冷凝泵的内部构造、工作原理及其维护保养(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华越微电子有限公司 作者:李小宁

2、冷凝泵的工作原理

2.1、基本原理(以G-M循环冷冻机为例)

  驱动He气通过压缩机的压缩后,以高压形态供给冷冻机,将蓄冷器和气缸的室温侧连在一起,借助切换阀接在He气压缩机的高压与低压侧。此外,再将蓄冷器和气缸切换到低温侧,气缸内有一个活塞连杆,借助曲柄连杆机构上下移动。为使G-M循环冷冻机更小型化紧凑化,在活塞杆内采用了蓄冷器构造(如图2所示)。

 

图2 冷冻机结构图

  用活塞密封被隔气缸内的压缩气体,通过活的上下移动,使里面的被隔气体膨胀,就可使其吸收外部的热量。如果,从外部传入的热量较少或者根本没有,处于断热状态,气体本身就会降温。这种吸收外部热量下降自身温度的过程,从能量守恒的角度来分析,正好与活塞对外做的功相等。这就是制冷的基本原理。

2.2、制冷过程(参照图3)

 

图3 制冷流程简图

  ① 活塞杆在低温侧状态时,高压侧的阀门打开。那么,膨胀室(气缸的低温侧)的容积和压力变化, 是从A—B的移动(P—V曲线图)。

  ② 高压侧的阀门仍处于开启状态,活塞杆向室温侧移动。由室温侧通过蓄冷器的He气被变为低温气体,向膨胀室移动(B—C的移动)。

  ③ 低压侧的阀门打开,高压侧阀门关闭。膨胀室内的He气在移动过程中,一边膨胀一边通过蓄冷器。此时,就产生了冷冻(C—D的移动)。

  ④ 残留的低压He气,在活塞杆的作用下返回到压缩机的低压侧(D—A的移动)。冷凝泵的整个工作过程为: 膨胀、吸热、制冷。压缩机的整个工作过程为: 压缩、放热、冷却。

图4 相位图

2.3、相位关系(参照图4)

  所谓相位关系, 就是指阀门开启时间与活塞连杆运动之间的相位关系(运动轨迹为正弦曲线)。É低压阀闭合,高压阀处于闭合/开启临界位置。Ê低压阀闭合, 高压阀开启最大, 活塞连杆处于顶部死区(最长距离)。Ë低压阀处于闭合/开启临界位置,高压阀处于开启/闭合临界位置,活塞连杆处于底部死区(最短距离)。Ì 低压阀开启最大,高压阀闭合。Í 低压阀处于开启/闭合临界位置, 高压阀闭合。

2.4、低温环境的形成

① 低温凝缩(冷凝)

    冷凝温度    气体种类
     80K       水等
     20K     N2、O2、Ar、CO2

  如蒸汽压曲线所示(略) , 除He、H2、Ne以外的所有气体, 由于其饱和蒸汽压低, 故会被液化, 冷冻在一、二级冷头上。通过对泵的再生, 借助前级泵而排出泵体。

② 低温吸附

  由于He、H2、Ne在10K时, 饱和蒸汽压也很高。而在冷凝泵可能达到的温度10~20K 时, 亦不能被液化冷冻, 只有依靠活性碳的吸附作用来加以吸附, 而达到排气的目的。

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