก (ห้องสุญญากาศ) การก่อตัวของคอนเดนเซทบนพื้นผิวเย็นหมายความว่าโมเลกุลก๊าซจํานวนมากจะถูกขจัดออกจากปริมาตร: โมเลกุลก๊าซเหล่านี้จะยังคงอยู่บนพื้นผิวเย็นและไม่มีส่วนร่วมในบรรยากาศก๊าซที่วุ่นวายภายในห้องสุญญากาศอีกต่อไป จากนั้นเราจะกล่าวว่าอนุภาคถูกปั๊มและพูดถึงปั๊มแช่แข็งเมื่อ "ผลการปั๊ม" เกิดขึ้นโดยใช้พื้นผิวที่เย็น
วิศวกรรมการทําความเย็นแตกต่างจากวิศวกรรมการทําความเย็นที่ว่าอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับวิศวกรรมการทําความเย็นอยู่ในช่วงต่ํากว่า 120 K (< -243.4°F / -153°C) ที่นี่เรากําลังจัดการกับคําถามสองข้อ:
ก) หลักการระบายความร้อนใดที่ใช้ในวิศวกรรมการแช่เย็นหรือในปั๊มแช่เย็น และโหลดความร้อนของพื้นผิวเย็นถูกนําออกไปหรือลดลงอย่างไร
ข) หลักการทํางานของปั๊มแช่แข็งคืออะไร
ประเภทของปั๊มแช่แข็ง
ขึ้นอยู่กับหลักการทําความเย็น จะมีความแตกต่างกันระหว่าง
- เครื่องทําความเย็น
- ปั๊มแช่แข็งแบบไหลต่อเนื่อง
- ปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น
เครื่องทําความเย็น
ในกรณีของเทอร์โมสตัทแบบอ่าง - ในกรณีที่เรียบง่ายที่สุดคือตัวดักความเย็นที่เติม LN2 (ไนโตรเจนเหลว) - พื้นผิวปั๊มจะเย็นลงโดยการสัมผัสโดยตรงกับก๊าซเหลว บนพื้นผิวที่ระบายความร้อนด้วย LN2 (T ≈ 77 K) H2 O และ CO2 สามารถควบแน่นได้ บนพื้นผิวที่เย็นลงถึง ≈ 10 K ก๊าซทั้งหมดยกเว้น He และ Ne อาจถูกปั๊มด้วยวิธีการควบแน่น พื้นผิวที่ระบายความร้อนด้วยฮีเลียมเหลว (T ≈ 4.2 K) สามารถควบแน่นก๊าซทั้งหมดยกเว้นฮีเลียมได้
ปั๊มแช่แข็งแบบไหลต่อเนื่อง
ในปั๊มแช่แข็งแบบไหลต่อเนื่อง พื้นผิวที่เย็นถูกออกแบบมาเพื่อทําหน้าที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ฮีเลียมเหลวในปริมาณที่เพียงพอจะถูกปั๊มด้วยปั๊มเสริมจากถังเก็บเข้าสู่เครื่องระเหยเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่ต่ําเพียงพอที่พื้นผิวเย็น (แผงเย็น)
ฮีเลียมเหลวจะระเหยในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและทําให้แผงเย็นเย็นลง ก๊าซเสียที่เกิดขึ้น (He) จะถูกใช้ในเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนตัวที่สองเพื่อระบายความร้อนของแผ่นกั้นรังสีความร้อน ซึ่งป้องกันระบบจากรังสีความร้อนที่มาจากภายนอก ก๊าซไอเสียฮีเลียมเย็นที่ปล่อยออกมาจากปั๊มฮีเลียมจะถูกส่งไปยังหน่วยการกู้คืนฮีเลียม อุณหภูมิที่แผงแช่แข็งสามารถควบคุมได้โดยการควบคุมการไหลของฮีเลียม
ปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น
ปัจจุบันมีการใช้ปั๊มแช่แข็งของตู้เย็นเกือบทั้งหมด (เย็นตามความต้องการ) โดยพื้นฐานแล้ว ปั๊มเหล่านี้ทํางานในลักษณะเดียวกับตู้เย็นที่ใช้ในครัวเรือนทั่วไป โดยอาจใช้วงจรเทอร์โมไดนามิกต่อไปนี้โดยใช้ฮีเลียมเป็นสารทําความเย็น:
- กระบวนการ Gifford-McMahon
- กระบวนการ Stirling
- กระบวนการ Brayton
- กระบวนการ Claude
กระบวนการ Gifford-McMahon ส่วนใหญ่จะใช้ในปัจจุบัน และกระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่ได้รับการพัฒนามากที่สุด โดยสามารถแยกตําแหน่งสําหรับเครื่องอัดอากาศหรือปั๊มลมขนาดใหญ่และเครื่องขยายตัวที่มีกระบวนการทําความเย็นเกิดขึ้นได้ ดังนั้นจึงสามารถออกแบบแหล่งกําเนิดความเย็นที่มีขนาดกะทัดรัดและมีการสั่นสะเทือนต่ําได้ ซีรี่ส์ปั๊มแช่เย็นที่ผลิตโดย Leybold ทํางานด้วยหัวเย็นสองจังหวะตามกระบวนการ Gifford-McMahon ซึ่งจะกล่าวถึงอย่างละเอียดด้านล่าง
