المضخة المبردة هي مضخة تفريغ تستخدم سطحًا بدرجة حرارة منخفضة لتكثيف الغاز ، وتُعرف أيضًا بمضخة التكثيف. المضخة المبردة هي مضخة التفريغ بأقل ضغط نهائي وأعلى معدل ضخ للحصول على فراغ نظيف. يستخدم على نطاق واسع في البحث والإنتاج لأشباه الموصلات والدوائر المتكاملة ، وكذلك أبحاث الحزمة الجزيئية ، ومعدات الطلاء بالفراغ ، وأدوات تحليل سطح الفراغ ، وغرسات الأيونات ومحاكاة الفضاء. الأجهزة ، إلخ.
تم تجهيز مبدأ الضخ بصفيحة باردة مبردة إلى درجة حرارة منخفضة جدًا بواسطة الهيليوم السائل أو ثلاجة في المبرد. إنه يكثف الغاز ويحافظ على ضغط بخار المكثف تحت الضغط النهائي للمضخة ، وذلك لتحقيق تأثير الضخ. تتمثل الوظائف الرئيسية للضخ في درجات الحرارة المنخفضة في التكثيف بدرجة حرارة منخفضة ، والامتصاص بدرجة حرارة منخفضة ، والتقاط درجة حرارة منخفضة.
① تكثيف منخفض لدرجة الحرارة: تتكثف جزيئات الغاز على سطح الصفيحة الباردة أو على طبقة الغاز المكثف ، وضغط التوازن يساوي في الأساس ضغط بخار المكثف. عند ضخ الهواء ، يجب أن تكون درجة حرارة اللوح البارد أقل من 25 كلفن ؛ عند ضخ الهيدروجين ، تكون درجة حرارة الصفيحة الباردة أقل. يمكن أن يصل سمك طبقة التكثيف ذات درجة الحرارة المنخفضة واستخلاص التكثيف إلى حوالي 10 مم.
② الامتزاز بدرجة حرارة منخفضة: يتم امتصاص جزيئات الغاز على سطح المادة الماصة المطلية على الصفيحة الباردة بسمك طبقة أحادية الجزيء (ترتيب 10-8 سم). ضغط التوازن للامتصاص أقل بكثير من ضغط البخار عند نفس درجة الحرارة. على سبيل المثال ، ضغط بخار الهيدروجين عند 20K يساوي الضغط الجوي ، وضغط توازن الامتزاز أقل من 10-8 Pa عندما يمتص الكربون المنشط 20K الهيدروجين. هذا يجعل من الممكن إجراء الضخ عن طريق الامتزاز المبرد في درجات حرارة أعلى.
③ الاصطياد المبرد: يتم دفن جزيئات الغاز التي لا يمكن تكثيفها عند درجة حرارة الاستخراج وامتصاصها بواسطة الطبقة المتنامية من الغاز القابل للتكثيف.
بشكل عام ، الضغط النهائي للمضخة هو ضغط بخار الغاز المكثف عند درجة حرارة اللوح البارد. عندما تكون درجة الحرارة 120 كلفن ، يكون ضغط بخار الماء أقل من 10-8 باسكال. عندما تكون درجة الحرارة 20 كلفن ، باستثناء الهيليوم والنيون والهيدروجين ، يكون ضغط بخار الغازات الأخرى أيضًا أقل من {{3} } Pa. ومع ذلك ، نظرًا لاختلاف درجات حرارة الحاوية التي يتم ضخها ولوحة التبريد المبردة ، يكون الضغط النهائي للمضخة أعلى من ضغط بخار المكثف. بالنسبة لسفينة في درجة حرارة الغرفة ، مع لوح تبريد 20 كلفن ، يكون الضغط النهائي للمضخة حوالي 4 أضعاف ضغط بخار المكثف.
تنقسم المضخات المبردة من النوع إلى نوعين: مضخات التبريد بالهيليوم السائل بالحقن والمضخات المبردة للثلاجة بغاز الهليوم ذات الدائرة المغلقة.
