用制冷机低温泵获得清洁无油高真空(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京卫星环境工程研究所 作者:茹晓勤

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]

制冷机低温泵的结构图 

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。

表1 国外主要环模设备的概况

国外主要环模设备的概况 

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