1. Η αρχή της εξαγωγής αέρα
Στο εσωτερικό του κρυοπαγήματος υπάρχει ένα κρύο πιάτο που ψύχεται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία από υγρό ήλιο ή ψυγείο. Συμπυκνώνει το αέριο και διατηρεί την πίεση ατμού του συμπυκνώματος κάτω από την απόλυτη πίεση της αντλίας, έτσι ώστε να επιτευχθεί το αποτέλεσμα άντλησης. Οι κύριες λειτουργίες της άντλησης χαμηλής θερμοκρασίας είναι η συμπύκνωση χαμηλής θερμοκρασίας, η προσρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας και η καταγραφή χαμηλής θερμοκρασίας.
(1) Συμπύκνωση χαμηλής θερμοκρασίας: τα μόρια αερίου συμπυκνώνονται στην επιφάνεια της κρύας πλάκας ή στο στρώμα συμπυκνωμένου αερίου και η πίεση ισορροπίας είναι βασικά ίση με την πίεση ατμού του συμπυκνώματος. Κατά την άντληση αέρα, η θερμοκρασία της κρύας πλάκας πρέπει να είναι χαμηλότερη από 25K. κατά την άντληση υδρογόνου, η θερμοκρασία της κρύας πλάκας είναι χαμηλότερη. Το πάχος του στρώματος συμπύκνωσης και συμπύκνωσης εκχύλισης χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί να φτάσει περίπου τα 10 mm.
(2)Προσρόφηση χαμηλής θερμοκρασίας: Τα μόρια αερίου προσροφούνται στην επιφάνεια του προσροφητικού που επικαλύπτεται στην κρύα πλάκα με πάχος μονομοριακού στρώματος (με τη σειρά των εκατοστών). Η πίεση ισορροπίας για προσρόφηση είναι πολύ χαμηλότερη από την πίεση ατμού στην ίδια θερμοκρασία. Εάν η πίεση ατμού του υδρογόνου είναι ίση με την ατμοσφαιρική πίεση στους 20K, η πίεση ισορροπίας της προσρόφησης είναι χαμηλότερη από την Pa κατά την απορρόφηση υδρογόνου με ενεργό άνθρακα 20K. Αυτό καθιστά δυνατή την εκτέλεση άντλησης με κρυογενή προσρόφηση σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
(3)Κρυογονική παγίδευση: Τα μόρια αερίου που δεν μπορούν να συμπυκνωθούν στη θερμοκρασία εκχύλισης θάβονται και προσροφώνται από το αυξανόμενο στρώμα συμπυκνωμένου αερίου.
Σε γενικές γραμμές, η τελική πίεση της αντλίας είναι η πίεση ατμού του συμπυκνωμένου αερίου στη θερμοκρασία της κρύας πλάκας. Όταν η θερμοκρασία είναι 120K, η πίεση ατμού του νερού είναι ήδη χαμηλότερη από pa. Σε θερμοκρασία 20K, εκτός από το ήλιο, το νέον και το υδρογόνο, οι πιέσεις ατμών άλλων αερίων είναι επίσης χαμηλότερες από το Pa.
Ωστόσο, λόγω των διαφορετικών θερμοκρασιών του δοχείου άντλησης και της κρυογονικής κρύας πλάκας, η τελική πίεση της αντλίας είναι υψηλότερη από την πίεση ατμού του συμπυκνώματος. Για ένα δοχείο σε θερμοκρασία δωματίου, με κρυοπανέλη 20K, η τελική πίεση της αντλίας είναι περίπου 4 φορές η πίεση ατμού του συμπυκνώματος.
2. Τύπος
Οι κρυοπαγήματα χωρίζονται σε δύο τύπους: κρυοπαγήματα υγρού ηλίου τύπου ένεσης και κρυοπαγήματα ψυγείου ηλίου κλειστού κυκλώματος.
Ένεση υγρού κρυοπαγίου ηλίου
Αποτελείται κυρίως από ένα υγρό δοχείο ηλίου, ένα σώμα αντλίας και μια υγρή κοιλότητα αζώτου που συνδέονται με μια αμηχανία. Προκειμένου να μειωθεί η κατανάλωση υγρού ηλίου, το εξωτερικό τοίχωμα του υγρού δοχείου ηλίου υιοθετεί έναν τοίχο θερμομόνωσης διπλού στρώματος και εκκενώνεται ενδιάμεσα.
Όταν η αντλία προ-αντλείται στην πίεση Pa, εγχέεται υγρό άζωτο και υγρό ήλιο και το αέριο συμπυκνώνεται στην κρύα πλάκα εργασίας των 4,2K. Μετά την προ-άντληση, η μερική πίεση του ηλίου και του υδρογόνου είναι της τάξης του Pa, έτσι ώστε η αντλία να μπορεί να αποκτήσει την απόλυτη πίεση κάτω από το Pa. Εάν το δοχείο υγρού ηλίου εκκενωθεί και αποσυμπιεστεί σε 6650 Pa, η θερμοκρασία του υγρού ηλίου μπορεί να μειωθεί σε 2,3K και μπορεί να επιτευχθεί χαμηλότερη οριακή πίεση.
Κρυοπαγούρι ψυγείου ηλίου κλειστού κύκλου
Είναι ένας νέος τύπος κρυοπαγήματος που εμφανίστηκε τη δεκαετία του 1970. Αυτή η αντλία δεν καταναλώνει ήλιο, είναι εύκολο στη λειτουργία, εύκολο στη συντήρηση και χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο. Το ψυκτικό μέσο του ψυγείου είναι το ήλιο αερίου, η θερμοκρασία της κρύας πλάκας πρώτου σταδίου είναι 50-100K και η τυπική εφαρμογή είναι 65K, η οποία χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση υδρατμών και την προψύξης άλλων αερίων. η θερμοκρασία της κρύας πλάκας δεύτερου σταδίου είναι 10-20K, η οποία χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση αζώτου, αερίων όπως το οξυγόνο και το αργό.
Η εσωτερική επιφάνεια της δευτερεύουσας κρύας πλάκας είναι επικαλυμένη με ενεργό άνθρακα. Ο ενεργός άνθρακας έχει ισχυρή ικανότητα προσρόφησης για ήλιο, νέον και υδρογόνο σε χαμηλή θερμοκρασία. Η κρύα πλάκα είναι κατασκευασμένη από χαλκό χωρίς οξυγόνο και η επιφάνεια γυαλίζεται σε επίπεδο καθρέφτη για τη μείωση της εκπιπτότητας.
Η απόλυτη πίεση της αντλίας είναι Pa, το εύρος πίεσης εργασίας είναι Pa, και η πίεση προ-άντλησης απαιτείται για να είναι 1 Pa. Ο ρυθμός άντλησης του τελικού προϊόντος έχει φτάσει τα 60.000 λίτρα/δευτερόλεπτο. Επιπλέον, σύμφωνα με τα χαρακτηριστικά της διαδικασίας, η κρύα πλάκα εξαγωγής αέρα μπορεί να τακτοποιηθεί στο δοχείο άντλησης και ο ρυθμός εξαγωγής αέρα μπορεί να φτάσει περισσότερο από 106 λίτρα / δευτερόλεπτο.