Ловушка для вакуумного насоса

В вакуумных системах добавляются холодные ловушки либо для удаления нежелательных загрязнений (например, воды, растворителей, кислотных или щелочных соединений) из потока газа, либо для предотвращения обратного потока насоса. Эти условия могут привести к потере эффективности или повреждению при введении в вакуумную насосную систему или выходе из нее.

Принцип работы холодной ловушки

Проще говоря, холодные ловушки работают путем сублимации молекулы газа, то есть путем преобразования молекулы непосредственно из газовой фазы в твердую (кристаллическую) фазу, минуя таким образом жидкую фазу. Газ кристаллизуется на холодной металлической поверхности, часто проявляясь в виде “инея” на ловушке.

Для чего нужна ловушка для вакуумного насоса?

Следует выбирать холодные ловушки, которые достаточно велики и холодны для сбора конденсирующихся паров в вакуумной системе. Холодные ловушки и холодные колпачки относятся к применению охлаждаемых поверхностей или перегородок для предотвращения обратного потока паров масла (т.е. миграции масла из насосов в камеру).

В таких случаях к входному отверстию существующей насосной системы присоединяется перегородка или участок трубы, содержащий несколько охлаждаемых лопаток. Путем охлаждения перегородки либо криогенной жидкостью, такой как азот, либо с помощью элемента Пельтье с электрическим приводом, молекулы паров масла, попадающие на перегородочные лопатки, будут конденсироваться и, таким образом, удаляться из перекачиваемой полости.

Элемент Пельтье с электрическим приводом - это устройство термоэлектрического теплового насоса, в котором одна сторона охлаждается, в то время как противоположная сторона нагревается при подаче напряжения на устройство и которое передает тепло с одной стороны устройства на другую.

Холодные ловушки также рекомендуются в системах, где может присутствовать большое количество выделяющихся газов или загрязняющих веществ. Примеры включают системы, в которых используются “грязные” детали, пайки, в которых присутствует испарение присадочного металла, и сублимационную сушку, в которой необходимо удалить большое количество жидкости из вакуумной среды.

Типы ловушек для вакуумного насоса

Вакуумные насосы часто работают лучше и служат дольше при использовании в сочетании с соответствующей входной ловушкой или фильтром. Холодные ловушки хорошо работают для конденсирующихся газов, таких как вода, растворители или масла, но часто используются для обработки других форм загрязнений, таких как твердые частицы (например, углерод в виде сажи).

Механические холодильные ловушки

Эти ловушки в основном представляют собой небольшие холодильные камеры и различаются по размеру в зависимости от количества перерабатываемого газа. Температура поверхности ловушки может достигать от -40ºC до – 70ºC. Доступны автоматические циклы размораживания, а также одно- и двухступенчатые каскадные режимы. Механическое охлаждение считается самым дорогим типом холодных ловушек, но также и тем, который требует наименьшего внимания. Их размер обычно ограничен примерно 0,20 м3/мин из-за экономических соображений.

Ловушки с сухим льдом (передняя линия)

Сухой лед и спирт используются для получения суспензии, затем помещаются в ловушку, что позволяет поверхности емкости достигать -75ºC, что достаточно низко для конденсации большинства летучих материалов. Улавливающая поверхность центральной лунки видна во время работы через кольцо обзора сверху. Размораживание и очистка облегчаются за счет того, что после выпуска воздуха улавливатель хорошо вынимается.

Стандартный сосуд состоит из электрополированной нержавеющей стали типа 304 с наружной стенкой толщиной около 1,65 мм и прорезными отверстиями. В некоторых конструкциях используется покрытие из акрилового пластика поверх холодной стены. Стоимость этих систем, как правило, ниже, чем у альтернативных конструкций холодных ловушек.

Ловушки с жидким азотом

Ловушки с жидким азотом предотвращают попадание продуктов, образующихся во время работы оборудования, из камеры в насос, где они могут либо загрязнить насос, либо вызвать поломку рабочей жидкости насоса.

