Kryopumpa je vákuová pumpa, ktorá využíva nízkoteplotný povrch na kondenzáciu plynu, tiež známa ako pumpa na kondenzát. Kryopumpa je vákuová pumpa s najnižším konečným tlakom a najvyššou rýchlosťou čerpania na získanie čistého vákua. Široko sa používa pri výskume a výrobe polovodičov a integrovaných obvodov, ako aj pri výskume molekulárnych lúčov, vákuových poťahovacích zariadení, prístrojov na vákuovú povrchovú analýzu, iónových implantátorov a vesmírnych simulácií. zariadenia atď.
Princíp čerpania je vybavený studenou doskou chladenou na veľmi nízku teplotu tekutým héliom alebo chladničkou v kryopumpe. Kondenzuje plyn a udržuje tlak pary kondenzátu pod konečným tlakom čerpadla, aby sa dosiahol čerpací efekt. Hlavnými funkciami nízkoteplotného čerpania sú nízkoteplotná kondenzácia, nízkoteplotná adsorpcia a nízkoteplotné zachytávanie.
① Kondenzácia pri nízkej teplote: molekuly plynu kondenzujú na povrchu studenej platne alebo na vrstve kondenzovaného plynu a rovnovážny tlak sa v podstate rovná tlaku pary kondenzátu. Pri čerpaní vzduchu musí byť teplota chladiacej dosky nižšia ako 25 K; pri čerpaní vodíka je teplota studenej platne nižšia. Hrúbka nízkoteplotnej kondenzačnej a extrakčnej kondenzačnej vrstvy môže dosiahnuť cca 10 mm.
②Nízkoteplotná adsorpcia: Molekuly plynu sú adsorbované na povrchu adsorbentu potiahnutého na studenej platni s hrúbkou monomolekulovej vrstvy (rad 10-8 cm). Rovnovážny tlak pre adsorpciu je oveľa nižší ako tlak pár pri rovnakej teplote. Napríklad tlak pár vodíka pri 20 K sa rovná atmosférickému tlaku a adsorpčný rovnovážny tlak je nižší ako 10-8 Pa, keď 20K aktívne uhlie absorbuje vodík. To umožňuje vykonávať čerpanie kryogénnou adsorpciou pri vyšších teplotách.
③Kryogénne zachytávanie: Molekuly plynu, ktoré nemôžu byť kondenzované pri extrakčnej teplote, sú pochované a adsorbované rastúcou vrstvou kondenzovateľného plynu.
Všeobecne povedané, konečný tlak čerpadla je tlak pár kondenzovaného plynu pri teplote studenej dosky. Keď je teplota 120 K, tlak pár vody je už nižší ako 10-8 Pa. Keď je teplota 20 K, okrem hélia, neónu a vodíka je tlak pár aj iných plynov nižší ako {{3} } Pa. Avšak v dôsledku rôznych teplôt čerpanej nádoby a kryogénnej studenej dosky je konečný tlak čerpadla vyšší ako tlak pár kondenzátu. Pre nádobu pri izbovej teplote s kryopanelom 20 K je konečný tlak čerpadla približne 4-násobok tlaku pár kondenzátu.
Typové kryopumpy sa delia na dva typy: vstrekovacie tekuté héliové kryopumpy a plynové héliové chladiace kryopumpy s uzavretým okruhom.
① Kryopumpa s tekutým héliom so vstrekovaním: Skladá sa hlavne z nádoby s tekutým héliom, telesa čerpadla a dutiny pre tekutý dusík pripojenej k prepážke. Aby sa znížila spotreba tekutého hélia, vonkajšia stena nádoby na tekuté hélium má dvojvrstvovú tepelnoizolačnú stenu a medzi nimi je evakuovaná.
Keď sa čerpadlo predčerpá na tlak 10-6 Pa, naleje sa doň tekutý dusík a tekuté hélium a plyn kondenzuje na pracovnej studenej doske s teplotou 4,2 K. Po predbežnom prečerpaní je parciálny tlak hélia a vodíka rádovo 10-12 Pa, takže čerpadlo môže dosiahnuť konečný tlak nižší ako 10-11 Pa. Ak sa nádoba s tekutým héliom evakuuje a dekomprimuje na 6650 Pa, možno teplotu kvapalného hélia znížiť na 2,3 K a dosiahnuť nižší limitný tlak.
②Kryogénne čerpadlo plynovej héliovej chladničky s uzavretým okruhom: Je to nový typ kryogénneho čerpadla, ktoré sa objavilo v 70. rokoch 20. storočia (na obrázku). Toto čerpadlo nespotrebováva hélium, je ľahko ovládateľné, nenáročné na údržbu a čoraz častejšie sa používa. Chladiacim médiom chladničky je plynové hélium, teplota primárnej studenej platne je 50-100K, ktorá sa používa na kondenzáciu vodnej pary a predchladenie iných plynov; teplota sekundárnej studenej platne je 10-20K, ktorá sa používa na kondenzáciu dusíka, kyslíka a argónu a iných plynov.
Vnútorný povrch sekundárnej studenej dosky je potiahnutý aktívnym uhlím. Špecifický povrch aktívneho uhlia je 500-2500 m2/g a má silnú adsorpčnú kapacitu pre hélium, neón a vodík pri nízkej teplote. Studená platňa je vyrobená z medi bez obsahu kyslíka a povrch je vyleštený do zrkadlovej úrovne, aby sa znížila emisivita. Konečný tlak čerpadla je 10-7 ~ 10-8 Pa, rozsah pracovného tlaku je 10-1 ~ 10-7 Pa a tlak pred čerpaním musí byť 1 Pa .
Rýchlosť čerpania hotového produktu dosiahla 60,000 litrov za sekundu (1 liter=10-3 m3). Okrem toho podľa charakteristík procesu môže byť chladiaca doska na extrakciu vzduchu umiestnená v čerpacej nádobe a rýchlosť extrakcie vzduchu môže dosiahnuť viac ako 106 litrov za sekundu.
Nízka tepelná záťaž Tepelnou záťažou olejového čerpadla je najmä kondenzačné teplo plynu a sálavé teplo okolitej steny smerujúcej k pracovnej studenej doske. Kondenzačné teplo súvisí s druhom plynu. Pre dusík pri 80K a 133,322 Pa litroch je kondenzačné teplo na 20K studenej platni 0.3-0,6 joulov.
Sálavé teplo prijímané pracovnou studenou platňou je úmerné rozdielu medzi 4. mocninou teploty okolitého stenového panelu a teplotou pracovnej studenej platne. Preto sú 4,2K a 20K pracovné studené platne tienené 50-100K studenými platňami, aby sa znížilo sálavé teplo prijímané pracovnými studenými platňami.