低溫泵抽氣系統及其操作流程

真空系統 張以忱 東北大學

低溫泵抽氣系統

  低溫抽氣是目前獲得潔凈真空環境的一種快捷而有效的方法。隨著雙級高可靠性小型制冷機的日臻完善,制冷機低溫泵得到迅速發展,已成為獲得潔凈、無污染、抽速大、工作壓力范圍寬、抽氣效率高、結構簡單、使用方便,能長期工作及可任意方向安裝的真空獲得設備。

  圖1給出典型的氣氦制冷機低溫抽氣系統的示意圖。該抽氣系統不需要前級泵,僅需要在粗抽過程中開動機械泵進行預抽。它不需要用液氮冷阱來防止低溫泵的返流,但可在真空室內安裝冷阱、水冷障板或室溫障板來屏蔽工作過程中的熱載荷,但是這些障板也會降低系統的總抽速。低溫泵可以用氫蒸氣壓規來監測第二級冷陣的溫度。

氦氣制冷機低溫泵真空機組

1.壓力安全閥 2.高真空閥 3.真空室放氣閥 4.電離規 5.熱傳導規 6.粗抽閥 7.機械泵放氣閥 8.機械泵 9.低溫泵預抽閥 10.低溫泵沖洗氣體閥

圖1  氦氣制冷機低溫泵真空機組

  低溫泵的抽速大,通常用在不能高溫烘烤除氣的真空系統。從抽氣系統結構來看,低溫泵系統類似于離子泵系統。為了無污染粗抽真空,還可以配接吸附泵。但是這種結合并不適用于抽除大量的惰性氣體,例如氬氣。而且雖然低溫板易抽氣,但當低溫泵需要再生時,會給吸附泵造成困難。由于前級泵只在起始抽氣期間使用,所以污染極少,如果使前級泵工作在粘滯流范圍,即用機械泵粗抽到200 Pa,然后再用吸附泵接力抽到1 Pa,可進一步減少污染。但是除了額外氣體負載外,低溫泵在200 Pa 下開始冷卻時會導致可凝結性氣體,例如CO2 和水汽,凝結在低溫板上而不是周圍屏蔽板上。在低溫板上涂覆適量活性碳可有效地降低這種凝結效應。因為低溫泵對氫氣的抽速很小,所以低溫泵抽氫氣時應與鈦升華泵結合。低溫泵也可以和其它的超高真空泵,例如離子泵或渦輪分子泵進行組合。

低溫泵真空系統的操作

  低溫泵抽氣系統不需要前級泵,僅需要粗抽泵,低溫抽氣的真空室在到達切換壓力之前是用粗抽泵進行抽氣的。當達到切換壓力后關掉粗抽閥并打開高真空閥。真空室可在安全的壓力范圍內地被轉換上低溫泵抽氣。如果用機械泵粗抽,則真空室切換到低溫泵抽氣轉換所允許的最低壓力是由防止機械泵返油的要求決定的。對直徑為4 到6 cm 的粗抽管道來說,最低壓力約為10到20 Pa。對直徑非常大的粗抽管道來說,其切換的最低壓力值更低;但其數值要大于克努曾數為0.01 時的壓力值。最高切換壓力取決于低溫抽氣表面的幾何形狀和制冷機的制冷量。泵的低溫抽氣表面應具有相當大的熱容量,它們能接納“突發”的氣體而不產生不可逆升溫。在一次氣體突發中導入低溫泵中的最大氣體量Qi 的允許數值可由低溫泵的制造廠家得到,當打開高真空閥時瞬間導入的氣體量可由Qi=PcV 求出,由此可見,最大切換壓力為

  式中Pc———切換壓力,Pa
    V———真空室容積,m3
    Qi———某一瞬時突發進入低溫泵內的最大氣體量(例如打開高真空閥時瞬間導入的氣體量);V 為真空室容積。

  對典型的小型制冷機低溫泵,由粗抽轉換到低溫泵抽氣的切換壓力范圍為

  假如由(4)式求得的值低到在切換前就會有機械泵油返流現象的話,那就說明相對于真空室容積尺寸來說低溫泵的抽速太小了。

  由(4)式求得的低溫泵的切換壓力要比擴散泵的高幾個數量級。如果突發產生的氣體很多,則在粘滯流或過渡流時,突發氣體中的水蒸氣就會到達吸附劑處,覆蓋在吸附劑上或使之飽和,從而防礙了對氫氣和氦氣的抽除。在大部分低溫抽氣系統中,切換壓力接近100 Pa。為了盡量減少油的返流,最好是采用盡可能高的并避免吸附劑出現飽和現象的切換壓力。