В любом случае это приводит к серьезной потере эффективности и низкому уровню вакуума. В приведенном примере диффузионный насос способен достигать только 4 х 10-3 Торр вместо стандартного диапазона 1 х 10-5 Торр, достигнутого с помощью чистого насоса. Кроме того, эти типы ловушек предотвращают обратный поток насоса.

Холодные ловушки с жидким азотом используют криогенный азот в качестве охлаждающей среды для обеспечения необходимой температуры поверхности улавливания. Улавливание паров воды и масла является полным и необратимым при температурах жидкого азота, что позволяет достичь высокого вакуума в диапазоне 10-6 Торр или выше.

Азотные ловушки, как правило, небольшие, эффективные и не требуют технического обслуживания, но их необходимо заполнять и размораживать вручную или автоматически. Обращение с жидким азотом очень простое, но может быть опасным при несоблюдении безопасных процедур обращения.

В некоторых конструкциях резервуар для жидкого азота, обычно из электрополированной нержавеющей стали 304, может быть снят для очистки сверху с помощью быстрозажимного уплотнительного фланца. Боковые порты могут использоваться для диагностики, датчиков или вентиляции. Для удобства установки на корпусе ловушки могут быть предусмотрены монтажные выступы.

Ловушки для диффузионного насоса

Во всех системах высокого вакуума следует использовать холодные ловушки, чтобы предотвратить обратное попадание пара из диффузионного насоса в систему. Хотя большинство насосных систем имеют очень низкую тенденцию к обратному потоку, максимальный вакуум, который может быть достигнут данной насосной системой, обычно находится в диапазоне 10-6 Торр. Когда прямо над горловиной насоса предусмотрены холодные ловушки, так что пары масла, проходящие через эту точку, конденсируются и возвращаются в насос, насос сможет достичь более низкого давления, чем было бы возможно в противном случае.

В одной из таких конфигураций используется перегородка с водяным или фреоновым охлаждением, расположенная непосредственно над горловиной насоса для контроля масла, выходящего из насоса (особенно в условиях высокого вакуума). Дополнительная ловушка, установленная ближе к вакуумному резервуару, охлаждаемая жидким азотом, еще больше повысит эффективность системы и позволит ей достичь низкого предельного давления. Во многих случаях медные шевроны припаиваются между резервуарами, содержащими жидкий азот в качестве охлаждающей жидкости. Шевроны расположены таким образом, чтобы обеспечить полную оптическую перегородку (другими словами, ни один материал не может двигаться по прямой линии и проходить через ловушку, не задев одну или несколько пластин). В этих условиях все материалы, которые могут конденсироваться при температуре пластин, будут конденсироваться и оставаться в ловушке, а не поступать в систему или насосы.

Вакуумные системы с ловушками

При сравнении чистых, дегазированных и герметичных вакуумных систем с холодными ловушками и без них можно отметить, что без холодной ловушки предельное давление в перекачиваемом сосуде составляет от 10-6 до 10-7 Торр. При размещении конденсатоотводчика между входом насоса и резервуаром максимальное достижимое давление достигнет 10-9 Торр. Предельное давление, достижимое с помощью данного насоса, будет в некоторой степени зависеть от типа используемой жидкости насоса. Это увеличение предельного давления, однако, сопровождается снижением скорости откачки в данном случае примерно на 40%.

Холодные ловушки уменьшают производительность насосов на целых 50% при низких давлениях из-за создаваемых ими препятствий, но выбора нет, если требуется более низкое давление в системе. Одним из решений этой проблемы является увеличение диаметра ловушки по сравнению с патрубком насоса.

При использовании жидкого азота необходимо поддерживать резервуары в холодильной камере на достаточно постоянном уровне, чтобы обеспечить постоянное охлаждение перегородок. Это можно сделать вручную, но для больших систем предпочтительнее автоматическое наполняющее устройство.