1. Zásada odsávania vzduchu
Vo vnútri kryopumpy je studená doska ochladená na veľmi nízku teplotu tekutým héliom alebo chladničkou. Kondenzuje plyn a udržuje tlak pary kondenzátu pod konečným tlakom čerpadla, aby sa dosiahol čerpací účinok. Hlavnými funkciami čerpania pri nízkej teplote sú nízkoteplotná kondenzácia, nízkoteplotná adsorpcia a zachytávanie nízkej teploty.
(1) Nízkoteplotná kondenzácia: molekuly plynu kondenzujú na povrchu studenej platne alebo na kondenzovanej vrstve plynu a rovnovážny tlak sa v podstate rovná tlaku pary kondenzátu. Pri čerpaní vzduchu musí byť teplota studenej platne nižšia ako 25K; pri čerpaní vodíka je teplota studenej platne nižšia. Hrúbka nízkoteplotnej kondenzačnej a extrakčnej kondenzačnej vrstvy môže dosiahnuť približne 10 mm.
(2) Nízkoteplotná adsorpcia: Molekuly plynu sa adsorbujú na povrchu adsorbentu potiahnutého na studenej doske hrúbkou monomolekulárnej vrstvy (rádovo v centimetroch). Rovnovážny tlak pre adsorpciu je oveľa nižší ako tlak pary pri rovnakej teplote. Ak sa tlak pár vodíka rovná atmosférickému tlaku pri 20K, rovnovážny tlak adsorpcie je nižší ako Pa pri absorpcii vodíka s aktívnym uhlím 20K. To umožňuje vykonávať čerpanie kryogénnej adsorpcii pri vyšších teplotách.
(3) Kryogénny odchyt: Molekuly plynu, ktoré nemôžu byť kondenzované pri teplote extrakcie, sú pochované a adsorbované rastúcou vrstvou kondenzovateľného plynu.
Všeobecne povedané, konečným tlakom čerpadla je tlak pary kondenzovaného plynu pri teplote studenej platne. Keď je teplota 120K, tlak pary vody je už nižší ako Pa. Pri teplote 20K, s výnimkou hélia, neónu a vodíka, sú parné tlaky iných plynov tiež nižšie ako Pa.
Avšak vzhľadom na rôzne teploty čerpacej nádoby a kryogénnej studenej dosky je konečný tlak čerpadla vyšší ako tlak pary kondenzátu. Pre nádobu pri izbovej teplote s kryopanelom 20K je konečný tlak čerpadla asi 4-násobok tlaku pary kondenzátu.
2. Typ
Kryopumpsy sú rozdelené do dvoch typov: kvapalné kryopumpy hélia typu vstrekovania a kryopumps chladničky s plynovým héliom s uzavretým okruhom.
Vstrekovacia kvapalná kryopumpa hélia
Skladá sa hlavne z nádoby na kvapalné hélium, telesa čerpadla a dutiny tekutého dusíka spojenej s baffle. Aby sa znížila spotreba kvapalného hélia, vonkajšia stena nádoby na kvapalné hélium prijíma dvojvrstvovú tepelnoizolačnú stenu a medzi tým sa evakuuje.
Keď je čerpadlo predčerpané na tlak Pa, vstrekne sa kvapalný dusík a kvapalné hélium a plyn kondenzuje na pracovnej studenej doske 4,2K. Po predbežnom čerpaní je čiastočný tlak hélia a vodíka rádovo Pa, takže čerpadlo môže získať konečný tlak pod Pa. Ak je nádoba na kvapalné hélium evakuovaná a dekomprimovaná na 6650 Pa, teplota kvapalného hélia sa môže znížiť na 2,3K a je možné získať nižší limitný tlak.
Kryopumpa chladničky s plynným héliom s uzavretým cyklom
Ide o nový typ kryopumpy, ktorý sa objavil v 70. rokoch minulého storočia. Toto čerpadlo nespotrebováva hélium, ľahko sa ovláda, ľahko sa udržiava a čoraz viac sa používa. Chladiacim médiom chladničky je plynové hélium, teplota studenej platne prvého stupňa je 50-100K a typická aplikácia je 65K, ktorá sa používa na kondenzáciu vodnej pary a predbežné chladenie iných plynov; teplota studenej platne druhého stupňa je 10-20K, ktorá sa používa na kondenzáciu dusíka, plynov, ako je kyslík a argón.
Vnútorný povrch sekundárnej studenej dosky je potiahnutý aktívnym uhlím. Aktívne uhlie má silnú adsorpčnú kapacitu pre hélium, neón a vodík pri nízkej teplote. Studená doska je vyrobená z medi bez kyslíka a povrch je leštený na úroveň zrkadla, aby sa znížila emisivita.
Konečný tlak čerpadla je Pa, rozsah pracovného tlaku je Pa a predčerpávací tlak musí byť 1 Pa. Rýchlosť čerpania hotového výrobku dosiahla 60 000 litrov za sekundu. Okrem toho, podľa charakteristík procesu, môže byť do čerpacej nádoby usporiadaná studená doska odsávacieho vzduchu a rýchlosť extrakcie vzduchu môže dosiahnuť viac ako 106 litrov za sekundu.