1. Gaisa nosūkšanas princips
Kriosūkņa iekšpusē ir auksta plāksne, kas atdzesēta līdz ļoti zemai temperatūrai ar šķidru hēliju vai ledusskapi. Tas kondensē gāzi un uztur kondensāta tvaika spiedienu zem sūkņa maksimālā spiediena, lai panāktu sūknēšanas efektu. Zemas temperatūras sūknēšanas galvenās funkcijas ir zemas temperatūras kondensācija, zemas temperatūras adsorbcija un zemas temperatūras uztveršana.
① Zemas temperatūras kondensācija: gāzes molekulas kondensējas uz aukstās plāksnes virsmas vai uz kondensētās gāzes slāņa, un līdzsvara spiediens būtībā ir vienāds ar kondensāta tvaika spiedienu. Sūknējot gaisu, aukstās plāksnes temperatūrai jābūt zemākai par 25K; sūknējot ūdeņradi, aukstās plāksnes temperatūra ir zemāka. Zemas temperatūras kondensācijas un ekstrakcijas kondensācijas slāņa biezums var sasniegt aptuveni 10 mm.
②Zemas temperatūras adsorbcija: gāzes molekulas tiek adsorbētas uz adsorbenta virsmas, kas pārklāta uz aukstās plāksnes ar monomolekulāra slāņa biezumu (centimetru secībā). Adsorbcijas līdzsvara spiediens ir daudz zemāks par tvaika spiedienu tajā pašā temperatūrā. Ja ūdeņraža tvaika spiediens ir vienāds ar atmosfēras spiedienu 20K temperatūrā, adsorbcijas līdzsvara spiediens ir zemāks par Pa, absorbējot ūdeņradi ar 20K aktivēto ogli. Tas dod iespēju veikt sūknēšanu ar kriogēno adsorbciju augstākās temperatūrās.
③ Kriogēnā slazdošana: Gāzes molekulas, kuras nevar kondensēties ekstrakcijas temperatūrā, tiek apraktas un adsorbētas augošajā kondensējamās gāzes slānī.
Vispārīgi runājot, sūkņa maksimālais spiediens ir kondensētās gāzes tvaika spiediens aukstās plāksnes temperatūrā. Kad temperatūra ir 120K, ūdens tvaika spiediens jau ir zemāks par Pa. 20K temperatūrā, izņemot hēliju, neonu un ūdeņradi, arī citu gāzu tvaika spiediens ir zemāks par Pa.
Tomēr sūknētās tvertnes un kriogēnās aukstās plāksnes atšķirīgo temperatūru dēļ sūkņa maksimālais spiediens ir augstāks par kondensāta tvaika spiedienu. Tvertnei istabas temperatūrā ar 20K kriopaneli sūkņa maksimālais spiediens ir apmēram 4 reizes lielāks par kondensāta tvaika spiedienu.
2. Tips
Kriosūkņus iedala divos veidos: iesmidzināšanas tipa šķidrā hēlija kriosūkņi un slēgtās ķēdes gāzes hēlija ledusskapju kriosūkņi.
Šķidruma hēlija krio sūknis injekcijas veidā
Tas galvenokārt sastāv no šķidrā hēlija tvertnes, sūkņa korpusa un šķidrā slāpekļa dobuma, kas savienots ar deflektoru. Lai samazinātu šķidrā hēlija patēriņu, šķidrā hēlija tvertnes ārējā siena izmanto divslāņu siltumizolācijas sienu un tiek evakuēta starp tām.
Kad sūknis tiek iepriekš sūknēts līdz Pa spiedienam, tiek ievadīts šķidrais slāpeklis un šķidrais hēlijs, un gāze kondensējas uz darba aukstās plāksnes 4,2 K. Pēc iepriekšējas sūknēšanas hēlija un ūdeņraža daļējais spiediens ir Pa secībā, tāpēc sūknis var iegūt maksimālo spiedienu zem Pa. Ja šķidrā hēlija tvertni iztukšo un samazina līdz 6650 Pa, šķidrā hēlija temperatūra var sasniegt samazināt līdz 2,3K, un var iegūt zemāku robežspiedienu.
Slēgta cikla gāzes hēlija ledusskapja krio sūknis
Tas ir jauna veida kriosūknis, kas parādījās pagājušā gadsimta 70. gados. Šis sūknis nepatērē hēliju, ir viegli darbināms, viegli kopjams un tiek izmantots arvien vairāk. Ledusskapja dzesēšanas vide ir gāzes hēlijs, pirmās pakāpes aukstuma plāksnes temperatūra ir 50-100K, un tipiskais pielietojums ir 65 K, ko izmanto ūdens tvaiku kondensēšanai un citu gāzu iepriekšējai atdzesēšanai; otrās pakāpes aukstās plāksnes temperatūra ir 10-20K, ko izmanto slāpekļa, gāzu, piemēram, skābekļa un argona, kondensēšanai.
Sekundārās aukstuma plāksnes iekšējā virsma ir pārklāta ar aktivēto ogli. Aktivētajai oglei ir spēcīga hēlija, neona un ūdeņraža adsorbcijas spēja zemā temperatūrā. Aukstā plāksne ir izgatavota no vara, kas nesatur skābekli, un virsma ir pulēta līdz spoguļa līmenim, lai samazinātu emisijas spēju.
Sūkņa maksimālais spiediens ir Pa, darba spiediena diapazons ir Pa, un pirmssūknēšanas spiedienam ir jābūt 1 Pa. Gatavā produkta sūknēšanas ātrums ir sasniedzis 60,000 litrus sekundē. Turklāt saskaņā ar procesa īpašībām gaisa izsūknēšanas aukstuma plāksni var novietot sūknētajā tvertnē, un gaisa ekstrakcijas ātrums var sasniegt vairāk nekā 106 litrus sekundē.