低溫真空泵特點(diǎn)及原理

什么是低溫泵？

北方的冬天，在玻璃窗上常結一層霜，這就是低溫抽氣作用。水蒸汽凝結在0oC以下的玻璃表面上，使空氣中水蒸汽的分壓強降低了，達到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果設法使某一固體表面溫度足夠低，使其低于空氣中主要氣體成分的飽和蒸汽壓溫度，空氣中大部份氣體被凝結，達到了抽真空的目的。按這種原理抽真空的泵叫低溫冷凝泵。低溫泵要求溫度控制在4-25K范圍內。（在更低溫度下效果會(huì )更好，但實(shí)際上主要由于原因, 大約4-25K溫度就足夠了） 

低溫泵的：

在很多問(wèn)題和工業(yè)加工方面，要求極清潔的、無(wú)碳氫化合物的真空，低溫泵可達到極清潔的真空環(huán)境。

低溫泵的較高比抽速，適合要求限定空間內具有很高抽速的情況。

低溫泵的主要機理：

低溫泵為產(chǎn)生真空提供直接的方法，氣體分子到達冷卻表面上, 凝固在那里, 因此從貯存氣體的容器中被掉。在很低的溫度下, 用這種方法能夠將氣體掉, 這樣從理論上看, 可以獲得理想的真空。

圖1為若干氣體的飽和蒸汽壓曲線(xiàn)，它表明在20K時(shí)的氣體都冷凝,，因此在任何實(shí)際工作中,，由于冷凝物的蒸汽壓太低而不太重要了，正如所看到的那樣, 在20K時(shí)氦, 氫和氖具有相當高的蒸汽壓, 但是使溫度降低到4.2K(液氦的沸點(diǎn))時(shí),氖的蒸汽壓降到可以忽略不計的數值, 而在這個(gè)溫度下氫的壓強仍然為10-6mbar左右,，氦的壓強也很高。因此除了這兩種氣體之外, 其它的氣體在上述溫度范圍內都能利用低溫冷凝方法, 而蒸汽壓太低沒(méi)有多大意義。

圖2用示意圖表明氣體分子的低溫冷凝，這個(gè)過(guò)程是在預先被相同性質(zhì)的分子或原子覆蓋的基板上氣體分子或原子的物理粘結。結果是在結合能等于升華能時(shí)由氣體相向冷凝(固體) 相過(guò)渡。

在低溫泵操作過(guò)程中， 該泵需要還原之前，, 固體冷凝物的厚度可能高達10mm，。在這個(gè)意義上的是低溫泵加熱的過(guò)程, 或者至少是使冷凝表面加熱的過(guò)程, 以便冷凝物蒸發(fā)釋放。以后該泵必須重新冷卻。

為了氦氣和氫氣, 必須采用低溫吸附。附圖3示意說(shuō)明低溫吸附過(guò)程。這是在清潔的, 異質(zhì)基體上(固體材料或冷凝物) 氣體分子和原子的物理結合, 例如H2和He在活性碳或沸石上。結合能等于比蒸發(fā)熱大得多的吸附熱。

圖4中示出以活性碳為吸附材料的溫度為函數的H2和He的低溫吸附平衡蒸汽壓曲線(xiàn)，這些曲線(xiàn)明顯低于前面的相應蒸汽壓曲線(xiàn)。結果甚至在15K時(shí), 這些氣體也能被充分凝固, 因此被吸附掉。但是必須注意表面大小相同的情況出的氣體量遠遠低于用冷凝抽出的氣體量。因而必須在較短時(shí)間間隔進(jìn)行?？偨Y一下人們獲得的結果, 為了地抽出氣體, 低溫泵必須安裝所謂的低溫冷凝和低溫吸附表面。在這種情況下,大約12K的溫度足以獲得真空范圍的氣體壓力。

吸附劑有三種類(lèi)型：1)非金屬吸附劑泵：以活性炭、分子篩等為吸附劑。2)金屬吸附劑泵：以蒸發(fā)或升華在冷面上的鈦、鉭、鋁等金屬或其合金為吸氣劑。3)氣體霜也有類(lèi)似吸附劑一樣的吸氣作用，象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的氣體，在低溫表面上凝結的同時(shí)，將不易冷淀的氣體(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。