مضخة تبريد بالهيليوم السائل المحقون: تتكون بشكل أساسي من حاوية الهيليوم السائل وجسم المضخة وتجويف النيتروجين السائل المتصل بحاجز. من أجل تقليل استهلاك الهليوم السائل ، يتبنى الجدار الخارجي لحاوية الهيليوم السائل جدارًا عازلًا حراريًا مزدوج الطبقة ويتم تفريغه بينهما.
عندما يتم ضخ المضخة مسبقًا إلى ضغط 10-6 باسكال ، يتم سكب النيتروجين السائل والهيليوم السائل فيها ، ويتكثف الغاز على اللوحة الباردة العاملة بمقدار 4.2 كلفن. بعد الضخ المسبق ، يكون الضغط الجزئي للهليوم والهيدروجين في حدود 10-12 باسكال ، لذلك يمكن للمضخة الحصول على الضغط النهائي أقل من 10-11 باسكال. إذا تم إخلاء حاوية الهيليوم السائل وفك ضغطها إلى 6650 باسكال ، يمكن تقليل درجة حرارة الهيليوم السائل إلى 2.3 كلفن ، ويمكن الحصول على ضغط حد أدنى.
المضخة المبردة لثلاجة الهيليوم الغازية ذات الدائرة المغلقة: إنها نوع جديد من المضخات المبردة ظهرت في السبعينيات (في الصورة). هذه المضخة لا تستهلك الهيليوم ، وهي سهلة التشغيل ، وسهلة الصيانة ، وتستخدم بشكل متزايد. وسيط التبريد في الثلاجة هو غاز الهيليوم ، ودرجة حرارة اللوح البارد الأساسي هي 50-100 كلفن ، والتي تُستخدم لتكثيف بخار الماء والتبريد المسبق للغازات الأخرى ؛ درجة حرارة الصفيحة الباردة الثانوية هي 10-20 كلفن ، والتي تستخدم لتكثيف النيتروجين والأكسجين والأرجون والغازات الأخرى.
السطح الداخلي للوحة الباردة الثانوية مغطى بالكربون المنشط. تبلغ مساحة السطح المحددة للكربون المنشط 500-2500 متر مربع / جم ، وله قدرة امتصاص قوية للهيليوم والنيون والهيدروجين عند درجة حرارة منخفضة. اللوح البارد مصنوع من النحاس الخالي من الأكسجين ، والسطح مصقول إلى مستوى المرآة لتقليل الانبعاثية. الضغط النهائي للمضخة هو 10-7 ~ 10-8 باسكال ، ونطاق ضغط العمل 10-1 ~ 10-7 باسكال ، وضغط الضخ المسبق يجب أن يكون 1 باسكال .
بلغ معدل الضخ للمنتج النهائي 60 ، 000 لترًا / ثانية (1 لتر=10-3 م 3). بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا لخصائص العملية ، يمكن ترتيب اللوح البارد لاستخراج الهواء في الحاوية التي يتم ضخها ، ويمكن أن يصل معدل شفط الهواء إلى أكثر من 106 لتر / ثانية.
الحمل الحراري المنخفض إن الحمل الحراري لمضخة الزيت هو أساسًا حرارة تكثيف الغاز والحرارة المشعة للجدار المحيط المواجه للوحة الباردة العاملة. ترتبط حرارة التكثيف بنوع الغاز. بالنسبة للنيتروجين عند 8 0 كلفن و 133.322 باسكال لتر ، فإن حرارة التكثيف على صفيحة باردة 20 كيلو هي صفر. 3-0. 6 جول.
تتناسب الحرارة المشعة التي تتلقاها اللوحة الباردة العاملة مع الفرق بين القوة الرابعة لدرجة حرارة لوح الجدار المحيط ودرجة حرارة اللوح البارد العامل. لذلك ، فإن الألواح الباردة العاملة 4.2K و 20 K محمية بألواح باردة 50-100 K لتقليل الحرارة المشعة التي تتلقاها الألواح الباردة العاملة.