1. مبدأ استخراج الهواء
يوجد داخل المبرد صفيحة باردة يتم تبريدها إلى درجة حرارة منخفضة جدًا بواسطة الهيليوم السائل أو الثلاجة. 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.
تكثيف درجات الحرارة المنخفضة: تتكثف جزيئات الغاز على سطح الصفيحة الباردة أو على طبقة الغاز المكثف ، وضغط التوازن يساوي 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 (بترتيب السنتيمترات). ضغط التوازن للامتصاص أقل بكثير من ضغط البخار عند نفس درجة الحرارة. إذا كان ضغط بخار الهيدروجين مساويًا للضغط الجوي عند 20 ك ، فإن ضغط التوازن للامتصاص يكون أقل من باسكال عند امتصاص الهيدروجين بكربون منشط 20 ك. 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 ، فإن الضغط النهائي للمضخة هو ضغط بخار الغاز المكثف عند درجة حرارة اللوح البارد. عندما تكون درجة الحرارة 120 كلفن ، يكون ضغط بخار الماء بالفعل أقل من Pa. عند درجة حرارة 20 كلفن ، باستثناء الهيليوم والنيون والهيدروجين ، يكون ضغط بخار الغازات الأخرى أيضًا أقل من Pa.
ومع ذلك ، نظرًا لدرجات الحرارة المختلفة للحاوية 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.
2. النوع
تنقسم المضخات المبردة إلى نوعين: مضخات تبريد هيليوم سائل من نوع الحقن ومضخات تبريد غاز الهليوم ذات دائرة مغلقة.
حقن الهيليوم السائل المبرد
وهي تتكون أساسًا من حاوية هيليوم سائل وجسم مضخة وتجويف نيتروجين سائل متصل 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 Pa ، يتم حقن النيتروجين السائل والهيليوم السائل ، ويتكثف الغاز على اللوحة الباردة العاملة البالغة 4.2 كلفن. بعد الضخ المسبق ، يكون الضغط الجزئي للهليوم والهيدروجين بترتيب Pa ، لذلك يمكن للمضخة الحصول على الضغط النهائي أقل من Pa. إذا تم تفريغ حاوية الهيليوم السائل وفك ضغطها إلى 6650 Pa ، يمكن لدرجة حرارة الهيليوم السائل إلى 2.3K ، ويمكن الحصول على ضغط حد أدنى.
ثلاجة غاز الهليوم ذات الدورة المغلقة
إنه نوع جديد من مضخات التبريد التي ظهرت في السبعينيات. هذه المضخة لا تستهلك الهيليوم ، وهي سهلة التشغيل ، وسهلة الصيانة ، وتستخدم بشكل متزايد. وسيط التبريد في الثلاجة هو غاز الهيليوم ، ودرجة حرارة المرحلة الأولى من الصفيحة الباردة 50-100 كلفن ، والتطبيق النموذجي هو 65 كلفن ، والذي يستخدم لتكثيف بخار الماء والتبريد المسبق للغازات الأخرى ؛ درجة حرارة الصفيحة الباردة من المرحلة الثانية هي 10-20 كلفن ، والتي تستخدم لتكثيف النيتروجين والغازات مثل الأكسجين والأرجون.
السطح الداخلي للوحة الباردة الثانوية مغطى بالكربون المنشط. يحتوي الكربون المنشط على 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 Pa ، ونطاق ضغط العمل Pa ، وضغط الضخ المسبق يجب أن يكون 1 Pa. وصل معدل الضخ للمنتج النهائي إلى 60 ، 000 لترًا / ثانية. 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.