Мал. 9. Малогабаритний кріонасос з автономним зріджувачем:

1 – вхід парів азоту; 2 – до магніторозрядного насоса; 3, 13 – антирадіаційні екрани;

4 – подача рідкого азоту; 5 – вхід стиснутого водню; 6 – проміжний теплообмінник; 7 – азотна ванна;

8 – утримувач кріопанелі; 9 – протиточний теплообмінник; 10 – дросель;

11 – шевронний антирадіаційний екран; 12 – кріопанель з відокремлювачем рідкого водню;

14 – корпус; 15 – стійка; 16 – ущільнювач; 17 – основа; 18 – вихід водню.

Між кріопанеллю та випускним отвором насоса знаходиться шевронний тепловий екран 11. Нижня частина екрану, яка має циліндричну форму, приєднується до кришки азотної ванни 7. В просторі, обмеженому кришкою азотної ванни та тепловим екраном, розміщено протитоковий теплообмінник 9 та дросель 10. Протитоковий теплообмінник виготовлений з спаяних по всій довжині трубок.

Проміжне охолодження стиснутого водню відбувається в теплообміннику 6. Для зменшення витрат рідкого азоту між низькотемпературними частинами кріонасоса та його оболонкою розміщено теплозахисні екрани 3 та 13.

Площа поверхні кріопанелі, повернута до шевронного екрана, дорівнює приблизно 280 см². Такий насос забезпечує швидкість відкачки по азоту та повітрю приблизно 900 л/с, а по аргону - 700 л/с.

Охолодження за допомогою автономних газових холодильних машин (кріогенераторів) застосовують для малих кріонасосів. За допомогою кріогенераторів досягається температурний рівень 15 - 20 К.

Холодильні машини зручні тим, що для їх роботи потрібні тільки електроживлення та технічна охолоджувальна вода. Вони працюють без витрат робочого газу (гелію), через те що робоче тіло в холодильному кріогенераторі здійснює замкнений цикл, залишаючись в газовій фазі. Насоси з кріогенераторами економні, бо холод використовується безпосередньо на місці його одержання.

Конструкція кріогенераторних насосів поєднує в одному агрегаті пристрій для одержання низьких температур (кріогенератор) та пристрій для забезпечення відкачки (кріопанель з теплозахисним жалюзійним екраном).

Мал. 10. Насос з кріогенератором.

На мал. 10 представлена конструкція малогабаритного кріогенного насоса. Кріопанеллю служить відполірований мідний диск 5, припаяний до холодного кінця рефрижератора 7. Для зменшення теплового навантаження кріопанель оточена екраном 6, який охолоджується зрідженим азотом 4. Верхня частина екрана є оптично щільні шевронні жалюзі 2, через які проходить газовий потік до кріопанелі. Ефективна площа відкачки складає 1000 см².

Камера 3 відкачується від атмосферного тиску механічним вакуумним насосом з азотним уловлювачем. Через деякий час, коли досягається тиск приблизно 10^-2 мм рт.ст., допоміжний насос вимикається, починається охолодження екрана зрідженим азотом та вмикається іонно-розпорошувальний насос 1. При досягненні тиску 10^-7 мм рт.ст. вмикається кріогенератор. Граничний тиск дорівнює 510^-9 мм рт.ст., температура кріопанелі при цьому 15.4 К.

Швидкість відкачки по повітрю при тиску 610^-3 мм рт.с. дорівнює 3200 л/с, а по аргону - 2200 л/с. Іонний нсос при цьому відкачує гази, що не конденсуються.

Основними характеристиками кріонасосів є граничний залишковий тиск, швидкість дії та ресурс роботи.

Розглянемо кріоконденсаційний насос. Граничний залишковий тиск насоса p_гр у вхідній порожнині вищий за тиск насиченої пари р_нас при температурі конденсуючої поверхні Т_пов:

, (4)

де Т_с - температура стінки.

Швидкість дії кріоконденсаційного насоса S_нас, дм³/с, залежить від провідності теплозахисного екрана U_e, дм³/с:

, (5)

де S_к - швидкість конденсації на кріопанелі;

, (6)

де  - коефіцієнт прилипання, S_T - теоретична швидкість відкачки (конденсації), F_пов - площа поверхні кріопанелі.

Коефііцієнт прилипання  враховує складність процесу конденсації та вплив різних факторів на його протікання.