ขอบเขตทั้งหมดของปั๊มแช่แข็งของตู้เย็นแสดงไว้ในรูปที่ 2.65 และประกอบด้วยหน่วยคอมเพรสเซอร์ (1) ซึ่งเชื่อมต่อผ่านท่อความดันที่ยืดหยุ่น (2) - ดังนั้นจึงปราศจากการสั่นสะเทือน - กับปั๊มแช่แข็ง (3) ตัวปั๊มแช่แข็งเองประกอบด้วยตัวเรือนปั๊มและหัวเย็นภายใน ฮีเลียมถูกใช้เป็นสารทําความเย็นที่ไหลเวียนในวงจรปิดด้วยความช่วยเหลือของคอมเพรสเซอร์
2.65 รายการทั้งหมดของปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น
- คอมเพรสเซอร์
- ท่อแรงดันแบบยืดหยุ่น
- หัวเย็น (ไม่มีพื้นผิวควบแน่น)
หัวเย็นและหลักการทํางาน
ภายในหัวเย็น กระบอกสูบจะถูกแบ่งออกเป็นสองพื้นที่ทํางาน V1 และ V2 โดยตัวแทนที่ ในระหว่างการทํางาน พื้นที่ด้านขวา V1 จะอุ่นและพื้นที่ด้านซ้าย V2 จะเย็น ที่ความถี่การแทนที่ f กําลังการทําความเย็น W ของตู้เย็นคือ: (2.26)
2.26
ตัวแทนที่ถูกเคลื่อนที่ไปและกลับด้วยระบบนิวแมติก เพื่อให้ก๊าซถูกบังคับให้ไหลผ่านตัวแทนที่และผ่านเครื่องฟื้นฟูที่อยู่ภายในตัวแทนที่ เครื่องฟื้นฟูเป็นเครื่องสะสมความร้อนที่มีพื้นผิวแลกเปลี่ยนความร้อนขนาดใหญ่และความจุ ซึ่งทําหน้าที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนภายในรอบการทํางาน ภาพประกอบ: 2.66 เป็นสี่เฟสของการทําความเย็นในหัวเย็นของตู้เย็นจังหวะเดียวที่ทํางานตามหลักการ Gifford-McMahon
รูปที่ 2.66 เฟสการทําความเย็นโดยใช้หัวเย็นจังหวะเดียวที่ทํางานตามกระบวนการ Gifford-McMahon
ขั้นตอนที่ 1:
ตัวแทนที่อยู่ที่จุดศูนย์ตายด้านซ้าย V2 ที่ผลิตความเย็นมีขนาดต่ําสุด วาล์ว N จะยังคงปิดอยู่ H จะเปิด ก๊าซที่ความดัน pH ไหลผ่านเครื่องฟื้นฟูเข้าสู่ V2 ที่นั่นก๊าซจะอุ่นขึ้นโดยการเพิ่มแรงดันใน V1
ขั้นตอนที่ 2:
วาล์ว H ยังคงเปิดอยู่ วาล์ว N ปิดอยู่: ตัวแทนที่เคลื่อนที่ไปทางขวาและปล่อยก๊าซออกจาก V1 ผ่านเครื่องฟื้นฟูไปยัง V2 ซึ่งจะทําให้เย็นลงที่เครื่องฟื้นฟูที่เย็น; V2 มีปริมาตรสูงสุด
ขั้นตอนที่ 3:
วาล์ว H จะปิดและวาล์ว N ไปยังถังแรงดันต่ําจะเปิด ก๊าซจะขยายตัวจาก pH เป็น pN และทําให้เย็นลง ซึ่งจะนําความร้อนออกจากบริเวณใกล้เคียงและส่งไปยังเครื่องอัดอากาศหรือปั๊มลมพร้อมกับก๊าซที่ขยายตัว
ขั้นตอนที่ 4:
เมื่อวาล์ว N เปิดอยู่ ปิเปตจะเคลื่อนไปทางซ้าย ก๊าซจาก V 2,max จะไหลผ่านเครื่องปรับสภาพ ทําให้เย็นลง จากนั้นจะไหลเข้าสู่ปริมาตร V1 และเข้าสู่ถังเก็บแรงดันต่ํา ขั้นตอนนี้เสร็จสิ้น
หลักการทํางานของหัวเย็น Leybold GM
Take a look at this video to see how a cool head works in a cryopump
หัวเย็นสองจังหวะ
ปั๊มแช่เย็นแบบเย็นที่ผลิตในซีรี่ส์จาก Leybold ใช้หัวเย็นสองจังหวะที่ทํางานตามหลักการ Gifford-McMahon (ดูรูปที่ 2.67) ในสองขั้นตอนที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม อุณหภูมิของฮีเลียมจะลดลงถึงประมาณ 30 K ในขั้นตอนแรกและต่อไปจนถึงประมาณ 10 K ในขั้นตอนที่สอง อุณหภูมิต่ําที่บรรลุได้จะขึ้นอยู่กับประเภทของรีเจนเนอเรเตอร์ โดยทั่วไปจะใช้ทองแดงบรอนซ์ในเครื่องฟื้นฟูสภาพของขั้นตอนที่หนึ่งและตะกั่วในขั้นตอนที่สอง มีวัสดุอื่นๆ ให้เลือกใช้เป็นเครื่องฟื้นฟูสําหรับการใช้งานพิเศษ เช่น เทอร์โมสตัตสําหรับอุณหภูมิต่ํามาก (T < 10 K) การออกแบบของหัวเย็นสองจังหวะแสดงเป็นแผนภาพในรูป 2.67. ด้วยกลไกควบคุมที่มีวาล์วควบคุมที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ (18) ที่มีดิสก์ควบคุม (17) และรูควบคุม ก่อนอื่นแรงดันในปริมาตรควบคุม (16) จะถูกเปลี่ยนแปลงซึ่งทําให้ตัวแทนที่ (6) ของจังหวะแรกและจังหวะที่สอง (11) เคลื่อนที่ หลังจากนั้นทันทีแรงดันในปริมาตรทั้งหมดของกระบอกสูบจะเท่ากันโดยกลไกควบคุม หัวเย็นเชื่อมต่อกับคอมเพรสเซอร์ผ่านท่อแรงดันแบบยืดหยุ่น
