В некоторых насосах для охлаждения сорбирующих или конденсирующих поверхностей используются жидкие газы: азот (—195,78°С); водород (20°К); гелий (4°К). Температуру жидкого гелия можно уменьшить до 3°К и ниже, если откачивать пары гелия над его поверхностью.

В промышленности применяются следующие способы получения низких температур.

1. Дросселирование (использование эффекта Джоуля— Томсона). При расширении сжатого газа, проходящего через узкое отверстие в свободное пространство, происходит понижение температуры, обусловленное межмолекулярным взаимодействием. Степень охлаждения описывается дифференциальным коэффициентом Джоуля—Томсона dТ/dР и зависит от исходного состояния газа. При dТ/dР>0 происходит охлаждение, при dТ/dР<0 — нагревание. Например, для воздуха при Т= 140°К, Р=50 ат dТ/dР= +0,5 град/ат. Коэффициент dТ/dР для реальных газов определяется дифференцированием уравнения Клапейрона при условии постоянства энтальпии газа.

2. Детандирование, или адиабатическое расширение газа с отдачей работы внешнему телу, приводит к уменьшению внутренней энергии газа. Предварительно сжатый газ двигает поршень без теплообмена; понижение температуры вычисляется по формуле

  (96)

Например, для воздуха (*у=1,4) при исходном состоянии P1 = 80 ат, T1 = 20° С и при конечном давлении Р2=1 ат получим Т2 =—189° С, что достаточно для сжижения.

Цеолитовые вакуумные агрегаты ЦВА являются простыми средствами безмасляной откачки от атмосферного давления до 10^-2—10^-4 тор. Они применяются для предварительной откачки сорбционно-ионных насосов, для безмасляной откачки в технике физического эксперимента в условиях, требующих отсутствия загрязнений, вибраций, шумов и т. д. Каждый агрегат имеет два параллельных цеолитовых вакуумных насоса с вентилями. На один из насосов надвигают сосуд Дьюара с жидким азотом для охлаждения, и он производит откачку; на другой насос, отсоединенный вентилем, надвигают одновременно нагреватель для регенерации цеолита. Затем нагреватель и сосуд Дьюара меняют местами и т. д.

Агрегаты ЦВА-0,1-1 и ЦВА-0,1-2 содержат 100 г синтетического цеолита марки 5А и предназначены для откачки объемов до 10 л; агрегаты ЦВА-1-1 и ЦВА-1-2 содержат 1 кг цеолита и откачивают объемы до 100 л.

Агрегаты ЦВА-0,1-2 и ЦВА-1-2 имеют водоструйный насос для предварительной откачки до 15 тор, их предельный вакуум 10~4 тор, а у агрегатов ЦВА-0,1-1 и ЦВА-1-1 без водоструйных насосов предельный вакуум составляет 10^-2 тор В спектре остаточных газов содержатся значительные количества неона (50—62%), гелия (14— 31%) и водорода. Лучше откачиваются агрегатами ЦВА азот и кислород, пары воды, окись углерода.

Недостаток описанных агрегатов связан с необходимостью периодически надвигать на цеолитовый насос внешний сосуд Дьюара с жидким азотом. В последние годы созданы цеолитовые агрегаты ЦВА-1,5-3 и ЦВА-03-2 с насосами заливного типа, которые содержат внутри цеолит и имеют карманы для жидкого азота.

Особенность работы цеолитовых насосов состоит в том, что они имеют ограниченную сорбционную емкость, т. е. по мере насыщения цеолита откачиваемым газом быстрота откачки насоса уменьшается. Непосредственно после регенерации быстрота откачки агрегата ЦВА-1-1 равна 3,3—8,4 л/сек. Поэтому в паспортах этих насосов обязательно указывается максимальный объем откачки, который зависит от количества цеолита, содержащегося в насосе. Например, агрегат ЦВА-1-1 содержит 1 кг цеолита, агрегат ЦВА-0,1-1 содержит 100 г цеолита; они предназначены для откачки воздуха из объемов 100 и 10 л соответственно. Из-за ограниченной сорбционной емкости предельный вакуум этих насосов зависит от начального давления. При откачке от атмосферного давления предельный вакуум порядка 10^-2 тор, а в случае предварительной откачки тех же объемов вспомогательными водоструйными насосами предельный в.акуум адсорбционных цеолитовых агрегатов порядка 10^-4 тор.

На базе сверхвысоковакуумного титанового охлаждаемого насоса СТОН разработан агрегат АВТО-20М, в котором применяется напыление титана на поверхность, охлаждаемую жидким азотом. Электроннолучевой испаритель титана характеризуется малыми тепловыми потерями. В состав агрегата входят паромасляный насос для откачки инертных газов, цельнометаллический вентиль, блок электропитания и пульт управления (рис. 29). Агрегат обезгаживается прогревом при 400° С и отличается низким остаточным давлением порядка 10^-12тор.

При скорости испарения титана из жидкой фазы 5 мг/мин быстрота откачки по водороду 3-104, по азоту 103, по аргону 90 л/сек. Агрегат потребляет 1,7 квт электроэнергии и 4 л/ч жидкого азота.

Титановые насосы совместно с цеолитовыми используются для безмасляной откачки от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума.

В конденсационных насосах происходит связывание газов с помощью их конденсации (перевода в жидкую фазу) на поверхностях, охлаждаемых извне жидким водородом и гелием (рис. 30). В конденсационном насосе имеется бачок, заполняемый жидким водородом от ожижителя; поверхность бачка имеет температуру 20° К. При такой температуре упругость паров кислорода составляет 10^-13, азота 10^-11 тор, аргона 10^-17 тор. Однако при 20° К, естественно, не конденсируется водород, упругость пара которого при температуре ожижения равна 760 тор, а также гелии, имеющий более ш низкую температуру ожижения (4° К).

Быстрота откачки конденсационного насоса определяется размером конденсирующей поверхности.В насосе ВК-40 площадь  бачка около 5*10³ см2,  однако реальная быстрота откачки воздуха около 4*10⁴ л/сек из-за геометрических ограничений. В насосе применен автономный ожижитель водорода, в который подается водород под давлением 60 ат от компрессо

В двух теплообменниках водород высокого давления охлаждается последовательно азотом и испарившимся водородом, затем дросселируется и ожижается. Конденсационный касос расходует 20 л/ч жидкого азота, 2 л/ч жидкого водорода, энергии 17 квт.

Предельный вакуум водородного конденсационного насоса определяется упругостью паров при 20° К.

На рис. 31 можно видеть, что при такой температуре кроме водорода высокую упругость имеют еще гелий и неон. Для откачки этих трех газов водородный конденсационный насос должен быть снабжен вспомогательным пароструйным насосом, определяющим предельный вакуум по этим газам.

При отсутствии Не, Н2 и N2 предельный вакуум определяется азотом, имеющим упругость пара 2,2*10^-11 тор при 20,4° К.

 Создана серия насосов ССНА-0,5; ССНА-1,5; ССНА-4 и ССНА-8 с предельным вакуумом 10^-9 тор и максимальной быстротой откачки 500, 1500, 4000 и 8000 л/сек