Крионасосы (криогенные насосы), виды и принцип работы

Как Вы могли наблюдать, вода конденсируется на сосуде с холодной водой или окне, образует лед в Вашем холодильнике. Этот эффект конденсации газов и паров на холодной поверхности, особенно паров воды, происходит при атмосферном давлении и особенно в вакууме.

Этот эффект используется в конденсаторах особенно в соединениях с химическими процессами, экраны диффузионных насосов используются с охлаждением с помощью рефрижераторов. Так же в замкнутом пространстве (вакуумной камере) образование конденсата на холодной поверхности означает, что большое количество молекул газа удаляется из объема: они остаются на холодной поверхности, а не в оставшейся атмосфере вакуумной камеры. Можно сказать, что частицы откачаны с помощью крионасоса, когда откачка достигается за счет холодной поверхности.

Криотехнику отделяют от холодильной техники, т.к. температура, используемая в криотехнике ниже 120К (< -153°C). Необходимо выяснить два вопроса:

  1. какой принцип охлаждения работает в криотехнике (крионасосе) и как снижать тепловую нагрузку на охлажденную поверхность?
  2. каков принцип работы крионасоса?

Типы крионасосов и принцип работы

В зависимости от принципа охлаждения выделяют:

  • ванны криостата
  • крионасосы непрерывного потока
  • рефрижераторные крионасосы

Ванна криостата

В случае ванны криостата – самым простым примером которой является заливная азотная ловушка LN2 — откачивающая поверхность напрямую охлаждается сжиженным газом. На поверхности охлажденной ловушки (Т»77 К), могут конденсироваться Н2О и СО2. На поверхности, охлажденной до Т»10 К могут конденсироваться почти все газы, за исключением Не и Ne. Поверхности, охлаждаемые жидким гелием (Т ≈ 4,2К), могут откачивать все газы кроме гелия.

Крионасосы непрерывного потока

В крионасосах непрерывного потока охлаждаемая поверхность спроектирована для работы в качестве теплообменника. Жидкий гелий в достаточном количестве подается дополнительным насосом из резервуара в испаритель чтобы поддерживать достаточно низкую температуру на охлаждаемой поверхности — криопанели. Жидкий гелий испаряется в теплообменнике и таким образом охлаждает криопанель. Отработанный газ, который создается (Не) используется во втором теплообменнике для охлаждения экрана (теплоизоляции), защищающего систему от внешнего теплового излучения. Холодный выхлопной гелий, подаваемый насосом, подается в блок восстановления гелия. Температурой криопанели можно управлять через управление потоком гелия.

Рефрижераторные крионасосы

Сегодня рефрижераторные крионасосы используются почти везде (холод по заказу). Эти насосы в основном работают по тому же принципу, что и домашние холодильники, когда используется один из следующих термодинамических циклов с гелием в качестве хладагента:

  • процесс Гиффорда – Мак-Махона,
  • процесс Стерлинга,
  • процесс Брайтона,
  • процесс Клода.

Процесс Гиффорда – Мак-Махона сегодня наиболее широко используется и будет рассматриваться далее. Он дает возможность отдельной установки большого компрессора и блока расширения, в котором происходит процесс охлаждения. Поэтому можно спроектировать компактный источник холода без вибрации.

Компоненты крионасоса

Общий вид крионасоса показан на рис. 2.65. Он состоит из компрессора 1, соединенного с помощью гибких трубопроводов давления 2 (что обеспечивает отсутствие вибраций) с крионасосом 3. Сам крионасос состоит из корпуса насоса и охлаждающей головки внутри. Гелий, который используется в качестве хладагента, циркулирует по замкнутому контуру с помощью компрессора.