Bơm chân không U12 Bơm nhiệt độ thấp UIVac cryo-u12hsp

Bơm nhiệt độ thấp còn được gọi là bơm chân không nhiệt độ thấp, bơm lạnh, bơm ngưng tụ. Nguồn lạnh cho một máy bơm nhiệt độ thấp có thể là chất lỏng đông lạnh (nitơ lỏng hoặc heli lỏng) hoặc một máy làm lạnh nhiệt độ thấp. Ở đây giới thiệu mô hình làm lạnh máy bơm nhiệt độ thấp, máy làm lạnh của máy bơm nhiệt độ thấp này tạo ra làm lạnh ở hai mức nhiệt độ, làm mát hai bề mặt nhiệt độ thấp, khí được bơm được làm mát trên bề mặt nhiệt độ thấp.

1. Bơm nhiệt độ thấp Vâng

Bên trong thùng chứa thật có bề mặt nhiệt độ cực thấp, thông qua ngưng tụ và hấp phụ để bắt khí trong thùng chứa và xả ra bơm.
Vì có rất ít bộ phận chuyển động cơ học và không sử dụng dầu, nên có thể đạt được chân không sạch và cao.
Để bơm nhiệt độ thấp có hiệu quả để xả khí, áp suất hơi khi ngưng tụ, áp suất cân bằng hấp phụ khi hấp phụ phải dưới 10-8Pa.
Hình 1 là áp suất hơi của từng loại khí, khí có áp suất hơi thấp hơn nitơ, có áp suất hơi dưới 10-8Pa khi bề mặt nhiệt độ rất thấp (bề mặt nhiệt độ thấp hoặc vách ngăn nhiệt độ thấp) được làm mát dưới 20K. Khí hydro, heli, khí neon và các loại khí có áp suất hơi cao hơn không thể được thải ra bằng cách ngưng tụ ở 20K, vì vậy nó được thải ra bằng chất hấp phụ dưới 20K.
Bằng cách này, một máy bơm nhiệt độ thấp có thể xả tất cả các khí để có được một chân không siêu cao.

Sơ đồ 1. Áp suất hơi của các loại khí khác nhau

Cách mà một bề mặt đóng băng được hình thành, thường sử dụng một máy làm lạnh heli nhỏ với chu kỳ khép kín. Máy bơm nhiệt độ thấp sử dụng tủ đông heli nhỏ, không cần phải cung cấp chất làm lạnh thường xuyên như máy bơm nhiệt độ thấp loại lưu trữ, thông qua hoạt động đơn giản có thể nhận được chân không siêu cao sạch sẽ, có thể hoạt động liên tục lâu dài và ổn định.

2. Nguyên tắc hoạt động và cấu trúc của bơm nhiệt độ thấp

CRYO-U8H là một ví dụ minh họa cho cấu trúc của một máy bơm nhiệt độ thấp.
Máy làm lạnh cho máy bơm nhiệt độ thấp là loại 2 phần, 1 phần có công suất làm lạnh lớn hơn, có thể làm mát đến 80K hoặc thấp hơn, và 2 phần có công suất làm lạnh nhỏ hơn, có thể làm mát đến 10 đến 12K.
Vách ngăn 15K (1) (tấm ngưng tụ) và vách ngăn 15K (2) (tấm hấp phụ) được lắp đặt trên 2 phần của tủ đông với vách ngăn 80K và thùng được che chắn 80K được lắp đặt trên 1 phần có công suất làm lạnh lớn, bảo vệ khỏi bức xạ nhiệt (bức xạ) ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, để ngăn chặn bề mặt của chất hấp phụ không được che phủ, chất hấp phụ được gắn vào bên trong của vách ngăn, nơi khí cô đặc không thể xâm nhập.

Hình 2. Cryo-U8H

Khí thải chính của bơm nhiệt độ thấp là, dưới đây (1) ～ (3), v.v.

(1) Không khí (N2, O2): Khí dư sau khi bơm thô của thiết bị chân không

(2) Giải phóng khí 1 H2O: hấp phụ trên bề mặt bình chứa chân không (phần lớn nhất của thiết bị chân không thông thường), thành phần chính của khí được giải phóng từ thủy tinh, nhựa, gốm sứ

2 H2: Sự khuếch tán bên trong bức tường kim loại của thùng chứa chân không phát ra (vấn đề siêu cao, chân không) nhiệt độ cao, kim loại nóng chảy (đặc biệt là nhôm) phát ra (hấp mạ, phún xạ)

3 CO, CO2 và
CH4, CnHm: bụi bẩn trên tường của thiết bị chân không

(3) Nhập khí 4 Ar: Thiết bị phún xạ

5 H2: Tiêm ion

6 O2: oxit

7 Khác

Theo đồng hồ đo áp suất hơi nước, nếu nhiệt độ hơi nước (H2O) dưới 130K, áp suất hơi sẽ dưới 10-8Pa, các khí như nitơ (N2), oxy (O2), carbon monoxide (CO), argon (Ar) không thể ngưng tụ ở 80K do áp suất hơi cao, cần phải ngưng tụ và xả qua bề mặt bên ngoài của vách ngăn dưới 20K (1).

