活塞间隙型流导性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中国计量科学研究院 作者:王金库

  本文设计了一种基于活塞间隙的微小流导结构,流导数值可调,采用实验的方法研究了微小流导的压力特性、温度特性及调节重复性。讨论了该流导在微小气体流量计量的应用情况及前景。

  动态流导法真空标准装置、真空漏率校准装置的测量下限受常用气体微流量计测量下限的限制。如恒压流量计流量小于10-8 Pa·m3/s 量级,不确定度已不可接受。已知流导值的微小流导可以提供更小的气体流量,从而延伸动态流导法真空标准装置或真空漏率校准装置的测量下限。同时,微小流导也可以在精度要求相对较低的条件下拓展流量上限。

  流导器件的实现方式有多种,最为简单的结构是在薄壁上加工微小孔洞,可通过激光或者机械加工制作。德国PTB 通过改造针阀的方法研制了一种流导,韩国KRISS 通过将三根钨丝置于小孔内的方式研制了一种流导结构,日本NMIJ 采用金属颗粒烧结方式的流导结构。采用上述几种流导结构制造的流导,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为其流导值不易准确预估。本文研制了以活塞间隙为限流元件的流导结构,属环形圆管道,由于活塞制造工艺成熟,流导数值可预估且可调。为便于应用,我们采用实验的方法研究了其各项特性。

1、流导结构

  本文以活塞间隙作为限流结构,设计了流导器件,具体结构如图1 所示。活塞13 的名义面积为1 cm2,活塞筒1 与活塞杆13 的最大配合距离为3 cm,活塞名义间隙为5 μm(由于加工重复研磨,估计实际间隙约为8~10 μm)。流导在工作过程中,工作气体从流导左侧箭头处流入,流经活塞筒1 与活塞杆13 配合间隙,经过环形通道,从出气管2沿箭头方向流出。活塞的间隙相对稳定,且不易发生堵塞及易清洗。

流导结构

图1 流导结构

  图中微分头9 的测量范围为5 cm,用于标记活塞杆移动位置。为使流导内能够保持较好的真空度,移动部件的密封方式采用了不锈钢焊接波纹管6 的形式,这既可使系统得到很好的密封特性,也可以保证活塞杆能够灵活移动。为了使活塞杆能够自由的移动且容易安装,在活塞筒的一端内加工出圆环形状结构及气体流出孔,使活塞筒的非有效配合部分就可以充当活塞杆的限位装置。活塞筒和活塞杆均采用不锈钢加工,在活塞筒与活塞杆对磨前,对活塞杆进行淬火处理。这种流导结构,没有加工残余应力,因此活塞的间隙不会随时间的推移而逐渐发生变化,进而使流导数值保持稳定。

2、流导性能研究

  为便于应用和设计该类型微小流导,我们采用了自主研发的流导测量系统测试了该活塞间隙型微小流导的特性。微小流导的具体测试内容和结果如下所述。

  2.1、微小流导压力特性

  测试微小流导的压力特性,首先我们要关注的是低压区的分子流范围。因在分子流范围流导值对压力是恒定的,是产生微小流量的主要应用。其次是非分子流范围高压区的流导特性,了解其扩展较大流量的可能情况。根据Knudsen 的工作,对于长管道(l>>d),流过流导元件的气体流量qpv与压力的关系可以通过下式获得:

活塞间隙型流导性能研究

4、讨论与结语

  我们对所设计制作的活塞间隙型流导进行了测试,了解了其压力特性、温度特性及调节的重复性。下面我们将对这种流导的今后应用问题做一简要讨论。

  该流导的流导值在10-7 m3/s 量级,测量结果的标准不确定度为0.8%。如上游压力为10-2 Pa,并用磁悬浮转子真空计(SRG)测量,则可给出10-9 Pa·m3/s的流量,标准不确定度可接近1%。由2.1 节可知该流导的分子流上限的上游压力约为5 Pa,如测压配用SRG,则上限只到1 Pa,也即上限流量在10-7 Pa·m3/s,这时可配用能覆盖其一个量级左右的恒压流量计,则可延伸其上限,同时可用该恒压流量计测定其流导值。

  采用SRG 测量该流导上游压力10-2 Pa 甚至10-3 Pa 时,可能会遇到一些麻烦,因这时SRG 需要在很低的压力下测残余示值(offset)并做修正,这不仅使系统复杂,且影响工作效率。因此可考虑设计制作流导值更小活塞间隙型流导。由于这种流导是一种环形圆管,其流导值与活塞间隙平方和活塞直径成正比,与管长成反比。根据现有流导值的数据,再设计制作10-9 m3/s 量级的流导应无问题。此条件下,要获得10-9 Pa·m3/s 流量的上游压力,就可考虑直接用电容薄膜真空计进行测量。而间隙减小可提高进入分子流的压力,仍可配用恒压流量计测量流导值并拓展流量上限。为扩展产生流量的范围,还可以考虑在一个系统内配用两个以上不同流导值量级的活塞间隙型流导。这可能使实际应用更方便。

  现有流导的流导值可调,且重复同一活塞位置的流导值具有良好的稳定性。这种结构可用于定点校准等流量控制系统。也可预见,如制作成配合距离固定的活塞间隙型流导,其流导值应具有更好的稳定性。

  综上所述,本文设计、制作了活塞间隙型微小流导,并通过实验的方法测量了其相关特性。该结构独特的微小流导可用于提供10-9 Pa·m3/s 的流量,本文的研究工作为该类型流导的进一步应用提供了基础。

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