Теоретична швидкість відкачки (конденсації) S_T залежить від виду течії газу:

- при молекулярний течії

, (7)

де Т_г - температура газу, М - молярна маса;

- при в’язкісній течії

, (8)

де - показник адіабати, R - універсальна газова стала.

При в’язкісному режимі теоретична швидкість відкачки вища, ніж при молекулярному.

Однак тривалий час зберігати швидкість конденсації при в’язкісному режимі на максимальному рівні неможливо, бо при цьому досить швидко збільшується товщина кріоосаду, а отже, підвищується температура поверхневого шару і швидкість конденсації падає.

Справжня швидкість конденсації завжди нижча за теоретичну. Це пояснюється тим, що завжди <1, а при в’язкісному режимі протікання газу ще й тим, що ускладнюється теплообмін між кріопанеллю та відкачуваним газом.

Ресурс роботи кріоконденсаційного насоса визначається допустимою товщиною кріоосаду, температура поверхневого шару якого (через наявність градієнта температури по товщині зконденсованого шару) не повинна перевищувати температуру, при якій тиск насичених парів відкачуваних газів перевищує допустимий робочий тиск.

Товщина кріоосаду залежить від виду зконденсованого газу, тобто від його теплопровідності. Теплопровідність, в свою чергу, визначається структурою газового конденсату, а саме розмірами кристалів конденсату. На розміри кристалів конденсату впливає температура конденсації, а також тиск у вакуумній системі, тобто швидкість надходження (потік) молекул на кріопанель. На практиці товщина кріоосаду може бути сотні мікрометрів.

Застосування кріовакуумної техніки для дослідження космічного простору

Кріовакуумна техніка має особливе значення для дослідження космічного простору, бо, з одного боку, вакуум та низькі температури є важливими характеристиками оточуючого середовища, а з іншого боку, кріонасоси мають велику швидкість дії і дозволяють створювати високий вакуум у великих камерах.

Крім вакууму та холоду на поведінку супутників в космічному просторі впливає перш за все електромагнітне випромінювання, а також переміщення відносно джерел такого випромінювання.

При віддаленні від Землі тиск падає. На висоті 60 км тиск менший за 1 мм рт.ст., на висоті, більшій за 600 км тиск менший за 10^-8 мм рт.ст., а вище 1200 км - менший за 10^-10 мм рт.ст. В міжпланетному просторі тиск дорівнює 10^-13 - 10^-14 мм рт.ст. Космічний простір є ідеальним поглиначем частинок. З зростанням висоти змінюється також температура та хімічний склад атмосфери внаслідок фотоіонізації сонячними променями. На границі атмосфери присутні практично лише атоми та іони водню, які дифундують в космічний простір.

Для імітації космічного простору була побудована найбільша в світі камера Houston A NASA - MSFC висотою 40 метрів, діаметром - 22 метри. Камера застосовувалась для випробовування місяцеходів за програмою "Аполлон". Пізніше астронавти знаходилися в цій камері під час перебування на Місяці.

Кріоповерхні (180 м²) охолоджувалися чотирма гелійовими рефрижераторами при 13 К, при цьому споживалося 7000 м³/с азоту. Крім того, камера обслуговувалася 18 дифузійними насосами з уловлювачами, їх швидкість відкачки складала 50 м³/с. Залишковий тиск дорівнював 10^-7 мм рт.ст.

Інша камера Mark IAEDC висотою 25 метрів та діаметром 12.8 метра була другою у світі за величиною моделюючою камерою. Експериментальний об’єм був оточений кріоструктурою, для охолодження якої використовували два гелійових рефрижератори при температурі 13 К, а також відкрита система підвищеного тиску на зрідженому азоті з реконденсацією. Швидкість відкачки кріоповерхні S(N₂) дорівнювала 310⁴ м³/с і була настільки великою, що для підтримання високого вакууму міг бути відкачаний вихлопний газ працюючого ракетного двигуна. В цій камері були апробовані ракетні двигуни, які здійснювали посадку та старт на Місяці.

З інших установок з подібними вакуумними системами слід відзначити камеру, яка використовувалась як високовакуумна система в експериментах з антеною для програми "Аполлон". Камера (діаметром 3 м та висотою 3м) відкачувалася таким чином: кріонасос на рівні 15 К з швидкістю відкачки по азоту S(N₂)=500 м³/с, титановий сублімаційний насос - 100 м³/с, іонний насос - 1 м³/с по гелію. Камера мала металеві ущільнення, могла нагріватися до 370 С та дозволяла проводити експерименти при тисках р<10^-11 мм рт.ст.