（食品科学与工程专业论文）g—m低温泵的工作过程研究与故障分析.pdf

中文摘要 本文系统地研究了低温泵的工作过程详细地总结了低温泵的在使用过程中虑注意的问题与 解决方案。对低温泵整体结构、氨气压缩机的结构和抽气机理进行了分析，对制冷量、热负载和 切换点进行了计算。根据不同工艺的实际要求和参数设定的要求，对低温泵的热负载、控温、容 量、抽速和再生进行了测试。通过研究表明对大多数工艺，低温泵第一级控温在6 5 k - - 1 0 0 k 比 较合适，此时第二级处于1 2 k - - 1 5 k 左右，处于低温吸附氢气和氦气的最佳范围内。低温泵系统 的故障主要有：压缩机故障、低温泵故障和再生故障。压缩机故障又分为润滑油泄漏、氦气泄漏、 不能启动和噪音。低温泵故障又分为低温泵不能冷却、低温泵噪音。低温泵故障最常见的是再生 故障又分为完全再生故障和快速再生故障。最后通过3 个具体故障诊断实例。详细描述了解决故 障的方法、工具和诊断过程。 关键词：低温泵、冷泵、工作过程、故障分析 l l a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l et h ea u t h o rd e t a i ls t u d yt h ew o r k i n gp r o c e s so ft h ec r y o g e n i c sp u m pa n di n t r o d u c e h o wt oa p p l i c a t i o no ft h ep u m p ，i n c l u d et h ec l e a r l yp r o c e s sh o wt od ot r o u b l es h o o t i n go nt h ep r o d u c t t h ea u t h o ra n a l y s i st h es t r u c t u r eo fc r y o p u m pa n dh e l i u mc o m p r e s s o r ，t h ep u m p i n gm e c h a n i s m ，a n d c a l c u l a t e t h er e f r i g e r a t o ra b i l i t y ，h e a tl o a da n dc r o s s o v e rp o i n t ，s i n c ed i f f e r e n tt e c h n i c a ln e e da n d p a r a m e t e r ss e t t i n gn e e d ，t h ea u t h o rt e s tt h eh e a tl o a da b i l i t y ，t 1c o n t r o l ，p u m pc a p a c i t y ，p u m p i n gs p e e d a n df a s tr e g e n t h es t u d ys h o wt om o s to ft h et e c h n i c st 1w i l lb es e ti n6 5 k - 1 0 0 k , t h e nt 2w i l lb ei n 1 2 k 0 1 5 ki ti sag o o dt e m p e r a t u r et oc r y o a d s o r bh y d r o g e n ，h e l i u m ，t h em a i lm a l f u n c t i o no f c r y o p u m ps y s t e mi n c l u d e ，c o m p r e s s o rm a l f u n c t i o n ，c r y o p u m pm a l f u n c t i o na n dr e g e nm a l f u n c t i o n t h e c o m p r e s s o rm a l f u n c t i o ni n c l u d eo i il e a k ，h e l i u ml e a k ，c o m p r e s s o rc a n n o tr u na n dc o m p r e s s o rn o i s e t h ec r y o p u m pm a l f u n c t i o ni n c l u d ec r y o p u m pc a n n o tr u n ，c r y o p u m pn o i s e t h em o s tf r e q u e n t l yh a p p e d m a l f u n c t i o ni nc r y o p u m ps y s t e mi sr e g e nm a l f u n c t i o n ，i n c l u d ef u l lr e g e nm a l f u n