產(chǎn)生低于飽和蒸汽壓的氣體壓強的另一種方法是利用低溫捕集機理。如圖5所示,低溫捕集或共同冷凝, 是利用連續生長(cháng)的、容易冷凝的載流氣體的冷凝物中埋葬不容易冷凝的氣體分子或原子的物理粘結，例如Ar中的H2 。為達到此目的, 將容易冷凝的載流氣體連續通到低溫泵里, 并且在給定溫度下捕集蒸汽壓較高的其它氣體(共同冷凝)。當然冷凝表面的溫度應使載流氣體冷凝物的蒸汽壓小到可以忽略不計，圖6示出作為載流體Ar和被埋葬氣體H2的情況。該曲線(xiàn)表明Ar- H2共同冷凝物的H2分壓比相同溫度下(右邊后一邊線(xiàn))**2冷凝物的平衡壓強低幾個(gè)數量級。共凝機理的詳細情況的研究表明, 在A(yíng)r中埋葬H2時(shí), 抽一個(gè)H2分子大約需要30個(gè)氬原子。因此雖然理論上是可行的, 但是低溫捕集看起來(lái)相當不, 如果說(shuō)所考慮的是用于實(shí)際低溫工作, 倒不如說(shuō)主要在于研究方面。

低溫泵的主要部件

4.2-20K的一個(gè)或多個(gè)冷表面

通常溫度為60-80K 的熱屏蔽( 輻射屏蔽/人字障板) 部分(包圍冷表面)

連接在輻射屏蔽上的擋板

冷卻裝置

室溫泵殼

低溫泵的性能參數

1）對氣體的抽速(容積流率) 

低溫冷凝泵的理論抽速：

低溫冷凝泵的實(shí)際抽速：
    從(7)式可見(jiàn)，大理論抽速與容器中的壓強和冷面溫度無(wú)關(guān)，這是不可能的。實(shí)際上對低溫冷凝泵來(lái)說(shuō)，當被冷凝泵抽除的氣體壓強等于冷凝物在低溫表面溫度下的平衡壓強時(shí)，冷凝泵就失去了抽氣能力，抽速為零。因此，泵的實(shí)際抽小于理論抽速。
    (1)被抽氣體壓強和冷面溫度對抽速的影響：
        
式中Pg為被抽氣體壓強(Pa)；Ps為在冷面溫度下，被抽氣體的蒸汽壓強(Pa)；Ts為冷面溫度(K)。

  (2)凝結系數對冷凝泵抽速的影響：
        Sa= a·Spt    (9)
式中 a是凝結系數，其值受很多因素影響。一般由實(shí)驗確定。例如300K的H2O，打在77K冷面上a=0.92；He打在4.2K5A分子篩上a=0.7；H2打在4.2K銅板上a=0.5～0.75等等。
    (3)屏蔽通導對抽速的影響：低溫泵為減少低溫介質(zhì)消耗，減輕低溫板的熱負荷，往往在低溫板周?chē)由陷椛淦?，這時(shí)低溫泵的抽速要受到輻射屏流導的影響。
    1/Su = 1/Sa + 1/u    (10)
式中Su為考慮輻射屏后低溫泵的抽速(L／s);u為輻射屏的通導(L／s)；Sa為無(wú)輻射屏低溫板的實(shí)際抽速(L／s)。
    (4)凝結層對冷凝泵抽速的影響：冷凝泵在工作一段時(shí)間以后，低溫表面上將凝結一定厚度的固態(tài)氣體層。對冷凝泵的抽速有一定影響。其影響主要取決于冷凝層的性質(zhì)，也就是取決于冷凝層的結構和類(lèi)型。冷凝層的導熱率是冷凝層的類(lèi)型和結構的復雜函數。如果沉積速率低，冷凝層可以有一個(gè)玻璃狀外表，凝結層熱傳導好，對抽速無(wú)影響；如果沉積速率高，冷凝層出現類(lèi)似雪花狀結構，熱傳導不好，會(huì )降低抽速，但對捕集非凝結性氣體是有利的。
    2)低溫冷凝泵的極限壓強
    達到極限壓強時(shí)，泵的抽速為零。從(8)式可得：

