پمپ کرایوژنیک یک پمپ خلأ بالا است که عمل تخلیه را براساس اصول تخلیه کرایوژنیک انجام می‌دهد. به همین دلیل پیش از پرداختن به پمپ کرایو، به توضیح تخلیه کرایوژنیک خواهیم پرداخت.

تخلیه کرایوژنیک (Cryo-pumping)

تخلیه کرایوژنیک عمل کاهش فشار براثر چگالش گازها و بخارات در دمای پایین است. تخلیه کرایوژنیک به سه صورت انجام می‌گیرد. چگالش کرایوژنیک(Cryo-Condensation)، جذب کرایوژنیک(Cryo-Sorbtion) و به دام اندازی کرایوژنیک(Cryo-Trapping).

چگالش کرایوژنیک

چگالش کرایوژنیک با برخورد مولکول‌های یک گاز یا بخار با مولکول‌های مشابه خود که به یک سطح سرد چسبیده‌اند اتفاق می‌افتد وبه مرور زمان ضخامت این لایه بیشتر می‌شود.

فرآیند چگالش کرایوژنیک برای هر گاز در دما و فشار مشخصی انجام می‌گیرد. در شکل-1 نمودار منحنی دما-فشار چگالش برای گازهای مختلف نشان داده شده است.

شکل 1- منحنی‌های دما-فشار چگالش گازها

در دمایی پایین‌تر از 100 کلوین بخار آب و کلیه روغن‌های هیدروکربنی از حالت گازی خارج می‌شوند. برای چگالش عمده گازهای موجود در هوا دمای 20 کلوین مورد نیاز است. در دمای 4 کلوین هیدروژن و ایزوتوپ‌های آن از حالت گازی خارج می‌شوند.

توجه شود که بمنظور تخلیه یک گاز تنها رسیدن به دمای چگالش کافی نیست زیرا در این حالت تعادل ترمودینامیکی برقرار شده و سرعت تخلیه صفر است. بدین منظور باید دماهای پایین‌تری ایجاد شود تا گاز مدنظر تخلیه گردد.

جذب کرایوژنیک

جذب کرایوژنیک، جذب گازها توسط سطوح سرد است. بدین معنی که با برخورد گاز به سطح سرد، ذرات گاز بخش قابل توجهی از انرژی خود را از دست داده و براساس نیروهای ضعیف بین مولکولی به سطح سرد می‌چسبند و در آن نفوذ می‌کنند(Physical adsorption). در دمای مشخص، فشار تعادل در جذب کرایوژنیک بمراتب پایین‌تر از چگالش کرایوژنیک است بدین معنی که برای جذب یک گاز با این روش لازم نیست دمای سطح تا دمای چگالش پایین آورده شود و عمل جذب در دماهای بالاتری انجام می‌گیرد. این مسئله در پمپ‌های کرایو برای تخلیه گازهایی مانند هلیوم و هیدروژن دارای اهمیت است.

میزان جذب به خواص سطح و دما بستگی دارد. برای مثال مواد متخلخلی مانند کربن فعال دارای ظرفیت جذب بالاتری هستند و بدین منظور مورد استفاده قرار می‌گیرند. در پمپ‌های کرایو سطوح یخ زده آرگون و مونواکسید کربن نیز دارای جذب کرایوژنیک قابل توجهی هستند.

به دام‌اندازی کرایوژنیک

در این فرآیند، تخلیه با به دام افتادن گازهای سبک در ساختار لایه در حال چگالش یک گاز سنگین‌تر دیگر اتفاق می‌افتد. مانند به دام افتادن گازهای هیدروژن و هلیوم در لایه چگالش شده آرگون، دی اکسید کربن یا نیتروژن. میزان تخلیه در این روش نسبتی از میزان گاز سنگین‌تر درحال چگالش است. در دمای مشخص، فشار تعادل برای یک گاز از فشار تعادل روش جذب کرایوژنیک نیز پایین‌تر است.