c t i o na n df a s tr e g e n m a l f u n c t i o n a tl a s tt h ea u t h o ra n a l y z e3m a l f u n c t i o ne x a m p l e ，d e t a i ld e s c r i b ed i a g n o s et o o la n dt h e p r o c e s so ft r o u b l e s h o o t i n g k e yw o r d s ：c r y o g e n i c sp u m p ，c r y o p u m p ，w o r k i n gp r o c e s s ，m a l f u n c t i o n l i t 图( f i g u r e s ) 图1 - 1 图2 - 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 5 图 图 图 图 一6 7 8 - 9 图2 - 1 0 图2 1 1 图2 - 1 2 图2 一1 3 幽2 一1 4 图2 1 5 图 图 图 图 一1 2 3 - 4 图3 - 5 图4 一i 图4 - 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 幽4 7 图4 8 图4 - 9 图4 1 0 插图和附表清单 t h el i s to ff i g u r e sa n dt a b l e s 接口为2 0 0 毫米的低温高真空泵l 一个典型的低温泵系统5 低温泵的结构示意图6 g - m 制冷机8 部分剖开后的低温泵9 冷头的工作过程示意图l o 压缩机结构示意图1 2 c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程示例1 3 h o n i g h o o k 方程示意图1 4 低温泵的低温冷凝和低温吸附1 6 活性炭工作状态图1 7 带有防热辐射罩的低温泵与内部高温的仓体一起工作1 8 低温泵吸附气体示意图2 1 低温泵的手动再生过程2 2 低温泵自动再生2 4 温度与水的蒸汽压力2 7 1 0 2 0 制冷机的热负载测试2 8 第一级冷头控温测试2 9 2 0 0 毫米低温泵的容量测试3 0 低温泵快速再生的测试3 1 4 0 0 毫米口径低温泵与扩散泵的抽速测试3 2 压缩机不能运转故障诊断流程图( 1 ) 3 6 压缩机不能运转故障诊断流程图( 2 ) 3 7 压缩机噪音故障诊断流程图3 8 低温泵不能冷却故障诊断流程图3 9 低温泵噪音故障诊断流程图4 l 低温泵完全再生失败的故障诊断流程图4 3 低温泵不能完成快速再生的故障诊断流程图4 4 第一真空仓室r g a 图4 6 第四真空仓室r g h 图4 7 检测到氨气泄漏的r f i a 图4 8 v 表( t a b l e s l 表1 - 18 英寸( 2 0 0 毫米) 低温泵参数3 表2 - i氮气冷凝的过程1 5 v i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 浓丧嗯 时间： 队o j 聿月留日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：遍诺翮僻 时间： 讪，年月啊日 导师签名：汪畋i 曹 时间：讼心年，f 月秘，日 、 一 门 第一章绪论 1 1 低温泵的国内外研究与应用现状 1 1 1 低温泵简介 低温高真空泵( c r y o g e n i ch i g h v a c u u mp u m p ) ，又称低温泵、冷泵、冷凝泵，它可以高速抽取 各种气体，既可以为食品科学的研究提供洁净的超高真空环境( 可以达到1 旷帕的超高真空) ， 又可以为食品科学研究提供超低温的测试环境。例如在测试某些低温荧光特性的过程中，低温泵 可以提供从3 0 0 k 到1 2 k 的连续实验温度( 1 k = 一2 7 2 1 59 c ) 。同时在工业上它又是一种高效、耐 爿j 、应用范围很广的超高真空泵。大量用于计算机芯片、半导体、平板显示、数据记录硬体和光 电器件的制造过程中。 图卜1 接口为2 0 0 毫米的低温高真空泵 f i g 1 - l2 0 0 r a md i a m e t e rc r y o g e n i ch i g h - v a c i l u mp u m p 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 美国对低温泵的研究起步较早，其最新产品己实现初步智能化、网络化、并广泛采用马达变 频技术，以提高低温泵的工作效率和延睦它的使用寿命。具有代表性的产品有c t i 公司生产的 c r y o - t o r r 系列、o n - b o a r d 系列和o n - b o a r di s 系列。