低温泵抽气系统及其操作流程

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:张以忱

低温泵抽气系统

  低温抽气是目前获得洁净真空环境的一种快捷而有效的方法。随着双级高可靠性小型制冷机的日臻完善,制冷机低温泵得到迅速发展,已成为获得洁净、无污染、抽速大、工作压力范围宽、抽气效率高、结构简单、使用方便,能长期工作及可任意方向安装的真空获得设备。

  图1给出典型的气氦制冷机低温抽气系统的示意图。该抽气系统不需要前级泵,仅需要在粗抽过程中开动机械泵进行预抽。它不需要用液氮冷阱来防止低温泵的返流,但可在真空室内安装冷阱、水冷障板或室温障板来屏蔽工作过程中的热载荷,但是这些障板也会降低系统的总抽速。低温泵可以用氢蒸气压规来监测第二级冷阵的温度。

氦气制冷机低温泵真空机组

1.压力安全阀 2.高真空阀 3.真空室放气阀 4.电离规 5.热传导规 6.粗抽阀 7.机械泵放气阀 8.机械泵 9.低温泵预抽阀 10.低温泵冲洗气体阀

图1  氦气制冷机低温泵真空机组

  低温泵的抽速大,通常用在不能高温烘烤除气的真空系统。从抽气系统结构来看,低温泵系统类似于离子泵系统。为了无污染粗抽真空,还可以配接吸附泵。但是这种结合并不适用于抽除大量的惰性气体,例如氩气。而且虽然低温板易抽气,但当低温泵需要再生时,会给吸附泵造成困难。由于前级泵只在起始抽气期间使用,所以污染极少,如果使前级泵工作在粘滞流范围,即用机械泵粗抽到200 Pa,然后再用吸附泵接力抽到1 Pa,可进一步减少污染。但是除了额外气体负载外,低温泵在200 Pa 下开始冷却时会导致可凝结性气体,例如CO2 和水汽,凝结在低温板上而不是周围屏蔽板上。在低温板上涂覆适量活性碳可有效地降低这种凝结效应。因为低温泵对氢气的抽速很小,所以低温泵抽氢气时应与钛升华泵结合。低温泵也可以和其它的超高真空泵,例如离子泵或涡轮分子泵进行组合。

低温泵真空系统的操作

  低温泵抽气系统不需要前级泵,仅需要粗抽泵,低温抽气的真空室在到达切换压力之前是用粗抽泵进行抽气的。当达到切换压力后关掉粗抽阀并打开高真空阀。真空室可在安全的压力范围内地被转换上低温泵抽气。如果用机械泵粗抽,则真空室切换到低温泵抽气转换所允许的最低压力是由防止机械泵返油的要求决定的。对直径为4 到6 cm 的粗抽管道来说,最低压力约为10到20 Pa。对直径非常大的粗抽管道来说,其切换的最低压力值更低;但其数值要大于克努曾数为0.01 时的压力值。最高切换压力取决于低温抽气表面的几何形状和制冷机的制冷量。泵的低温抽气表面应具有相当大的热容量,它们能接纳“突发”的气体而不产生不可逆升温。在一次气体突发中导入低温泵中的最大气体量Qi 的允许数值可由低温泵的制造厂家得到,当打开高真空阀时瞬间导入的气体量可由Qi=PcV 求出,由此可见,最大切换压力为

  式中Pc———切换压力,Pa
    V———真空室容积,m3
    Qi———某一瞬时突发进入低温泵内的最大气体量(例如打开高真空阀时瞬间导入的气体量);V 为真空室容积。

  对典型的小型制冷机低温泵,由粗抽转换到低温泵抽气的切换压力范围为

  假如由(4)式求得的值低到在切换前就会有机械泵油返流现象的话,那就说明相对于真空室容积尺寸来说低温泵的抽速太小了。

  由(4)式求得的低温泵的切换压力要比扩散泵的高几个数量级。如果突发产生的气体很多,则在粘滞流或过渡流时,突发气体中的水蒸气就会到达吸附剂处,覆盖在吸附剂上或使之饱和,从而防碍了对氢气和氦气的抽除。在大部分低温抽气系统中,切换压力接近100 Pa。为了尽量减少油的返流,最好是采用尽可能高的并避免吸附剂出现饱和现象的切换压力。

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