ภาพที่ 2.67 แผนภาพของหัวเย็นสองจังหวะ
- การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าและกระแสไฟสําหรับมอเตอร์ในหัวเย็น
- การเชื่อมต่อแรงดันสูง HE
- การเชื่อมต่อแรงดันต่ํา HE
- กระบอกสูบ, ขั้นตอนที่ 1
- ตัวแทนที่, จังหวะที่ 1
- รีเจนเนอเรเตอร์ ระดับที่ 1
- ปริมาตรการขยายตัว ระดับที่ 1
- ขั้นที่ 1 (การระบายความร้อน) (หน้าแปลนทองแดง)
- กระบอกสูบ, ขั้นตอนที่ 2
- ตัวแทนที่, จังหวะที่ 2
- รีเจนเนอเรเตอร์ ระดับที่ 2
- ปริมาตรการขยายตัว ขั้นที่ 2
- ขั้นที่ 2 (การระบายความร้อน) (หน้าแปลนทองแดง)
- ช่องตรวจวัดแรงดันไอน้ํา
- ลูกสูบควบคุม
- ระดับเสียง
- อุปกรณ์ควบคุม
- วาล์วควบคุม
- เกจวัดสําหรับเทอร์โมมิเตอร์ความดันไอไฮโดรเจน
- มอเตอร์ในหัวเย็น
การออกแบบปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น
รูปภาพ 2.68 แสดงการออกแบบปั๊มแช่แข็ง โดยจะระบายความร้อนด้วยหัวเย็นสองจังหวะ เกราะป้องกันรังสีความร้อน (5) พร้อมกับแผ่นกั้น (6) เชื่อมต่อกันอย่างใกล้ชิดกับขั้นตอนแรก (9) ของหัวเย็น สําหรับแรงดันต่ํากว่า 10 -3 mbar โหลดความร้อนส่วนใหญ่เกิดจากการแผ่ความร้อน ด้วยเหตุนี้ จังหวะที่สอง (7) ที่มีแผงควบแน่นและแผงดูดซับความเย็น (8) จึงล้อมรอบด้วยเกราะป้องกันรังสีความร้อน (5) ซึ่งเป็นสีดําด้านในและขัดเงา รวมถึงชุบนิกเกิลด้านนอก ภายใต้สภาวะไม่มีโหลด แผ่นกั้นและเกราะป้องกันรังสีความร้อน (ขั้นตอนที่หนึ่ง) จะมีอุณหภูมิในช่วงระหว่าง 50 ถึง 80 K ที่แผงแช่เย็นและประมาณ 10 K ที่ขั้นตอนที่สอง อุณหภูมิพื้นผิวของแผงแบบเย็นเหล่านี้เป็นปัจจัยสําคัญต่อกระบวนการปั๊มที่แท้จริง อุณหภูมิพื้นผิวเหล่านี้ขึ้นอยู่กับกําลังการทําความเย็นที่จ่ายโดยหัวเย็น และคุณสมบัติการนําความร้อนในทิศทางของตัวเรือนปั๊ม ในระหว่างการทํางานของปั๊มแช่เย็น โหลดที่เกิดจากก๊าซและความร้อนจากการควบแน่นจะทําให้แผงแช่เย็นร้อนขึ้น อุณหภูมิพื้นผิวไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของแผงแช่แข็งเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของก๊าซที่แช่แข็งแล้วบนแผงแช่แข็งด้วย แผงควบคุมการเย็น (8) ที่ติดอยู่กับขั้นตอนที่สอง (7) ของหัวเย็นจะเคลือบด้วยถ่านกัมมันต์ที่ด้านใน เพื่อให้สามารถปั๊มก๊าซที่ไม่สามารถควบแน่นได้ง่ายและสามารถปั๊มได้โดยการดูดซับแบบเย็นเท่านั้น (ดูด้านล่าง)
รูปที่ 2.68 การออกแบบปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น (แผนผัง)
- หน้าแปลนสุญญากาศสูง
- ฝาครอบปั๊ม
- หน้าแปลนสุญญากาศเบื้องต้น
- วาล์วนิรภัยสําหรับการปล่อยแก๊ส
- แผ่นกันรังสีความร้อน
- แผงกั้น
- ระยะที่ 2 ของหัวเย็น (≈10 K);
- Cryopanels
- ขั้นตอนที่ 1 ของหัวเย็น (≈ 50 - 80 K)
- เกจวัดสําหรับเทอร์โมมิเตอร์ความดันไอไฮโดรเจน
- การเชื่อมต่อก๊าซฮีเลียม
- มอเตอร์ของหัวเย็นพร้อมตัวเรือนและการเชื่อมต่อไฟฟ้า
ชมวิดีโอด้านล่างเพื่อดูภาพเคลื่อนไหวการปั๊มของปั๊มแช่แข็งในการทํางาน
Leybold COOLVAC iCL
การยึดติดก๊าซกับพื้นผิวที่เย็น
