کرایوپمپ

فهرست مطالب

درباره ما

شركت دانش بنیان زمهرير سازان پیشتاز به پاس داشتن کادر مجرب، انجام پروژه‌های عملی برای پیشبرد تحقیقات دانشگاهی و همکاری با صنعت را در سرلوحه فعالیت‌های خود قرار داده است. در همین راستا این شرکت، همگام با راهبرد‌هاي صنعتي كشور در توسعه صنايع دانش بنيان راه اندازی گردیده است. هدف اين مجموعه استفاده از تجربیات نیروهای دانشگاهی جهت پاسخگویی به نیاز‌های مجامع علمی و مراکز صنعتی مرتبط با این حوزه است. فعالیت‌های اصلی این مجموعه بر ساخت تجهیزات دمای فوق سرد (Cryogenic) متمرکز شده است.

محصولات شرکت شامل : کرایواستات، کرایوپمپ، دستگاه تولید نیتروژن مایع، دستگاه میعان ساز هوا، نمایشگر و کنترلر دما، کالیبراسیون سنسور‌های دمای فوق سرد با دقت بالا، کمپرسور‌های سیکل بسته هلیومی و … می‌شود.

برخی از کاربری‌های محصولات شرکت زمهریر سازان پیشتاز در حوزه‌های زیر است:

• صنایع غذایی
• صنایع الکترونیک و ابزار دقیق
• تجهیزات پزشکی
• مراکز پژوهشی و دانشگاه‌ها (در تحقیقات ابررسانایی، علم مواد و …)
• …

محصولات شرکت زمهریر سازان پیشتاز با کیفیت قابل مقایسه با نمونه‌های خارجی و قیمتی به مراتب ارزانتر در بازار عرضه می‌شود. خدمات پس از فروش گسترده و در دسترس از مزیت‌های محصولات این شرکت است.

رضایتمندی و اعتماد مشتریان، مجموعه‌ی شرکت را در جهت توسعه محصولات و برداشتن گام‌های بزرگ‌تر مصمم نموده است.

آدرس : قم – شهرک پردیسان – خیابان مولوی – پارک علم و فناوری استان قم  – واحد D324 – شرکت زمهریر سازان پیشتاز

تلفکس : 02532400596

همراه : 09127526172 – 09120253091

پست الکترونیک : info@zsptech.ir

وبسایت : www.zsptech.ir

مقدمه

اهمیت خلأ

خلأ (Vacuum) فضایی است که خالی از ماده باشد، اما در کاربرد‌های صنعتی، خلأ به محیطی گفته می‌شود، که چگالی ذرات (اتمها و مولکولهای) موجود در آن خیلی کمتر از محیط جوّ است. خلأ سنجی به وسیله اندازه گیری فشار محیط صورت می‌گیرد و برحسب فشار بدست آمده خلأ را، به خلأ معمولی (Vacuum)، خلأ بالا (high Vacuum) و خلأ خیلی بالا (Ultra high Vacuum) دسته بندی می‌کنند. اتصالات خلأ مورد نیاز، محفظه نگهداشتن خلأ (Chamber)، گریس‌های مورد استفاده و پمپ‌های ایجاد کننده‌ی خلأ برای خلأ‌های مختلف، متفاوت است.

نخستین استفاده‌ی وسیع خلأ در لامپ روشنایی التهابی برای محافظت از رشته سیمِ التهابی از سوختن و فروپاشی شیمیایی بود. از خلأ برای سرعت بخشیدن به انجام واکنش شیمیایی، جوشکاری اشعه‌ی الکترونی، جوشکاریِ سرد، بسته‌بندی در خلأ، و سرخ کردن غذا در خلأ، استفاده می‌شود. از خلأ خیلی بالا در مطالعه‌ی مواد درسطح اتمی استفاده می‌شود. خلأ در حد بالا تا خیلی بالا، اجازه می‌دهد تابش‌های ذره‌ای بنشینند یا مواد را بدون آلودگی بردارند. از این خاصیت در نشست بخار شیمیایی، نشست بخار فیزیکی، و قلم‌زدن (یا تیزاب‌کاری) خشک که در تولید نیمه‌رساناها و لایه‌گذاری‌های اپتیکی، رشد کریستال و فیزیک سطح استفاده می‌شود.

کم شدنِ همرفت گرمایی بر اثر ایجاد خلأ همچون یک عایق حرارتی در بطری‌های فلاسک عمل می‌کند. خلأ بالا نقطه‌ی جوش مایعات را پایین می‌آورد و رهاسازی گازهای گیرافتاده را در دماهای پایین گسترش می‌دهد که از آن در خشک کردن سرد، آماده‌سازی چسب، تقطیر، متالوژی، و پروسه پاک‌سازی استفاده می‌شود.

از خواص الکتریکی خلأ در میکروسکوپ‌های الکترونی و لامپ‌های خلأ از جمله لوله‌های اشعه‌ی کاتدی استفاده می‌شود. خلأ  برای مرتفع ساختن اصطکاک هوا در ذخیره‌ی انرژی در فلای‌ویل و سانتریفیوژهای فوق سریع مفید است.