پمپ کرایو

همانگونه که گفته شد پمپ کرایو عمل تخلیه را با استفاده از روش‌های تخلیه کرایوژنیک انجام می‌دهد. این پمپ معمولا بعنوان یک پمپ خلأ بالا استفاده می‌شود و پیش از شروع کار باید فشار محفظه تا حد ممکن پایین آورده شود(کمتر از 0.01 mbar). فشار نهایی پمپ کرایو می‌تواند تا محدوده ^12-10 mbar باشد. هر پمپ کرایو دارای سه بخش اصلی می‌باشد. تله ورودی(Entrance Baffle)، پنل‌های سرمایشی(Cooling Panel) و سیستم سرمایش. (شکل-2)

شکل 2- بخش‌های مختلف پمپ کرایو و نحوه تخلیه کرایوژنیک

سیستم سرمایش یا سرد کننده وظیفه سرد کردن پنل های سرمایشی و تله ورودی را برعهده دارد. پایین‌ترین دما مربوط به پنل سرمایشی است. مواد جاذب نیز بر روی سطوح داخلی پنل‌های سرمایشی قرار می‌گیرند. عمده گازهای موجود در هوا توسط سطح خارجی پنل‌های سرمایشی جذب می‌شوند(مانند نیتروژن، اکسیژن وآرگون). گازهای سبکتر مانند هلیوم و هیدروژن توسط مواد جاذب سرد سطوح داخلی پنل‌ها به دام می‌افتند. دمای تله ورودی معمولا دمای بالاتری است و برای جذب بخارات آب استفاده می‌شود. علاوه برآن تله ورودی مانع از انتقال حرارت تشتعشعی بین پنل‌های سرمایشی و داخل محفظه می‌شود.

عایق کاری حرارتی داخل پمپ‌های یونی بمنظور افزایش راندمان، و دستیابی و حفظ دمای پایین آن ضروری است. پمپ کرایو از خانوده پمپ‌های اشباعی هستند و پس از اشباع پمپ، لازم است تا بازیابی(regenerate) شده و گازهای جمع شده در آن خارج شود. علاوه برآن، این پمپ‌ها دارای یک شیر مخصوص است(Relief Valve) که درصورت افزایش دما مانع از افزایش بیش از حد فشار داخل پمپ گردد.

پمپ کرایو پمپی کاملا تمیز، غیر مکانیکی و با سرعت تخلیه بالاتری نسبت به پمپ‌های خلأ بالایی مانند دیفیوژن است.

انواع پمپ کرایو براساس سیستم سرمایش

براساس نوع سیستم سرمایش، پمپ‌های کرایو را می‌توان به سه بخش تقسیم نمود.  

پمپ با مخزن سرد کننده (Bath cryopump,Liquid pool cryopump )

در این نوع پمپ کرایو، سیستم سرد کننده معمولا یک مخزن هلیوم مایع که با نیتروژن مایع احاطه شده است(بمنظور عایق کاری) می‌باشد.  با گذشت زمان و استفاده از پمپ، مخزن هلیوم خالی شده و لازم است تا مخزن دوباره پر شود. (شکل-3)

شکل 3- مخرن سرد کننده در پمپ کرایو

این سیستم امکان نصب در هر جهتی را دارا نمی‌باشد. علاوه برآن تامین هلیوم مایع و هزینه‌های مربوط به آن باعث شده است که استفاده از این سیستم سرمازا برای پمپ‌های کرایو بسیار محدود شود.

پمپ با شار پیوسته سیال(Continuous flow cryopump)

در این نوع سیستم سرمایش، هلیوم مایع از یک مخزن هلیوم توسط پمپ به پانل‌های سرمایشی ارسال می‌شود. در پانل سرمایشی هلیوم تبخیر شده و دمای پانل‌ها تا دمای هلیوم مایع پایین می‌آید. از هلیوم تبخیر شده در این مرحله برای خنکسازی تله ورودی استفاده می‌شود. این گاز هلیوم در مخزن جداگانه‌ای جمع‌آوری و احیاء می‌گردد. بمنظور کنترل دمای پانل‌ها میزان دبی هلیوم مایع ورودی به پانل‌ها را کنترل می‌کنند.

از این سیستم در جایی که امکان فراهم کردن مقادیر زیاد هلیوم باشد استفاده می‌گردد و به همین دلیل کاربرد آن بسیار محدود می‌باشد.

