低溫真空泵特點及原理

什么是低溫泵？

北方的冬天，在玻璃窗上常結(jié)一層霜，這就是低溫抽氣作用。水蒸汽凝結(jié)在0oC以下的玻璃表面上，使空氣中水蒸汽的分壓強(qiáng)降低了，達(dá)到了抽除水蒸汽的目的。同理，如果設(shè)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(jié)，達(dá)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(nèi)。（在更低溫度下效果會更好，但實際上主要由于原因, 大約4-25K溫度就足夠了） 

低溫泵的：

在很多問題和工業(yè)加工方面，要求極清潔的、無碳?xì)浠衔锏恼婵眨蜏乇每蛇_(dá)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(nèi)具有很高抽速的情況。

低溫泵的主要機(jī)理：

低溫泵為產(chǎn)生真空提供直接的方法，氣體分子到達(dá)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?qū)怏w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，它表明在20K時的氣體都冷凝,，因此在任何實際工作中,，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時氦, 氫和氖具有相當(dāng)高的蒸汽壓, 但是使溫度降低到4.2K(液氦的沸點)時,氖的蒸汽壓降到可以忽略不計的數(shù)值, 而在這個溫度下氫的壓強(qiáng)仍然為10-6mbar左右,，氦的壓強(qiáng)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(nèi)都能利用低溫冷凝方法, 而蒸汽壓太低沒有多大意義。

圖2用示意圖表明氣體分子的低溫冷凝，這個過程是在預(yù)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(jié)。結(jié)果是在結(jié)合能等于升華能時由氣體相向冷凝(固體) 相過渡。

在低溫泵操作過程中， 該泵需要還原之前，, 固體冷凝物的厚度可能高達(dá)10mm，。在這個意義上的是低溫泵加熱的過程, 或者至少是使冷凝表面加熱的過程, 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示意說明低溫吸附過程。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(jié)合, 例如H2和He在活性碳或沸石上。結(jié)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(shù)的H2和He的低溫吸附平衡蒸汽壓曲線，這些曲線明顯低于前面的相應(yīng)蒸汽壓曲線。結(jié)果甚至在15K時, 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(yuǎn)遠(yuǎn)低于用冷凝抽出的氣體量。因而必須在較短時間間隔進(jìn)行。總結(jié)一下人們獲得的結(jié)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(jié)的同時，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(qiáng)的另一種方法是利用低溫捕集機(jī)理。如圖5所示,低溫捕集或共同冷凝, 是利用連續(xù)生長的、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(jié)，例如Ar中的H2 。為達(dá)到此目的, 將容易冷凝的載流氣體連續(xù)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(dāng)然冷凝表面的溫度應(yīng)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)**2冷凝物的平衡壓強(qiáng)低幾個數(shù)量級。共凝機(jī)理的詳細(xì)情況的研究表明, 在Ar中埋葬H2時, 抽一個H2分子大約需要30個氬原子。因此雖然理論上是可行的, 但是低溫捕集看起來相當(dāng)不, 如果說所考慮的是用于實際低溫工作, 倒不如說主要在于研究方面。

低溫泵的主要部件

4.2-20K的一個或多個冷表面

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(shù)

1）對氣體的抽速(容積流率) 

低溫冷凝泵的理論抽速：

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

  (2)凝結(jié)系數(shù)對冷凝泵抽速的影響：
        Sa= a·Spt    (9)
式中 a是凝結(jié)系數(shù)，其值受很多因素影響。一般由實驗確定。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(dǎo)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(fù)荷，往往在低溫板周圍加上輻射屏，這時低溫泵的抽速要受到輻射屏流導(dǎo)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(dǎo)(L／s)；Sa為無輻射屏低溫板的實際抽速(L／s)。
    (4)凝結(jié)層對冷凝泵抽速的影響：冷凝泵在工作一段時間以后，低溫表面上將凝結(jié)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(jié)構(gòu)和類型。冷凝層的導(dǎo)熱率是冷凝層的類型和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜函數(shù)。如果沉積速率低，冷凝層可以有一個玻璃狀外表，凝結(jié)層熱傳導(dǎo)好，對抽速無影響；如果沉積速率高，冷凝層出現(xiàn)類似雪花狀結(jié)構(gòu)，熱傳導(dǎo)不好，會降低抽速，但對捕集非凝結(jié)性氣體是有利的。
    2)低溫冷凝泵的極限壓強(qiáng)
    達(dá)到極限壓強(qiáng)時，泵的抽速為零。從(8)式可得：

式中Pg為極限壓強(qiáng)(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(dá)l0-3Pa。
    3)低溫泵的降溫時間：降溫時間是閉循環(huán)小型制冷機(jī)低溫泵的主要指標(biāo)之一。降溫時間與水平有關(guān)，還要考性。目前的產(chǎn)品中，小型泵的降溫時間一般不過90min，大型泵不過180min。
    4)低溫泵的工作壽命：
    (1)壽命：泵使用到必須加熱的時間。
        式中D = ρK (Ts - Tw)；A為冷凝面面積cm2；K`為凝結(jié)熱J／g；m為凝結(jié)量g／s；ρ為凝結(jié)物密度g／cm3；Ts為凝結(jié)層外表面溫度(K)；Tw為冷凝面溫度(K)；K為凝結(jié)物的熱傳導(dǎo)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間。
        t = V / Qv    (13)

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

式中V為吸附容量，可根據(jù)吸附等溫線確定(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(qiáng)(Pa)。

低溫吸附泵工作所需要的預(yù)真空應(yīng)達(dá)到 10-1 Pa 以下，以減少泵的熱負(fù)荷并避免在泵體內(nèi) 積聚過厚的氣體冷凝產(chǎn)物。