日本和德国的科技人员也正在加紧技术研发 和技术跟踪，并取得了初步成果。具有代表性的公司有日本u l v a c 公司和德国的l e y b o l d 公司。 我国的科技人员虽然也作了一些探索性的工作【lj 【2 1 ，也取得一些实际的成果，但与国外的技术水 平相比仍然存在明显的差距。这主要是由于研究的持续性不够，深入性不够，还没有将研究与应 用很好地结合起来。本文以c r l l 公司生产的系列低温泵为例，通过系统分析最新式低温泵的原理、 结构和工作过程，试图为缩短国内外的研究差距尽微薄之力 同时本文又系统地总结了低温泵的 常见故障和诊断分析，为使用低温泵的科技人员提供一些方便。 1 1 2 低温泵技术的发展历史 早在二十世纪三十年代以前，低温泵是用液体作制冷剂的。例如用7 7 k 的液氮或4 2 k 的液 氨产生制冷。虽然这种低温泵更容易制造，但受限于单一的方向性和需要不断地更新制冷剂1 3 。 在低温泵技术发展的过程中最重大的突破是g m ( g i f f o r d - - m c m a h o n ) 制冷循环的应用利二十 世纪六十年代活性炭的应用【4 】。低温泵最早始于a r t h u rd l i t t l e 的公司，为了在2 0 k 时冷凝氢气 和冷却地面卫星通讯的微波接受器。 低温泵的研发到目前为止可以分为三个阶段。第一代g m 低温泵是纯机械式结构，很难进 行真空系统的整合。需要真空系统的设计者选取很多附件，才能将低温泵运转起来。第二代g - m 低温泵整合了粗抽阀、吹气阀、第一和第二级温度显示、第一和第二级温度加热和模块化的自动 控制等，为低温泵的应用提供极大的方便。第三代的g - m 低温泵应用了马达变频技术和智能通信 系统，提高了低温泵的工作效率和寿命，初步实现了低温泵的智能化。 t 1 3 低温泵的商业应用历史与现状 低温泵作为重要的实验设备，可以为食品科学的研究提供超高真空和超低温的研究环境，但 这方面的研究报道还很少，有待于学者进一步研究。高真空蒸发器是低温泵的第一次商业应用， 它们取代了扩散泵( d i f f u s i o np u m p ) 。因为低温泵没有油气的反流( b a c k s t r e a m i n g ) ，可以达到 1 3 1 0 5 帕或更低的压力，使它广泛用于各种光电薄膜的蒸发镀或溅射镀。超高真空低温泵可以 达到1 3 x 1 0 4 至1 3 1 0 - 6 帕，被用于表面科学( s u r f a c e s c i e n c e ) 和分子束晶体外延附( m o l e c u l a r b e a me p i t a x y ) 系统1 5 1 。在半导体工业，低温泵被用于溅射系统( 6 6 1 0 6 帕) 和离子植入系统。 离子磨( i o nm i l l i n g ) 使用惰性气体，例如氩气，作反应气体，用低温泵作真空泵。其他工业设 备，如电子柬焊接、真空铜焊、表面热处理都需要低温泵所产生的无油高真空环境，以获得高质 量的金属加工工艺【6 1 。美国国家宇航行j 哥( n a s a ) 和其他宇航公司使用大尺寸低温泵，直径0 9 到 1 2 米，抽气3 0 5 米长的空间模拟器仓体到1 3 。6 帕【”。这些大尺寸低温泵多是多冷头低温泵，同 时使用液氮作辅助冷却系统【8 j 。直径1 0 0 毫米的低温泵可以用于真空系统的载入装置( l o a dl o c k s ) 和分析仪器中，例如用于二次离子质谱仪( s e c o n d a r yi o nm a s ss p e c t r o m e t e r ) 。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 最常见的低温泵是2 0 0 毫米( 8 英寸) 直径的低温泵，通常用于商业半导体生产。2 0 0 毫米 低温泵的主要参数如下： 表1 - 18 英寸( 2 0 0 毫米) 低温泵参数( 8i n c hc r y o p u m pc h a r a c t e r i s t i c ) 项目 数值 水汽抽速( w a t e rv a p o rs p e e d ) 氯气抽速( n i t r o g e ns p e e d ) 氩气抽速( a r g o ns p e e d ) 氢气抽速( h y d r o g e ns p e e d ) 氩气容量( a r g o nc a p a c i t y ) 氧气容量( h y d r o g e nc a p a c i t y ) 氩气吞吐量( a r g o nt h r o u 曲p u t ) 切换率( c r o s s o v e rr a t i n g ) 冷却时间( c o o l d o w nt i m e ) 冷到冷完全再生时间( c o l d t o - c o l df u l lr e g e n e r a t i o nt i m e ) 4 0 0 0 - 4 5 0 0 升，秒 1 5 0 0 升，秒 1 2 0 0 升，秒 2 2 0 0 2 5 0 0 升秒 1 0 0 0 州 1 2 1 8 升 7 0 0 立方厘米，分钟 2 1 0 4 帕升 9 0 - 1 0 0 分钟 2 5 - 3 小时 1 2 选题的意义和目的 低温泵作为重要的实验设备已经广泛用于纳米研究、超导研究和宇航研究等，是前沿科学研 究的重要工具。