تذکرات اولیه

• این دفترچه راهنما مربوط به دستگاه کرایوپمپ، مُدل CP3063 می‌باشد.
• لطفاً محصول، لوازم جانبی و دفترچه راهنمای دریافت شده را با آنچه سفارش داده‌اید انطباق دهید.
• هر گونه خسارت ناشی از حمل و نقل را بررسی نمایید. در صورت مشاهده مشکل با ما تماس بگیرید.
• نصب و راه اندازی اولیه دستگاه توسط تکنیسین‌های شرکت انجام می‌شود. نصب نادرست دستگاه توسط افراد غیر مجرب موجب ابطال گارانتی خواهد گردید.
• قبل از کار کردن با دستگاه، دفترچه راهنما را (به خصوص بخش‌های: موارد ایمنی، موارد دیگر هنگام کار و …) با دقت مطالعه فرمایید.
• عدم پیروی از دستورات دفترچه موجب ابطال گارانتی خواهد گردید.
• علامت ( ) به معنای هشدار، علامت ( ) به معنای هشدار برق گرفتگی و علامت ( ) به معنای توجه شود در این دفترچه می‌باشد. لطفاً به این علائم دقت لازم را مبذول فرمایید.

معرفی دستگاه

کرایوپمپ (شکل 1) یک پمپ خلأ برای خلأ‌های بالا (high Vacuum) است، این پمپ از نوع پمپ‌های تله‌ای (Entrapment) که با ایجاد یک تله سرد، موجب چگالش ذرات روی بدنه فلزی می‌شوند، که موجب کاهش فشار و ایجاد خلأ بالا می‌شود. سرما سازی تله سرد توسط کلدهد دو مرحله‌ای از نوع GM به همراه یک سیستم کمپرسور سیکل بسته هلیومی انجام می‌شود.

کرایوپمپ با وصل شدن به یک پمپ روتاری (به عنوان back pump) قابلیت تولید خلأی تا  میلی بار را دارد. برای جذب بهتر گاز‌ها تله سرد با کربن اکیتو پوشانده شده است و برای احیای آن از گاز نیتروژن گرم استفاده می‌شود.

شکل 1: دستگاه کرایوپمپ مُدل CP3063

مزایایی کرایوپمپ

• سرعت پمپاژ بالا برای همه گازها
• عدم نیاز به استفاده از گریس
• پمپ تمیز عاری از روغن و روغن کاری پمپ
• قابل استفاده در محیط‌های با اتمسفر خورنده
• مناسب برای پمپاژ گاز‌های ترکیبی
• غیر حساس به اختلالات مکانیکی ناشی از حرکت ذرات یا ارتعاشات خارجی
• ابعاد کوچک نسبت به پمپ‌های دیگر (با سرعت سرعت پمپاژ برابر)
• مناسب برای محیط الکتریکی و مغناطیسی
• قابل استفاده به عنوان تله سرد
• مقرون به صرفه از نظر تجاری
• استفاده از اتصالات استاندار
• عمر مفید بلند (در شرایط کاری معمولی)

مشخصات عمومی

پارامترهای فنی

مفاهیم پایه

سطوح کرایوژنیک به شرطی که به میزان کافی سرد باشند، می توانند تمامی مولکولهای گازهای مختلف را به دام بیاندازند.  همانند یک جسم سیاه که نور را در خود جذب می کند. (شکل 2)

شکل 2: کارکرد مفهومی کرایوپمپ

فشار بخار تعادلی:

زمانی که نرخ تبدیل گاز به مایع (چگالش) برابر با نرخ تبدیل مایع به گاز (تبخیر) باشد، برای هر گاز       می توان فشار بخار تعادلی بدست آورد.

شکل 3: شرایط تعادلی دو فازی به صورت شماتیک

با کاهش دما توسط سیستم سرما ساز انرژی جنبشی گاز‌ها کاهش می‌یابد، در نتیجه فشار پایین می‌آید و خلأ بهتر می‌شود. پایین آمدن فشار بر اثر کاهش دما برای گاز‌های مختلف متفاوت است. (شکل 4)

شکل 4: تغییرات فشار بخار بر حسب دما برای گاز‌های مختلف

در جدول زیر فشار بخار تعادلی برخی گازها در دماهای مختلف دقیق تر آورده شده است.

هر سطحی با دمای مشخص قابلیت جذب گازهایی از جو را دارد که دمای میعان آنها کمتر از دمای آن سطح باشد.

در شکل (5) این مفهوم واضح تر قابل مشاهده است.

شکل5: جذب گازهای مختلف بر روی سطوح سرد مختلف

استفاده از مواد متخلخل نظیر کربن اکتیو که دارای منافذ بسیار زیاد است(شکل 6)، سبب افزایش سطح تماس گاز با ناحیه سرد می شود.

نسبت سطح به وزن کربن اکتیو های مرغوب بین 1150-1250 است.

به همین خاطر در طراحی کرایوپمپ از کربن اکتیو بر روی آرایه 15 کلوین استفاده می شود.