Khí có áp suất hơi cao hơn như helium (He), hydro (H2), khí neon (Ne) không ngưng tụ ở nhiệt độ 10~20K, do đó hấp phụ và xả bằng chất hấp phụ gắn bên trong vách ngăn 15K (1) (tấm ngưng tụ). Chất hấp phụ được gắn trong vách ngăn 15K (2) (tấm hấp phụ), và để ngăn chặn bề mặt của chất hấp phụ không được che phủ, chất hấp phụ được gắn vào bên trong của vách ngăn nơi khí cô đặc không thể xâm nhập.
Bề mặt bên ngoài của thùng được che chắn 80K, vách ngăn 80K, vách ngăn 15K (1) là gương, có thể phản chiếu nhiệt bức xạ ở nhiệt độ phòng. Bề mặt bên trong của thùng được che chắn 80K đã được làm đen để ngăn bức xạ nhiệt độ phòng phản xạ trên bề mặt bên trong của tấm chắn 80K, bắn vào vách ngăn 15K. Để bơm nhiệt độ thấp hoạt động bình thường, nhiệt độ của thùng che chắn 80K, vách ngăn 80K phải dưới 130K và vách ngăn 15K phải dưới 20K.

Để có thể xác nhận những nhiệt độ này, cặp nhiệt điện CA đã được lắp đặt trên vách ngăn 80K và nhiệt kế áp suất hơi hydro (H2VP) và nhiệt kế nhiệt độ thấp loại MB đã được lắp đặt trên vách ngăn 15K. (EMF tiêu chuẩn cho cặp nhiệt điện CA 130K là -5,5mV.)

3. Van tái sinh và an toàn cho bơm nhiệt độ thấp

Bơm khuếch tán dầu và bơm phân tử turbo là giải phóng khí thoát ra khỏi máy bơm, nhưng bơm nhiệt độ thấp được lưu trữ trong vách ngăn 15K bằng cách ngưng tụ và hấp phụ, vì vậy nó phải được giải phóng và tái tạo định kỳ.
Tái sinh là khi tăng nhiệt độ của một máy bơm nhiệt độ thấp đến nhiệt độ phòng và đưa khí ngưng tụ hoặc hấp phụ trở lại trạng thái khí. Khi nhiệt độ thấp, nơi lưu trữ một lượng lớn khí, ở trạng thái kín, bên trong máy bơm nhiệt độ thấp có thể trở thành khí áp suất cao trong quá trình tái sinh, do đó cần phải lắp đặt van an toàn trên máy bơm nhiệt độ thấp.
Áp suất làm việc của van an toàn được đặt ở mức 20kPa (áp suất đo).
Van an toàn được sử dụng cho mục đích an toàn, vì vậy đừng đóng van an toàn hoặc sử dụng nó cho các mục đích khác.
Ngoài ra, không sử dụng nó như một van xả khí trong quá trình tái tạo. Khi van an toàn hoạt động, bụi từ khí thổi, v.v., bám vào bề mặt o-ring, có thể gây rò rỉ.

4. Hệ thống bơm nhiệt độ thấp

Hệ thống bơm nhiệt độ thấp chủ yếu bao gồm

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)
2. đơn vị nén
Ống mềm (2)

Tạo thành, sau khi kết nối theo hình 3. Việc khởi động phân của máy bơm nhiệt độ thấp (máy bơm nhiệt độ thấp không thể khởi động ở áp suất khí quyển) và tái tạo yêu cầu bơm thô (do khách hàng chuẩn bị).

Sơ đồ 3. Hệ thống bơm nhiệt độ thấp

Hiệu suất bơm nhiệt độ thấp

Các tính chất chính của bơm nhiệt độ thấp là: (1) đặc tính làm mát và làm mát (2) tốc độ xả (3) công suất xả (4) lưu lượng tối đa (5) áp suất chéo (6) áp suất giới hạn (7) khả năng chịu tải nhiệt, v.v.
Những dự án này Tưởng Giới Thạch tiến hành thuyết minh dưới đây.

Đặc tính làm mát (Cool down)

Vì một máy bơm nhiệt độ thấp không thể bắt đầu ở áp suất khí quyển, một máy bơm thô là cần thiết. Trong trường hợp bơm quay cho bơm thô, bơm nhiệt độ thấp 40Pa của ULVAC Cryo không gây ra dòng chảy ngược của hơi dầu. Tất cả các khí còn lại trong máy bơm được hấp thụ bởi chất hấp phụ bên trong máy bơm đông lạnh. Thời gian làm mát bị ảnh hưởng bởi:

Bảng 1. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian làm mát

Bởi vì......