在食品科学的研究中，虽然已经有超高压领域研究的报道，但在超高压的反方向 一超高真空领域的研究还是一片空白；虽然低温技术已经广泛应用于食品的储藏和加工，但食品 在超低低温的环境下，性质是如何变化的还没有研究报道的出现。根据材料科学的研究结果可以 知道，很多物质在超高真空，超低低温等极限环境下，性质通常会有出人意料的变化，例如在接 近绝对零度的低温环境下，很多绝缘材料呈现出超导体的性质。所以可以推测，各种食品材料也 可能在极限的环境下出现一些有趣的性质变化。 在工业上，近年来我国的半导体芯片产业突飞猛进，形成了如中芯国际、宏力半导体等一大 批芯片厂商，这些公司投资巨大，大量引进国外的技术和设备，其中低温泵更是其关键设备的核 心部件，多用于离子植入( i o ni m p l a n t a t i o n ) 设备和物理气相沉积o v o ) 设备。而且随着现代镀 膜工艺的要求越来越高，扩散泵等非清洁真空泵已不能满足实际需要，从而为低温泵提供了更加 广阔的市场。我国对低温泵的研究还有待于进一步深入，缩短国内外的技术差距。现在国内引进 的低温泵越来越多，很多科技人员对它还是非常陌生对低温泵的知识还处于一知半解的程度。 本文希望起到抛砖引玉的作用，吸引科研人员对低温泵的研究兴趣，对低温泵的研究和应用有所 帮助。 3 1 3 论文的思路 本文首先对低温泵整体结构、氮气压缩机的结构和抽气机理进行了分析，对制冷量、热负载 和切换点进行了计算，对低温泵的热负载、控温、容量、抽速和再生进行了测试，深入分析了低 温泵的工作过程，指出低温泵的工作方式分为低温冷凝和低温吸附，何时可以开启低温泵，什么 是低温泵的容量和低温泵的再生，以及如何进行低温泵的自动荐生和快速再生。再通过对低温泵 应用的分析，明确了低温泵与其他系统整合时所需要注意的事项，以及低温泵在我国的具体应用 在哪里。并对低温泵与其他真空泵进行具体的优劣比较，指出低温泵的主要特点是洁净、抽速大 和对水蒸气的特殊性质，可以对真空系统的设计选型有所帮助；最后通过对低温泵常见故障的分 析。解决了实际应用的难题，并结合实际经验绘出了故障分析的流程图，可以帮助使用者快速分 析低温泵系统的故障，节省时间增加经济效益。 4 ! 国农业大学硕士学位论文第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 一个完整的低温泵系统包括低温泵、氦气压缩机、氦气管路和电源电路等。一个低温泵系统 既可以只由一台低温泵和一台氦气压缩杌组成。也可以由多台低温泵和多台氦气压缩机组成。如 图2 - 1 是一个单压缩机单低温泵的系统，氦气压缩机即为低温泵提供了氦气又为它们提供了电源。 固2 - i 一个典型的低温泵系统 f i g 2 - 1c t y o p u m ps y s t e me x a m p l e 2 1 低温泵的整体结构分析 低温泵的工作是通过在一个极低的温度下，进行低温冷凝( c r y oc o n d e n s a t i o n ) 和低温吸附 ( c r y oa d s o r p t i o n ) 各种气体分子而实现的。通常工作面分成两个温度区，6 5 k 、1 2 k 。低温产生的工 作介质是高压氮气。这些氦气是由一个独立的在室温下运转的压缩机提供。低温泵的进气端 ( s u p p l y ) 通常为2 1 加6 帕的动态压力( 约为2 0 个大气压) ，回气端( r e t u m ) 为6 9 1 0 5 帕的动态 压力( 约为6 8 个大气压) 。回气的温度比室温稍高一点。低温泵的低温工作面是在真空仓里面但 没有运动部件与真空直接接触。 低温泵通常由制冷机、泵体、冷凝栅极、租抽阀、摊气阀、吹气嘲、湿度传感器和女b 热器等 组成，如图2 - 2 所示。低温泵的泵体材料多为不锈钢或铝，并带有高真空法兰接口。通过接口可 5 第二章g - m 低温泵的结构和工作过程分析 一个完整的低温泵系统包括低温泵、氦气压缩机、氦气管路和电源电路等。一个低温泵系统 既可以只由一台低温泵和一台氨气压缩机组成。也可以由多台低温泵和多台氢气压缩机组成。_ 蛆 图2 1 是一个单乐缩机单低温泵的系统，氢气压缩机即为 氐温泵提供了氦气又为它们提供了电、源。 围2 - i 一个典型的堰温泵系统 f 谊2 - 1 c r y o p u m ps y s t e m e x a m p l e 2 1 低温泵的整体结构分析 低温泵的工作是通过在一个极低的温度下，进行低温冷凝( c t y oc o n d o n a t i o n ) 和低温吸附 ( c r y oa d s o r i o t o r i ) 各种气体分子而实现的。