式中Pg為極限壓強(Pa)；Tg為被抽氣體溫度(K)；Ts為冷凝面溫度(K)；Ps為冷凝物上的蒸汽壓(Pa)，其值隨溫度而變化。

低溫泵的極限真空度可達l0-3Pa。
    3)低溫泵的降溫時(shí)間：降溫時(shí)間是閉循環(huán)小型制冷機低溫泵的主要指標之一。降溫時(shí)間與水平有關(guān)，還要考性。目前的產(chǎn)品中，小型泵的降溫時(shí)間一般不過(guò)90min，大型泵不過(guò)180min。
    4)低溫泵的工作壽命：
    (1)壽命：泵使用到必須加熱的時(shí)間。
        式中D = ρK (Ts - Tw)；A為冷凝面面積cm2；K`為凝結熱J／g；m為凝結量g／s；ρ為凝結物密度g／cm3；Ts為凝結層外表面溫度(K)；Tw為冷凝面溫度(K)；K為凝結物的熱傳導率(W／cm·K)。

 (2)貯槽式泵的裝填壽命：充裝一次制冷制所能工作的時(shí)間。
        t = V / Qv    (13)

式中V是裝冷劑的容積L；Qv為單位時(shí)間制冷劑的耗量L／s。
    (3)吸附泵的工作壽命：吸附板兩次活化()所間隔的時(shí)間。
        tmax = Vm /SP    (14)

式中V為吸附容量，可根據吸附等溫線(xiàn)確定(Pa·L／kg)；m為吸附劑質(zhì)量(kg)；S為抽速(L／s)；P為泵入口壓強(Pa)。

低溫吸附泵工作所需要的預真空應達到 10-1 Pa 以下，以減少泵的熱負荷并避免在泵體內 積聚過(guò)厚的氣體冷凝產(chǎn)物。

按供低溫介質(zhì)的方式分類(lèi)，又可分為貯槽式、連續流動(dòng)式和閉循環(huán)小型制冷機低溫泵。

貯槽式低溫冷凝泵的結構

容器內裝有常壓和4.2K的液氦

容器的外壁是冷凝氣體的冷凝表面

輻射屏蔽通常用液氮冷卻,防止來(lái)自室溫泵殼對冷凝表面的紅外線(xiàn)的輻射

擋板:保護冷凝表面免受真空容器產(chǎn)生的輻射;冷凝水蒸汽;傳導氣體達到冷凝表面。

閉循環(huán)小型制冷機低溫泵

它由低溫泵、壓縮機和膨脹機等部份組成。制冷介質(zhì)氦氣由壓縮機壓縮，經(jīng)進(jìn)氣管到膨脹機。這時(shí)進(jìn)氣閥門(mén)打開(kāi)，膨脹機活塞在電機帶動(dòng)下向上運動(dòng)，使膨脹機下腔充滿(mǎn)高壓氣體。當活塞到達上部時(shí)，關(guān)閉進(jìn)氣閥，同時(shí)打開(kāi)排氣閥，使膨脹機與低壓端相通，氣體膨脹制冷，活塞向下移動(dòng)把冷量貯存在活塞內的蓄冷器中。如此多次循環(huán)，便在一、二級冷頭處分別獲得低于80K和20K的低溫和所需的制冷功率，并使氣體在低溫面上凝結，在活性炭上吸附而被抽除。

冷陣中的擋板和屏蔽屏用于阻擋來(lái)自泵壁和真空室的熱輻射，保護二級冷陣免受室溫熱輻射的直接照射，以減小制冷功率損耗，維持泵的正常工作；同時(shí)，它還具有抽除H2O、C02等大多數碳氫化臺物及其高凝結點(diǎn)氣體功能：另外還預冷冷陣不能抽除的其它氣體。