thời gian hồi chiêu

1. áp lực kéo thô cao kéo dài

2. Nhiệt độ cao của máy bơm được kéo dài

3. Thành phần khô (sấy trong bơm) của khí dư sau khi bơm thô được kéo dài

Giảm nhiều nước

4. Ô nhiễm của máy bơm đã được kéo dài ô nhiễm

Thời gian làm mát bị ảnh hưởng bởi phương pháp tái tạo. Khi nhiệt độ được tăng lên bằng cách sử dụng một thanh lọc nitơ hoặc một vành đai sưởi ấm, độ ẩm trở nên ít hơn và khô hơn, và cách nhiệt chân không là khó khăn để đạt được, do đó thời gian làm mát trở nên dài hơn. Ngoài ra, lưu ý rằng rò rỉ nhỏ cũng có thể dẫn đến thời gian làm mát kéo dài hoặc không thể làm mát (đặc biệt chú ý đến rò rỉ gây ra tại van an toàn). Ngoài ra, khu vực 60Hz làm mát nhanh hơn 10-15% so với khu vực 50Hz. Thông thường, thời gian làm mát được định nghĩa là thời gian cần thiết để vách ngăn 15K có nhiệt độ dưới 20K, như trong Bảng 4-2.

2. Đặc tính tốc độ xả

2-1. Hiệu suất xả nước

Nếu nhiệt độ bề mặt đông lạnh dưới 150K, xác suất đông lạnh mặt nước là gần 1. Thông thường, nhiệt độ trong quá trình hoạt động của máy bơm nhiệt độ thấp 80K Shielded Barrel và 80K là dưới 130K (thường là khoảng 80K), do đó tốc độ xả của máy bơm nhiệt độ thấp so với nước bằng với tốc độ xả lý tưởng của 80K Shielded Barrel Calibre. Tốc độ xả lý tưởng cho một đơn vị diện tích khí M trọng lượng phân tử s=62,5/M1/2 (L/s/cm2) (20 ° C) nước, tốc độ xả lý tưởng cho M=18 là s=14,7 (L/s/cm2). 80K che chắn thùng hút khí diện tích A (cm2), tốc độ xả nước của bơm nhiệt độ thấp S=s · A (L/s).

Ví dụ, loại 8 của máy bơm nhiệt độ thấp, 80K che chắn thùng hút khí diện tích khoảng 275cm2, tốc độ xả nước là 4000L/s. Tính toán tương tự được thực hiện trên các loại khí ngưng tụ và thải ra trong vách ngăn 80K (ví dụ: CO2, NH4). Tính toán tốc độ xả của CRYO-U8H đối với CO2, 4.000 L/s đối với nước, trọng lượng phân tử của CO2 là 44, SCO2=SH2O X ( 18 / 44 )1/2=2560 L/s。

Bảng 2. Tốc độ xả của bơm nhiệt độ thấp đối với nước

Đường kính

model

Tốc độ xả (L/s)

6 U6H 2100

8 U8H,U8H-U,U8HSP 4000

10 U10PU 6900

12 U12H,U12H-K2,U12HSP 9500

16 U16,U16P 16000

20 U20P 29000

22 U22H 39000

30 U30H 70000

2-2. Đặc tính xả cho Ar, N2 (khí ngưng tụ)

Các loại khí có áp suất hơi tương đối cao như N2, Ar, CO và O2 không ngưng tụ bởi vách ngăn 80K hoặc tấm chắn 80K, mà ngưng tụ và thoát ra ở nhiệt độ dưới 20K.
Nếu nhiệt độ bề mặt đông lạnh dưới 20K, xác suất thu giữ của việc đóng băng đối mặt với khí ngưng tụ là 1, ngoài ra, tốc độ xả của bơm nhiệt độ thấp trong khu vực dòng chảy phân tử là không đổi do sự dẫn từ đầu vào không khí đến vách ngăn nhiệt độ thấp là không đổi.

Giá trị tốc độ xả của máy bơm nhiệt độ thấp trong hướng dẫn sử dụng sản phẩm là tốc độ xả nitơ trong khu vực dòng chảy phân tử. Tốc độ xả của khí ngưng tụ trên trọng lượng phân tử M bất ngờ của nitơ, được tính bằng công thức sau.

SM = SN2 × (28 / M) 1 / 2 (L / s) ・・・・・・・(1)
SN

2: Tốc độ xả nitơ (L/s)

Ví dụ, vận tốc khí thải của CRYO-U8H đối với argon, được biết từ Bảng 6-3 SN2=1700 (L/s) và trọng lượng phân tử của argon M=40, được tính bằng công thức này.
Sar = 1700X (28/40) 1 / 2 = 1400L / s

Hình 1. Tốc độ xả của CRYO-U đối với nitơ

model

Tốc độ xả (L/s)

U6H 750

U8H / U8H-U / U8HSP 1700

U10P 2300

U12H 4000

U12HSP 4100

U16/U16P 5000

U20P 10000

U22H 17000

U30H 28000

B5-03=giá trị thông số Ki, (cài 3)

