低温泵快速再生系统研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)合肥工业大学机械与汽车工程学院 作者:冯驹先

  低温泵在当今生产研究过程中应用广泛,但其每工作一段时间后都需要进行“再生”,所需时间长,泵效率低。本文对一种低温泵的吸附阵结构分析并设计了一种结合自动控制功能的快速再生加热系统,该系统由单片机编程控制,自动化程度高,再生时间短,使用方便,为国内低温泵快速再生环节的发展提供借鉴。

  低温泵是一种利用低温表面来冷凝、吸附和捕集气体的真空获得设备,它具有洁净无油、抽速高等优点,在半导体、集成电路和空间技术研究方面应用广泛。由于低温泵采用冷头吸附,工作一段时间后,冷头被气体凝结的固体所覆盖,表面温度升高,对气体吸附作用减弱甚至停止,失去抽气作用,因此实际使用时,每过一段时间就需要对泵进行加热,以去除凝结在冷头上的固态气体,即所谓的“再生”。

  国内目前低温泵再生仍使用常规方法,即对泵体进行加热,使冷头上吸附的冷凝物气化排出,再将冷头冷却至约10 K,继续工作。整个过程一般需8 ~12 h,耗时长,严重影响大规模镀膜等生产线效率。反观国外,相关生产厂家已经推出了自动化程度很高的低温泵产品,其再生过程电加热、全自动控制,耗时短、效率高,“冷到冷”耗时小于50 min,完全再生时间也只要约2. 5 h,且约50 次快速再生后才需要一次完全再生,其技术优势显而易见。在此情况下,自主研发自己的低温泵快速再生系统显得十分重要。

1、快速再生原理

  低温泵工作原理为:一级冷凝板温度为80 K,用来冷凝H2O 及预冷其他气体,二级冷凝板温度为15K,用来冷凝N2、O2、Ar 等气体,在二级冷凝板一面涂以活性炭床,其在低温下对He、Ne 和H2有很强的吸附能力。因此再生时二级冷凝板,又称吸附阵,应得到加热。但温升应小,以便再生后可迅速降温,重新投入工作。

CRYO-U12H 型低温泵

图1 CRYO-U12H 型低温泵

  快速再生系统主要由加热电路和控制系统组成。再生开始时,泵内温度约20 K。先关闭低温泵抽气口阀门,开启加热电路对吸附阵直接加热,此时控制系统中的单片机从真空计读取泵内真空度,并通过温度传感器测量吸附阵附近温度,由继电器控制加热电路的通断。当温度高于20 K 后,He、Ne 和H2首先从吸附阵活性炭上逸出;温度在77 ~ 100K范围内时,N2、O2、Ar 等凝结气体融化、沸腾并从排气口逸出。再生结束前,维持温度在100 K,打开机械泵将泵内气体抽出。当泵内真空度趋于稳定后,切断加热电路,关闭机械泵,低温泵重新降温、开始工作。上述再生过程只对吸附阵直接加热,且只加热到100 K,泵内其他零部件温度都维持在很低水平,因此再次使用时,无需使泵从室温以上降至20 K 以下,能极大地缩短再生时间,提高泵工作效率。

2、加热结构

  根据加热方式的不同,再生方式一般分为:自然加热再生、气体冲洗再生、电加热再生三类。其中采用加热丝进行电加热是一种经济有效的再生方式。这种方式下,加热元件可以通过热传导对吸附阵直接进行加热,因此所需的加热时间很短。同时由温度控制系统测量此处温度随时调节加热功率。由于加热丝功率小,其热惯性也小,因此可以采用开、关方式控制。针对图2 所示的,其中粗黑线部分即为加热丝。

安徽万瑞冷电公司吸附阵结构示意图及加热丝排列方案

图2 安徽万瑞冷电公司吸附阵结构示意图及加热丝排列方案

  按照这种布置方式,其在100 W 功率下加热20min 后的温度分布模拟结果如图3。由图中结果可以看出,低温吸附阵各处受热均匀,温差较小,热量基本被阵列吸收,对冷头温升影响小,降低能耗并缩短了再生后重新制冷的时间,提高了工作效率。

3、温度控制系统

  本套控制系统的原理如图4 所示,它主要由温度采集电路、真空度采集电路、单片机、显示电路和控制电路五部分组成。本系统使用温度传感器采集温度信号,其阻值随温度变化而线性变化,通过电桥放大器将其阻值变化产生的差分信号放大后由A/D转换模块采集进单片机;同时真空计通过串口通信模块将真空度输入单片机。显示模块显示温度和真空度数据;当温度未超过100 K 时,继电器电路一直导通,加热电路持续加热。温度超过100 K 后,由单片机断开继电器电路,停止加热。

  由于低温泵内部属于超低温环境,其最低温度可达4 K( - 269℃),此时很多常见温度传感器灵敏度会明显降低,此处选择经低温标准标定的铂电阻温度传感器Pt1000,其阻值随温度成近似线性变化,在0℃ 时为1000 Ω。根据DIN-IEC751 国际标准,Pt1000 在温度系数TCR = 0. 003851 时,电阻特性如图5。所用铂电阻在- 200℃以下温区阻值变化需再进行标定。

模拟温度分布结果

图3 模拟温度分布结果

控制系统原理图

图4 控制系统原理图

Pt1000 输出特性曲线

图5 Pt1000 输出特性曲线

  图6 为温度调节电路。采用8 位A/D 转换,在5V 标准电压下,分辨率约为20 mV。由于对温度的控制精度要求并不高,8 位A/D 转换器可以满足需求。图中RELAY-SPST 为继电器,通过控制开关K的通断来控制加热丝R。当温度传感器采集到的温度低于100 K 时PA7 端输出高电平,此时K 闭合,加热电路进行加热;当温度高于100 K 时PA7 端输出低电平,此时K 断开,加热电路停止加热。

温度调节电路

图6 温度调节电路

4、结论

  针对特定吸附阵的低温泵快速再生系统集温度、真空度采集、显示为一体,并可在再生过程中根据温度、真空度的变化,实现再生加热的自动控制和调节,一定程度上满足了目前国内生产科研的需求。其特点为:

  (1)纯电加热,结构简单,易于实现,成本低廉。

  (2)再生过程无需打开泵体,最高温度在100 K 左右,“冷到冷”时间大大缩短,提高了工作效率且节能。

  (3)由单片机对快速再生过程进行自动控制,精度高,使用方便、可靠。

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