二級冷陣的外表面是冷凝抽氣，用于抽除N2、O2和Ar時(shí)等可凝性氣體，而對He、Ne、H2等非凝性氣體進(jìn)行預冷；

粘貼活性炭的內側主要以低溫吸附抽除He、Ne、H2。

該泵在抽混合氣體時(shí)(如空氣)，還會(huì )發(fā)生低溫捕集抽氣作用，即可凝性氣體在一、二級低溫表面冷凝后形成的固態(tài)多晶霜層，它對非凝性氣體具有相當的捕集抽氣功能。

方式

從原理上講，低溫泵捕集的氣體可以以固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)方式除去，由于以固態(tài)方式除去冷凝物存在很多難題，目前商品低溫泵采用的都是后兩種方式。根據加熱方式的不同，方式一般分為：自然加熱、氣體沖洗、電加熱三類(lèi)。

　　自然加熱是簡(jiǎn)單的低溫泵方法，它是利用泵壁與周?chē)諝獾臒峤粨Q來(lái)使泵升溫的，在剛開(kāi)始時(shí)，由于泵內真空度較高，因此主要是依靠泵壁的熱輻射和泵內的熱傳導使冷板逐漸升溫，這個(gè)升溫過(guò)程相當緩慢。當壓強升高到10-1～10Pa范圍后，對流換熱才開(kāi)始起比較大的作用。自然加熱需要的時(shí)間很長(cháng)，一般需十幾個(gè)小時(shí)。由于自然加熱一般利用過(guò)壓保護閥排氣，在這種情況下，如果泵能夠和其環(huán)境達到平衡，那么泵內融化的冰水會(huì )留在底板上，而且室溫下活性炭將吸附高分壓的水蒸氣，因而泵在使用過(guò)程中需要進(jìn)行長(cháng)時(shí)間的初抽，而且泵的極限壓強也會(huì )受到影響［3］。自然加熱一般只用于一些對泵性能要求不高的場(chǎng)合。

　　氣體沖洗是使用很普遍的一種方法，它利用沖入泵內的室溫或加熱的干燥的惰性氣體(N2或Ar)對泵進(jìn)行加熱，它有恒壓法和脈沖沖洗法兩種形式。因為能夠進(jìn)行的熱交換，所以可以縮短時(shí)間，而且氣體沖洗有利于水蒸氣從活性炭中脫附出來(lái)，的質(zhì)量也提高了，另外它還能稀釋那些有毒和爆炸性的氣體。

　　電加熱是一種的方法，目前有兩種不同的加熱方式，一種是利用加熱帶裹在泵壁外表進(jìn)行加熱，另一種是利用泵內冷頭上的加熱板進(jìn)行加熱。由于低溫泵的部分元件不能承受高溫，因而需要對加熱過(guò)程進(jìn)行控制。采用加熱帶加熱方式時(shí)，可以選用自限溫型的加熱帶(這種加熱帶由PTC發(fā)熱元件制成)，也可以由儀表進(jìn)行控制。采用銠鐵電阻溫度傳感器做二極冷頭溫度測量的低溫泵可以利用這個(gè)傳感器對加熱帶進(jìn)行控制，但是由于這種情況下所測量的溫度值不能準確反映泵壁處的溫度，因此需要采取一些措施來(lái)避免過(guò)溫現象的發(fā)生。另外采用一些具有邏輯輸出的溫度監視器件(如MAXIAM公司的MAX6501等)也可以很的對加熱帶進(jìn)行限溫控制。加熱帶使用很方便，而且這種方式所需的時(shí)間要比自然加熱要短一些，效果也有了提高，但單獨采用加熱帶對低溫泵時(shí)，時(shí)間仍比較長(cháng)，而且如果采用過(guò)壓閥進(jìn)行排氣，也存在和自然加熱方式中類(lèi)似的問(wèn)題。采用加熱帶加熱和氣體沖洗配合使用能夠比單獨采用氣體沖洗縮短很多時(shí)間。由于使用加熱帶無(wú)需對泵原有的結構進(jìn)行任何改動(dòng)，因此可以的用于對一些舊泵的改造，以提高其使用效率。采用加熱板進(jìn)行加熱是一種很的方式。一般低溫泵的兩級冷頭上各有一個(gè)加熱板，兩個(gè)加熱板是獨立的，加熱板與冷頭是緊密接觸的，因而能夠通過(guò)熱傳導直接對冷板加熱，只需很短的升溫時(shí)間，采用這種方式需要對兩個(gè)冷頭的溫度進(jìn)行測量，并根據測溫結果對兩個(gè)加熱板的功率進(jìn)行調節，由于加熱板的功率較小，其熱慣性也比較小，可以采用開(kāi)關(guān)式控制方法?？紤]到問(wèn)題，加熱板一般采用的低壓交流電(24VAC)供電。為了獲得較好的質(zhì)量，加熱過(guò)程中要配合進(jìn)行粗抽。