通常r 作面分成两个温度区，6 5 k 、1 2 k 。低温产生的_ 作介质是高压氦气。这些氨气是由一个独立的在室温下运转的压缩机提供。低温泵的进气端 ( s u p p l y ) 通常为2 1 加6 帕的动态压力( 约为2 0 个大气压) ，回气端( r e t u r n ) 为6 9 1 0 帕的动态 压力( 约为6 8 小大气压) 。回气的温度比室温稍高一点。低温泵的低温工作面是在真空仓里面但 没有运动部件与真空直接接触。 低漏泵通常由制玲帆、泵体、冷糕栅极、粗抽阀、排气阀、吹气阎、温度传感器和加热器等 组成，如图2 - 2 所示。低温泵的泵体材料多为不锈钢或俏，并带有高真卒法兰接1 2 1 。通过接口可 组成，如图2 - 2 所示。低涡泵的泵体材料多为不锈钢或铝，并带有扁真空法兰接口。通过接口可 中国农业大学硕士学位论文 第二章0 m 低温泵的结构和工作过程分析 以将低温泵安装到系统的高真空阀体上。两级的低温制冷头( c r y o g e n i cr e f r i g e r a t o r ) 通过螺栓连 接或焊接到泵体里面。暴露在真空仓体里的部分冷头为不锈钢材料。铜质的热站( h e a ts t a t i o n ) 有时会镀镍，以防腐蚀和美观。冷头的气缸( c y l i n d e r ) 为铜质，可以高效地将热量传导给冷凝 栅( c o n d e n s e a r r a y ) 。一个铜质热辐射罩( t h e r m a lr a d i a t i o ns h i e l d ) 被装在第一级热站上，它象 是一个大桶内部被喷涂成黑色。热辐射罩被冷头控制在6 5 k 左右，它通过所涂的黑色材料吸收来 自系统的热量。热辐射罩的外面镀镍，可以减少米自室温泵体的热辐射。一个铜质镀镍的冷凝栅， 呈环状倒v 字型，安装在热辐射罩的开口端，它也保持在6 5 k 左右。这个冷凝栅主要冷凝水汽。 这个冷凝栅通常称为第一级冷凝栅或6 5 k 冷凝栅。 图2 - 2 低温泵的结构示意图 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo f ae r y o p u m p 在第一级冷凝栅的下面，热辐射罩的里面装有第二级冷凝栅。它装在1 0 - - 2 0 k 的低温热站上， 由一定数量的铜质碟型盘片或铜质圆锥体组成。第二级冷凝栅主要冷凝氩气、氧气、氮气等气体。 它的表丽通常镀镍。在第二级冷凝栅的部分表面上粘有一层活性炭( a c t i v a t e dc a r b o n ) 或木炭 ( c h a r c o a l ) 。这产生了另一种抽气方式，低温吸附( c r y o a d s o r p t i o n ) 。它可以吸附轻质气体，如 氢气、氦气、氖气等。第一级冷凝栅和第二级冷凝栅的大小尺寸、形状和层板的数量决定了低温 泵对各种气体的抽速和冷凝吸附的能力。 2 1 1 低温泵的温度传感器分析 6 中国农业大学硕士学位论文第二章g m 低温泉的结构和工作过程分析 尽管稳定运行的低温泵所获得的是一段较宽范围的栅极工作温度，但知道栅极的真实温度也 是非常有用的。较早的低温泵设计是把氢气蒸汽压力( h y d r o g e nv a p o rp r e s s u r e ，h n p ) 测量系 统的充满气体的小球，安装在低温的第二级冷头上。因为氢气的沸点是2 0 2 k ，当机械式压力计 显示1 0 1 1 0 5 帕或1 个大气压的压力时，表明栅极压力已达到2 0 k 。在温度低于1 2 k 时，压 力计读数小于1 4 1 0 4 帕。h 2 v p 温度计尽管简单可靠，但几乎不能用于其他温度范围和需要电 子输出的地方。 国内也在开始进行温度传感器的研究f 9 】。现在低温泵使用硅二极管( s i l i c o nd i o d e s ) 作温度 传感器。通过几微安培的直流电激发，中继电压( t h ej u n c t i o nv o l t a g e ) 下降，提供了准确的、可 重复的温度指示。因为长时间使用后，仍能保持高灵敏度、高稳定性和成本的低廉，使得硅二极 管特别适用于控制电路。尽管硅二极管在2 5 - - 3 3 0 k 的反应接近于线性。但在更低的温度时它呈 现出非线性。数字电路的使用，使得将二极管的电压转换成非常精准的实际温度变得相当简单。 2 1 2 低温泵的真空传感器分析 c t i 低温泵泵体上安装的是热偶式真空计( t h e r m o c o u p l ev a c u u mg a u g e ) ，量测范围是1 3 3 3 帕到0 1 3 3 帕。尽管这个真空计高低压两端极限值的绝对精度低于2 0 - - 3 0 n ，但对于低温泵的 运转已经足够好了。热偶式真空计实际测量的是气体的热传导率，这个参数对低温泵的再生非常 重要，而且它的机械结构简单可靠，激发电压较低，实践证明热偶式真空计非常稳定、结实。