การนําความร้อนของก๊าซที่เกิดจากการควบแน่น (ของแข็ง) ขึ้นอยู่กับโครงสร้างของก๊าซดังกล่าวเป็นอย่างมาก ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับวิธีที่เกิดการควบแน่น ความผันแปรในการนําความร้อนในหลายลําดับของขนาดอาจเกิดขึ้นได้! เมื่อความหนาของคอนเดนเซทเพิ่มขึ้น ความต้านทานความร้อนและอุณหภูมิพื้นผิวจึงเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ความเร็วในการปั๊มลดลง ความเร็วในการปั๊มสูงสุดของปั๊มที่เพิ่งปรับสภาพใหม่จะระบุเป็นความเร็วในการปั๊มที่กําหนด กระบวนการยึดเหนี่ยวสําหรับก๊าซต่างๆ ในปั๊มแช่เย็นจะดําเนินการในสามขั้นตอน: ก่อนอื่น ส่วนผสมของก๊าซและไอต่างๆ จะพบกับแผ่นกั้นซึ่งอยู่ที่อุณหภูมิประมาณ 80 K ที่นี่ H2 O และ CO2 ส่วนใหญ่จะควบแน่น ก๊าซที่เหลือจะซึมผ่านแผ่นกั้นและแทรกเข้าไปด้านนอกของแผงครีโอแผงของขั้นตอนที่สองซึ่งถูกทําให้เย็นลงประมาณ 10 K ที่นี่ก๊าซ เช่น N2, O2 หรือ Ar จะควบแน่น จะเหลือเฉพาะ H2, He และ Ne เท่านั้น ก๊าซเหล่านี้ไม่สามารถถูกปั๊มโดยแผงแบบเย็นได้ และก๊าซเหล่านี้จะผ่านหลังจากการกระแทกหลายครั้งด้วยเกราะป้องกันรังสีความร้อนเข้าสู่ด้านในของแผงเหล่านี้ซึ่งเคลือบด้วยสารดูดซับ (แผงดูดซับแบบเย็น) ซึ่งจะยึดติดโดยการดูดซับแบบเย็น ดังนั้น เพื่อวัตถุประสงค์ในการพิจารณาปั๊มแช่เย็น ก๊าซจะถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่มโดยขึ้นอยู่กับอุณหภูมิภายในปั๊มแช่เย็นที่แรงดันบางส่วนลดลงต่ํากว่า 10 -9 mbar:
ความแตกต่างระหว่างกลไกการยึดติดที่แตกต่างกันมีดังนี้:
การควบแน่นแบบเย็น
การควบแน่นแบบเย็นคือการยึดเหนี่ยวทางกายภาพและย้อนกลับของโมเลกุลก๊าซผ่านแรงของวานเดอวาลส์บนพื้นผิวที่เย็นเพียงพอของวัสดุเดียวกัน พลังงานยึดเหนี่ยวเท่ากับพลังงานการระเหยของก๊าซของแข็งที่ยึดเหนี่ยวกับพื้นผิว และดังนั้นจึงลดลงเมื่อความหนาของคอนเดนเซทเพิ่มขึ้นเช่นเดียวกับแรงดันไอ การดูดซับแบบเย็นคือการยึดเหนี่ยวทางกายภาพและย้อนกลับของโมเลกุลก๊าซผ่านแรงวานเดอวาลส์บนพื้นผิวที่เย็นเพียงพอของวัสดุอื่น ๆ พลังงานยึดเหนี่ยวเท่ากับความร้อนของการดูดซับ ซึ่งมากกว่าความร้อนของการระเหย ทันทีที่เกิดชั้นเดียว โมเลกุลต่อไปนี้จะกระแทกบนพื้นผิวชนิดเดียวกัน (สารดูดซับ) และกระบวนการจะเปลี่ยนเป็นการควบแน่นแบบเย็น พลังงานยึดเหนี่ยวที่สูงขึ้นสําหรับการควบแน่นแบบเย็นจะป้องกันการเจริญเติบโตของชั้นควบแน่นต่อไป ซึ่งจะจํากัดความจุของก๊าซที่ดูดซับ อย่างไรก็ตาม สารดูดซับที่ใช้ เช่น ถ่านกัมมันต์ ซิลิกาเจล, เจลอะลูมิเนียมและตะแกรงโมเลกุล มีโครงสร้างที่มีรูพรุนที่มีพื้นที่ผิวจําเพาะขนาดใหญ่มากประมาณ 106m2 /กก. การกักเก็บแบบเย็นหมายถึงการรวมก๊าซที่มีจุดเดือดต่ําซึ่งยากต่อการสูบ เช่น ไฮโดรเจน ในเมทริกซ์ของก๊าซที่มีจุดเดือดสูงกว่าและสามารถสูบได้ง่าย เช่น Ar, CH4 หรือ CO2 ที่อุณหภูมิเดียวกัน ส่วนผสมของคอนเดนเซทจะมีแรงดันไอแบบอิ่มตัว ซึ่งต่ํากว่าคอนเดนเซทบริสุทธิ์ของก๊าซที่มีจุดเดือดต่ํากว่าหลายลําดับ
รูปที่ 2.69 แผงแช่แข็ง - อุณหภูมิและตําแหน่งกําหนดประสิทธิภาพในปั๊มแช่แข็ง
ไฮโดรเจน - ไอน้ํา - ไนโตรเจน
การนําไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับพื้นที่ของหน้าแปลนทางเข้าเป็น l / s · cm2:
43.9 - 14.7 - 11.8
ความเร็วในการปั๊มของปั๊มแช่แข็งที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ในหน่วย l / s · cm2:
13.2 - 14.6 - 7.1
อัตราส่วนระหว่างความเร็วในการปั๊มและการนําไฟฟ้า:
30 % - 99 % - 60 %