　　近年來(lái)，在電加熱的基礎上又發(fā)展了一種新，它能夠在冷頭的溫度波動(dòng)很小的情況下，二級冷頭上的冷凝物。它是應用于二級冷頭飽和而冷頭遠沒(méi)飽和的情況。由于冷頭升溫和降溫的幅度較小，因而與相比能夠進(jìn)一步的縮短時(shí)間，提高制冷機低溫泵的使用效率［2，4］。

采用加熱板進(jìn)行加熱的方式時(shí)，系統的結構要復雜一些，這種情況下使用一個(gè)嵌入微控制器的為小型制冷機低溫泵系統設計的儀器進(jìn)行控制會(huì )很方便。__ 3　起始和結束的判斷方法

的起始條件因低溫泵應用場(chǎng)合而異，對連續抽氣過(guò)程來(lái)說(shuō)，一般只要滿(mǎn)足下面兩個(gè)條件中的一個(gè)，低溫泵就需要：(1)低溫泵在無(wú)其他附加熱負荷時(shí)，二級冷頭溫度過(guò)20K或冷頭溫度過(guò)130K；(2)高真空閥門(mén)關(guān)閉5min后泵內壓強在1×10-4Pa以上。

　　而對一些間斷抽氣過(guò)程來(lái)說(shuō)，由于高真空閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，冷頭溫度必定產(chǎn)生波動(dòng)而且冷頭溫度的恢復時(shí)間(Recovery Time)與預吸附的氣體的量、低溫泵的大吸入氣體量(Crossover)等有密切關(guān)系，因此在這些情況下還需要根據實(shí)際情況下允許的波動(dòng)時(shí)間確定條件。

　　對非自動(dòng)的低溫泵系統來(lái)說(shuō)，低溫泵生產(chǎn)商一般提供了一個(gè)的參考時(shí)間，但由于實(shí)際情況的差異，還是要求操作者有一定的實(shí)際經(jīng)驗來(lái)判斷是否可以結束，而一些自動(dòng)化程度較高的低溫泵系統可以自動(dòng)進(jìn)行判斷。一般是在進(jìn)行到某一階段后，將低溫泵粗抽到某一合適的壓強值，關(guān)閉粗抽閥，測量壓強上升的速率并與控制器內存儲的經(jīng)驗值進(jìn)行對比，如果不滿(mǎn)足條件，則需要繼續對低溫泵進(jìn)行加熱［6］。這一過(guò)程也可以采用一定時(shí)間之后的壓強值來(lái)判斷?？紤]到真空狀態(tài)下對放氣測量的精度要求和時(shí)間較短的要求，在1Pa左右進(jìn)行測試是比較合適的［7］。對采用加熱帶加熱的方式，由于對泵抽空后加熱效果不佳，因此進(jìn)行判斷的開(kāi)始時(shí)間，兩次判斷的間隔時(shí)間需要根據實(shí)際情況進(jìn)行確定，采用泵內加熱板加熱時(shí)無(wú)需考慮這兩個(gè)問(wèn)題。