شکل6: شماتیکی از منافذ کربن اکتیو

افزایش سطح سبب افزایش ظرفیت جذب کرایو پمپ می شود.

کرایو پمپ برای گازهای نئون و هیدروژن و هلیوم که دمای میعان پایین تر ی دارند، سبب فقط کاهش فشار بخار می گردد.

سطوح نامنظم کربن اکتیو در چند برخورد متوالی باعث کاهش سرعت و در نتیجه کاهش فشار بخار تعادلی این گازها می شود.

 بنابراین گازهایی که دمای میعان بالایی دارند روی سطح کرایوپمپ چگال می شوند. و سه گازی که دمای میعان پایین تری دارند، درون منافذ کربن اکتیو حبس می شوند.

اجزای اصلی دستگاه کرایوپمپ

همان طور که در شکل (7) مشخص است اجزای اصلی کرایوپمپ شامل موارد زیر است:

1- فلنج برای اتصال کرایوپمپ به بدنه

2- آرایه مرحله اول Cold head که به دمایی کمتر از 65 کلوین میرسد

3- آرایه مرحله دوم Cold head که به دمایی کمتر از 15 کلوین میرسد و به همین خاطر به آرایه 15 کلوین معروف است.

4- شیلد تابشی که به مرحله اول Cold head متصل است.

5- چمبر خلا که اتصالات مختلف بر روی آن تعبیه شده است.

شکل7: طرحواره اجزا کرایوپمپ

فلنج

فلنج به عنوان واسط برای اتصال چمبر به کرایوپمپ استفاده می شود. که آب بندی آن از نوع واشر مسی و لبه تیز (copper gasket and knife-edge) است.   دهانه چمبر CF150 است.

نمونه هایی از فلنج و واشرهای مسی مورد اشاره در شکل (8) مشاهده می شود.

شکل8: نمونه فلنج CF و واشر مسی

نحوه بستن پیچ های فلنج

برای اینکه آب بندی واشر مسی بر روی ابه تیز فلنج درست انجام پذیرد، بایستی توالی بستن پیچ ها به ترتیب خاص صورت پذیرد. که در شکل(9) قابل ملاحظه است.

لازم به ذکر است که پس عز هر بار باز و بستن فلنج بایستی واشر مسی تعویض گردد.

شکل9: ترتیب بستن پیچ ها در فلنج CF

آرایه مرحله اول Cold head

شکل10: آرایه مرحله اول به همراه شیلد

 یک کرایو پمپ نوعی، از سرماساز هلیومی تشکیل شده است که دو مرحله ای است.

هر مرحله با اتصال به یک Cryopanel انواعی از گازها را روی خود فریز می کند.

مرحله اول کرایوکولر به دمایی کمتر از 50 کلوین می رسد.

کرایو پنل  متصل به مرحله اول با یک درپوش(Louver) مرحله دوم را احاطه می کند.

معمولا بخارات آب بر روی درپوش مرحله اول فریز می شود.

آرایه مرحله دوم Cold head:

تعدادی از آرایه ها که بر روی آنها کربن اکتیو وجود دارد به مرحله دوم Cold head متصل هستند شکل(11). و بسته به شرایط کاری دمایی بین 20-10 کلوین خواهند داشت. اصطلاحا به این آرایه، آرایه 15 کلوین گفته می شود.

این آرایه ها گازهای N2, O2, Ar را چگال میکنند.  و گازهای H2 , Ne, He را در خود حبس می کند.

شکل11: آرایه مرحله دوم

شیلد تابشی

شیلد تابشی که به مرحله اول متصل است، با فاصله کمی از چمبر خلا، آرایه 15 کلوین را احاطه کرده است شکل (12). تا مانع از رسیدن تابش از محیط 300 کلوین( دمای اتاق) به آرایه شود. با به کار گیری شیلد تابشی یک نتیجه مثبت به دست می آید. و آن اینکه با کاهش اتلاف تابشی سبب         می شود که آرایه به دمای پایین تری برسد و در نتیجه بازدهی جذب آرایه افزایش یابد.

دو صفحه صاف را درنظر بگیرید که در دماهای مختلفی قرار دارند.

مطابق شکل روبرو انتقال متداوم گرما به طریق تابش بین این دو سطح انجام می شود، نکته مهم این است که این انتقال گرما نیاز به هیچ محیط مادی ندارد. میزان این انتقال حرارت با رابطه مقابل به دست می آید : 

در این رابطه میزان انتقال حرارت متناسب با emissivity factor ( ) است.

با به کارگیری شیلد تابشی این اتلاف کمینه می گردد.

عملا بایستی سطح خارجی شیلد یک بازتابنده خوب باشد. به همین خاطر از یک لایه نشانی خاص بر روی آن استفاده می شود.