โมเลกุลก๊าซที่เข้าสู่ปั๊มจะทําให้เกิดความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีที่เกี่ยวข้องกับพื้นที่ตามสมการ 2.29a ที่มี T = 293 K ความเร็วในการปั๊มที่แตกต่างกันถูกรวมกันสําหรับก๊าซที่เป็นตัวแทนสามชนิด H2, N2 และ H2 0 จากแต่ละกลุ่มที่กล่าวถึงข้างต้น เนื่องจากไอน้ําถูกปั๊มในพื้นที่ทางเข้าทั้งหมดของปั๊มแช่แข็ง ความเร็วในการปั๊มที่วัดได้สําหรับไอน้ําจึงเกือบจะตรงกับความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีที่คํานวณไว้สําหรับหน้าแปลนทางเข้าของปั๊มแช่แข็ง ในทางกลับกัน N2 ต้องผ่านแผ่นกั้นก่อนจึงจะสามารถยึดติดกับแผงควบแน่นแบบเย็นได้ โมเลกุล N2 ทั้งหมดจะถูกสะท้อนกลับ 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของแผ่นกั้น
(2.29a)
H2 จะมาถึงแผงดูดซับแบบเย็นหลังจากการชนกันเพิ่มเติมและทําให้ก๊าซเย็นลง ในกรณีของแผงแช่เย็นที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสมและการสัมผัสที่ดีกับถ่านกัมมันต์ สามารถยึดติดได้ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของ H2 ที่ผ่านแผ่นกั้น เนื่องจากข้อจํากัดเกี่ยวกับการเข้าถึงพื้นผิวการปั๊มและการระบายความร้อนของก๊าซโดยการชนกับผนังภายในปั๊มก่อนที่ก๊าซจะถึงพื้นผิวการปั๊ม ความเร็วในการปั๊มที่วัดได้สําหรับก๊าซทั้งสองชนิดนี้จะเท่ากับเศษส่วนของความเร็วในการปั๊มตามทฤษฎีเท่านั้น ส่วนที่ไม่ได้ปั๊มจะสะท้อนออกมาจากแผ่นกั้นเป็นหลัก ยิ่งไปกว่านั้น ความน่าจะเป็นของการดูดซับ H2 จะแตกต่างกันไประหว่างสารดูดซับต่างๆ และ < 1 ในขณะที่ความน่าจะเป็นของการควบแน่นของไอน้ําและ N22 ≈ 1
ความจุที่แตกต่างกันสามระดับของปั๊มสําหรับก๊าซที่สามารถปั๊มได้เกิดจากขนาดของพื้นผิวทั้งสาม (แผ่นกั้น พื้นผิวควบแน่นที่ด้านนอกของจังหวะที่สอง และพื้นผิวดูดซับที่ด้านในของจังหวะที่สอง) ในการออกแบบปั๊มแช่เย็น สมมติฐานคือองค์ประกอบก๊าซเฉลี่ย (อากาศ) ซึ่งตามธรรมชาติแล้วไม่ได้ใช้กับกระบวนการสุญญากาศทั้งหมด (ตัวอย่างเช่น กระบวนการสปัตเตอร์) ดู "การปรับสภาพบางส่วน" ด้านล่าง)
ปริมาณลักษณะเฉพาะของปั๊มแช่แข็ง
ปริมาณลักษณะเฉพาะของปั๊มแช่เย็นมีดังนี้ (โดยไม่มีลําดับเฉพาะ):
- การระบายความร้อน
- ค่า Crossover
- แรงดันสูงสุด
- อัตราการผลิตลม
- กําลังการทําความเย็นและกําลังการทําความเย็นสุทธิ
- เวลาการฟื้นฟู
- อัตราการไหลและการไหล pV สูงสุด
- ความเร็วการปั๊ม
- อายุการใช้งานหรือระยะเวลาการทํางาน
- ความดันเริ่มต้น
การระบายความร้อน
เวลาการระบายความร้อนของปั๊มแช่เย็นคือช่วงเวลาตั้งแต่การสตาร์ทจนกระทั่งผลการปั๊มเกิดขึ้น ในกรณีของปั๊มแช่เย็น เวลาการระบายความร้อนจะระบุเป็นเวลาที่ใช้สําหรับขั้นตอนที่สองของหัวเย็นในการระบายความร้อนจาก 293 K ถึง 20 K
ค่า Crossover
ค่าข้ามเป็นปริมาณลักษณะเฉพาะของปั๊มแช่เย็นที่เย็นอยู่แล้ว ซึ่งมีความสําคัญเมื่อปั๊มเชื่อมต่อกับห้องสุญญากาศผ่านวาล์ว HV / UHV ค่าข้ามคือปริมาณก๊าซที่สัมพันธ์กับ Tn =293 K ซึ่งห้องสุญญากาศสามารถบรรจุได้สูงสุดเพื่อให้อุณหภูมิของแผงแช่แข็งไม่เพิ่มขึ้นสูงกว่า 20 K เนื่องจากการระเบิดของก๊าซเมื่อเปิดวาล์ว โดยปกติแล้ว ค่าข้ามจะระบุเป็นค่า pV ในหน่วย mbar · l
ค่าการไหลเวียนและปริมาตรของห้อง V ส่งผลให้เกิดความดันการไหลเวียน pc ที่ต้องระบายห้องสุญญากาศออกก่อนเปิดวาล์วที่นําไปสู่ปั๊มแช่แข็ง ต่อไปนี้เป็นแนวทางปฏิบัติ:
(2.27)
V = ปริมาตรของห้องสุญญากาศ (l)
