1. Cryopump là gì?

Cryopump là một máy bơm chân không để giữ khí và hơi bằng cách ngưng tụ chúng trên một bề mặt lạnh. Để hút chân không hiệu quả trong điều kiện chân không cực cao, áp suất hơi để ngưng tụ hoặc áp suất cân bằng để hấp phụ phải nhỏ hơn 10-8Pa. Hình 1 cho thấy áp suất hơi của các chất khí khác nhau. Theo hình này, nếu bề mặt đông lạnh như bề mặt lạnh và tấm ngăn lạnh được làm lạnh dưới 20K, áp suất hơi của khí trở nên dưới 10-8Pa, miễn là áp suất hơi thấp hơn áp suất của nitơ. Các khí nhẹ nhất như hydro, heli và neon không ngưng tụ ở 20K, do đó thay vì chỉ dựa vào sự ngưng tụ, chất hấp phụ làm bằng vật liệu xốp đặc biệt được cung cấp để hấp phụ chúng. Bằng cách làm nguội chất hấp phụ xuống dưới 20K, những khí đó được hấp phụ một cách hiệu quả, và do đó bộ phận đông lạnh có thể đạt được độ chân không cực cao.

Có hai cách để “làm lạnh” bề mặt của khối đông lạnh. Một là sử dụng chất làm mát như nitơ lỏng (LN2, 77K) hoặc heli lỏng (LHe, 4.2K), và loại kia là tủ lạnh heli chu trình kín nhỏ.

Hình 1: Áp suất hơi của các loại khí khác nhau

Tủ lạnh heli nhỏ gọn, chu trình kín có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài mà không cần nạp thêm chất làm mát. Ngoài ra, nó có thể đạt được độ chân không sạch và cực cao với thao tác đơn giản và dễ dàng.

2. Nguyên tắc cơ bản và cấu trúc

Hãy xem CRYO-U8H làm ví dụ. Tủ lạnh CRYO-U lạnh thường có hai giai đoạn. Trong khi giai đoạn 1 có công suất lạnh lớn xuống dưới 80K, công suất lạnh của giai đoạn 2 nhỏ nhưng làm lạnh xuống 10 đến 12K. Cả tấm ngăn lạnh 15K (1) và tấm ngăn lạnh 15K (2) đều được gắn trên tầng 2 của tủ lạnh và được che chắn khỏi bức xạ nhiệt độ bằng tấm chắn 80K và vách ngăn 80K được gắn ở tầng 1.

Hình 2 CRYO-U8H

Có ba loại khí được bơm bằng cryopumps như sau.

Như bạn thấy trong Hình 1, áp suất hơi của hơi nước trở nên dưới 10-8 Pa ở nhiệt độ dưới 130K, và do đó hơi nước được bơm do ngưng tụ trên vách ngăn 80K và tấm chắn 80K. Nhóm tiếp theo của khí, nitơ, oxy, argon và các khí khác có trọng lượng phân tử tương tự được bơm ở bề mặt tiếp xúc của tấm ngăn lạnh 15K (1) ở giai đoạn thứ hai, được giữ dưới 20K. Nhóm thứ ba, chủ yếu là hydro, heli và neon sẽ không ngưng tụ ở 20K và sẽ không được bề mặt kim loại bơm hiệu quả vì áp suất hơi cân bằng cho quá trình hấp lạnh sẽ quá cao. Để cải thiện tình trạng này, cryopumps có chất hấp phụ các vật liệu xốp như than củi trên thiết bị đông lạnh giai đoạn 2. Chất hấp phụ được liên kết với bề mặt bên trong của tấm ngăn lạnh 15K (1) để ngăn nó bị bao phủ bởi các khí ngưng tụ.

Bề mặt bên ngoài của tấm chắn 80K, vách ngăn 80K và tấm ngăn lạnh 15K (1) được hoàn thiện đặc biệt để phản xạ nhiệt bức xạ từ nhiệt độ phòng. Bề mặt bên trong của tấm chắn 80K được làm đen để giảm sự truyền nhiệt bức xạ đến tấm ngăn lạnh 15K được gắn vào giai đoạn thứ hai. Để một ngăn lạnh hoạt động bình thường, cả tấm chắn 80K và vách ngăn 80K phải được giữ dưới 130K và ngăn lạnh 15K được giữ dưới 20K.

Để theo dõi nhiệt độ đó, cặp nhiệt điện K (CA) cho tấm chắn 80K và đồng hồ đo áp suất hơi hydro (H2VP) hoặc CRYO METER MBS cho tấm ngăn lạnh 15K được lắp đặt vào các cục lạnh.

(Tiêu chuẩn cho suất điện động ở 130K của cặp nhiệt điện K (CA) là –5,5mV.)

3. Van tái tạo và giảm áp

Cryopumps không liên tục trong suốt các máy bơm như máy bơm khuếch tán dầu và máy bơm phân tử turbo. Vì một thiết bị đông lạnh giữ các khí bên trong trên các tấm lạnh 15K bằng cách ngưng tụ và hấp phụ, nên nó cần được khử khí và tái sinh thường xuyên. Trong quá trình tái sinh này, khối đông lạnh được làm ấm lên, và các khí ngưng tụ hoặc bị hấp phụ lại được chuyển thành khí. Nếu bơm một lượng lớn khí sẽ có nguy cơ cháy nổ. Để ngăn ngừa nguy cơ cháy nổ, tất cả các thiết bị đông lạnh đều có van giảm áp.

Áp suất hoạt động của van giảm áp đã được đặt ở mức 20kPa (gage).

Vì lý do an toàn, KHÔNG CHẶN van giảm áp và KHÔNG SỬA ĐỔI nó cho các mục đích khác. Cũng không bao giờ sử dụng nó như một van xả trong quá trình tái sinh vì rác thải trong khí tẩy có thể dính vào tấm van giảm áp và có thể gây rò rỉ.

4. Hệ thống tăng áp

Hệ thống Cryopump bao gồm

《1》 Bộ phận làm lạnh （bao gồm. Đầu lạnh）

《2》 Đơn vị máy nén

《3》 Ống mềm （2）

Kết nối của hệ thống cryopump được thể hiện trong Hình 3.

Ngoài ra, máy bơm thô (do khách hàng cung cấp) là cần thiết để vận hành và tái tạo các khối đông lạnh. (Cryopumps không thể bắt đầu từ áp suất khí quyển.)

Hình 3 Cryopump System