即 使偶尔将真空计在超低温、高真空的条件下启动，只是会将真空计的读数归零( r e - z e r o ) ，而不 会损坏真空计，在压力重新进入它的量测范围后，真空计又可以正确读值。 通常，在设计真空计灯管( g a u g et u b e ) 时会选择一种灯丝( f i l a m e n t ) ，它的工作温度低于 氢气的燃点，以防止低温泵再生时所释放的氢气被灯丝点燃爆炸。基于同样的安全考虑，本文建 议不要将热离子规( h o t - f l a m e n ti o ng a u g e s ) 安装在闸门阀的低温泵一侧，以防止将可燃气体点 燃。 2 1 3 低温泵的加热器分析 在冷头上会安装两个加热器( h e a ts t a t i o n s ) ，这两个电加热器有两个功能：( 1 ) 在低温泵运 行时可以控制精确的温度。( 2 ) 使低温泵内部部件在低温泵再生时快速加热升温。在很多的应用 中第一级冷头的理想温度为6 5 k 左右，通过一个闭环控制电路与硅二极管的温度传感器相连接， 不时通过在第一级的加热器上加上几瓦热能，以保持6 5 k 的第一级温度。第一级冷头控温在6 5 k ， 可以有效地避免氩气挂起( a r g o nh a n g u p ) 现象的发生i l 。第一级的控温，通常不会引起第二级 温度的明显升高，此时第二级温度多为1 0 一1 4 k 。 低温泵再生时，加热器会全效工作，它可以向栅极提供1 0 0 - - 2 0 0 瓦的能量，在几分钟内将栅 极加热到室温。这时闭环控制电路非常重要，它可以避免冷头和栅极过热。如果冷头被加热到8 0 一1 0 0 。c ，或者更高，经过一段时间，冷头就可能遭到严重损坏。加热器向第二级提供了液体氩 气和冰冻氮气气化所需的能量和冰在第一级冷头上融化所需的能量。低温泵再生时，加热后的栅 7 中国农业大学硕士学位论文第二章g - m 低温榘的结构和工作过程分析 极也使吹入的氮气升温，热量通过传导和对流传很快传到泵体的外表面。在低温泵的各个部分的 温度达到4 0 - - 6 0 0 c 时，控制电路开始逐渐减少加热器的功率。 因为栅极、温度传感器和加热器都是导热式连接，温度传导非常迅速，加热器的外壳一般不 会达到太高的温度，它们通常也保持在4 0 - - 6 0 6 c 。外壳将整个加热器密封，以防l 水或其他气体 进入，防止a n 热丝暴露在真空泵中。加热器的特性非常重要，它应该保证不会在低温泵再生时将 可燃气体点燃。 2 2g - m 制冷机的分析和计算 2 2 1g m 制冷机的分析 将g m 低温泵拆解后，所得的g m 制冷机如图2 - 3 所示 图2 - 3g - m 制冷机 f i g 2 - 3g mr e f r i g e r a t o r g - m 制冷机是g m 低温泵的核心部件，它是利用高压( 2 1 1 0 6 帕的动态压力，约为2 0 个大 气压、高纯( 纯度为9 9 9 9 9 ) 氦气在冷头腔体内进行西蒙膨胀( 即绝热放气制冷) 获得冷效应， 达到制冷的目的。在低温真空泵里，制冷机( r e f r i g e r a t o r ) 通常称为冷头，是由两级不同尺寸的 冷头上f 连接而成。一个具有台阶尺寸的柱状活塞( p i s t o n ) ，在冷头的气缸( c y l i n d e r ) 里作往 8 中国农业大学硕士学位论文第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 复运动【“l 。 将低温泵剖开( 见图2 - 4 ) ，可见第一级冷头，较大尺寸的活塞内部是由几百层金属筛压制而 成。第二级冷头，尺寸较小的活塞内部充满了小铅粒或其他细小的材料。这些金属筛和铅粒是热 交换器的矩阵。活塞本身是由坚固的工程塑料制成，具有较低的热传导性。在活塞上开有一定 围2 - 4 部分刮开后的低温泵 f i g 2 - 4t h ec r y o p u m p ，s o m ep a r tw a sc u ta w a y 数量的小孔，引导高压氦气通过金属筛和铅粒，进行热交换。所以在低温泵里称活塞为置换器 ( d i s p i a c c l ) 。金属筛和铅粒可以促使高压氦气在置换器里相对自由地流动，增大接触的表面积， 更高效地进行热交换。 制冷机的下部安装有一个低速马达或气动装置，驱动置换器在活塞腔体里做上下往复运动， 通常运动速度为每分钟6 0 - - 7 2 次。当制冷机工作时，第一级冷头的置换器与机械驱动装置连接 的一端基本保持在室温状态，而另一端约为6 5 k 。第二级冷头的置换器是焊接在温度为6 5 k 的第 一级冷头的端面上。第二级冷头置换器的另一端可以达到1 0 - - 1 5 k 的低温状态。面每一级的精确 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 温度是由它们的热负载、制冷机内热置换器的设计、来自氦气压缩机的氦气进出压力和其他一些 因素决定的。 