III.3. Расчет характеристик откачных
систем

III.3.1. РАСЧЕТ ПРОВОДИМОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА
ЗАХВАТА КРИОЛОВУШКИ с учетом
формирующегося криослоя

В некоторых технологиях, в частности в области микроэлектроники, в целлюлозно-бумажной промышленности и других для обеспечения процесса производства требуется откачивать из рабочего объема смесь газов, в состав которой входят неконденсируемые (азот, аргон и так далее) и конденсируемые (пары воды, некоторые углеводороды, углекислый газ и др.). Турбомолекулярный насос плохо откачивает воду, что приводит к обогащению смеси, образующейся в технологическом процессе, парами воды. Чтобы избежать обогащение смеси парами воды, их вымораживают низкотемпературными ловушками, которые ставят между откачиваемым объемом и турбомолекулярным насосом.

Основная проблема, возникающая при эксплуатации низкотемпературных ловушек заключается в том, что твердый конденсат (криослой), формирующийся на охлаждаемых пластинах, уменьшает площадь проходного сечения и тем самым, уменьшает проводимость неконденсируемых газов. Форма криослоя, формирующегося на охлаждаемых пластинах, существенно влияет как на проводимость, так и на коэффициент захвата ловушки.

III.3.1.1. РАСЧЕТ ЛОВУШКИ

Для определения профиля криослоя, формирующегося на охлаждаемых пластинах ловушки, применяется метод пробной частицы Монте-Карло. Для расчета была взята серийная ловушка AT-200 (рис III.3.1), выпускаемая фирмой APD. Охлаждаемая часть ловушки представляет набор плоскопараллельных пластин, расположенных внутри кольца. Пластины и кольцо охлаждаются с помощью криогенератора до температуры
100 – 120 К.

Рис. III.3.1. Ловушка AT-200

Принцип построения криослоя на пластинах ловушки описан в параграфе 5.3. На рис. III.3.2 показаны профили криослоя в различные моменты времени работы ловушки AT-200, где t—это безразмерное время. Безразмерное время t равное 1 соответствует 12000000 частиц размером 0,25 мм, влетевших в трубопровод, соединяющий откачиваемый объем и ловушку.

а б

Р
ис. III.3.2. Профили криослоя
а – t=0,167; б – t=0,833)

Полученные профили криослоя описываются с помощью кусочно-линейной аппроксимации. Проводимость и коэффициент захвата рассчитываются для аппроксимированного слоя.

Зависимости проводимости P и коэффициента захвата S ловушки AT-200 от времени t, полученные с учетом формы намороженного криослоя, показаны на рис. III.3.3. Для сравнения на рис. III.3.3 прерывистыми линиями показаны зависимости проводимости и коэффициента захвата для случая, когда криослой формируется равномерно по поверхности пластин (без учета формы ранее сформированного слоя).

Из данной зависимости видно, что форма криослоя значительно влияет на значения проводимости и коэффициента захвата ловушки. С ростом t (ростом толщины криослоя) увеличивается влияние формы образующегося криослоя. Намерзание криослоя на пластинах увеличивает площадь конденсирующей поверхности, что приводит к росту коэффициента захвата ловушки и уменьшению ее проводимости. Такое расположение охлаждаемых пластин приводит к образованию основной части криослоя на передней кромке (рис. III.3.2).

Рис. III.3.3. Зависимость проводимости P и коэффициента захвата S ловушки AT-200 от безразмерного времени t

III.3.1.2. ИЗМЕНеННАЯ КОНСТРУКЦИЯ ЛОВУШКИ AT-200

Образованный на передней кромке криослой приводит, во-первых, к неэффективному использованию всей поверхности охлаждаемых пластин, так как он не позволяет проходить парам конденсируемого газа на их заднюю часть, и, во-вторых, такое распределение криослоя может привести к быстрому забиванию входного сечения ловушки твердым конденсатом. Рассмотрим конструкцию ловушки, у которой расположение охлаждаемых пластин незначительно изменено. Изменение конструкции ловушки заключается в смещении передних кромок соседних пластин относительно друг друга.

Для новой конструкции ловушки были получены профили криослоя, формирующегося на охлаждаемых пластинах (рис. III.3.4). При сравнении рис. III.3.2 и III.3.4 видно, что новая конструкция позволяет значительно продлить работу ловушки, по сравнению со старой конструкцией, до полного забивания ее входного сечения твердым конденсатом. Также смещение передних кромок позволяет более эффективно использовать заднюю часть охлаждаемых пластин. Сравнение характеристик старой и новой конструкций ловушки AT-200 приводится в табл. III.3.1.

а б

Рис. III.3.4. Профили криослоя
а –t=0,167; б – t=1,333)

Сравнение характеристик старой и новой конструкций ловушки
AT-200

Таблица III.3.1

Изменение конструкции охлаждаемой поверхности ловушки AT-200 позволяет получить значительное увеличение проводимости при незначительном уменьшении коэффициента захвата ловушки и увеличить время регенерации ловушки на 30%  40%. Также следует отметить, что предложенное изменение охлаждаемой поверхности является незначительным и не требует изменения габаритных размеров ловушки.