شکل12: شیلد تابشی کرایوپمپ

محفظه خلأ

محفظه خلأ، برای ایجاد خلأی با فشار  میلی بار ساخته شده است. محفظه خلأ از یک طرف به کلدهد و از طرف دیگر به دهانه کرایوپمپ (با دهانه استاندارد CF150 ) وصل می‌شود. اجزا عبارتند از:

1- فلنج کرایوکولر

2- چمبر خلا

3- فلنج CF150 به عنوان ورودی پمپ

4- ورودی با پورت KF25 برای اتصال پمپ روتاری و purge گاز

5- فیدترو 7 پایه برای سنسورها

6- شیر خلا بالا

7- شیر اطمینان (reliefe valve)

سیستم سرما ساز

سیستم سرما ساز، از نوع کلدهد GM دو مرحله‌ای است. کلدهد دستگاهی است که سرمای مورد نیاز را تأمین می‌کند، کلدهد دارای دو قسمت از جنس مس می‌باشد که به نام مرحله (stage) اول و دوم شناخته می‌شوند. بدون هیچگونه اتلاف حرارتی مرحله اول تا کمتر از دمای50 کلوین و مرحله دوم تا 10 کلوین پایین می‌آیند. بدنه کلدهد دارای دو قسمت برای ورود و خروج گاز هلیوم می‌باشد. قسمت ورودی گاز پُر فشار با رنگ قرمز و قسمت خروج گاز کم فشار با رنگ سبز مشخص شده است شکل (13). این قسمت‌ها با 2 عدد گاز لاین شکل (14) به قسمت پُر فشار و کم فشار سیستم کمپرسور هلیوم وصل می‌شوند. کلدهد درون محفظه به آرایه وصل شده است و سبب خنک کردن آن می‌شود. کلدهد هنگام کار کردن صدای ضربه با آهنگ نیم ثانیه است که صدای آن قابل شنیدن است.

شکل 13: تصویر ورودی و خروجی هلیوم

شکل 14: تصویر گاز لاین کمپرسور

سیستم کمپرسور هلیومی: کمپرسوری سه فازی با توان مصرفی 4.2 كیلو وات برای فشرده سازی گاز هلیوم از فشار 8 بار، و رساندن آن به فشار 21 بار می‌باشد شکل(15 و 16) . این کمپرسور با چرخه آب خنک سازی می‌شود و دارای دو لوله (گاز لاین) یکی برای انتقال گاز هلیوم به کلدهد و دیگری برای بازگرداندن گاز هلیوم به کمپرسور می‌باشد.روغن موجود در گاز پُر فشار قبل از خروج از سیستم کمپرسور توسط فیلتر‌های روغن گیر، حذف می‌شود تا ذرات روغن وارد سیکل سرما ساز نشود و آسیبی به کلدهد نزند. وزن تقریبی سیستم کمپرسور حدود 110 کیلوگرم است. سیستم کمپرسور هلیومی مجهز به سنسور‌های زیر است:

• سنسور کنترل دما برای قطع جریان برق هنگام بالا رفتن بیش از حد دما.
• سنسور کنترل کننده فشار برای جلوگیری از بالا رفتن بیش از حد فشار و یا افت فشار.
• کنترل کننده آمپر ورودی برای جلوگیری از کشیدن بیش از حد جریان توسط کمپرسور.

استفاده عمده سیستم کمپرسور برای فشردن گاز عامل در چرخه کلدهد کرایواستات، کرایوپمپ و میعان ساز نیتروژن می‌باشد.

شکل 15: شکل ظاهری سیستم کمپرسور هلیومی

شکل16: ابعاد سیستم کمپرسور هلیومی

اجزای سیستم کمپرسور

قسمت سیستم کمپرسور هلیومی شامل:

• کمپرسور
• سوئیچ دمایی
• سوئیچ فشار
• لوله‌های رابط آب
• لوله‌های رابط گاز هلیوم
• گاز هلیوم

شکل 17: بدنه ظاهری سیستم کمپرسور هلیومی

بدنه ظاهری کمپرسور شامل:

• خروجی گاز پُر فشار
• ورودی گاز کم فشار
• گیج فشار سنج (برای پایش فشار خروجی کمپرسور)
• در این مدل استفاده نمی شود
• ورودی آب گرم
• خروجی آب سرد
• تابلو برق

تابلو برق

تابلو برق قسمت اصلی کنترل کمپرسور و کلدهد می‌باشد.

اجزای تابلو برق عبارتند از:

شکل 18: تابلو برق

• ساعت شمار کمپرسور
• کلید استارت و استپ دستگاه
• کانکتور برق کلدهد(کابل 3 سیمی برای موتور کلدهد)
• فیوز‌های برق کلدهد
• پلاک کمپرسور
• در سیستم کرایوپمپ استفاده نمی شود
• ورودی برق اصلی دستگاه (کابل 4سیمی: 3 سیم ورودی برق سه فاز، 1 سیم ارث)
• کلید برق اصلی کمپرسور
• چراغ های هشدار خطا

نصب و راه اندازی سیستم کمپرسور

برای نصب و راه اندازی سیستم کمپرسور به نکات زیر توجه شود:

• محل قرار گیری سیستم کمپرسور کاملاً صاف باشد(بیش از 5 درجه زاویه با افق مجاز نیست).
• قبل از اتصال کابل برق، از خاموش بودن کلید سیستم کمپرسور اطمینان حاصل شود.
• از آب آشامیدنی شهری می‌توان برای خنک سازی سیستم کمپرسور استفاده کرد. اما بهتر است آن را با چیلر محوطه آزمایشگاه سری کرد.
• در اتصال شیر ورودی و خروجی آب گردشی دقت شود تا درست نصب شود.
• توصیه می‌شود قبل از ورود آب به سیستم کمپرسور، یک فیلتر قرار داده شود تا مانع ورود آلودگی به کمپرسور شود، چرا که احتمال گرفتگی مبدل‌های حرارتی به مرور زمان با ورود آلودگی وجود دارد.
• گاز لاین پُر فشار با نشان دایره قرمز رنگ و گاز لاین کم فشار با نشان دایره سبز رنگ روی بدنه گاز لاین مشخص شده است.
• گاز لاین پُر فشار و کم فشار را به سیستم کمپرسور و کلدهد وصل کنید و از محکم بسته شدن آن اطمینان حاصل شود.
• فشار شارژ سیستم کمپرسور را بررسی شود (به مشخصات فنی روی بدنه کمپرسور رجوع شود).

نحوه اتصال گاز لاین

محل اتصال گاز لاین به کلدهد و سیستم کمپرسور هلیومی اتصال موسوم به ایرکویپ شکل (20) قرار دارد.

ایرکویپ به طوری ساخته شده است که هنگام باز و بسته کردن کوپلینگ‌ها، گاز هلیوم به محیط بیرون راه نمی‌یابد. برای اتصال گاز لاین به سیستم کمپرسور هلیومی یا کلدهد مراحل زیر را دنبال شود:

• با استفاده از آچار 26 گاز لاین را نگه داشته شود و با استفاده از آچار 30 گاز لاین باز یا بسته می‌شود (شکل 19).
• از سالم بودن اورینگ کوپلینگ‌ها اطمینان حاصل شود و در صورت خرابی، باید آن‌ها را تعویض کرد.
• کوپلینگ‌ها را با یک پارچه تمیز بدون پرز یا مسواک نرم تمیز شود.
• تمام کوپلینگ‌ها تا جایی که ممکن است سفت شود.

شکل 19: نحو باز و بسته کردن گاز لاین

شکل 20: تصویر کوپلینگ ایرکویپ

نحوه کارکرد تابلو برق

بعد از اطمینان از اتصال برق اصلی و سیم Earth و برق کلدهد و سیکل آب خنک.

• با زدن کلید POWER (8)، برق وارد سیتم می شود و دستگاه آماده کار است.
• برای روشن کردن کلدهد، کلید START (2) را فشار دهید. در این وضعیت دستگاه شروع به کار میکند.
• کلید START در صورتی عمل می‌کند که توالی فازهای ورودی مشکل نداشته باشد و هیچ چراغ هشداری (9) روشن نباشد.
• اگر به هر علتی یکی از چراغ‌های هشدار روشن شود کلدهد خاموش می‌شود.
• اگر چراغ‌های هشدار خاموش شوند دستگاه خود‌به‌خود روشن نخواهد شد، برای راه‌اندازی مجدد دستگاه باید کلید START فشار داده شود.
• خاموش کردن کلدهد توسط کلید STOP ، و خاموش کردن کلی دستگاه توسط کلید POWER انجام می‌شود.

چراغ های هشدار

شکل21: چراغ های هشدار

خطای دما

در صورتی که سیکل آب، گرمای کمپرسور هلیوم را بر ندارد، دمای کمپرسور بالا خواهد رفت. و سنسور دما برق دستگاه را قطع خواهد کرد. در این صورت چراغ خطای دما روشن خواهد شد. با برطرف کردن ایراد دستگاه مجدد آماده کار خواهد بود.

خطای جریان بیش از حد

اکر دستگاه بیش از جریان اسمی(8 آمپر)  مصرف نماید، دستگاه به طور خودکار خاموش خواهد شدو چراغ هشدار جریان بیش از حد روشن خواهد شد. دراین شرایط با شرکت تماس بگیرید.

سیستم هشدار فشار:

در صورتی که به هر دلیلی فشار سیستم بیش از حد بالا برود یا در در اثر نشت گاز فشار دستگاه از مقدار شارژ اولیه کمتر شود، در این صورت ابتدا باید ایراد را برطرف کرد و سپس دستگاه را مجدد راه اندازی کنید.

سیستم کنترل فاز:

درون دستگاه سیستم کنترل فاز تعبیه شده است. با استفاده از سیستم کنترل فاز می توان اختلالات ناشی از قطعی فاز،جابجایی فازها، عدم تساوی ولتاژ فازها و افزایش یا کاهش بیش از حد ولتاژ را کنترل کرد.

چیدمان به کارگیری پمپ

در شکل (22) چیدمان استاندارد به کارگیری پمپ را مشاهده می کنید.

جمبر خلا توسط شیر V1 از پمپ جدا شده است. پمپ روتاری با حجم مکش 15 متر مکعب بر ساعت مناسب است.