Khi dòng không khí thay đổi từ dòng phân tử sang dòng trung gian (dòng chuyển tiếp), độ dẫn tỷ lệ thuận với áp suất, do đó tốc độ xả tăng lên. Tuy nhiên, vì nhiệt đầu vào vào máy bơm nhiệt độ thấp tăng lên khi áp suất tăng lên, giới hạn xả của máy bơm nhiệt độ thấp đạt được khi tải nhiệt vượt quá khả năng làm lạnh của tủ đông. Dựa trên tải nhiệt này, ULVAC Cryo xác định dòng chảy khi nhiệt độ vách ngăn nhiệt độ thấp đạt 20K là dòng chảy tối đa (Hình 6-1Point). Mặc dù lưu lượng tối đa sẽ tăng lên với khả năng làm lạnh được tăng cường, nhưng do khả năng làm lạnh mạnh hơn nữa, độ dẫn nhiệt của lớp ngưng tụ cũng bị hạn chế, vì vậy gradient nhiệt độ sẽ xuất hiện theo hướng độ dày. Nếu nhiệt độ bề mặt của lớp ngưng tụ quá cao vượt quá giới hạn, khí sẽ không ngưng tụ, do đó tốc độ xả trở thành 0, trở thành giới hạn xả vật lý.

2-3. Tốc độ xả trên H2, He, Ne (khí không ngưng tụ)

H2, He và Ne là các khí có áp suất hơi cao nhất, và ở khoảng 20K, chúng không thể thoát ra bằng cách ngưng tụ do áp suất hơi quá cao, do đó chúng còn được gọi là khí không ngưng tụ. Vì các khí này không thể thoát ra bằng cách ngưng tụ, chúng được thải ra bằng cách hấp phụ với chất hấp phụ làm mát xuống dưới 20K. Chất hấp phụ bão hòa khi hấp thụ khí không ngưng tụ, do đó tốc độ xả sẽ giảm dần. Khi tốc độ xả giảm xuống 80% giá trị ban đầu, lượng khí thải ra tại thời điểm này được định nghĩa là lượng khí thải (được mô tả sau).
Trong các loại khí không ngưng tụ, hydro là một thành phần quan trọng trong khí thải và là một loại khí quan trọng trong ứng dụng, vì vậy mẫu đã được xác định sau một nghiên cứu chi tiết. Có rất ít ví dụ về việc sử dụng khí neon, vì vậy có rất ít dữ liệu. Ngoài ra, helium là loại khí khó hấp thụ nhất, chỉ có thể được thải ra 1/100~1/1000 khí argon, vì vậy không nên sử dụng máy bơm nhiệt độ thấp để xả.

model
Sản phẩm CRYO-U

Tốc độ xả
(L / giây)

Lưu lượng tối đa
(Pa・L/s)

Lưu lượng xả
(Pa・L)

-U6H 1100 1,1 × 102 3,1 × 105

U8H 2700 2,4 × 102 1,0 × 106

U8HSP 3200 2,4 × 102 1,0 × 106

-U10PU 3600 1,5 × 102 6,7 × 105

-U12H 6000 4,1 × 102 9,8 × 105

-U12HSP 6000 4,1 × 102 1,6 × 106

-U16 10000 4.1×102 2.4×106

-U16P 10000 4,5 × 102 2,4 × 106

-U20P 18000 5,0 × 102 4,6 × 106

-U22H 25000 1,3 × 103 8,5 × 106

-U30H 43000 7,4 × 102 1,5 × 107

Bảng 4. Đặc tính xả của CRYO-U đối với hydro

Hình 2. Tốc độ xả của CRYO-U đối với hydro

3. Công suất xả của bơm nhiệt độ thấp

3-1. Đối với công suất xả của khí rắn

Khí thải ra bằng cách ngưng tụ là (1) khí (chủ yếu là nước) được thải ra qua thùng che chắn 80K hoặc vách ngăn 80K và (2) khí thải ra qua vách ngăn 15K (nitơ, argon, oxy, v.v.).

(1) Công suất xả nước
Khi nước ngưng tụ trên vách ngăn 80K và độ dày của băng tăng lên, độ dẫn của vách ngăn 80K giảm, cũng như tốc độ xả của khí ngưng tụ và hấp thụ khí thải qua vách ngăn 15K. Do nhu cầu tái tạo, lượng nước thải ra tại thời điểm này là dung lượng xả, không có định nghĩa rõ ràng về dung lượng xả của nước. Tuy nhiên, các giá trị trong bảng dưới đây có thể được sử dụng làm hướng dẫn sơ bộ về giới hạn xả của nước. (Chú ý đơn vị lượng khí thải là g (gram)

model

Công suất xả (g)

Sản phẩm CRYO-U6H 40

CRYO-U8H, U8H-U 90

CRYO-U10PU 170

Sản phẩm CRYO-U12H 260

CRYO-U16,U16P 500

CRYO-U20P 1000

CRYO-U22H 1400

B5-05=giá trị thông số Kd, (cài 2)

1) Trường hợp nhiều nước

Nhựa

Kính

gốm sứ

2) Chú ý tái tạo nước

Khi nhiệt độ tăng, băng tan chảy

Khi bơm thô, không đóng băng nước

Loại bỏ nước từ bên trong máy bơm

Kiểm tra hiệu suất của bơm quay (chú ý đến nhũ tương dầu)

