1. Načelo odsesavanja zraka
V notranjosti criopump je hladna plošča, ohlajena na zelo nizko temperaturo s tekočim helijem ali hladilnikom. Kondenzira plin in ohranja parni tlak kondenzata pod končnim tlakom črpalke, da se doseže učinek črpanja. Glavne funkcije nizkotemperaturnega črpanja so nizkotemperaturna kondenzacija, nizkotemperaturna adsorpcija in nizkotemperaturno zajemanje.
① Nizkotemperaturna kondenzacija: molekule plina kondenzirajo na površini hladne plošče ali na plasti kondenziranega plina, ravnotežni tlak pa je v bistvu enak parnemu tlaku kondenzata. Pri črpanju zraka mora biti temperatura hladne plošče nižja od 25K; pri črpanju vodika je temperatura hladne plošče nižja. Debelina nizkotemperaturne kondenzacijske in ekstrakcijske kondenzacijske plasti lahko doseže približno 10 mm.
②Nizkotemperaturna adsorpcija: molekule plina se adsorbirajo na površino adsorbenta, prevlečenega na hladni plošči z debelino monomolekularne plasti (v redu centimetrov). Ravnotežni tlak za adsorpcijo je veliko nižji od parnega tlaka pri isti temperaturi. Če je parni tlak vodika enak atmosferskemu tlaku pri 20K, je ravnovesni tlak adsorpcije nižji od Pa pri absorpciji vodika z 20K aktivnim ogljem. To omogoča izvajanje črpanja s kriogeno adsorpcijo pri višjih temperaturah.
③Kriogeno lovljenje: molekule plina, ki jih ni mogoče kondenzirati pri ekstrakcijski temperaturi, se zakopljejo in adsorbirajo z naraščajočo plastjo kondenzacijskega plina.
Na splošno je končni tlak črpalke parni tlak kondenziranega plina pri temperaturi hladne plošče. Ko je temperatura 120K, je parni tlak vode že nižji od Pa. Pri temperaturi 20K so razen helija, neona in vodika tudi parni tlaki drugih plinov nižji od Pa.
Vendar pa je zaradi različnih temperatur črpane posode in kriogene hladne plošče končni tlak črpalke višji od parnega tlaka kondenzata. Za posodo pri sobni temperaturi s kriopanelom 20K je končni tlak črpalke približno 4-krat večji od parnega tlaka kondenzata.
2. Vrsta
Kriočrpalke so razdeljene na dve vrsti: kriočrpalke s tekočim helijem za vbrizgavanje in kriočrpalke za hladilnik s helijevim plinom z zaprtim krogom.
Kriočrpalka za vbrizgavanje tekočega helija
V glavnem je sestavljen iz posode s tekočim helijem, telesa črpalke in votline za tekoči dušik, ki je povezana z pregrado. Da bi zmanjšali porabo tekočega helija, zunanja stena posode s tekočim helijem sprejme dvoslojno toplotno izolacijsko steno in se vmes evakuira.
Ko je črpalka prednačrpana na tlak Pa, se vbrizga tekoči dušik in tekoči helij, plin pa kondenzira na delovni hladni plošči 4,2K. Po predčrpanju je delni tlak helija in vodika v vrstnem redu Pa, tako da lahko črpalka doseže končni tlak pod Pa. Če se posoda s tekočim helijem izprazni in dekomprimira na 6650 Pa, lahko temperatura tekočega helija zmanjšati na 2,3K in doseči nižjo mejo tlaka.
Hladilna kriočrpalka s helijevim plinom zaprtega cikla
Gre za nov tip kriočrpalke, ki se je pojavil v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja. Ta črpalka ne porablja helija, je enostavna za uporabo, enostavna za vzdrževanje in se vedno bolj uporablja. Hladilni medij hladilnika je plinski helij, temperatura hladne plošče prve stopnje je 50-100K, tipična uporaba pa je 65K, ki se uporablja za kondenzacijo vodne pare in predhlajenje drugih plinov; temperatura hladne plošče druge stopnje je 10-20K, ki se uporablja za kondenzacijo dušika, plinov, kot sta kisik in argon.
Notranja površina sekundarne hladne plošče je prevlečena z aktivnim ogljem. Aktivno oglje ima močno adsorpcijsko sposobnost za helij, neon in vodik pri nizki temperaturi. Hladna plošča je izdelana iz bakra brez kisika, površina pa je polirana do zrcalne ravni, da se zmanjša emisivnost.
Končni tlak črpalke je Pa, območje delovnega tlaka je Pa, tlak pred črpanjem pa mora biti 1 Pa. Hitrost črpanja končnega izdelka je dosegla 60,000 litrov/sekundo. Poleg tega se lahko glede na značilnosti postopka hladilno ploščo za odsesavanje zraka razporedi v prečrpano posodo, hitrost ekstrakcije zraka pa lahko doseže več kot 106 litrov/sekundo.