پمپ روتاری با یک سه راهی که شیرهای V2 و V3 سر راه آن است، خلا سازی اولیه محفظه و پمپ را انجام می دهد. شیر V4 بر سر راه ورودی گاز نیتروژن گرم و خشک قرار دارد.

شیر فشار شکن نیز به محفظه خلا متصل شده است.

شکل22: چیدمان استاندارد کارکردی کرایوپمپ

پارامتر Crossover

پمپ روتاری، خلا چمبر متصل به کرایوپمپ را باید به مقداری موسوم به فشار Crossover تقلیل دهد. تا در این مرحله با بستن شیر پمپ روتاری و باز کردن Gate valve کرایو پمپ وارد مدار خلا سازی شود. و گاز باقی مانده در محیط را بر روی خود جذب کند. برای محفظه های با حجم های مختلف این مقدار متفاوت است. برای محاسبه فشار بایستی پارامتر Crossover را داشته باشیم.

مقدار پارامتر Crossover برای این محصول برابر با 150Torr-Litre  است.

  = فشار Crossover

مقدار فشار Crossover در حد چند میلی بار است. به این ترتیب، کاربر نباید دغدغه ای برای بخار برگشتی از پمپ روتاری به محفظه خلا داشته باشد.

راه اندازی و عملیاتی کردن پمپ

اقدامات اولیه:

• سیکل آب را باز کنید.
• دستگاه را به برق وصل کنید.
• پمپ روتاری را روشن کنید
• با استفاده از گیج خلأ از عدم نشتی اطمینان حاصل کنید.

خلا سازی اولیه کرایوپمپ

برای شروع به کار دستگاه لازم است که ابتدا چمبر از پمپ با بستن Gate valve ایزوله شود

سپس خود محفظه کرایو پمپ باید به خلا 1 میلی بار برسد تا بتوان آن را روشن نمود

پس از حصول این شرایط، 120 دقیقه زمان لازم است تا کرایو پمپ به دمای عملیاتی برسد.

شکل23: چیدمان خلا سازی محفظه پمپ کرایو

نحو خلا سازی اولیه محفظه

همان طور که ذکر شد قبل از اینکه چمبر خلا به پمپ متصل شود بایستی فشار آن به کمتر از فشار Crossover برسد. به این منظور بایستی طبق شکل زیر همه شیرها بجز شیر v2 بسته باشند.

با رسیدن به حد فشار Crossover خلا سازی اولیه صورت پذیرفته است.

شکل24: چیدمان خلا سازی اولیه محفظه

اما توصیه می شود حتی الامکان خلا بهتری ایجاد شود.

این عمل به کارکرد طولانی مدت پمپ قبل از نیاز به احیا کمک می کند.

احیای تله سرد

همانطور که پیشتر گفته شد، کرایوپمپ یک پمپ جذبی است. و در نتیجه اشباع خواهد شد.

و لذا نیاز به احیا دارد.

نشانه های اصلی اشباع شدن پمپ عبارتند از

الف- افزایش دمای آرایه به بیش از 22 کلوین

ب- کاهش سرعت پمپاژ

ج- افت خلأ بدون بروز نشت

  مراحل احیای پمپ

1- کرایوپمپ را با بستن Gate valve از محفظه خلأ ایزوله کنید.

2- سیستم کلدهد را خاموش کنید و اجازه دهید کرایوپمپ به دمای محیط برسد.

3- رابط ورود نیتروژن داغ را به محفظه ببندید.

4- گاز نیتروژن داغ با دمای 70 درجه سانتی گراد را به مدت یک ساعت با فشار حدود psi 25 به محفظه تزریق نمایید.[1]

5- سپس اتصال پمپ روتاری را به محفظه متصل نموده و اجازه دهید روتاری به مدت یک ساعت کربن اکتیو را به طور کامل خلأ نماید.

7- در نهایت پمپ احیا شده و آماده استفاده می باشد.

شکل25: چیدمان پمپ حین فرآیند احیا

شیر Relife

بر روی بدنه محفظه کرایوپمپ شیری نصب شده که هرگاه به هر دلیلی، فشار از فشار جو بیشتر شود، باز خواهد شد تا گاز خارج شود. این شیر اطمینان، شیر Relife نام دارد. در شرایط عادی کاری دستگاه فرض کنید 100 نرمال لیتر روی آرایه های کرایوپمپ جذب شده باشد و حجم محفظه کرایوپمپ را حدود 5 لیتر در نظر بگیرید. با خاموش شدن کرایوپمپ و آزاد شدن گازها، فشار محفظه می تواند به 20 بار برسد. اما به محض اینکه فشار محفظه به 2psi بیشتر از فشار جو رسید، شیر Relife باز شده و گازها تخلیه خواهد شد. بنابراین هیچ گاه فشار محفظه بالا نخواهد رفت.

همچنین  این شیر یک مسیر تخلیه گاز نیتروژن از محفظه کرایوپمپ است که در فرآیند احیاء بعنوان مسیر تخلیه گاز عمل می کند.

