Hoe werken sorptiepompen?

De term 'sorptiepomp' betekent het verwijderen van gas en stoom uit een ruimte. Verpompte gasdeeltjes worden aan het oppervlak of binnenin gebonden door fysische temperatuurafhankelijke adsorptiekrachten (van der Waals), chemisorptie, absorptie of ingebed in het proces van continue nieuwe vorming op de adsorptieoppervlakken. We maken een onderscheid tussen adsorptiepompen en getterpompen door hun werkingsprincipes te vergelijken. Adsorptiepompen zijn afhankelijk van temperatuurgecontroleerde adsorptieprocessen, terwijl getterpompen afhankelijk zijn van de vorming van chemische verbindingen.

Gettering is de binding van een gas aan een schoon oppervlak, meestal metaal, dat niet bedekt is met een laag oxide of carbide. Dergelijke oppervlakken worden altijd gevormd tijdens de productie, installatie of ontluchting van het systeem. De meeste zuivere metalen getteroppervlakken worden continu geproduceerd door directe verdamping (verdamperpompen), sputteren (sputterpompen)of de geïmmobiliseerde oppervlaktelaag (metaal) van de getter die wordt verwijderd door het ontgassen van het vacuüm. Hierdoor wordt het zuivere materiaal blootgesteld aan het vacuüm. T 'Activering' is de term die voor deze stap wordt gebruikt (NEG-pompen NEG = Non-Evaporable Getter).

De adsorptiepomp (zie afb. 2,59) werkt volgens het principe van fysisch adsorberen van gas op het oppervlak van een moleculaire zeef of ander adsorptiemateriaal (zoals geactiveerd Al2O3). Zeoliet 13X wordt vaak gebruikt als adsorptiemateriaal. Dit alkalische aluminosilicaat heeft een zeer groot oppervlak in verhouding tot de materiaalmassa en is een vaste stof van ongeveer 1000 m2/g. Het gasabsorptievermogen is overeenkomstig groot.

1. Inlaataansluiting
2. Ontluchtingsaansluiting
3. Steun
4. Pompbehuizing
5. Warmtegeleidingslamel
6. Adsorptiemateriaal (zeoliet, enz.)

Zeoliet 13X heeft een poriegrootte van ongeveer 13 Å, de grootte van waterdamp, oliedamp en grotere gasmoleculen (ongeveer 10 Å). Ervan uitgaande dat de gemiddelde moleculaire diameter de helft is, 5 · 10 ^-8 cm, worden ongeveer 5 · 1018 moleculen geadsorbeerd op de monolaag in het gebied van 1 m². Een stikstofmolecuul met een relatief molecuulgewicht van Mr = 28 komt overeen met ongeveer 2 · 10 ^-4g of 0,20 mbar · l. Daarom kan het adsorptiegebied van 1000 m2 een monatomische laag adsorberen waaraan meer dan 133 mbar · l gas is gebonden.

Waterstof en lichte edelgassen zoals helium en neon hebben een relatief kleine deeltjesgrootte in vergelijking met de 13 Å poriegrootte van zeoliet 13X. Daarom is de adsorptie van deze gassen zeer onvoldoende.

De adsorptie van gas aan het oppervlak is niet alleen afhankelijk van de temperatuur, maar vooral ook van de druk van het adsorptieoppervlak. De afhankelijkheid van sommige gassen wordt grafisch weergegeven door de adsorptie-isothermen in Afb. 2.60.
In werkelijkheid is de adsorptiepomp aangesloten op een container die via een klep wordt afgevoerd. Het eenvoudig onderdompelen van het pomplichaam in vloeibare stikstof zorgt voor een technisch bruikbaar sorptie-effect. Vanwege de verschillende adsorptiekenmerken zullen de pompsnelheid en einddruk van de adsorptiepomp verschillen voor verschillende gasmoleculen: de beste waarden worden bereikt met stikstof, kooldioxide, stoom en koolwaterstofdampen.

Omdat de diameter van de deeltjes kleiner is dan de poriën van zeoliet, wordt het lichte edelgas nauwelijks opgepompt. Naarmate de bedekking van het zeolietoppervlak toeneemt, neemt het sorptie-effect af; naarmate het aantal reeds geadsorbeerde deeltjes toeneemt, neemt de pompsnelheid af. Daarom is de pompsnelheid van de adsorptiepomp afhankelijk van de hoeveelheid gas die al is verpompt en dus niet constant in de tijd.

De einddruk die met een adsorptiepomp kan worden bereikt, wordt voornamelijk bepaald door het gas dat in het vat aanwezig is bij het begin van het pompproces en hetzij onder geabsorbeerd of niet-geabsorbeerd (bv. neon of helium) aan het zeolietoppervlak. Enkele ppm van deze gassen zijn aanwezig in de atmosfeer. Daardoor kunnen drukwaarden < 10-2 mbar worden bereikt.

Als de adsorptiepomp alleen drukken onder 10-3 mbar produceert, mag het gasmengsel geen neon of helium bevatten.

Na een pompcyclus hoeft u alleen de pomp op kamertemperatuur te brengen om het geadsorbeerde gas vrij te geven en de zeoliet te regenereren en te hergebruiken. Bij het verpompen van waterdamp (of vochtig gas) wordt aanbevolen om de pomp gedurende enkele uren volledig droog te bakken op 200 °C (392 °F) of hoger.

Sommige adsorptiepompen worden parallel of in serie gebruikt om grotere vaten te verpompen. Eerst moet de druk afnemen van atmosferische druk tot enkele millibar. Het doel hiervan is om zoveel mogelijk edelgasmoleculen van helium en neon te 'vangen'.

In deze fase, wanneer de pompen verzadigd zijn, worden de kleppen naar deze pompen gesloten.

De eerder gesloten klep, aangesloten op een andere zuigpomp, die nog schoon adsorbeermiddel bevat, wordt geopend en deze pomp kan het vacuümvat naar het volgende lagere drukniveau afpompen. Dit proces kan worden voortgezet totdat de einddruk niet verder kan worden verbeterd door een schonere adsorptiepomp toe te voegen.

De sublimatiepomp is een sorptiepomp waarin het gettermateriaal verdampt en zich afzet als een getterfilm op de koude binnenwand. Op het oppervlak van dergelijke getterfilms vormen gasmoleculen stabiele verbindingen met een onmeetbare druk. De actieve getterfilm wordt bijgewerkt door de daaropvolgende verdampingen. Titanium wordt gewoonlijk gebruikt als getter voor sublimatiepompen. Titanium wordt verdampt uit een speciale gelegeerde draad met een hoog titaniumgehalte en verwarmd door een elektrische stroom.

Een optimale sorptiecapaciteit (ongeveer één stikstofatoom per verdampt titaniumatoom) is in de praktijk bijna onmogelijk te bereiken, maar er kunnen titaniumsublimatiepompen optreden, vooral tijdens opstartwerkzaamheden of in grote hoeveelheden. De pompsnelheid van actief gas is zeer hoog. Er ontstaat plotseling gas dat snel wordt afgevoerd.
Sublimatiepompen fungeren als hulppompen (boosters) voor sputter-ionpompenen turbomoleculaire pompen, waardoor hun installatie vaak essentieel is.