III.3.2. Расчет и проектирование
крионасоса

Одной из наиболее значимых характеристик крионасоса является быстрота действия. Она определяет время эффективного функционирования насоса, и, следовательно, его режим работы.

Задача данной главы – построение компьютерной модели крионасоса типичной конструкции, и изучение, на основе результатов расчетов этой модели, зависимости быстроты действия насоса от различных параметров. Эти параметры можно разделить на две большие группы: параметры вакуумной и тепловой систем.

К первой группе можно отнести следующие:

• коэффициенты прилипания на разных поверхностях (под коэффициентом прилипания понимается вероятность того, что, после взаимодействия с поверхностью, частица останется на ней, или, иначе, коэффициент прилипания – это отношение количества «прилипших», к общему количеству, ударившихся о поверхность, частиц; например, если на поверхности осталось 300 частиц, а ударилось 1000, то коэффициент прилипания равен 0,3);

• конфигурация насоса (под конфигурацией подразумевается не только характер расположения поверхностей, но и структура расположения сорбента на этих поверхностях);

• количество накопленного газа (от данного параметра зависит коэффициент прилипания и конфигурация насоса, поскольку при накоплении значительного количества газа, на поверхностях возможно серьезное изменение геометрических характеристик; например, слой сконденсировавшегося на экране газа может частично перекрыть входное сечение насоса и снизить его быстроту действия).

Ко второй группе можно отнести такие параметры:

• температуры различных частей насоса или тепловая нагрузка (это одна из наиболее влиятельных характеристик – от нее зависит коэффициент прилипания поверхности: чем выше температура, тем ниже коэффициент прилипания);

• качество тепловой изоляции холодной части крионасоса – этот параметр оказывает серьезное влияние на температуру (поскольку основная доля теплопритоков к холодной части насоса, это теплопритоки излучением, то решающую роль играют теплоизолирующие характеристики экрана).

Программа, реализовавшая расчет крионасоса методом Монте-Карло, позволила выяснить влияние на быстроту действия следующих характеристик: конфигурации насоса, тепловых характеристик режимов работы, задаваемых пользователем коэффициентов прилипания на различных поверхностях, количества накопленного газа. Модель позволяет также выполнять вакуумный и тепловой расчеты, и, исходя из этого, оптимизировать методом вариантных расчетов дизайн насоса, учитывая и тепловые параметры.

III.3.2.1. Анализ типовой конструкции крионасоса [6]

III.3.2.1.1. Описание типовой конструкции крионасоса

Конструкцию крионасоса, в зависимости от видов конденсируемых газов, можно условно разделить на две части. Первая, состоящая из жалюзийного экрана и цилиндрического кожуха (рис. III.3.2.1), предназначена для конденсации паров воды.

Рис. III.3.2.1. Схема типового крионасоса
I – цилиндрический кожух, II – жалюзийный экран, III – «елочка»,
× – сорбент

Вторая часть имеет форму «елочки» и образована коническими поверхностями, предназначена для конденсации водорода и аргона, так как имеет более низкую температуру и на ее поверхностях размещен сорбент (активированный уголь).

Жалюзийный экран состоит из металлических усеченных конусов с углом наклона (см. рис. III.3.2.1, позиция II). Экран имеет температуру порядка 45 К, достаточную для конденсации частиц воды с вероятностью близкой к единице. Конусы подвешены на четырех прямоугольных пластинах, которые в свою очередь прикреплены к металлическому кожуху (рис. III.3.2.1, позиция I), температура которого порядка 40 К. Эта структура (кожух и экран) составляет первую ступень крионасоса.

«Елочка» представляет собой металлический цилиндр с прикрепленными к нему усеченными конусами с углом наклона (см. рис. III.3.2.1, позиция III). Температура конусов в местах закрепления примерно 10 К, а на концах – 15 К. Такой температурный уровень позволяет конденсировать аргон любой поверхностью «елочки», включая цилиндр, конусы и «крышку» цилиндра. На конусах, в местах помеченных на рисунке крестами нанесен активированный уголь для адсорбции водорода или гелия (т. е. на поверхностях «елочки» без сорбента, водород или гелий не прилипают). «Елочка» образует вторую ступень крионасоса. На панелях экрана и на кожухе коэффициент захвата водорода, гелия и аргона считается очень близким к нулю (частицы не захватываются).

III.3.2.1.2. Результаты предварительного сравнения с
экспериментальными данными

Были посчитаны значения коэффициентов захвата насоса для аргона и водорода при постоянных коэффициентах прилипания равных единице (и по аргону, и по водороду). Подобная постановка позволяла получить оценочные результаты работы. Таким образом, значения коэффициентов захвата составили: по аргону (при количестве испытаний ); по водороду (при количестве испытаний ).

Воспользовавшись формулой для нахождения быстроты действия насоса по коэффициенту захвата, получим следующие результаты.