(2) Công suất xả đối với khí argon

Vấn đề khó khăn tồn tại trong khí thải ra qua sự ngưng tụ của các tấm ngưng tụ 15K là dung lượng khí thải của argon trong quá trình phún xạ. Độ dày của lớp Argon ngưng tụ bề mặt bên ngoài của vách ngăn 15K tăng lên, chạm vào vách ngăn 80K và thùng được che chắn 80K ở nhiệt độ cao hơn, hoặc gradient nhiệt độ của lớp Argon tăng lên, làm tăng nhiệt độ bề mặt Argon. Dưới loại tình huống này, đều sẽ dẫn đến không thể tiến hành ngưng tụ nữa. Lúc này, lượng khí thải ra là dung lượng khí thải. ULVAC Cryo định nghĩa khả năng xả khí argon là [xả khí argon đóng van chính và áp suất không giảm xuống dưới 1,3X10-4Pa 5 phút sau khi van chính đóng]. Hình 6-3 là nhập khẩu liên tục của argon 200CCM, giá trị áp suất của CRYO-U12HSP sau khi dừng nhập khẩu 5 phút, lượng khí thải vượt quá 4,3 × 108Pa · L bắt đầu và áp suất đột ngột trở lại, do đó lượng khí thải là 4,3 × 108Pa · L. Bảng 6-6 cho thấy khả năng phát thải argon của từng mô hình bơm nhiệt độ thấp.

Hình 3. Phục hồi áp suất cho CRYO-U12HSP (ví dụ đo lường)

Loại Cryo -

Công suất xả (Pa.L)

- U6H 5,6 × 107

U8H, U8H-U 1,0 × 108

- U8HSP 2,5 × 108

- U10PU 1,0 × 108

- U12H 2,1 × 108

- U12HSP 4,3 × 108

- U16, U16P 4,3 × 108

- U20P 5,8 × 108

- U22H 8,1 × 108

- U30H 7,8 × 108

3-2. Công suất xả cho khí không ngưng tụ

Khí hydro, heli, neon và các loại khí khác không thể thoát ra bằng cách ngưng tụ khoảng 10K, được hấp thụ bởi chất hấp phụ bên trong vách ngăn 15K. Do đó, với sự gia tăng lượng hấp phụ, nó sẽ gần với trạng thái bão hòa, (1) giảm tốc độ xả, (2) tăng áp suất cân bằng hấp phụ, hiệu suất xả chậm, và cuối cùng không thể xả. ULVAC Cryo định nghĩa dung lượng khí thải hydro là lượng hấp thụ hydro khi tốc độ khí thải giảm xuống 80% tốc độ khí thải ban đầu. Để chất hấp phụ có thể phát huy khả năng hấp phụ định trước, chất hấp phụ phải được làm sạch. Sự ô nhiễm của chất hấp phụ là

(1) Khi hấp thụ khí ngưng tụ (chủ yếu là không khí)
(2) Khi hấp thụ độ ẩm
(3) Khi hấp thụ hơi dầu

Khi các chất này được hấp thụ với số lượng lớn, khả năng hấp thụ hydro sẽ giảm. Không khí và độ ẩm có thể được loại bỏ bằng cách tái tạo bơm nhiệt độ thấp, nhưng một khi hơi dầu đã được hấp thụ, nó không thể được loại bỏ một lần nữa, và tại thời điểm này vách ngăn 15K (2) (tấm hấp phụ) phải được thay thế. Để duy trì tính chất hấp phụ của máy bơm nhiệt độ thấp đối với hydro, phải tránh hoàn toàn dòng chảy ngược của hơi dầu vào máy bơm nhiệt độ thấp.
Hình 4 là biểu đồ về mối quan hệ giữa tốc độ xả của hydro và công suất xả của hydro, trong đó S là tốc độ xả và C là công suất xả. Tham khảo Hình 4 để biết tốc độ xả và công suất xả của các mô hình khác nhau.

Hình 4. Mối quan hệ giữa tốc độ xả và công suất xả cho hydro

4. Tải nhiệt và lưu lượng tối đa cho bơm nhiệt độ thấp

Tải nhiệt của máy bơm nhiệt độ thấp là nhiệt bức xạ và tải khí (dẫn nhiệt khí, nhiệt ngưng tụ), được đưa ra phương trình sau tương ứng.

σ

: Hằng số Boltzmann 5,67 × 10-12W/cm2/K4

eAV

: Tỷ lệ bức xạ trung bình

T1

: Nhiệt độ bề mặt nhiệt độ thấp (K)

T2

: Nhiệt độ bề mặt nhiệt độ cao (K)

A

: Diện tích nhiệt (cm2)

A1: Bên trong A2: Bên ngoài

γ

: Tỷ lệ nhiệt riêng của khí

ａ0

: Hệ số thích ứng nhiệt trung bình

Ｐ

Áp suất (Pa)

M

: Trọng lượng phân tử

T1

: Nhiệt độ của điểm đo áp suất P (K)

T2

: Nhiệt độ bề mặt nhiệt độ thấp (K)

A: Khu vực nhiệt (cm2)

Hệ số thích ứng nhiệt trung bình Công thức a0 (A1<A2)



Hệ số thích ứng A1, A2 (xấp xỉ)

γ

: Nhiệt ngưng tụ (H2, He, Ne, nhiệt hấp phụ) (W/Pa · L/s)