g - m 制冷机循环是由升压、等压进气、绝热放气和等压排气四个热力过程组成。g m 循环是 不作功的热动力膨胀循环，只进行热交换。来自氦气压缩机的氦气压力约为2 1 1 0 6 帕，被连接 到进气阀门。进气阀门和排气阀门都是靠机械调控，不时开启或关闭。如图2 - 5 所示，当进气阀 门打开，高压氮气流过置换器的孔隙，充满整个腔体。当氦气通过铜质筛和铅粒时，氦气被冷却。 即铜质筛或铅粒温度略有一点升高。置换器由顶点开始向下运动，使热端的氦气体积逐渐减少。 当置换器运动到底点时，进气阀关闭，排气阀打开，置换器开始向上运动。此时已经被冷却的低 温氦气开始膨胀吸热。每一次循环带走一点热量，直至使置换器的温度降低到6 5 k 和1 0 k 左右 ( 经过实际测量，整个降温过程需要9 0 1 2 0 分钟) 。回气端的压力约为6 9 x1 0 5 帕。因为冷头 是完全焊接密封的，所以氦气不能进入工作的真空仓。同样真空仓内冷凝的其他气体也不可能进 入氦气管路中。 2 2 2 制冷机的冷量计算 图2 - 5 冷头的工作过程示意闰 f i g 2 - 5r e f r i g e r a t o rw o r k i n gp r o c e s s 制冷机的理论制冷量计算公式为； 1 0 中国农业大学硕士学位论文 第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 q c - v c ( p 一a ) ( 1 ) 式中：q c 为理想制冷量；k 为冷头的容积；p h 为高压压力；p l 为底压压力 然而，实际g m 制冷机工作循环中存在各种冷量损失( 例如：热损失、空容积损失、压缩机 损失等。所以，制冷机的实际制冷量为： q r = q c 一q 如 ( 2 ) 式中：z q h 为各种冷量损失总和。 2 3 氮气压缩机的结构分析 氦气压缩机的主要功能之一是，将从冷头回来的6 9 l 旷帕的氦气压缩加压到2 1 1 0 6 帕， 以供冷头再次使用。为了达到这个目的，压缩机还必须具有其他一些功能。压缩机压缩氦气会产 生大量的热，所以必须用冷却水或空气冷却。因为压缩机是机械装置，要求有润滑。润滑油会与 回来的氦气混合后进入压缩机的泵体。通过泵体压缩后，出来的是高压高温带有润滑油的氮气。 它先通过热交换器降温，再通过油气分离器进行润滑油和氮气的分离。但此时的氦气还达不到 9 9 9 9 9 的纯度，需要通过吸附器将剩余的润滑油彻底清除掉。如图2 - 6 所示。 图2 - 6 压缩机结构示意图 f i g 2 - 6 s t r u c t u r e o f a h e l i u mc o m p r e s s o r 压缩机进出的氦气量相对稳定，由冷头内的容积决定，所以压缩机与低温泵之间的氦气连接 中国农业大学硕士学位论文第二章g - m 低温泵的结构和工作过程分析 管路的长度没有限制。通常氦气管路的长度为3 一1 8 米。但压缩机也可以置于距离低温泵几百米 之外，只需要匹配相应的管路直径即可。低温泵与压缩机之间的距离远近不会影响低温泵的工作 效率。 压缩机对低温泵工作能力影响最大的因素是氦气的进出压力和进出压力之间的压力差。在其 他条件相同的情况下，较高的压力差会产生较高的制冷能力。在较低的进出压力下，低温泵的表 现效率会稍微好一点。高的制冷能力可以缩短低温泵的冷却时间( c o o l d o w nt i m e ，是指从室温降 低到1 7 k 左右所需的时间) 和再生时间( r e g e n e r a t i o nt i m e ) 。在一定的温度下，高的制冷能力也 可以承受较多的热负荷。因为压缩机是容积式机械泵，增加氮气的输出会减少进出氦气的压力差， 所以较多小的低温泵连接到一个大的压缩机时。每个低温泵的制冷能力会减少，即增加低温泵的 冷却时间。为了将最大压力差和绝对压力值控制在合理的范围内，压缩机里会安装了一个弹簧式 旁路阀来控制压力差。压缩机开启后，旁路阀可以使压缩机不输出氦气( 低温泵作再生时) 或输 出少量的氦气。根据实际应用。较经济的提高低温泵能力的方法是提高压缩机的能力。在带自动 控制的多个低温泵的系统中，因为压缩机的费用只占整个系统费用的1 5 - - 2 0 。所以会选配较高 的压缩机能力。通常压缩机需要每隔1 到3 年更换一次吸附器( a d s o r b e d ，以保证氦气的纯净。 如果压缩机内部所充的氦气有所损失，即压缩机关闭时。静态压力明显降低。需要补充9 9 9 9 9 的高纯氦气。如果系统内的氮气已经被污染，会听到低温泵运动时内部有撞击声，此时压缩机和 所连接的所有低温泵都需要作除污染程序。 2 4 低温泵的抽气机理 低温泵可以产生很宽范围的压力，从高压端的0 7 帕到低压端的1 3 加9 帕。实验室的低 温泵可以达到更低的压力。这个区间的压力下，通常尺寸的系统内，气体处于分子流状态 ( m o l e c u l a rf l o wr e g i m e ) 。