 

پمپ با سیستم سرمازا سیکل بسته(Closed-cycle refrigerator-cooled cryopump)

امروزه مهمترین و پرکاربردترین روش سردسازی در پمپ‌های کرایو استفاده از سیستم‌های سیکل بسته است. سیستم سرمازای سیکل بسته هلیوم مورد استفاده در پمپ‌های کرایو، تا حدودی شبیه سیستم‌های سرمازای خانگی است. متداولترین سیکل ترمودینامیکی مورد استفاده، سیکل Gifford-McMahon است. با استفاده از این سیکل، می‌توان بخش کمپرسور را از بخش انبساط(که سرما در آن تولید می‌شود) جدا نمود(و با استفاده از لوله به یکدیگر وصل نمود) که در پمپ‌های بزرگ جدا شدن کمپرسور باعث کاهش لرزش می‌گردد.

مهمترین بخش‌های سیستم سرمازای سیکل بسته عبارتند از: 1- کمپرسور 2- خطوط فشار انعطاف‌پذیر، 3-هد سرد (شکل-4)

شکل 4- بخش‌های سیستم سرمازای سیکل بسته در پمپ کرایو

روش کار این سیستم بطور ساده بدین صورت است که کمپرسور گاز هلیوم را فشرده می‌کند. این گاز فشرده شده و دارای دمای محیط از طریق خط پرفشار به هد سرد منتقل می‌شود. هد سرد دارای یک پیستون است. با ورود گاز پرفشار و حرکت پیستون، گاز هلیوم منبسط شده و سرد می‌شود و به دنبال آن هد نیز سرد می‌شود. گاز منبسط شده و کم فشار، از طریق خطوط کم فشار به کمپرسور باز می‌گردد. گاز کم فشار پیش از ورود به کمپرسور از طریق یک مبدل، گاز پرفشار را خنک می‌کند. با این روش دمای هد سرد تا 50 درجه کلوین کاهش می‌یابد.

شکل 5- عملکرد پیستونها در هد سرد(cold head)

امروزه از هد سردهای دو مرحله‌ای(شکل-6) استفاده می‌شود. دما در مرحله دوم  هد سرد تا 10 کلوین کاهش می‌یابد(و بدنبال آن دمای پنل‌های سرمایشی که دارای مواد جاذب نیز می‌باشد). اجزاء مختلف هد سرمایشی دو مرحله‌ای در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 6- اجزاء هد سرد دو مرحله‌ای در سیستم سرماساز سیکل بسته پمپ کرایو

در شکل زیر چند نمونه از پمپ‌های کرایو با سیستم سرمایش سیکل بسته را ملاحظه می‌کنید. در نمونه‌های بزرگ، کمپرسور جدا از بدنه پمپ بوده و در نمونه های کوچک کمپرسور به بدنه پمپ متصل است.

شکل 7- انواع پمپ کرایو با سیستم سیکل بسته

نحوه اتصال پمپ کرایو به سیستم خلأ

پمپ کرایو معمولا از طریق یک شیر خلأ بالا به محفظه وصل می‌شود. مانند سایر پمپ‌های خلأ بالا، این پمپ در کمترین فاصله تا محفظه و با دهانه حداقل معادل دهانه ورودی پمپ به محفظه وصل می‌شود. پیش از شروع به کار پمپ کرایو، لازم است تا فشار محفظه تا محدوده مشخصی پایین بیاید(این عدد بسته به سازنده پمپ متفاوت است اما معمولا فشار کمتر از 0.05 mbar می‌باشد). این فرآیند از طریق یک پمپ خلأ با محدوده خلأ متوسط و از مسیربندی roughing انجام می‌گیرد.(شکل-8)

شکل 8- نحوه اتصال پمپ کرایو به سیستم خلأ

فرآیند سردسازی پمپ کرایو و آماده بکار شدن آن زمانبر می‌باشد. برای افزایش سرعت سردسازی می‌توان پمپ کرایو را پیش از شروع به کار خلأ سازی نمود. علاوه برآن درطول فرآیند سردسازی پمپ کرایو، پمپ باید از طریق شیر خلأ بالا از محفظه خلأ ایزوله شود، زیرا ممکن است حتی در دماهای بالا رطوبت وارد مواد جاذب پمپ شده و ظرفیت آنرا پر کند.

احیاء پمپ کرایو

همانطور که پیش از این نیز اشاره شد، پمپ کرایو پمپ اشباعی بوده و با پر شدن ظرفیت آن سرعت تخلیه‌اش به شدت کاهش می‌یابد. به همین دلیل لازم است تا گازهای داخل آن تخلیه شوند. این کار باید بصورت متناوب انجام گیرد. پیش از احیا پمپ لازم است تا پمپ از محفظه ایزوله شود. احیاء پمپ به سه صورت انجام می‌گیرد.