Tc

: Nhiệt độ bề mặt nhiệt độ thấp (K)

Tg

: Nhiệt độ của khí (K)

S

: Tốc độ xả của bơm nhiệt độ thấp (L/s) SP: (Pa · L/s)

P

Áp suất (torr)

Cp

: Nhiệt riêng trung bình của khí (W/(Pa · L/s)/K)

Tải nhiệt của phần 1 của tủ đông là nhiệt bức xạ và nhiệt dẫn khí, thường chủ yếu là nhiệt bức xạ trừ khi được sử dụng liên tục trong phạm vi 10-1Pa. Công suất làm lạnh của 2 phần của tủ đông bị ảnh hưởng bởi tải nhiệt của 1 phần, nếu tải nhiệt của 1 phần tăng, công suất làm lạnh của 2 phần sẽ giảm và lưu lượng tối đa cũng sẽ giảm.
Vì vậy, khi lượng khí lớn được đưa vào máy bơm nhiệt độ thấp, hãy giữ cho máy bơm nhiệt độ thấp sạch sẽ (giảm nhiệt bức xạ) và giảm quá tải nhiệt do bức xạ nhiệt gây ra. Thông thường, máy bơm nhiệt độ thấp lớn có diện tích chịu nhiệt lớn hơn, sẽ có nhiều bức xạ nhiệt hơn, vì vậy cần có tủ đông có công suất làm lạnh lớn hơn. Tốc độ dòng chảy tối đa của một máy bơm đông lạnh được định nghĩa là tốc độ dòng chảy khi nhiệt ngưng tụ (hoặc nhiệt hấp phụ) đưa nhiệt độ của một máy bơm đông lạnh đến 20K khi nhiệt bức xạ tiêu chuẩn. Nếu máy bơm có cùng cỡ nòng, công suất làm lạnh của tủ đông càng lớn hoặc tốc độ xả càng lớn, lưu lượng tối đa cũng càng lớn. Ví dụ, CRYO-U16 và U16P có cùng đường kính và tốc độ xả, tủ đông của U16P (R50) có khả năng làm lạnh lớn hơn tủ đông của U16 (R20), do đó lưu lượng tối đa cũng lớn hơn.
Áp suất làm việc tối đa của bơm nhiệt độ thấp Pmax được tính bằng cách chia dòng chảy tối đa Qmax cho tốc độ xả tại thời điểm này, Smax. (Pmax=Qmax/Smax)。 Đối với argon, Pmax là khoảng 10-1Pa, đây là dòng trung gian. Bảng 7 cho thấy dòng chảy tối đa của các mô hình khác nhau.

Lưu lượng tối đa của bơm nhiệt độ thấp

Khí Argon
（Pa・ L / s

Khí hydro
（Pa・ L / s

Sản phẩm CRYO-U6H

1.1×103 1.1×102

CRYO-U8H, U8H-U, U8HSP

1.2×103 2.4×102

Sản phẩm CRYO-U10PU

8.0×102 1.5×102

CRYO-U12H, U12HSP

2.0×103 4.1×102

Sản phẩm CRYO-U16

1.4×103 4.1×102

Sản phẩm CRYO-U16P

1.6×103 4.5×102

Sản phẩm CRYO-U20P

1.1×103 5.0×102

Sản phẩm CRYO-U22H

4.1×103 1.3×103

Sản phẩm CRYO-U30H

2.7×103 7.4×102

Áp suất chéo (cross over)

Áp suất chéo là áp suất của khe chân không (áp suất thô) khi mở van chính khi bơm thô được chuyển sang bơm nhiệt độ thấp. Áp suất bơm thô tối đa cho phép tại thời điểm này là áp suất chéo tối đa cho phép. Ngay lập tức mở van chính của khe chân không loại khí vào máy bơm nhiệt độ thấp, nếu lượng khí vượt quá giới hạn, máy bơm nhiệt độ thấp không thể khôi phục lại khả năng xả một lần nữa, nhiệt độ sẽ tăng lên, tất cả các khí đã được xả ra. Lượng khí giới hạn (lượng khí hút tối đa có thể xử lý) được chia cho thể tích buồng chân không để đo áp suất chéo tối đa cho phép.

Lượng khí tối đa có thể được xử lý là giá trị giới hạn để khôi phục hiệu suất khí thải (thường là nhiệt độ của vách ngăn nhiệt độ thấp hơn 20K). Thông thường trong các cân nhắc an toàn, giới hạn áp suất thô là (1) 1/2 áp suất chéo tối đa cho phép được tìm thấy bởi một loại công thức. Ngoài ra, nếu bạn muốn cải thiện hệ số an toàn, bạn có thể đặt giá trị khi nhiệt độ vách ngăn bơm nhiệt độ thấp không vượt quá 20K thành nhiệt độ chéo tối đa cho phép. Lượng khí hút tối đa có thể xử lý thay đổi theo tải nhiệt trên máy bơm đông lạnh và lượng khí ngưng tụ trong máy bơm đông lạnh.