Q2(20K) = ความจุการทําความเย็นสุทธิเป็นวัตต์ ใช้ได้ที่ขั้นตอนที่สองของหัวเย็นที่ 20 K
ความดันสูงสุด p ปลาย
ในกรณีของการควบแน่นแบบเย็น (ดู "การยึดเหนี่ยวก๊าซกับพื้นผิวที่เย็น" ข้างต้น) สามารถคํานวณแรงดันสูงสุดได้โดย:
(2.28)
pS คือความดันไออิ่มตัวของก๊าซหรือก๊าซที่จะปั๊มที่อุณหภูมิ TK ของแผงระบายความร้อน และ TG คืออุณหภูมิก๊าซ (อุณหภูมิผนังในบริเวณใกล้เคียงกับแผงระบายความร้อน)
ตัวอย่าง: ด้วยความช่วยเหลือของกราฟแรงดันไอน้ําในรูปที่ 9.15 สําหรับ H2 และ N2 ความดันขั้นสุดท้ายที่สรุปไว้ในตาราง 2.6 ที่ผลลัพธ์ TG = 300 K
รูปที่ 9.15 ความดันไออิ่มตัว ps ของสารต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีการทําความเย็นในช่วงอุณหภูมิ T = 2 - 80 K
ตารางแสดงให้เห็นว่าสําหรับไฮโดรเจนที่อุณหภูมิ T < 3 K ที่อุณหภูมิก๊าซ TG = 300 K (กล่าวคือ เมื่อแผงแช่เย็นสัมผัสกับรังสีความร้อนของผนัง) สามารถบรรลุแรงดันสูงสุดที่ต่ําเพียงพอได้ เนื่องจากปัจจัยรบกวนจํานวนมาก เช่น การดูดซับจากผนังและการรั่วไหล จึงไม่สามารถบรรลุแรงดันสูงสุดตามทฤษฎีในทางปฏิบัติ
ตาราง 2.6 อุณหภูมิสูงสุดที่อุณหภูมิผนัง 300 K
ความจุ C (mbar · l)
ความจุของปั๊มแช่เย็นสําหรับก๊าซบางชนิดคือปริมาณก๊าซ (ค่า pV ที่ Tn = 293 K) ที่สามารถยึดติดโดยแผงแช่เย็นก่อนที่ความเร็วในการปั๊มสําหรับก๊าซประเภทนี้ G จะลดลงต่ํากว่า 50% ของค่าเริ่มต้น
ความจุของก๊าซที่ถูกปั๊มโดยใช้การดูดซับแบบเย็นขึ้นอยู่กับปริมาณและคุณสมบัติของสารดูดซับ ซึ่งขึ้นอยู่กับแรงดันและโดยทั่วไปจะต่ํากว่าหลายลําดับของขนาดเมื่อเปรียบเทียบกับความจุอิสระจากแรงดันของก๊าซที่ถูกปั๊มโดยใช้การควบแน่นแบบเย็น
กําลังการทําความเย็น Q (W)
กําลังการทําความเย็นของแหล่งทําความเย็นที่อุณหภูมิ T จะให้ปริมาณความร้อนที่สามารถสกัดได้โดยแหล่งทําความเย็นในขณะที่ยังคงปรับอุณหภูมินี้เป็นหลัก ในกรณีของตู้เย็น มีการตกลงกันว่าสําหรับหัวเย็นจังหวะเดียวจะระบุกําลังการทําความเย็นที่ 80 K และสําหรับหัวเย็นจังหวะสองจังหวะ จะระบุกําลังการทําความเย็นสําหรับจังหวะแรกที่ 80 K และสําหรับจังหวะที่สองที่ 20 K เมื่อโหลดความร้อนทั้งสองจังหวะพร้อมกัน ในระหว่างการวัดกําลังการทําความเย็น โหลดความร้อนจะถูกสร้างขึ้นโดยฮีตเตอร์ไฟฟ้า กําลังการทําความเย็นจะสูงที่สุดที่อุณหภูมิห้องและต่ําสุด (ศูนย์) ที่อุณหภูมิสุดท้าย
กําลังการทําความเย็นสุทธิ Q (W)
ในกรณีของปั๊มแช่แข็งของตู้เย็น กําลังการทําความเย็นสุทธิที่มีอยู่ที่อุณหภูมิการทํางานปกติ (T1 < 80 K, T2 < 20 K) จะกําหนดปริมาณงานและค่าการเปลี่ยนแปลงเป็นอย่างมาก เครือข่าย กําลังการทําความเย็นจะต่ํากว่ากําลังการทําความเย็นของหัวเย็นที่ใช้โดยไม่มีปั๊มมาก ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการกําหนดค่าของปั๊ม
pV flow
ดูหน้า ประเภทการไหล
เวลาการฟื้นฟู
ในฐานะอุปกรณ์ดักจับก๊าซ ปั๊มแช่เย็นต้องได้รับการปรับสภาพหลังจากการทํางานเป็นระยะเวลาหนึ่ง การกลับคืนสู่สภาพเดิมเกี่ยวข้องกับการขจัดก๊าซที่ควบแน่นและดูดซับออกจากแผงแช่แข็งโดยการให้ความร้อน การกลับคืนสู่สภาพเดิมสามารถทํางานได้ทั้งหมดหรือบางส่วนเท่านั้น และส่วนใหญ่จะแตกต่างกันไปตามวิธีที่แผงแช่แข็งถูกทําให้ร้อนขึ้น
ในกรณีของการกลับคืนสู่สภาพเดิมโดยรวม จะมีการแยกความแตกต่างระหว่าง:
- การอุ่นตัวตามธรรมชาติ: หลังจากปิดเครื่องอัดอากาศหรือปั๊มลม แผงแช่เย็นจะอุ่นตัวช้ามากในตอนแรกโดยการนําความร้อน จากนั้นจึงผ่านก๊าซที่ปล่อยออกมา
- วิธีการฉีดพ่นก๊าซ: ปั๊มแบบเย็นจะอุ่นขึ้นโดยการปล่อยให้ก๊าซฉีดพ่นอุ่นเข้าไป
- เครื่องทําความร้อนไฟฟ้า: แผงควบคุมการเย็นของปั๊มเย็นจะอุ่นขึ้นโดยเครื่องทําความร้อนในขั้นตอนแรกและขั้นตอนที่สอง ก๊าซที่ปล่อยออกมาจะถูกปล่อยออกผ่านวาล์วแรงดันเกิน (วิธีการฉีดพ่นก๊าซ) หรือปั๊มสํารองเชิงกล ขึ้นอยู่กับขนาดของปั๊ม จะต้องคาดการณ์เวลาในการกลับคืนสู่สภาพเดิมหลายชั่วโมง
การกลับคืนสู่สภาพเดิมบางส่วน
เนื่องจากข้อจํากัดในอายุการใช้งานของปั๊มแช่แข็งขึ้นอยู่กับขีดจํากัดความจุสําหรับก๊าซไนโตรเจน อาร์กอน และไฮโดรเจนที่ปั๊มโดยขั้นตอนที่สองในการใช้งานส่วนใหญ่ จึงมักจําเป็นต้องปรับสภาพเฉพาะขั้นตอนนี้เท่านั้น ไอน้ําจะถูกกักเก็บไว้ระหว่างการปรับสภาพบางส่วนโดยแผ่นกั้น ด้วยเหตุนี้ อุณหภูมิของขั้นตอนแรกต้องคงไว้ต่ํากว่า 140 K หรือมิฉะนั้นความดันบางส่วนของไอน้ําจะสูงมากจนโมเลกุลน้ําจะปนเปื้อนสารดูดซับในขั้นตอนที่สอง
ในปี 1992 Leybold เป็นผู้ผลิตปั๊มแช่เย็นรายแรกที่พัฒนาวิธีการที่อนุญาตให้มีการปรับสภาพบางส่วนดังกล่าว กระบวนการกลับคืนสู่สภาพเดิมที่รวดเร็วนี้ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์และช่วยให้สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมบางส่วนของปั๊มแช่แข็งได้ในเวลาประมาณ 40 นาที เมื่อเทียบกับ 6 ชั่วโมงที่จําเป็นสําหรับการกลับคืนสู่สภาพเดิมทั้งหมดตามวิธีการก๊าซฉีดพ่น การเปรียบเทียบระหว่างรอบทั่วไปสําหรับการปรับสภาพทั้งหมดและบางส่วนแสดงไว้ในรูปที่ 2.70. เวลาที่ประหยัดได้จากระบบฟื้นฟูอย่างรวดเร็วนั้นชัดเจน ในสภาพแวดล้อมการผลิตสําหรับกระบวนการสปัตเตอร์ทั่วไป ต้องคาดการณ์ว่าจะมีการปรับสภาพทั้งหมดหนึ่งครั้งหลังจากการปรับสภาพบางส่วน 24 ครั้ง
ภาพที่ 2.70 การเปรียบเทียบระหว่างการปรับสภาพทั้งหมด (1) กับการปรับสภาพบางส่วน (2)
อัตราการไหลและการไหล pV สูงสุด: (mbar l/s)
อัตราการไหลของปั๊มแช่แข็งสําหรับก๊าซบางชนิดขึ้นอยู่กับการไหล pV ของก๊าซ G ผ่านช่องทางเข้าของปั๊ม:
QG = q pV,G สมการต่อไปนี้ใช้
QG = pG · SG ที่มี
pG = แรงดันขาเข้า
SG = ความจุการปั๊มสําหรับก๊าซ G
การไหล pV สูงสุดที่แผงแช่เย็นจะอุ่นขึ้นจนถึง T ≈ 20 K ในกรณีการทํางานต่อเนื่อง ขึ้นอยู่กับกําลังทําความเย็นสุทธิของปั๊มที่อุณหภูมินี้และประเภทของก๊าซ สําหรับปั๊มแช่แข็งของตู้เย็นและก๊าซที่สามารถควบแน่นได้ อาจใช้สิ่งต่อไปนี้เป็นแนวทาง:
Q.2 (20 K) คือกําลังการทําความเย็นสุทธิในหน่วยวัตต์ที่มีอยู่ที่ขั้นที่สองของความร้อนเย็นที่ 20 K ในกรณีของการทํางานแบบไม่สม่ําเสมอ อนุญาตให้มีการไหล pV ที่สูงกว่า (ดูค่าการไหลข้าม)
ความเร็วในการปั๊ม Sth
ต่อไปนี้ใช้กับความเร็วในการปั๊ม (ตามทฤษฎี) ของปั๊มแช่แข็ง:
(2.29)
AK - ขนาดของแผงแช่เย็น
SA - ความเร็วในการปั๊มที่สัมพันธ์กับพื้นที่ผิว (อัตราการกระแทกที่สัมพันธ์กับพื้นที่ตามสมการ 1.17 และ 1.20 เป็นสัดส่วนกับความเร็วเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซในทิศทางของแผงเย็น)
α - ความน่าจะเป็นของการควบแน่น (การปั๊ม)
ปลาย p - แรงดันสูงสุด (ดูข้างต้น)
p - แรงดันในห้องสุญญากาศ
(1.17)
(1.20)
สมการ (2.29) ใช้กับแผงเย็นที่ติดตั้งในห้องสุญญากาศ ซึ่งมีพื้นที่ผิวเล็กเมื่อเทียบกับพื้นผิวของห้องสุญญากาศ ที่อุณหภูมิต่ําเพียงพอ α = 1 สําหรับก๊าซทั้งหมด สมการ (2.29) แสดงให้เห็นว่าสําหรับ p >> pend การแสดงออกในวงเล็บเข้าใกล้ 1 ดังนั้นในกรณีที่อิ่มตัวมากเกินไป p >> pend > Ps ดังนั้น:
