Ako fungujú sorpčné čerpadlá?

Termín „sorpčné čerpadlo“ znamená odstraňovanie plynu a pary z priestoru. Prečerpávané častice plynu sú viazané na povrchu alebo vnútri fyzikálnymi adsorpčnými silami závislými od teploty (van der Waals), chemisorpciou, absorpciou alebo sú začlenené do procesu kontinuálnej novej tvorby na adsorpčných povrchoch. Rozlišujeme medzi adsorpčnými a getterovými čerpadlami porovnaním ich funkčných princípov. Adsorpčné čerpadlá sa spoliehajú na procesy adsorpcie s riadenou teplotou, zatiaľ čo čerpadlá Getter sa spoliehajú na tvorbu chemických zlúčenín.

Zotrvačnosť je viazanie plynu na čistý povrch, väčšinou kov, ktorý nie je pokrytý vrstvou oxidu alebo karbidu. Takéto povrchy sa vždy vytvárajú pri výrobe, inštalácii alebo odvzdušňovaní systému. Väčšina čistých kovových povrchov getter sa kontinuálne vyrába priamym odparovaním (čerpadlá výparníka), naprašovaním (naprašovacie čerpadlá) alebo imobilizovanou povrchovou vrstvou gettera (kov) odstránenou odplynením vákua. Týmto spôsobom je čistý materiál vystavený vákuu. T „Aktivácia“ je pojem používaný pre tento krok (čerpadlá NEG NEG = Non-Evaporable Getter).

Adsorpčné čerpadlo (pozri obr. 2,59) funguje na princípe fyzikálnej adsorpcie plynu na povrchu molekulárneho sita alebo iného adsorpčného materiálu (napríklad aktivovaného Al2O3). Zeolit 13X sa často používa ako adsorpčný materiál. Tento alkalický hliníkosilikát má veľmi veľkú povrchovú plochu vo vzťahu k hmote materiálu a je pevnou látkou približne 1 000 m2/g. Jeho kapacita absorpcie plynu je zodpovedajúco veľká.

1. Vstupné pripojenie
2. Odvzdušňovacie hrdlo
3. Získať podporu
4. Teleso čerpadla
5. Tepelne vodivá lopatka
6. Adsorpčný materiál (zeolit atď.)

Zeolit 13X má veľkosť pórov približne 13 Å, veľkosť vodnej pary, olejovej pary a väčších molekúl plynu (približne 10 Å). Za predpokladu, že priemerný molekulárny priemer je polovičný, 5 · 10 ^{- 8} cm, približne 5 · 1018 molekúl sa adsorbuje na monovrstve v oblasti 1 m². Molekula dusíka s relatívnou molekulovou hmotnosťou Mr = 28 zodpovedá približne 2 · 10 ^-4g alebo 0,20 mbar · l. Preto môže adsorpčná oblasť 1000 m2 adsorbovať monotomickú vrstvu, na ktorú je viazaných viac ako 133 mbar · l plynu.

Vodík a ľahké vzácne plyny, ako je hélium a neón, majú v porovnaní s veľkosťou pórov 13 Å zeolitu 13X relatívne malú veľkosť častíc. Preto je adsorpcia týchto plynov veľmi nedostatočná.

Adsorpcia plynu na povrchu nezávisí len od teploty, ale predovšetkým aj od tlaku adsorpčného povrchu. Závislosť niektorých plynov je graficky zobrazená adsorpčnými izotermami na obr. 2.60.
V skutočnosti je adsorpčné čerpadlo pripojené k nádobe, ktorá sa vypúšťa cez ventil. Jednoduché ponorenie tela čerpadla do kvapalného dusíka poskytuje technicky použiteľný sorpčný účinok. V dôsledku rôznych adsorpčných charakteristík sa rýchlosť čerpadla a konečný tlak adsorpčného čerpadla budú líšiť pre rôzne molekuly plynu: najlepšie hodnoty sa dosiahnu s dusíkom, oxidom uhličitým, parou a uhľovodíkovými výparmi.

Keďže priemer častíc je menší ako póry zeolitu, ľahký ušľachtilý plyn sa sotva načerpá. S rastúcim pokrytím zeolitového povrchu sa znižuje sorpčný účinok; s rastúcim počtom už adsorbovaných častíc sa znižuje rýchlosť čerpadla. Preto rýchlosť čerpania adsorpčného čerpadla závisí od množstva plynu, ktoré už bolo prečerpané, a preto nie je v priebehu času konštantná.

Konečný tlak, ktorý možno dosiahnuť pomocou adsorpčného čerpadla, je primárne určený plynom prítomným v nádobe na začiatku procesu čerpania a buď pod absorbovaným alebo neabsorbovaným (napr. neónom alebo héliom) na povrchu zeolitu. Niekoľko ppm týchto plynov je prítomných v atmosfére. Preto je možné dosiahnuť tlaky < 10 – 2 mbar.

Ak adsorpčné čerpadlo vytvára iba tlaky pod 10 – 3 mbar, zmes plynu by nemala obsahovať neón ani hélium.

Po cykle čerpadla stačí na uvoľnenie adsorbovaného plynu a regeneráciu a opätovné použitie zeolitu zahriať čerpadlo na izbovú teplotu. Pri čerpaní vodnej pary (alebo vlhkého plynu) sa odporúča, aby sa čerpadlo úplne vysušilo pri teplote 200 °C (392 °F) alebo vyššej po dobu niekoľkých hodín.

Niektoré adsorpčné čerpadlá sa používajú paralelne alebo v sérii na čerpanie väčších nádob. Tlak by mal najprv klesnúť z atmosférického tlaku na niekoľko milibarov. Cieľom je „zachytiť“ čo najviac molekúl ušľachtilých plynov hélia a neónu.

V tejto fáze, keď sú čerpadlá nasýtené, sú ventily k týmto čerpadlám zatvorené.

Predtým zatvorený ventil pripojený k inému saciemu čerpadlu, ktoré stále obsahuje čistý adsorbent, sa otvorí a toto čerpadlo môže prečerpať vákuovú nádobu na ďalšiu nižšiu úroveň tlaku. Tento proces môže pokračovať, kým sa konečný tlak nedá ďalej zlepšiť pridaním čistejšieho adsorpčného čerpadla.

Sublimačná pumpa je sorpčná pumpa, v ktorej sa getterový materiál odparuje a usadzuje sa ako getterový film na studenej vnútornej stene. Na povrchu takýchto getterových filmov tvoria molekuly plynu stabilné zlúčeniny s nemerateľným tlakom. Aktívny getterový film sa aktualizuje následným odparovaním. Titán sa bežne používa ako prostriedok pre sublimačné čerpadlá. Titán sa vyparuje z drôtu zo špeciálnej zliatiny s vysokým obsahom titánu a zahrieva sa elektrickým prúdom.

Optimálna sorpčná kapacita (približne jeden atóm dusíka na jeden odparený atóm titánu) je v praxi takmer nemožná, ale titánové sublimačné čerpadlá sa môžu vyskytnúť, najmä počas spúšťacích operácií alebo vo veľkých množstvách. Rýchlosť čerpania aktívneho plynu je veľmi vysoká. Plyn sa náhle vytvorí a rýchlo sa uvoľní.
Sublimačné čerpadlá fungujú ako pomocné čerpadlá (pomocné čerpadlá) pre naprašovacie iónové čerpadláa turbomolekulárne čerpadlá, takže ich inštalácia je často nevyhnutná.