Bảng 6-8 là tài liệu tham khảo về lượng khí hút tối đa (so với không khí) mà các mô hình khác nhau có thể xử lý. Ví dụ, đối với U8H, áp suất chéo tối đa cho phép của bình chân không thể tích 100L Pmax là lượng khí hút tối đa có thể xử lý được là 133.000Pa・L, Pmax ≤133.000Pa・L/100L=1330Pa, bơm thô dưới 1330Pa. Thông thường hệ số an toàn là trên 2, tức là lực nén áp suất thô được đặt thành 665Pa. Nếu để không vượt quá 20K, lượng khí hút tối đa có thể xử lý là 20000Pa, P=20000/100=200Pa. Khi bình chân không có khối lượng lớn và áp suất bơm thô dưới 40Pa, các biện pháp phải được thực hiện để ngăn chặn dòng chảy ngược của hơi dầu, lắp đặt máy bơm lớn hơn hoặc tăng số lượng máy bơm để áp suất gia công thô là 40Pa hoặc cao hơn.

6. Đến

Áp suất đạt được khi bơm nhiệt độ thấp không có lưu lượng khí là áp suất hơi và hệ số ngưng tụ của các loại khí khác nhau ở nhiệt độ bề mặt nhiệt độ thấp (giả sử là 1), được thay thế bằng công thức sau.

Pg = Ps (Tg / Ts) 1/2

Ts

: Nhiệt độ bề mặt nhiệt độ thấp 10~20K

Ps

: Áp suất hơi khí ở nhiệt độ Ts (hydro là áp suất cân bằng hấp phụ) (Pa)

Tg

: Nhiệt độ khí ～ 300K

Trong số các khí ngưng tụ, khí có áp suất hơi cao nhất là nitơ, và đối với nitơ khi nhiệt độ bề mặt đông lạnh là 10-20K, áp suất đạt được được thể hiện trong Hình 6. Thông thường, ở trạng thái không có tải, vách ngăn bơm nhiệt độ thấp là 10-12K và áp suất hơi là~10-21Pa, có thể bỏ qua khi sử dụng thực tế. Áp suất giới hạn đối với khí hydro không ngưng tụ được xác định bởi áp suất cân bằng hấp phụ. Than hoạt tính được sử dụng trong máy bơm nhiệt độ thấp có khả năng hấp thụ hydro rất lớn, như thể hiện trong Hình 6-7, và áp suất cân bằng hấp thụ của hydro Pa cũng không đáng kể do lượng khí thải hydro rất nhỏ khi hoạt động trong chân không cực cao. (Ví dụ, lượng hấp phụ hydro cho U8H (SH2O=2700 L/s) hoạt động liên tục 1 tháng ở 1,3X10-8Pa là Q=1,3 × 10-8x2700 × 30x24 × 3600=91 Pa Do đó, áp suất giới hạn của bơm nhiệt độ thấp được xác định bởi lượng khí được đưa vào bơm nhiệt độ thấp và tốc độ xả. Thông thường, áp suất giới hạn của monome bơm nhiệt độ thấp được đo bằng lượng khí tối thiểu chảy vào bơm nhiệt độ thấp khi mặt bích mù được sử dụng trên bơm nhiệt độ thấp. Ngoài ra, áp suất cực hạn sẽ có sự khác biệt rất lớn theo thông số kỹ thuật của máy bơm nhiệt độ thấp (thông số kỹ thuật tiêu chuẩn và thông số kỹ thuật chân không siêu cao), áp suất bơm thô, cho dù nướng, v.v. Thông thường với O-Ring, bơm thô 40Pa và không nướng, áp suất tối đa cho 12 giờ hoạt động là (1~4) X10-6Pa. Hình 6-7 cho thấy các phép đo thành phần khí còn lại có và không có nướng. Ngoài ra, Bảng 6-9 cho thấy giá trị tham chiếu cho áp suất giới hạn của một máy bơm nhiệt độ thấp duy nhất. Trong trường hợp nướng đặc điểm kỹ thuật chân không siêu cao, có thể thu được 10-10TPa chân không. Áp suất tối đa của thiết bị phụ thuộc vào lượng khí thải ra từ thiết bị (P=Q/S).

Sơ đồ 6. Áp suất giới hạn để xác định áp suất hơi

Đường cong nhiệt độ hấp thụ hydro của than hoạt tính

Áp suất giới hạn của bơm nhiệt độ thấp (tham khảo)

quy cách

Áp lực thô (Pa)

Trang chủ

Giới hạn (Pa)

tiêu chuẩn

40
40 Không
(100 ~ 150 ℃) × (3 ~ 10h) (1 ~ 4) × 10-6
(1～4)×10-7

超高真空

10-2～10-3
10-2～10-4
10-2-10-3 Không có
(200 ~ 220 ℃) × (3 ~ 8h)
(200~220 ℃) × Khoảng 20h 10-8
10-9
10-10

[Những điều cơ bản về bơm nhiệt độ thấp 5]

Nguyên tắc xây dựng và đóng băng của tủ đông

Nguyên tắc xây dựng và đóng băng của tủ đông
Nguyên tắc đóng băng (hướng dẫn chung)

