用制冷机低温泵获得清洁无油高真空

2009-08-18 茹晓勤北京卫星环境工程研究所

1、前言

　　制冷机低温泵是20世纪70年代末发展起来的一种新型抽气设备，具有无污染、抽速较大、运行平稳、操作简单等优点，目前在国外已大量生产并在半导体微电子技术、新型材料科学、光学和装饰类镀膜以及空间环境模拟设备中得到了广泛的应用。近几年来由于航天器地面模拟试验对环境污染的要求逐步提高，空间模拟器均改为低温泵作为主抽泵的“洁净”真空容器。

2、制冷机低温泵

2.1、制冷机低温泵的工作原理

　　早在1908 年莱登大学翁纳斯教授就成功地液化了氦气，相继得到比77K更低（如20K,15K,7K,甚至于更低）的表面温度。利用气体在低温表面产生的低温冷凝、低温吸附和低温捕集等物理现象，可获得和保持高真空和超高真空。低温泵就是利用这一原理建造的一种抽气装置。低温泵的低温吸附表面（或抽气表面）材料通常是比表面积大的活性炭、分子筛等，冷到20 K 的表面，气体的蒸汽压可低到10-7Pa。

　　小型制冷机低温泵采用两级制冷的氦封闭循环制冷机，如：GM循环制冷机，或斯特林（Stirring）循环制冷机。GM 循环制冷机的工作原理是由吉福特（ Gifford ）和麦克马洪（McMahon）于1959 年提出的，其基本流程为：氦气经压缩机压缩为高压高温气体；经过热交换器冷却为高压常温氦气；经油分离器、油吸附器后成为高纯度氦气；再由进气阀进入制冷机汽缸绝热膨胀做功后，变为低温氦气；再经排气阀流入压缩机；从而形成封闭循环^[1，2] 。如此反复循环，氦气温度不断降低，最终达到制冷目的。

2.2、制冷机低温泵的结构及特点

　　制冷机低温泵的泵体结构如图 1 所示。两级制冷机冷头通过法兰直接插入到泵壳内。屏蔽板及入口障板与制冷机一级冷头相连，工作温度在70～80 K。屏蔽板除可以冷凝抽除水及二氧化碳等，主要是为低温抽气板提供隔热屏蔽。屏蔽板顶端或侧壁装有障板，向着低温板的一面涂（镀）黑，外面镀银抛光，用以降低二级冷头的热负荷。主抽气低温板用铟垫片连接到制冷机二级冷头上，外表面镀银抛光，内壁粘活性炭。低温板工作温度低于20 K（通常为14～15 K），能大量冷凝吸附除氢、氦、氖以外的其他常见气体。低温活性炭用以吸附氢、氦、氖等难凝气体^[3] 。

图1 制冷机低温泵的结构图

　　制冷机低温泵的主要特点有：

　　(1) 与相同口径的其它泵比较，低温泵具有非常大的抽速，对水蒸汽的抽速极大；

　　(2) 无碳氢化合物的污染，可以用来产生洁净的高真空和超高真空；

　　(3) 在泵体内没有任何运动部件，因此能够承受大气流的冲击、粉尘和颗粒及来自系统的震动；

　　(4) 基本上可以抽除所有种类的气体；

　　(5) 可以在任意位置安装，操作简便，具有很低的操作成本。

3、制冷机低温泵在世界各国空间环境模拟器上的应用

　　小型制冷机低温泵在空间模拟器上的应用最早始于美国。早在1966年以前，波音公司改造A容器时，就研制了20K温度下1～2W冷量的氦制冷机，并做成低温泵以辅助大型溅射离子泵和钛升华泵抽气。当欧联ESTEC 采用斯特林循环的氦制冷机构成低温泵并改造5 台设备成功之后，美国高真空设备公司立即采用更好的GM 循环氦制冷机，研制了88.9 cm（35 inch）和121.92 cm（48 inch）两种口径的大泵。到1987 年底，该公司已生产了88.9cm 泵22 台，121.92cm 泵27台，应用于十几家大型空间环模设备中，其中包括加拿大和印度研制的大型空间环模设备。表1 是世界上主要空间环模设备的基本技术指标和真空泵的配备情况。