پمپ برودتی (cryogenic pump)

[فاطمه یاس]

کرایوپمپ (cryopump) یا پمپ برودتی (cryogenic pump) نوعی پمپ خلاء (vacuum pump) است که با میعان گازها و بخارات روی یک سطح سرد، آن‌ها را به دام می‌اندازد. پمپ‌های برودتی تنها برای برخی از گازها موثر هستند و اثربخشی آن‌ها بستگی به نقطه‌های انجماد و جوش گاز نسبت به دمای کرایوپمپ دارد. کرایوپمپ‌ها گاهی برای حذف آلاینده‌های خاصی به کار می‌روند؛ برای مثال در جلوی یکپمپ دیفیوژن (diffusion pump) برای به دام انداختن روغن بازگشتی و یا در مقابل گیچ مک لئود (McLeod gauge) برای خارج نگه داشتن آب مورد استفاده قرار می‌گیرند.

در این وظیفه به آن‌ها تله برودتی (cryotrap) پمپ آب (waterpump)، یا تله سرد (cold trap) گفته می‌شود؛ هرچند که مکانیزم فیزیکی آن همانند پمپ برودتی است.

همچنین حبس برودتی (cryotrapping) می‌تواند یک اثر تا حدودی متفاوت باشد که در آن زمان اقامت مولکول بر روی یک سطح سرد افزایش می‌یابد، بدون این که انجماد واقعی رخ دهد (فوق سرد کردن) . یک تاخیر بین برخورد مولکول به سطح و بازگشت از آن وجود دارد. با کاهش سرعت مولکول‌ها، انرژی جنبشی از دست خواهد رفت.
به عنوان مثال، هیدروژن در 8 کلوین کندانس نمی‌شود، اما می‌تواند حبس برودتی شود. این به طور موثری مولکول‌ها را برای مدت طولانی به دام می‌اندازد و در نتیجه همانند پمپاژ برودتی آن‌ها را از محیط خلاء حذف می‌کند.

کارکرد پمپ برودتی

کرایوپمپ‌ها معمولا توسط هلیوم فشرده سرد می‌شوند، هر چند ممکن است از یخ خشک یا نیتروژن مایع استفاده کنند و یا ورژن‌های مستقل آن ممکن است دارای کولر برودتی (cryocooler) داخلی باشند.

​

http://www.www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258167&d=1464339343
​

اغلب پره‌هایی به صفحه سرد متصل می‌شوند تا سطح در دسترس برای میعان را افزایش دهند، اما این همچنین جذب تابشی حرارت کرایوپمپ را نیز افزایش می‌دهد.

با گذشت زمان، در نهایت سطح با میعانات اشباع و در نتیجه سرعت پمپاژ به تدریج به صفر افت می‌کند. این سطوح تا زمانی که سرد بمانند گازهای گیر افتاده را در خود نگه می‌دارند اما گازهای تازه ناشی از نشتی و یا بازگشت جریان، کندانس نمی‌شوند تا این که بر روی سطح سرد بازسازی (regenerated) انجام شود.

در خلاءهای پایین اشباع به سرعت اتفاق می‌افتد و بنابراین کرایوپمپ‌ها معمولا فقط در سیستم‌های خلاء بالا و یا فوق العاده بالا استفاده می‌شوند.

http://www.www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258168&d=1464339381

​

کرایوپمپ یک پمپاژ پاک از تمام گازها در محدوده [SUP]3-[/SUP]10 تا [SUP]9-[/SUP]10 تور را فراهم می‌کند. کرایوپمپ بر اساس این اصل عمل می‌کند که گازها را می‌توان کندانس کرد و در فشار بخار بسیار کم نگه داشت. سر سرد شامل سیلندر دو مرحله‌ای (بخشی از مخزن خلاء) و یک مجموعه یونیت محرک می‌باشد.

معمولا این دو در کنار هم یک تبرید سیکل بسته را در محدوده دمایی حدود 60 تا 80 کلوین برای ایستگاه سرد مرحله اول تا 10 تا 20 کلوین برای ایستگاه سرد مرحله دوم تشکیل می‌دهند.

http://www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258169&d=1464369844
​

 

[فاطمه یاس]

برخی از کرایوپمپ‌ها دارای مراحل متعددی در دماهای مختلف پایین هستند که مراحل بیرونی از سردترین مراحل درونی محافظت می‌کنند. مراحل بیرونی گازهای با نقطه جوش بالا، آب و روغن را میعان می‌کنند و در نتیجه در سطح و ظرفیت تبرید مراحل داخلی برای گازهای با نقطه جوش پایین‌تر مانند نیتروژن صرفه‌جویی می‌کنند.

​

http://www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258170&d=1464370608
​

کرایوپمپ‌ها اغلب به وسیله پوشش‌دهی سر سرد با مواد بسیار جاذب مانند زغال فعال (activated charcoal) یا زئولیت (zeolite) با پمپ‌های جذبی (sorption pumps) ترکیب می‌شوند.

با اشباع شدن جاذب، اثر پمپ جذبی کاهش می‌یابد، اما می‌توان با گرم کردن مواد زئولیت (ترجیحا تحت شرایط کم فشار) گاز آن را خارج کرد. دمای تجزیه ساختار متخلخل مواد زئولیت ممکن است بیشینه دمای بازسازی گرم را محدود کند.بازسازی کرایوپمپ شامل فرآیند تبخیر گازهای به دام افتاده است.
در طول چرخه بازسازی، کرایوپمپ به دمای اتاق و یا بالاتر گرم می‌شود و اجازه می‌دهد که گازها از حالت جامد به حالت گاز تغییر کنند و از طریق یک شیر اطمینان فشاری (pressure relief valve) از کرایوپمپ به داخل جو منتشر می‌شوند.

http://www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258171&d=1464370639



​

بیش‌تر تجهیزات تولیدی که از کرایوپمپ استفاده می‌کنند دارای یک وسیله برای ایزوله کردن کرایوپمپ از محفظه خلاء برای انجام بازسازی هستند، بدون این که سیستم خلاء در معرض گازهای منتشر شده مانند بخار آب قرار گیرد.
بخار آب سخت‌ترین عنصر طبیعی برای حذف از دیواره‌های محفظه خلاء در زمان قرار گرفتن در معرض اتمسفر است که دلیل آن شکل تک لایه‌ای و پیوند هیدروژنی می‌باشد. حرارت دادن به گاز سرعت گرمایش را افزایش و زمان بازسازی را کاهش می‌دهد.

​

پمپ‌های جذبی نوعی از کرایوپمپ هستند که اغلب به عنوان پمپ‌های اولیه (roughing pumps) برای کاهش فشار از اتمسفر به 0.1 پاسکال به کار می‌روند؛ در حالی که فشارهای پایین‌تر با استفاده از پمپ‌های نهایی (finishing pump) به دست می‌آید.

http://www.www.iran-eng.ir/attachment.php?attachmentid=258172&d=1464371031
​