Pompa sorpcyjna

Pompa sorpcyjna to pompa próżniowa , która wytwarza próżnię poprzez adsorpcję cząsteczek na bardzo porowatym materiale, takim jak sito molekularne , które jest chłodzone kriogenem , zazwyczaj ciekłym azotem . Końcowe ciśnienie wynosi około ^10-2 mbar . Za pomocą specjalnych technik można to obniżyć do 10-7 ^mbar . Główne zalety to brak oleju lub innych zanieczyszczeń, niski koszt i praca bez wibracji, ponieważ nie ma ruchomych części . Główne wady to to, że nie może działać w sposób ciągły i nie może skutecznie pompować wodoru , helu i neonu , wszystkich gazów o niższej temperaturze skraplania niż ciekły azot. Głównym zastosowaniem jest pompa zgrubna do pompy napylającej jonowo w eksperymentach z ultrawysoką próżnią , na przykład w fizyce powierzchni .

Budowa

Pompa sorpcyjna jest zwykle wykonana ze stali nierdzewnej , aluminium lub szkła borokrzemianowego . Może to być prosta Pyrex wypełniona sitem molekularnym lub skomplikowana metalowa konstrukcja składająca się z metalowej kolby zawierającej perforowane rurki i żeberka przewodzące ciepło. Można zainstalować zawór bezpieczeństwa . Konstrukcja wpływa tylko na prędkość pompowania, a nie na maksymalne ciśnienie, jakie można osiągnąć. Szczegóły konstrukcyjne to kompromis między szybkim chłodzeniem za pomocą żeber przewodzących ciepło a wysoką przewodnością gazów za pomocą perforowanych rurek.

Typowym stosowanym sitem molekularnym jest zeolit ​​syntetyczny o średnicy porów około 0,4 nanometra (Typ 4A) i polu powierzchni około 500 m2 ^/ g. Pompa sorpcyjna zawiera od 300 g do 1,2 kg sita molekularnego. 15-litrowy system zostanie odpompowany do około 10-2 ^mbar przez sito molekularne 300 g.

Operacja

Pompa sorpcyjna jest pompą cykliczną, a jej cykl składa się z 3 faz: sorpcji, desorpcji i regeneracji.

W fazie sorpcji pompa jest faktycznie używana do wytworzenia próżni. Osiąga się to poprzez schłodzenie korpusu pompy do niskich temperatur, zazwyczaj poprzez zanurzenie go w kolbie Dewara wypełnionej ciekłym azotem. Gazy będą się teraz skraplać lub będą adsorbowane przez dużą powierzchnię sita molekularnego.

W fazie desorpcji pompa może ogrzać się do temperatury pokojowej, a gazy ulatniają się przez nadciśnieniowy zawór nadmiarowy lub inny otwór do atmosfery. Jeśli pompa była używana do pompowania toksycznych, łatwopalnych lub innych niebezpiecznych gazów, należy uważać na bezpieczne odpowietrzenie do atmosfery, ponieważ wszystkie gazy pompowane podczas fazy sorpcji zostaną uwolnione podczas fazy desorpcji.

W fazie regeneracji korpus pompy jest podgrzewany do 300°C w celu odprowadzenia pary wodnej, która nie ulega desorpcji w temperaturze pokojowej i gromadzi się na sicie molekularnym. Pełna regeneracja pompy trwa zazwyczaj 2 godziny.

Pompa może pracować w cyklu sorpcji i desorpcji do momentu utraty zbyt dużej wydajności i regeneracji lub w cyklu gdzie po sorpcji i desorpcji zawsze następuje regeneracja.

Po napełnieniu pompy sorpcyjnej nowym sitem molekularnym należy ją zawsze zregenerować, ponieważ nowe sito molekularne jest prawdopodobnie nasycone parą wodną . Również gdy pompa nie jest używana, należy ją odciąć od atmosfery, aby zapobiec nasyceniu parą wodną.

Poprawa wydajności

Wydajność pompowania można poprawić, napompowując układ za pomocą innej prostej i czystej pompy próżniowej, takiej jak pompa membranowa , a nawet aspirator wodny lub pompa Venturiego na sprężone powietrze .

W celu uzyskania niższych ciśnień można zastosować pompowanie sekwencyjne lub wielostopniowe . W tym przypadku dwie lub więcej pomp jest podłączonych równolegle do zbiornika próżniowego. Każda pompa posiada zawór odcinający ją od zbiornika próżniowego. Na początku odpompowania wszystkie zawory są otwarte. Pierwsza pompa jest schładzana, podczas gdy pozostałe są jeszcze gorące. Gdy pierwsza pompa osiągnie swoje ciśnienie końcowe, zostaje ona wyłączona, a następna pompa jest schładzana. Końcowe ciśnienia mieszczą się w ^10-4 mbar. Pozostał głównie hel, ponieważ prawie w ogóle go nie pompuje. Końcowe ciśnienie jest prawie równe ciśnieniu cząstkowemu helu w powietrzu.

Pompa sorpcyjna skutecznie pompuje wszystkie gazy z wyjątkiem wodoru, helu i neonu, które nie skraplają się w temperaturach ciekłego azotu i nie są skutecznie adsorbowane przez sita molekularne ze względu na mały rozmiar cząsteczek. Ten problem można rozwiązać, przedmuchując układ próżniowy suchym czystym azotem przed odpompowaniem. W układzie przedmuchanym z pompowaniem zgrubnym aspiratorem można osiągnąć ciśnienia końcowe 10-4 mbar dla pojedynczej pompy sorpcyjnej i 10-7 mbar dla ^pompowania sekwencyjnego ^. Typowym źródłem suchego czystego azotu byłaby przestrzeń Dewara nad ciekłym azotem.

Zasugerowano, że stosując technikę pompowania dynamicznego, wodór, hel i neon można również pompować bez uciekania się do przedmuchiwania suchym azotem. Odbywa się to poprzez wstępne schłodzenie pompy przy zamkniętym zaworze do zbiornika próżniowego. Zawór jest otwierany, gdy pompa jest zimna, a napływ gazów ulegających adsorpcji przeniesie wszystkie inne gazy do pompy. Zawór jest zamykany, zanim wodór, hel lub neon będą mogły cofnąć się do naczynia próżniowego. Można również zastosować pompowanie sekwencyjne. Nie podano ciśnień końcowych.

Ciągłe pompowanie można symulować, stosując dwie pompy równolegle i pozwalając jednej pompować system, podczas gdy druga pompa, czasowo odcięta od systemu, znajduje się w fazie desorpcji i odprowadzania do atmosfery. Gdy pompa jest dobrze zdesorbowana, jest schładzana i ponownie podłączana do układu. Druga pompa jest odcięta i przechodzi w desorpcję. Staje się to ciągłym cyklem.