En kryopumpe er en vakuumpumpe som bruker en lavtemperaturoverflate for å kondensere gass, også kjent som en kondensatpumpe. Kryopumpen er vakuumpumpen med det laveste slutttrykket og den høyeste pumpehastigheten for å oppnå et rent vakuum. Det er mye brukt i forskning og produksjon av halvledere og integrerte kretser, samt molekylær stråleforskning, vakuumbeleggutstyr, vakuumoverflateanalyseinstrumenter, ioneimplantater og romsimuleringer. enheter, etc.
Pumpeprinsippet er utstyrt med en kald plate avkjølt til svært lav temperatur med flytende helium eller et kjøleskap i kryopumpen. Den kondenserer gassen og holder damptrykket til kondensatet under det endelige trykket til pumpen, for å oppnå pumpeeffekten. Hovedfunksjonene til lavtemperaturpumping er lavtemperaturkondensering, lavtemperaturadsorpsjon og lavtemperaturfangst.
①Lavtemperaturkondensering: gassmolekyler kondenseres på overflaten av den kalde platen eller på det kondenserte gasslaget, og likevektstrykket er i utgangspunktet lik damptrykket til kondensatet. Ved pumping av luft må temperaturen på den kalde platen være lavere enn 25K; ved pumping av hydrogen er temperaturen på den kalde platen lavere. Tykkelsen på lavtemperaturkondensasjon og ekstraksjonskondensasjonslag kan nå ca. 10 mm.
②Lavtemperaturadsorpsjon: Gassmolekylene adsorberes på overflaten av adsorbenten som er belagt på den kalde platen med en tykkelse på et monomolekylært lag (10-8 cm orden). Likevektstrykket for adsorpsjon er mye lavere enn damptrykket ved samme temperatur. For eksempel er damptrykket til hydrogen ved 20K lik atmosfærisk trykk, og adsorpsjonslikevektstrykket er lavere enn 10-8 Pa når 20K aktivt karbon absorberer hydrogen. Dette gjør det mulig å utføre pumping ved kryogen adsorpsjon ved høyere temperaturer.
③ Kryogenisk fangst: Gassmolekyler som ikke kan kondenseres ved ekstraksjonstemperaturen, begraves og adsorberes av det voksende laget av kondenserbar gass.
Generelt sett er det endelige trykket til pumpen damptrykket til den kondenserte gassen ved temperaturen til den kalde platen. Når temperaturen er 120K, er damptrykket til vann allerede lavere enn 10-8 Pa. Når temperaturen er 20K, bortsett fra helium, neon og hydrogen, er damptrykket til andre gasser også lavere enn {{3} } Pa. Men på grunn av de forskjellige temperaturene til den pumpede beholderen og den kryogene kalde platen, er det endelige trykket til pumpen høyere enn damptrykket til kondensatet. For et kar ved romtemperatur, med et kryopanel på 20K, er det endelige trykket til pumpen omtrent 4 ganger damptrykket til kondensatet.
Type kryopumper er delt inn i to typer: injeksjonsvæske helium kryopumper og lukket krets gass helium kjøleskap kryopumper.
①Injisert flytende helium kryopumpe: Den består hovedsakelig av en flytende heliumbeholder, en pumpekropp og et flytende nitrogenhulrom koblet til en ledeplate. For å redusere forbruket av flytende helium, vedtar ytterveggen til flytende heliumbeholderen en dobbeltlags termisk isolasjonsvegg og evakueres i mellom.
Når pumpen er forhåndspumpet til et trykk på 10-6 Pa, helles flytende nitrogen og flytende helium inn i den, og gassen kondenserer på den fungerende kalde platen på 4,2K. Etter forpumping er partialtrykket for helium og hydrogen i størrelsesorden 10-12 Pa, slik at pumpen kan oppnå det endelige trykket under 10-11 Pa. Hvis den flytende heliumbeholderen evakueres og dekomprimeres til 6650 Pa, kan temperaturen på det flytende helium reduseres til 2,3K, og et nedre grensetrykk kan oppnås.
② Kryogen pumpe av gassheliumkjøleskap med lukket krets: Det er en ny type kryogen pumpe som dukket opp på 1970-tallet (bildet). Denne pumpen bruker ikke helium, er enkel å betjene, lett å vedlikeholde og blir stadig mer brukt. Kjøleskapets kjølemedium er gasshelium, temperaturen på den primære kaldplaten er 50-100K, som brukes til å kondensere vanndamp og forhåndskjøle andre gasser; temperaturen på den sekundære kalde platen er 10-20K, som brukes til å kondensere nitrogen, oksygen og argon og andre gasser.
Den indre overflaten av den sekundære kalde platen er belagt med aktivt kull. Det spesifikke overflatearealet til aktivert karbon er 500-2500 m2/g, og det har sterk adsorpsjonskapasitet for helium, neon og hydrogen ved lav temperatur. Den kalde platen er laget av oksygenfritt kobber, og overflaten er polert til speilnivå for å redusere emissiviteten. Det endelige trykket til pumpen er 10-7 ~ 10-8 Pa, arbeidstrykkområdet er 10-1 ~ 10-7 Pa, og forpumpingstrykket må være 1 Pa .
Pumpehastigheten til det ferdige produktet har nådd 60,000 liter/sekund (1 liter=10-3 m3). I tillegg, i henhold til egenskapene til prosessen, kan luftekstraksjonskaldplaten ordnes i den pumpede beholderen, og luftutvinningshastigheten kan nå mer enn 106 liter/sekund.
Lav varmebelastning Oljepumpens varmebelastning er hovedsakelig kondensasjonsvarmen til gassen og strålingsvarmen fra den omkringliggende veggen som vender mot den fungerende kaldplaten. Kondensasjonsvarmen er relatert til typen gass. For nitrogen ved 80K og 133.322 Pa liter, er kondensasjonsvarmen på en 20K kald plate 0.3-0,6 joule.
Strålevarmen mottatt av den fungerende kaldplaten er proporsjonal med forskjellen mellom den fjerde potensen av temperaturen til det omgivende veggpanelet og temperaturen til den fungerende kaldplaten. Derfor er 4,2K og 20K arbeidende kalde plater skjermet med 50-100K kalde plater for å redusere strålingsvarmen som mottas av de fungerende kalde platene.