Sơ đồ 1. Nguyên tắc đóng băng

Chu trình đông lạnh đại diện cho bơm nhiệt độ thấp là
(1) Chu trình Gifford-McMahon (Chu trình G-M)
Vòng lặp Modified Solvay (M-Solvay Cycle)

2. chu kỳ đông lạnh được sử dụng bởi bơm nhiệt độ thấp
CRYO-U8H là một ví dụ minh họa cho cấu trúc của một máy bơm nhiệt độ thấp.
Máy làm lạnh cho máy bơm nhiệt độ thấp là loại 2 phần, 1 phần có công suất làm lạnh lớn hơn, có thể làm mát đến 80K hoặc thấp hơn, và 2 phần có công suất làm lạnh nhỏ hơn, có thể làm mát đến 10 đến 12K.
Vách ngăn 15K (1) (tấm ngưng tụ) và vách ngăn 15K (2) (tấm hấp phụ) được lắp đặt trên 2 phần của tủ đông với vách ngăn 80K và thùng được che chắn 80K được lắp đặt trên 1 phần có công suất làm lạnh lớn, bảo vệ khỏi bức xạ nhiệt (bức xạ) ở nhiệt độ phòng.

Hình 2-2 là nguyên lý hoạt động của chu kỳ G-M và biểu đồ đường P-V (mối quan hệ giữa áp suất P và thể tích V của buồng mở rộng).

2-1. Chu kỳ G-M
Chu trình G-M là một phương pháp chu trình làm lạnh được phát triển bởi Gifford vào cuối những năm 1950, trong đó các bộ thay thế được điều khiển bằng động cơ học và sử dụng chênh lệch áp suất khí hoạt động. Chu trình G-M rất hiệu quả nhưng tốc độ lái xe có thể chậm hơn, ngoài ra, con dấu được sử dụng bên trong có tải trọng nhẹ và là một phương pháp chu trình làm lạnh có độ tin cậy cao. Ở đây, mô tả về chu trình làm lạnh được điều khiển bởi máy nén cơ học được ULVAC Cryo sử dụng.

A thay thế ở dưới cùng của xi lanh. Tại thời điểm này, van áp suất thấp đóng lại và van áp suất cao mở ra.

↓

(a) Phần nhiệt độ phòng và phần nhiệt độ thấp của xi lanh được lấp đầy bằng khí áp suất cao.

↓

Bên trong xi lanh B trở thành áp suất cao.

↓

(b) Bộ thay thế được kéo lên và helium ở nhiệt độ phòng được làm mát bằng bộ tích tụ ở một bên và được lấp đầy một phần ở nhiệt độ thấp ở một bên.

↓

C Nhiệt độ thấp một phần diện tích lớn nhất. Lúc này van áp suất cao đóng lại, van áp suất thấp mở ra.

↓

(c) Khí áp suất cao từ phần bơm nhiệt độ thấp được giải phóng qua bộ tích tụ. Tại thời điểm này, do Simon mở rộng, vấn đề khí giảm xuống, tạo ra nhiệt độ thấp.

↓

D Nhiệt độ thấp một phần áp suất.

↓

(d) Bộ thay thế được nhấn và làm mát, và helium được làm mát bằng bộ tích tụ ở một bên và được chuyển sang phần nhiệt độ phòng ở một bên.

↓

Trả về A, vòng lặp hoàn tất.

Như vậy, đường cong P-V chu kỳ G-M lý tưởng là hình vuông, với chu kỳ 1 chu kỳ là t giây, khả năng đóng băng lý tưởng.

Ý tưởng Q được thực hiện theo công thức sau:
Q lý tưởng = W / t

Tủ đông thực tế là cấu trúc 2 phần có thể thu được nhiệt độ cực thấp dưới 15K. Ngoài ra, để đơn giản hóa kết cấu, bộ điện lạnh được xây dựng bên trong bộ điều khiển, tích hợp với bộ điều khiển. Con dấu của 1 và 2 phần không có chênh lệch áp suất, tải trọng của con dấu là nhẹ và độ tin cậy cao cho tuổi thọ dài.

Máy bơm nhiệt độ thấp Cryo-U SeriesSản phẩm CRYO-U12HSPSản phẩm CRYO-U16Sản phẩm CRYO-U16F

UIVacCryo-U12HSP

Thông số kỹ thuật tiêu chuẩn

Đa loạt các mô hình, từ đường kính 6 'đến đường kính 30'.

Sử dụng:

Lớp phủ chân không, phân tích bề mặt, xử lý chất bán dẫn, lớp phủ phún xạ, tiêm ion, v.v.

Ưu điểm:

Tạo ra một môi trường chân không cực kỳ tinh khiết mà máy bơm chân không khác không thể tạo ra, có thể xả tất cả các loại khí, không cần helium lỏng do đó chi phí vận hành thấp, có thể được cài đặt theo bất kỳ hướng nào, thiết kế nhỏ gọn và nhẹ, hoạt động đơn giản, tốc độ xả cao hơn nhiều so với bơm ion, bơm phân tử turbo, v.v.

Sản phẩm CRYO-U12HSP