低溫真空泵作為一種高比抽氣速率和極潔凈的高真空泵，在很多科研和工業(yè)加工方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。一般低溫真空泵大多以G-M制冷機(jī)作為冷源。本文針對(duì)G-M制冷機(jī)中的二級(jí)密封作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,結(jié)果表明：當(dāng)溫度下降到80K 以下區(qū)間，二級(jí)蓄熱材料的熱容發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱容量變小，制冷量不足，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度，二級(jí)密封的作用顯著體現(xiàn)。

　　低溫真空泵一般簡(jiǎn)稱(chēng)為低溫泵或者冷泵（cryopump），從廣義上來(lái)講，是利用低溫面冷凝、吸附氣體的一種氣體捕集式真空泵裝置，是由真空和低溫技術(shù)結(jié)合而形成的一種應(yīng)用技術(shù)^[1]。本文針對(duì)低溫泵制冷機(jī)的二級(jí)密封的作用和原理進(jìn)行了研究，所指的低溫泵是指以小型制冷機(jī)為冷源的一種高抽速、無(wú)污染的高真空泵，在許多試驗(yàn)研究中作為產(chǎn)生高真空高潔凈的基礎(chǔ)手段，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，IC、LCD、HD 的生產(chǎn)中，主要作為薄膜沉積工藝真空系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，具有廣泛和重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　低溫泵的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 由制冷機(jī)、第一級(jí)冷凝陣列、第二級(jí)冷凝陣列、泵殼體組成。

圖1 低溫泵的基本結(jié)構(gòu)

　　制冷機(jī)的第一級(jí)和第二級(jí)冷頭用來(lái)冷卻兩級(jí)冷凝陣列。冷凝陣列和冷頭之間采用銦片來(lái)進(jìn)行熱耦合以便獲得高的熱傳導(dǎo)。在實(shí)際使用中，兩級(jí)冷頭的溫度由各自的熱負(fù)載和熱傳導(dǎo)決定。一級(jí)冷凝陣列主要用來(lái)冷凝水氣、CO₂、碳?xì)浠�合物，同時(shí)為第二級(jí)陣列提供熱屏蔽。第二級(jí)冷凝陣列包括冷凝表面和吸附表面。吸附表面對(duì)于抽取Helium、Hydrogen 和Neon 是至關(guān)重要的。二級(jí)冷凝陣列由一級(jí)冷凝陣列提供屏蔽，通常用活性碳作為吸附劑，確保其他氣體冷凝在一級(jí)冷凝陣列上。

1、G-M制冷機(jī)原理

　　G-M制冷機(jī)是Gifford-McMahon 制冷機(jī)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是一種回?zé)崾叫⌒偷蜏刂评錂C(jī)，它利用絕熱放氣膨脹（又稱(chēng)為西蒙膨脹）原理獲得低溫，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)等許多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)代低溫真空泵絕大多數(shù)采用G-M制冷機(jī)作為冷源，利用氦氣絕熱膨脹產(chǎn)生低溫。該制冷機(jī)在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)^[2,3]。隨后其可靠性不斷得到提高。

　　在給定壓縮機(jī)參數(shù)的情況下，G-M制冷機(jī)的制冷量與制冷溫度之間是函數(shù)關(guān)系。隨著溫度降低，由于熱損失的增加，制冷量會(huì)顯著下降。實(shí)際應(yīng)用中，為了在60 K 以下獲得可用的制冷量，在壓縮機(jī)尺寸一定的情況下，使用如圖2 所示的兩級(jí)串聯(lián)式系統(tǒng)。在這種配置中，一級(jí)溫度約80 K，阻止了來(lái)自室溫的大部分熱傳導(dǎo)和熱輻射，也補(bǔ)充了蓄冷器的損失。然后利用二級(jí)能夠獲得低于15 K 的溫度。

圖2 兩級(jí)G-M制冷機(jī)原理圖

2、試驗(yàn)方案

　　G-M制冷機(jī)因?yàn)榫哂姓駝?dòng)小，安裝和使用方便的特點(diǎn)，常常被用作低溫泵及低溫試驗(yàn)裝置的冷源，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等需要低溫環(huán)境的研究領(lǐng)域。制冷機(jī)的運(yùn)行壽命與可靠性，及壓縮機(jī)的濾油技術(shù)和二級(jí)密封是工程上的技術(shù)難點(diǎn)^[5]。

　　二級(jí)密封是制冷機(jī)活塞/ 置換器組件中的一個(gè)關(guān)鍵部件，如果出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)制冷機(jī)很難降到最低溫度，同時(shí)在工作過(guò)程中出現(xiàn)降溫速度的減慢、停降、溫度回升等不正常現(xiàn)象，造成制冷機(jī)性能下降、壽命降低，甚至失去抽氣功能。