1. گرم شدن پنل های سرمایشی پس از خاموش شدن پمپ که فرآیندی کند و زمانبر است.
2. گرم نمودن هدهای سرد با دمیدن گاز گرم
3. گرم نمودن هدهای سرد با استفاده از هیترهای الکتریکی(که توسط سازنده داخل پمپ تعبیه شده است)

گازهای آزاد شده در فرآیند احیاء، یا از طریق شیر اطمینان خارج شده و یا به کمک پمپ پشتیبان از داخل پمپ خارج می‌شود.

زمانی که پمپ اشباع شده باشد ولی امکان رسیدن پمپ به فشار نهایی آن با وجود دمای مناسب هد سرد(10 کلوین) وجود ندارد. این نشانه مهمی است برای اینکه بدانیم پمپ نیاز به احیاء دارد. دوره‌های زمانی احیاء یک پمپ کرایو به عوامل مختلفی بستگی دارد. مانند ظرفیت پمپ کرایو برای گازهای مختلف، مدت زمان استفاده از پمپ و شرایط استفاده از آن و همچنین فشاری که پمپ کرایو در آن شروع بکار می‌کند. هرچقدر فشار شروع بکار پمپ کرایو پایین‌تر باشد دوره زمانی احیاء پمپ بیشتر می‌شود.

فرآیند احیاء بسته به سایز پمپ و روش آن ممکن است تا چندین ساعت بطول بیانجامد. در انیمیشن زیر نحوه تخلیه و احیاء پمپ کرایو نمایش داده شده است.

https://www.aparat.com/v/EgLs4

مزایا و معایب پمپ کرایو

مهمترین مزایای پمپ کرایو

• سرعت تخلیه بالا
• ساخت در ابعاد بزرگ
• قابل نصب در هر جهت
• عدم حساسیت نسبت به ورود ذرات خارجی
• اتصال مستقیم به محفظه بدون نیاز به تله
• بدون لرزش
• عدم وجود میدان الکترومغناطیسی دراثر کارکرد پمپ
• تمیز و بدون روغن
• قابلیت تخلیه تا فشارهای خیلی پایین
• دارای راندمان بالا در تخلیه مولکولهای آب

مهمترین معایب پمپ کرایو

• ساختار پیچیده (مخصوصا در سیستم سیکل بسته)
• سیستم اشباعی(نیاز به احیاء)
• زمان راه‌اندازی و ازکاراندازی طولانی
• کارآیی پایین برای گازهای کم متراکم مانند هلیوم و هیدروژن و نئون
• محدودیت در تخلیه گازهای خورنده مخصوصا در هنگام فرآیند احیاء
• قیمت بالا
• تعمیرات پیچیده

کاربردهای پمپ کرایو

پمپ کرایو را می‌توان در بسیاری از کاربردها که خلأ بالا و خیلی بالا مورد نیاز است استفاده نمود. این پمپ قابلیت بالایی در تخلیه رطوبت دارد و در فرآیندهایی که رطوبت بالایی تولید می‌شود(مانند برخی فرآیندهای لایه‌نشانی) می‌توان از آن استفاده نمود. از این پمپ در سیستم‌های اسپاترینگ و شبیه‌سازهای فضایی نیز استفاده می‌شود.

نکاتی پیرامون استفاده و نگهداری از پمپ کرایو

• مطالعه کامل راهنمای پمپ
• سرویس دوره‌ای کمپرسور هلیوم
• قرارگرفتن پمپ دور از حرارت مستقیم
• خنک‌کاری مناسب کمپرسور
• کنترل فشار هلیوم در مسیرهای ارتباطی
• جلوگیری از ورود ناگهانی هوا به داخل پمپ
• جلوگیری از آلوده شدن صفحات پمپ
• کاهش فشار محفظه(پیش خلأ) تا حد ممکن
• انجام صحیح و کامل فرآیند احیاء
• پرج(purge) کردن پمپ با گاز مناسب
• رعایت مسافت و قطر لوله‌ها و دهانه‌ها
• عدم راه‌اندازی در فشار بالا

شرکت پایاصنعت خلأ، ارائه دهنده خدمات تخصصی در زمینه انواع پمپ‌های خلأ. جهت مشاوره و یا سفارش انواع پمپ خلأ، با ما تماس بگیرید.