1. Princip odsisavanja zraka
Unutar kriopumpe je hladna ploča koja se hladi na vrlo nisku temperaturu tekućim helijem ili hladnjakom. Kondenzira plin i održava tlak pare kondenzata ispod krajnjeg tlaka pumpe, kako bi se postigao učinak pumpanja. Glavne funkcije niskotemperaturnog crpljenja su niskotemperaturna kondenzacija, niskotemperaturna adsorpcija i hvatanje niske temperature.
① Niskotemperaturna kondenzacija: molekule plina kondenziraju se na površini hladne ploče ili na sloju kondenziranog plina, a ravnotežni tlak je u osnovi jednak tlaku pare kondenzata. Prilikom pumpanja zraka temperatura hladne ploče mora biti niža od 25K; pri pumpanju vodika temperatura hladne ploče je niža. Debljina niskotemperaturnog kondenzacijskog i ekstrakcijskog kondenzacijskog sloja može doseći oko 10 mm.
②Adsorpcija na niskim temperaturama: Molekule plina se adsorbiraju na površini adsorbenta obloženom na hladnoj ploči s debljinom monomolekularnog sloja (reda centimetara). Ravnotežni tlak za adsorpciju je mnogo niži od tlaka pare na istoj temperaturi. Ako je tlak pare vodika jednak atmosferskom tlaku na 20K, ravnotežni tlak adsorpcije je niži od Pa kada se vodik apsorbira s 20K aktivnim ugljenom. To omogućuje izvođenje crpljenja kriogenom adsorpcijom na višim temperaturama.
③Kriogeno zarobljavanje: Molekule plina koje se ne mogu kondenzirati na temperaturi ekstrakcije su zakopane i adsorbirane rastućim slojem kondenziranog plina.
Općenito govoreći, krajnji tlak pumpe je tlak pare kondenziranog plina na temperaturi hladne ploče. Kada je temperatura 120K, tlak pare vode je već niži od Pa. Na temperaturi od 20K, osim helija, neona i vodika, tlakovi pare ostalih plinova također su niži od Pa.
Međutim, zbog različitih temperatura pumpanog spremnika i kriogene hladne ploče, krajnji tlak crpke je veći od tlaka pare kondenzata. Za posudu na sobnoj temperaturi, s kriopanelom od 20K, krajnji tlak pumpe je oko 4 puta veći od tlaka pare kondenzata.
2. Vrsta
Kriopumpe se dijele u dvije vrste: kriopumpe s tekućim helijem za ubrizgavanje i kriopumpe za hladnjak s helijevim plinom zatvorenog kruga.
Kriopumpa za ubrizgavanje tekućeg helija
Uglavnom se sastoji od spremnika za tekući helij, tijela pumpe i šupljine s tekućim dušikom povezane s pregradom. Kako bi se smanjila potrošnja tekućeg helija, vanjska stijenka spremnika za tekući helij ima dvoslojnu toplinsku izolacijsku stijenku i evakuira se između.
Kada se pumpa prethodno pumpa na tlak Pa, ubrizgavaju se tekući dušik i tekući helij, a plin se kondenzira na radnoj hladnoj ploči od 4,2K. Nakon prethodnog pumpanja, parcijalni tlak helija i vodika je reda Pa, tako da crpka može postići krajnji tlak ispod Pa. Ako se spremnik s tekućim helijem evakuira i dekomprimira na 6650 Pa, temperatura tekućeg helija može smanjiti na 2,3K, a može se postići niži granični tlak.
Kriopumpa za hladnjak s helijevim plinom zatvorenog ciklusa
Riječ je o novom tipu kriopumpe koja se pojavila 1970-ih. Ova pumpa ne troši helij, jednostavna je za rukovanje, laka za održavanje i sve se više koristi. Rashladni medij hladnjaka je plinski helij, temperatura prve faze hladne ploče je 50-100K, a tipična primjena je 65K, koja se koristi za kondenzaciju vodene pare i prethodno hlađenje drugih plinova; temperatura hladne ploče drugog stupnja je 10-20K, koja se koristi za kondenzaciju dušika, plinova kao što su kisik i argon.
Unutarnja površina sekundarne hladne ploče obložena je aktivnim ugljenom. Aktivni ugljen ima jaku sposobnost adsorpcije helija, neona i vodika pri niskoj temperaturi. Hladna ploča je izrađena od bakra bez kisika, a površina je polirana do razine zrcala kako bi se smanjila emisivnost.
Krajnji tlak crpke je Pa, raspon radnog tlaka je Pa, a tlak prije crpljenja treba biti 1 Pa. Brzina crpljenja gotovog proizvoda dosegla je 60,000 litara/sekundi. Osim toga, prema karakteristikama procesa, hladna ploča za ekstrakciju zraka može se postaviti u pumpni spremnik, a brzina ekstrakcije zraka može doseći više od 106 litara/sekundi.