在分子流时，气体分子的轨迹是直线型，相对于系统尺寸，分子的平 均自由程( m e a nf r e ep a t h ) 很长，气体分子的密度很低，分子间的干涉和散射可以忽略不计。这 简化了低温泵的设计。在压力低于0 1 3 帕时，可以忽略对流传热。当溅射压力高于0 1 3 帕时， 气体的散射和热对流是很明显，对工艺影响很大【1 2 1 。 因为分子处于分子流状态。任何高真空低温泵都不可能去“抓”或“吸”分子到泵口。低温 泵必须等待分子通过随机的无序的运动，最终抵达低温“陷阱”。低温泵通过吸附和冷凝将分子 冻在冷板上，这个冷板就象一张低温的“捕蝇纸”，分子降落在冷板上再也不能飞走了。其他的 分子不断地降到冷板上，形成厚厚的一个冷凝层。 低温泵具有极好的“胃口”，可以高速吸附各种气体。特定气体的气压特性决定了冷板吸附此 种气体的能力。几乎所有气体都遵循c l a u s i u s - c l a p e y m n 方程 1 ”。 l o g p = 一ar l t ) + c o n s t a n t 式中：p 为饱和蒸汽压；t 是温度，单位为开尔文( k e l v i n s ) ；一a 是线的斜率，即气体的蒸发热。 图2 7 是氩气、氮气、氢气的c l a u s i u s c l a p e y r o n 方程示意图。很多人可能更熟悉h o n i g h o o k “】 所表述的温度与饱和蒸汽压关系，如图2 - 8 所示。在给定温度的密闭空间内，其内部的各种气体 1 2 中国农业大学硕士学位论文 第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 会达到相应的气压平衡。密闭空间的压力等于各种气体平衡压力相加的总和。当系统压力大于低 温泵冷凝栅极处平衡蒸汽压1 0 0 倍，低温泵可以获得全部的抽速1 1 ”。当系统压力小于1 0 倍的低 温泵栅极处平衡蒸汽压时，低温泵抽速明显f 降。当两者之间的压力逐渐接近或已接近气体的极 限压力时，低温泵的抽速为零。对于可以冷凝的气体，其极限压力会低于1 0 4 帕。 通常干燥的室内气体的组成成分为7 8 的氮气，2 1 的氧气，1 的氯气和其他含量很低的 气体，如含有7 p p m ( 百万分之) 的氦气。空气相对湿度的变化，水蒸气的含量会上升到1 - 2 。 在一个真空系统中，氮气、氧气和其他气体会在初始时就会被大量抽走，只留下水蒸气作为真空 中的主要气体组成成分。水蒸气是极性分子，通过极性键与容器表面连接，形成5 0 1 0 0 纳米的 单分子层。当真空系统压力在l f f 5 帕时，水蒸气占系统内全部气体的9 8 。所以在真空系统中 高速抽取水蒸气是很关键的。 对低温泵来说，抽取水蒸气是非常容易的。实验证明，在1 3 0 k 时，就可以获得1 0 - 8 帕的平 衡压力，这就保证了低温泵在低至1 0 6 帕的压力时，仍然可以有儿乎1 0 0 的效率。在1 1 3 k ，压 力低至1 矿帕时，低温泵仍然能保持大于9 9 的效率。通常低温泵的第一栅极会保持在6 5 - - 9 0 k 的温度范围内，所以低温泵可以以1 0 0 的效率在真空系统中高速抽取水蒸气和其他大分子量的 气体。冷凝氮气、氧气、氩气和其他可冷凝的气体需要低至2 0 k 的温度。在此温度下，这些气体 3 2 。 t 一 若。 o 巴 嚣4 芷 哥。 _ j a - 9 1 0 口 ，1 3 g a sv a p o rp r e s s u r ev s ，t e m p e r a t u r e a r g o n n i t r o g e n t a n d 州r 口g e n m c l a u s l u s - c l a p e y m nf o r m 2 01 0525 疆 、 、 瓢 强 u _ 雾 n 】l m 啊m 郸 ”罗“一 、 璐一， 7 i d i 1 i 0 1 5 0 2n描03 n v e m et e m p e r a t u r e 1 嗡 图2 7c ia u s i u s c i a p e y r o n 方程示例 f i g 2 - 7c l a u s i u s - c l a p e y r o nf o r m 都被冷凝成象冰一样的固体。但是需要注意的是，在6 - - 2 0 k 的温度范围，氢气、氦气、氖气不 能被冷凝【1 q 。这三种气体必须通过低温泵内置的特殊吸附表面才能被吸附。 1 3 中国农业大学硕士学位论文第二章g m 低温泵的结构和工作过程分析 对于其他气体，从1 矿帕到1 0 2 帕，1 0 2 0 k 的冷凝工作面可以提供1 0 0 的恒定抽速。在 压力升高到1 0 。1 帕时，低温泵的抽速会因分子呈过渡流体状态增加2 0 - - 4 0 。在实际的应用中， 低温泵的抽速可以看作是一个恒定的值1 1 ”。 当气体分子与冷面碰撞时，其所携带的热能被带走，分子不能继续运动，从而达到冷凝的目 的。在室温的条件下这种