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

貯槽式低溫冷凝泵的結(jié)構(gòu)

容器內(nèi)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,防止來自室溫泵殼對冷凝表面的紅外線的輻射

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

閉循環(huán)小型制冷機(jī)低溫泵

它由低溫泵、壓縮機(jī)和膨脹機(jī)等部份組成。制冷介質(zhì)氦氣由壓縮機(jī)壓縮，經(jīng)進(jìn)氣管到膨脹機(jī)。這時進(jìn)氣閥門打開，膨脹機(jī)活塞在電機(jī)帶動下向上運動，使膨脹機(jī)下腔充滿高壓氣體。當(dāng)活塞到達(dá)上部時，關(guān)閉進(jìn)氣閥，同時打開排氣閥，使膨脹機(jī)與低壓端相通，氣體膨脹制冷，活塞向下移動把冷量貯存在活塞內(nèi)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(jié)，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自泵壁和真空室的熱輻射，保護(hù)二級冷陣免受室溫?zé)彷椛涞闹苯诱丈?，以減小制冷功率損耗，維持泵的正常工作；同時，它還具有抽除H2O、C02等大多數(shù)碳?xì)浠_物及其高凝結(jié)點氣體功能：另外還預(yù)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時等可凝性氣體，而對He、Ne、H2等非凝性氣體進(jìn)行預(yù)冷；

粘貼活性炭的內(nèi)側(cè)主要以低溫吸附抽除He、Ne、H2。

該泵在抽混合氣體時(如空氣)，還會發(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(dāng)?shù)牟都闅夤δ堋?/span>

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(jù)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。

　　自然加熱是簡單的低溫泵方法，它是利用泵壁與周圍空氣的熱交換來使泵升溫的，在剛開始時，由于泵內(nèi)真空度較高，因此主要是依靠泵壁的熱輻射和泵內(nèi)的熱傳導(dǎo)使冷板逐漸升溫，這個升溫過程相當(dāng)緩慢。當(dāng)壓強(qiáng)升高到10-1～10Pa范圍后，對流換熱才開始起比較大的作用。自然加熱需要的時間很長，一般需十幾個小時。由于自然加熱一般利用過壓保護(hù)閥排氣，在這種情況下，如果泵能夠和其環(huán)境達(dá)到平衡，那么泵內(nèi)融化的冰水會留在底板上，而且室溫下活性炭將吸附高分壓的水蒸氣，因而泵在使用過程中需要進(jìn)行長時間的初抽，而且泵的極限壓強(qiáng)也會受到影響［3］。自然加熱一般只用于一些對泵性能要求不高的場合。

　　氣體沖洗是使用很普遍的一種方法，它利用沖入泵內(nèi)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，所以可以縮短時間，而且氣體沖洗有利于水蒸氣從活性炭中脫附出來，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(nèi)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，因而需要對加熱過程進(jìn)行控制。采用加熱帶加熱方式時，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(zhǔn)確反映泵壁處的溫度，因此需要采取一些措施來避免過溫現(xiàn)象的發(fā)生。另外采用一些具有邏輯輸出的溫度監(jiān)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，時間仍比較長，而且如果采用過壓閥進(jìn)行排氣，也存在和自然加熱方式中類似的問題。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間。由于使用加熱帶無需對泵原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動，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加熱板，兩個加熱板是獨立的，加熱板與冷頭是緊密接觸的，因而能夠通過熱傳導(dǎo)直接對冷板加熱，只需很短的升溫時間，采用這種方式需要對兩個冷頭的溫度進(jìn)行測量，并根據(jù)測溫結(jié)果對兩個加熱板的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，由于加熱板的功率較小，其熱慣性也比較小，可以采用開關(guān)式控制方法。考慮到問題，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，加熱過程中要配合進(jìn)行粗抽。

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

采用加熱板進(jìn)行加熱的方式時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些，這種情況下使用一個嵌入微控制器的為小型制冷機(jī)低溫泵系統(tǒng)設(shè)計的儀器進(jìn)行控制會很方便。__ 3　起始和結(jié)束的判斷方法

的起始條件因低溫泵應(yīng)用場合而異，對連續(xù)抽氣過程來說，一般只要滿足下面兩個條件中的一個，低溫泵就需要：(1)低溫泵在無其他附加熱負(fù)荷時，二級冷頭溫度過20K或冷頭溫度過130K；(2)高真空閥門關(guān)閉5min后泵內(nèi)壓強(qiáng)在1×10-4Pa以上。

　　而對一些間斷抽氣過程來說，由于高真空閥門開啟時，冷頭溫度必定產(chǎn)生波動而且冷頭溫度的恢復(fù)時間(Recovery Time)與預(yù)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(jù)實際情況下允許的波動時間確定條件。

　　對非自動的低溫泵系統(tǒng)來說，低溫泵生產(chǎn)商一般提供了一個的參考時間，但由于實際情況的差異，還是要求操作者有一定的實際經(jīng)驗來判斷是否可以結(jié)束，而一些自動化程度較高的低溫泵系統(tǒng)可以自動進(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(qiáng)值，關(guān)閉粗抽閥，測量壓強(qiáng)上升的速率并與控制器內(nèi)存儲的經(jīng)驗值進(jìn)行對比，如果不滿足條件，則需要繼續(xù)對低溫泵進(jìn)行加熱［6］。這一過程也可以采用一定時間之后的壓強(qiáng)值來判斷。考慮到真空狀態(tài)下對放氣測量的精度要求和時間較短的要求，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)行判斷的開始時間，兩次判斷的間隔時間需要根據(jù)實際情況進(jìn)行確定，采用泵內(nèi)加熱板加熱時無需考慮這兩個問題。