محاسبه سرعت پمپاژ کرایوپمپ

همه سازندگان کرایوپمپ، سرعت پمپاژ را با استفاده از نظریه جنبشی گازها محاسبه می کنند.

انرژی جنبشی گازها برابر با انرژی گرمایی است.

سرعت میانگین گازها را می توان در راستای دهانه پمپ بدست آورد.

بدین ترتیب سرعت ایده ال برای گازها بدست می آید.

سرعت ایده ال گازها

بنابر این با ضرب مساحت دهانه پمپ در سرعت ایده ال سرعت پمپاژ بدست می آید.

با قطر دهانه 150 میلیمتر سرعت پمپاژ(بر حسب لیتر بر ثانیه) به شرح زیر خواهد شد.

سرعت واقعی پمپاژ

همان طور که می دانیم در هر خلائی همچنان مقداری گاز باقی مانده در سیستم وجود دارد. این مولکول های گاز باقی مانده در رسانش گازی گرما مشارکت  می کنند. که با بهبود خلاء این میزان کاهش می یابد.

دریک رسانش معمولی، یک گرادیان دمای خطی بوجود می آید و مولکول ها گرما را بین هم وبین سطوح مبادله می کنند. اما در خلاء پولیش آزاد میانگین (l  ) مولکول ها بیشتر از فاصله بین سطوح است.بنابراین مولکول ها به ندرت باهم برخورد می کنند. وانرژی توسط مولکول های گاز بین سطوح و مولکول هایی که با هم بر خورد می کنند مبادله می شود. به این نوع رسانش گرمایی رسانش مولکول آزاد یا رسانش گاز باقی مانده نیز گفته می شود. که در خلاء خوب اتفاق می افتد.

برای فهم بهتر مسئله دو سطح صاف با دمای  و را در نظر بگیرید شکل (26).

شکل 26: مکانیزم انتقال حرارت توسط گاز باقی مانده بین جداره ها

خلاءبه میزانی است که پویش آزاد میانگین (l )بیشتر از فاصله بین سطوح  است. در چنین شرایطی مولکول ها فقط در برخورد باسطوح مبادله انرژی انجام می دهند.

مولکول هایی را درنظر بگیرید که با سطح پایین با دمای برخورد کرده و مقداری از انرژی اش را به سطح منتقل می کند و با انرژی جنبشی متناسب با  آنجا را ترک می کند .

به طور مشابه مولکولی را در نظر بگیرید که با سطح بالایی برخورد و به سمت پایین پراکنده شده اند. این مولکول که با سطح دارای دمای برخورد کرده با دمای  این سطح را ترک می کنند. واضح است که در هر دو این پدیده ها تعادل برقرار نیست. و این پدیده ها به طور مکرر ادامه پیدا می کند.

برای اندازه گیری میزان تعادل گرمایی بین مولکول و سطح، ضریب تطابق  را تعریف می کنیم. که برابر با نسبت مقدار واقعی انرژی منتقل شده به ماکزیمم مقدارانرژی قابل انتقال :

مقداراین ضریب به میزان اندرکنش سطح – مولکول و دمای سطح بستگی دارد.

مطابق شکل تغییر دمای مولکول برای سطح سرد برابراست با ( –  ) . ولی ماکزیمم مبادله دمای ممکن (   – ) است. بنابرتعریف ضریب تطابق برای سطح سرد برابر است با

به طو رمشابه برای سطح گرم دمای مبادله شده برابر است با ( –  ) وماکزیمم مبادله ی دمای ممکن( –  ) است. بنابراین ضریب تطابق سطح گرم برابر است با : 

از معادلات بالا داریم:

یک فاکتور تطابق[2] تعریف می کنیم.

مقدار تخمینی ضریب تطابق دو کره و دو استوانه هم مرکز در جدول زیر ارائه شده است :

جدول  ضرایب تطابق برای گازها در دماهای مختلف نسبت به سطح 4 کلوین

با دقت دراین جدول مشاهده می شود که در یک دمای خاص با افزایش جرم مولکولی ضریب تطابق نیز افزایش می یابد. همچنین با کاهش دما ضریب تطابق افزایش می یابد.

بنابراین مشاهده می کنیم که همواره سرعت پمپاژ واقعی از سرعت پمپاژ ایده ال کمتر است. پس:

ضریب تطابق × سرعت ایده آل = سرعت پمپاژ واقعی

بعنوان مثال برای هوا داریم :

لیتر بر ثانیه   1680 = 8/0 × 2100 = سرعت پمپاژ واقعی کرایوپمپ (4کلوین) برای هوا

بدیهی است سرعت پمپاژ واقعی کرایوپمپ (15 کلوین) کمتر خواهد بود

موارد دیگر هنگام کار

دستگاه طوری طراحی شده است که بدون نیاز به سرویس دهی همیشه کار کند، اما برای کارایی بهتر و دوام عمر دستگاه، موارد زیر رعایت شود:

• برای کارایی بهتر هر ماه دورن محفظه را با استون شستشو دهید.
• گاه گاهی از سالم بودن کلمپ‌ها و واشر‌ها اطمینان حاصل شود.
• برای ایجاد خلأ بهتر از گریس خلأ High Vacuum استفاده کنید.
• کاهش فشار سیستم کمپرسور هلیومی بدون کار کردن نشان دهنده نشتی می‌باشد.
• تغییرات ناگهانی فشار نشان دهنده اختلال در دستگاه می‌باشد.
• گاه گاهی از کارکردن فن سیستم کمپرسور هلیومی اطمینان حاصل شود.
• گاه گاهی لوله‌های سیکل آب خنک را بررسی و از هرگونه آلودگی پاک نمایید.