(2.29a)
TG - อุณหภูมิก๊าซเป็น K
M - มวลโมลาร์
แสดงไว้ในตาราง 2.7 คือความเร็วในการปั๊ม SA ที่สัมพันธ์กับพื้นที่ผิวในหน่วย l · s -1 · cm -2 สําหรับก๊าซบางชนิดที่อุณหภูมิก๊าซที่แตกต่างกันสองระดับ TG ในหน่วย K ที่กําหนดตามสมการ 2.29a ค่าที่ระบุในตารางเป็นค่าขีดจํากัด ในทางปฏิบัติ สภาวะสมดุลที่แทบจะไม่ถูกรบกวน (แผงระบายความร้อนขนาดเล็กเมื่อเทียบกับพื้นผิวผนังขนาดใหญ่) มักไม่เป็นจริง เนื่องจากต้องใช้แผงระบายความร้อนขนาดใหญ่เพื่อให้ได้ระยะเวลาการปั๊มที่สั้นและสุญญากาศขั้นสุดท้ายที่ดี การเบี่ยงเบนยังเกิดขึ้นเมื่อแผงแบบเย็นถูกล้อมรอบด้วยแผ่นกั้นที่เย็นลง ซึ่งความเร็วของโมเลกุลที่แทรกซึมจะลดลงโดยการระบายความร้อน
ตาราง 2.7 ความเร็วในการปั๊มที่เกี่ยวข้องกับพื้นผิวสําหรับก๊าซบางชนิด
อายุการใช้งานหรือระยะเวลาการทํางาน: ด้านบน (วินาที)
ระยะเวลาการทํางานของปั๊มแช่เย็นสําหรับก๊าซเฉพาะขึ้นอยู่กับสมการ:
ด้วย
CG = ความจุของปั๊มแช่แข็งสําหรับก๊าซ G
QG (t) = อัตราการไหลของปั๊มแช่แข็งสําหรับก๊าซที่จุดเวลา t
หากทราบค่าเฉลี่ยคงที่ตลอดเวลาสําหรับ QG ของปริมาณงาน จะมีผลดังต่อไปนี้:
(2.30)
หลังจากระยะเวลาการทํางาน t top,G สิ้นสุดลงแล้ว ปั๊มแช่เย็นต้องได้รับการปรับสภาพตามประเภทก๊าซ G
ความดันเริ่มต้น po
โดยทั่วไปแล้ว สามารถสตาร์ทปั๊มแช่แข็งที่แรงดันบรรยากาศได้ อย่างไรก็ตาม เหตุผลหลายประการที่ทําให้การดําเนินการนี้ไม่เป็นที่พึงปรารถนา ตราบใดที่เส้นทางอิสระเฉลี่ยของโมเลกุลก๊าซมีขนาดเล็กกว่าขนาดของห้องสุญญากาศ (p > 10 -3 mbar) การนําความร้อนของก๊าซจะสูงมากจนกระทั่งมีการถ่ายโอนความร้อนปริมาณมากเกินกว่าที่ยอมรับได้ไปยังแผงแบบเย็น นอกจากนี้ ชั้นของคอนเดนเซทที่ค่อนข้างหนาจะก่อตัวขึ้นบนแผงแช่แข็งระหว่างการสตาร์ท ซึ่งจะลดความจุของปั๊มแช่แข็งที่มีให้กับเฟสการทํางานจริงลงอย่างเห็นได้ชัด ก๊าซ (โดยปกติคืออากาศ) จะยึดเหนี่ยวกับสารดูดซับ เนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวสําหรับสารดูดซับนี้ต่ํากว่าพลังงานยึดเหนี่ยวสําหรับพื้นผิวควบแน่น ซึ่งจะทําให้ความจุไฮโดรเจนที่จํากัดอยู่แล้วลดลงอีก ขอแนะนําให้สตาร์ทปั๊มแช่แข็งในช่วงสุญญากาศสูงหรือสุญญากาศสูงพิเศษด้วยความช่วยเหลือของปั๊มสํารองที่แรงดัน p < 5 · 10 -2 mbar ทันทีที่ถึงแรงดันเริ่มต้น ปั๊มสํารองอาจปิดสวิตช์
พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
ดาวน์โหลด eBook "พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ" เพื่อค้นพบข้อมูลสําคัญและกระบวนการของปั๊มสุญญากาศ
การอ้างอิง
- สัญลักษณ์สุญญากาศ
- คําจํากัดความ
- ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
สัญลักษณ์สุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
สัญลักษณ์สุญญากาศ
อภิธานศัพท์ของสัญลักษณ์ที่ใช้กันทั่วไปในแผนผังเทคโนโลยีสุญญากาศเพื่อแสดงภาพประเภทปั๊มและชิ้นส่วนต่างๆ ในระบบปั๊ม
คําจํากัดความ
ภาพรวมของหน่วยวัดที่ใช้ในเทคโนโลยีสุญญากาศและสัญลักษณ์ที่หมายถึงอะไร รวมถึงหน่วยวัดสมัยใหม่ที่เทียบเท่ากับหน่วยวัดในอดีต
ข้อมูลอ้างอิงและแหล่งข้อมูล
ข้อมูลอ้างอิง แหล่งข้อมูล และการอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับความรู้พื้นฐานของเทคโนโลยีสุญญากาศ
