1. Het principe van luchtafzuiging
In de cryopomp bevindt zich een koude plaat die door vloeibaar helium of een koelkast tot een zeer lage temperatuur wordt gekoeld. Het condenseert het gas en houdt de dampdruk van het condensaat onder de uiteindelijke druk van de pomp, om zo het pompeffect te bereiken. De belangrijkste functies van pompen bij lage temperatuur zijn condensatie bij lage temperatuur, adsorptie bij lage temperatuur en opvang bij lage temperatuur.
① Condensatie bij lage temperatuur: gasmoleculen condenseren op het oppervlak van de koude plaat of op de gecondenseerde gaslaag en de evenwichtsdruk is in principe gelijk aan de dampdruk van het condensaat. Bij het pompen van lucht moet de temperatuur van de koude plaat lager zijn dan 25K; bij het verpompen van waterstof is de temperatuur van de koude plaat lager. De dikte van de condensatie- en extractiecondensatielaag bij lage temperatuur kan ongeveer 10 mm bedragen.
②Adsorptie bij lage temperatuur: de gasmoleculen worden geadsorbeerd op het oppervlak van het adsorbens dat op de koude plaat is gecoat met een dikte van een monomoleculaire laag (in de orde van centimeters). De evenwichtsdruk voor adsorptie is veel lager dan de dampdruk bij dezelfde temperatuur. Als de dampdruk van waterstof gelijk is aan de atmosferische druk bij 20K, is de evenwichtsdruk van adsorptie lager dan Pa bij absorptie van waterstof met 20K actieve kool. Dit maakt het mogelijk om bij hogere temperaturen te pompen door middel van cryogene adsorptie.
③Cryogene trapping: Gasmoleculen die bij de extractietemperatuur niet kunnen worden gecondenseerd, worden begraven en geadsorbeerd door de groeiende laag condenseerbaar gas.
Over het algemeen is de uiteindelijke druk van de pomp de dampdruk van het gecondenseerde gas bij de temperatuur van de koude plaat. Als de temperatuur 120K is, is de dampdruk van water al lager dan Pa. Bij een temperatuur van 20K, behalve helium, neon en waterstof, zijn de dampdrukken van andere gassen ook lager dan Pa.
Door de verschillende temperaturen van de verpompte container en de cryogene koude plaat is de uiteindelijke druk van de pomp echter hoger dan de dampdruk van het condensaat. Voor een vat op kamertemperatuur, met een cryopaneel van 20K, is de uiteindelijke druk van de pomp ongeveer 4 keer de dampdruk van het condensaat.
2. Typ
Cryopompen zijn onderverdeeld in twee typen: vloeibare helium-cryopompen van het injectietype en cryopompen met gesloten circuit van gas-heliumkoelkasten.
Injectie vloeibare helium cryopomp
Het bestaat hoofdzakelijk uit een vloeistof-heliumcontainer, een pomplichaam en een vloeibare stikstofholte die met een keerschot wordt verbonden. Om het verbruik van vloeibaar helium te verminderen, neemt de buitenwand van de container met vloeibaar helium een dubbellaagse thermische isolatiewand aan en wordt daartussen geëvacueerd.
Wanneer de pomp wordt voorgepompt tot Pa-druk, worden vloeibare stikstof en vloeibaar helium geïnjecteerd en condenseert het gas op de werkende koude plaat van 4,2K. Na het voorpompen is de partiële druk van helium en waterstof in de orde van Pa, zodat de pomp de uiteindelijke druk onder Pa kan bereiken. Als de container met vloeibaar helium wordt geëvacueerd en gedecomprimeerd tot 6650 Pa, kan de temperatuur van het vloeibare helium worden teruggebracht tot 2,3K, en een ondergrensdruk kan worden verkregen.
Gesloten cyclus gas helium koelkast cryopomp
Het is een nieuw type cryopomp dat in de jaren 70 verscheen. Deze pomp verbruikt geen helium, is eenvoudig te bedienen, onderhoudsvriendelijk en wordt steeds vaker gebruikt. Het koelmedium van de koelkast is gashelium, de temperatuur van de koude plaat van de eerste fase is 50-100K, en de typische toepassing is 65K, die wordt gebruikt om waterdamp te condenseren en andere gassen voor te koelen; de temperatuur van de koude plaat van de tweede trap is 10-20K, die wordt gebruikt om stikstof, gassen zoals zuurstof en argon te condenseren.
Het binnenoppervlak van de secundaire koude plaat is bedekt met actieve kool. Actieve kool heeft een sterk adsorptievermogen voor helium, neon en waterstof bij lage temperatuur. De koude plaat is gemaakt van zuurstofvrij koper en het oppervlak is spiegelglad gepolijst om de emissiviteit te verminderen.
De uiteindelijke druk van de pomp is Pa, het werkdrukbereik is Pa en de voorpompdruk moet 1 Pa zijn. De pompsnelheid van het eindproduct heeft 60,000 liter/seconde bereikt. Bovendien kan, volgens de kenmerken van het proces, de koude plaat voor luchtextractie in de verpompte container worden geplaatst en kan de luchtafvoersnelheid meer dan 106 liter per seconde bereiken.