1. Zasada wyciągu powietrza
Wewnątrz pompy kriogenicznej znajduje się zimna płyta chłodzona do bardzo niskiej temperatury ciekłym helem lub lodówką. Kondensuje gaz i utrzymuje ciśnienie pary kondensatu poniżej ciśnienia końcowego pompy, aby osiągnąć efekt pompowania. Główne funkcje pompowania w niskiej temperaturze to kondensacja w niskiej temperaturze, adsorpcja w niskiej temperaturze i wychwytywanie w niskiej temperaturze.
① Kondensacja w niskiej temperaturze: cząsteczki gazu kondensują na powierzchni zimnej płyty lub na warstwie skondensowanego gazu, a ciśnienie równowagi jest zasadniczo równe ciśnieniu pary kondensatu. Podczas pompowania powietrza temperatura zimnej płyty musi być niższa niż 25 K; podczas pompowania wodoru temperatura zimnej płyty jest niższa. Grubość niskotemperaturowej warstwy kondensacyjnej i ekstrakcyjnej może sięgać około 10 mm.
②Adsorpcja w niskiej temperaturze: Cząsteczki gazu są adsorbowane na powierzchni adsorbentu pokrytego na zimnej płycie o grubości warstwy jednocząsteczkowej (rzędu centymetrów). Ciśnienie równowagi dla adsorpcji jest znacznie niższe niż ciśnienie pary w tej samej temperaturze. Jeśli prężność pary wodoru jest równa ciśnieniu atmosferycznemu w 20K, ciśnienie równowagi adsorpcji jest niższe niż Pa podczas absorbowania wodoru z węglem aktywnym 20K. Umożliwia to wykonanie pompowania przez adsorpcję kriogeniczną w wyższych temperaturach.
③Wychwytywanie kriogeniczne: Cząsteczki gazu, których nie można skondensować w temperaturze ekstrakcji, są zakopywane i adsorbowane przez rosnącą warstwę kondensującego się gazu.
Ogólnie rzecz biorąc, ciśnienie końcowe pompy to ciśnienie pary skroplonego gazu w temperaturze płyty zimnej. Gdy temperatura wynosi 120K, prężność pary wodnej jest już niższa niż Pa. W temperaturze 20K, z wyjątkiem helu, neonu i wodoru, prężności par innych gazów są również niższe niż Pa.
Jednak ze względu na różne temperatury przepompowywanego zbiornika i kriogenicznej płyty zimnej, ciśnienie końcowe pompy jest wyższe niż ciśnienie pary kondensatu. W przypadku naczynia o temperaturze pokojowej, z kriopanelem o temperaturze 20K, ciśnienie końcowe pompy jest około 4 razy większe niż ciśnienie pary kondensatu.
2. Typ
Kriopompy dzielą się na dwa typy: kriopompy z wtryskiem ciekłego helu i kriopompy z zamkniętym obiegiem gazowego helu chłodniczego.
Kriopompa z wtryskiem ciekłego helu
Składa się głównie ze zbiornika ciekłego helu, korpusu pompy i wnęki ciekłego azotu połączonej z przegrodą. W celu zmniejszenia zużycia ciekłego helu, zewnętrzna ścianka zbiornika ciekłego helu przyjmuje dwuwarstwową ścianę izolacji termicznej i jest opróżniana pomiędzy.
Gdy pompa jest wstępnie pompowana do ciśnienia Pa, wtryskiwany jest ciekły azot i ciekły hel, a gaz skrapla się na roboczej płycie zimnej 4,2K. Po wstępnym przepompowaniu ciśnienie cząstkowe helu i wodoru jest rzędu Pa, więc pompa może uzyskać ciśnienie końcowe poniżej Pa. Jeśli zbiornik ciekłego helu zostanie opróżniony i rozprężony do 6650 Pa, temperatura ciekłego helu może zostać zredukowane do 2,3 K i można uzyskać niższe ciśnienie graniczne.
Kriopompka gazowa z helem w obiegu zamkniętym
Jest to nowy typ kriopompki, który pojawił się w latach 70-tych. Ta pompa nie zużywa helu, jest łatwa w obsłudze, łatwa w utrzymaniu i jest coraz częściej stosowana. Czynnikiem chłodniczym lodówki jest gazowy hel, temperatura pierwszego stopnia zimnej płyty wynosi 50-100K, a typowym zastosowaniem jest 65K, który służy do skraplania pary wodnej i wstępnego chłodzenia innych gazów; temperatura drugiego stopnia zimnej płyty wynosi 10-20K, która służy do kondensacji azotu, gazów takich jak tlen i argon.
Wewnętrzna powierzchnia wtórnej zimnej płyty jest pokryta węglem aktywnym. Węgiel aktywny ma silną zdolność adsorpcji helu, neonu i wodoru w niskiej temperaturze. Płyta zimna wykonana jest z miedzi beztlenowej, a jej powierzchnia jest wypolerowana na poziom lustra w celu zmniejszenia emisyjności.
Ciśnienie końcowe pompy to Pa, zakres ciśnienia roboczego to Pa, a ciśnienie wstępnego pompowania powinno wynosić 1 Pa. Szybkość pompowania gotowego produktu osiągnęła 60,000 litrów/sekundę. Ponadto, zgodnie z charakterystyką procesu, płyta zimna do ekstrakcji powietrza może być umieszczona w pompowanym zbiorniku, a szybkość ekstrakcji powietrza może osiągnąć ponad 106 litrów/sekundę.