موارد ایمنی

مجموعه‌ای از هشدار‌ها وجود دارد که عدم رعایت آن‌ها علاوه بر آسیب دیدگی دستگاه و سیستم کمپرسور، امکان جراحت کاربر (اپراتور) را بوجود می‌آورد.

• ولتاژ برق، بالقوه کشنده می‌باشد. پس قبل از انجام هر کاری نظیر وصل و قطع کردن سیم‌ها و یا باز و بسته کردن جعبه سیستم کمپرسور یا تعمیر آن، دستگاه باید خاموش و برق آن قطع شده باشد.
• باز و بسته کردن لوله‌‌های انتقال گاز هلیوم (گاز لاین) بین سیستم کمپرسور و کلدهد تنها در صورتی انجام گیرد که دستگاه خاموش و برق آن قطع شده باشد. در غیر این صورت، خطرات شوک الکتریکی وجود دارد، و امکان آسیب دیدگی دستگاه و یا اپراتور گردد.
• امکان شوک الکتریکی در صورت وصل نبودن سیم earth دستگاه (حتی در حالت خاموش بودن) وجود دارد.
• سیم earth کمپرسور به چاه earth و برق سه فاز آن به تابلو برق استاندار توسط تکنسین برق وصل شود.
• هنگام عدم استفاده از کمپرسور، برق آن را قطع کنید.
• قرار گرفتن در فشار بالا سبب جراحت و یا حتی قطع عضو می‌شود. از قرار گرفتن صورت در مقابل لوله‌های انتقال گاز هنگام باز و بسته کردن آن‌ها خودداری شود.
• از محکم کردن لوله‌های انتقال گاز هلیوم هنگام روشن بودن سیستم کمپرسور خودداری شود.
• سوپاپ‌های اطمینان با توجه به ملاحظات فنی سیستم کمپرسور و کلدهد تنظیم شده است، به هیچ وجه آن‌ها تغییر داده نشود.
• اگر فشار کمپرسور از مقدار مجاز (به مشخصات فنی روی بدنه کمپرسور رجوع شود) تجاور کرد و سیستم کمپرسور به صورت خودکار خاموش نشد، سریعاً آن را خاموش کنید.
• کمپرسور را بیش از حد فشار کاری شارژ نکنید (به مشخصات فنی روی بدنه کمپرسور رجوع شود).
• انبساط سریع گاز هلیوم یا نیتروژن در یک محیط بسته سبب خفگی و مرگ می‌شود.
• هنگام استفاده از کپسول هلیوم برای شارژ کمپرسور، بایستی همراه کپسول هلیوم از رگلاتور استاندارد استفاده شود.
• در محل قرار گیری سیستم کمپرسور هلیوم امکان گردش هوا وجود داشته باشد.
• برای کارایی بهتر سیستم کمپرسور ، شارژ آن با هلیوم گرید 5 یا بالاتر انجام گیرد. استفاده از گرید پایین‌تر سبب انجماد گاز‌های دیگر در سرماساز می‌شود.
• موتور کمپرسور هنگام کار کردن گرم می‌شود، برای جلوگیری از سوختگی از تماس با بدنه آن اجتناب کنید. همچنین توجه شود بدنه کمپرسور تا مدتی بعد از خاموش کردن آن گرم می‌ماند.
• به اخطار‌های جعبه برق کمپرسور توجه کنید.
• هنگام کار نباید روی سیستم کمپرسور روکش وجود داشته باشد.
• محل قرار گیری کمپرسور هوا باید عاری از هر نوع گاز خورنده باشد.
• هنگام حمل و نقل کمپرسور، از کج کردن بیش از 15 درجه آن خوداری کنید.
• دمای آب ورودی چرخه خنک سازی کمپرسور نباید بیش از حد مجاز باشد (به مشخصات فنی روی بدنه کمپرسور رجوع شود).
• عدم تطابق چیلر با کمپرسور امکان آسیب دیدگی کمپرسور را به همراه دارد.
• برای شکستن خلأ داخل محفظه، باید شیر فشار شکن به آرامی باز شود.

اشکالات متداول

در این قسمت اشکالات احتمالی، علت اشکال که کاربر با آن‌ها بر خورد می‌کند آمده است.

1- خاطر نشان می شود که دما نبایستی بیش از این مقدار شود. چرا که دمای بالا به ساختار چسب کرایوژنیک آرایه، آسیب              می رساند.

[2] – accommodation coefficient