　　根據(jù)結(jié)構(gòu)功能，二級(jí)密封的作用主要是防止二級(jí)的漏氣，在起密封作用的同時(shí)，二級(jí)密封同樣會(huì)產(chǎn)生摩擦損失。

　　本文通過(guò)考慮二級(jí)密封失效的極限情況，即沒(méi)有二級(jí)密封的情況下，制冷機(jī)的實(shí)際工作情況來(lái)研究二級(jí)密封的作用，試驗(yàn)方案是對(duì)制冷機(jī)在安裝二級(jí)密封和不安裝二級(jí)密封的兩種情況下進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。

　　本試驗(yàn)使用的主要設(shè)備如下：

　　低溫泵：Austin Scientific CyoPlex- 8
　　壓縮機(jī)：Austin Scientific M125
　　測(cè)溫裝置：Austin Scientific E500

2.1、試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

　　本實(shí)驗(yàn)主要是研究二級(jí)密封對(duì)于低溫泵性能的影響。低溫泵的性能主要體現(xiàn)在二級(jí)冷頭的溫度上。所以實(shí)驗(yàn)設(shè)備并沒(méi)有考慮使用模擬腔體。而是將低溫泵安放在一塊不銹鋼盲板上，在盲板的另一端打孔，焊接上兩個(gè)KF40 的接口,用來(lái)安裝抽氣管路和真空計(jì)。

　　抽氣系統(tǒng)由機(jī)械式旋片泵、氣動(dòng)閥門(mén)、充氣閥門(mén)、真空計(jì)、壓縮機(jī)空氣以及氮?dú)夥峙湎到y(tǒng)組成。低溫泵的氦氣提供系統(tǒng)由M125 氦氣壓縮機(jī)、密封金屬軟管、冷水機(jī)組成。

　　溫度記錄系統(tǒng)由測(cè)溫二極管、E500溫度監(jiān)視控制器、PC機(jī)和溫度記錄軟件組成。

2.2、試驗(yàn)流程

　　在本實(shí)驗(yàn)中，拆除二級(jí)密封之后，重新組裝低溫泵是該實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。如果因?yàn)榉纸夂徒M裝不當(dāng)而破壞了低溫泵，那么測(cè)量得到的數(shù)據(jù)并不能反應(yīng)二級(jí)密封的作用。因?yàn)橹评錂C(jī)工作依靠高純氦氣（>99.999%），任何雜質(zhì)氣體進(jìn)入制冷機(jī)都會(huì)引起低溫泵性能的下降。

　　實(shí)驗(yàn)的流程為：先將低溫泵制冷狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，記錄其降溫時(shí)間和極限溫度。然后將低溫泵進(jìn)行分解，拆除二級(jí)密封并安裝到位，記錄其降溫時(shí)間和極限溫度。試驗(yàn)流程框圖如圖3。

圖3 試驗(yàn)流程

2.3、試驗(yàn)結(jié)果和分析

　　圖4 為低溫泵二級(jí)冷頭的溫度- 時(shí)間曲線，每分鐘記錄一次二級(jí)冷頭的溫度。溫度單位為K。三角形為正常情況下的低溫泵二級(jí)溫度-時(shí)間曲線，菱形為不安裝二級(jí)密封的溫度- 時(shí)間曲線。

圖4 二級(jí)冷頭降溫曲線

　　從圖4 中可以看出，在整個(gè)降溫過(guò)程中，兩條曲線開(kāi)始時(shí)并沒(méi)有什么區(qū)別, 只是在降溫的低溫區(qū)有所區(qū)別。

　　圖5 為80 K 溫度下的溫度- 時(shí)間曲線的局部放大。從圖中可以看出，安裝二級(jí)密封的情況下，冷頭降溫明顯加快，且極限溫度低，而不安裝二級(jí)密封的降溫慢，且極限溫度高。之間的差值就是二級(jí)密封情況下引起的冷量損失。

圖5 80K 以下降溫曲線

　　制冷機(jī)的實(shí)際制冷量Qac，也就是有效制冷量與整個(gè)系統(tǒng)中所有冷量損失Qloss 之和的差值^[6]。

　　當(dāng)制冷機(jī)的理論制冷量與系統(tǒng)中的所有損失之和達(dá)到平衡時(shí)，其有效制冷量為零。這時(shí)，對(duì)應(yīng)的制冷溫度叫做最低制冷溫度，或稱(chēng)作無(wú)負(fù)荷制冷溫度。

　　G-M制冷機(jī)的損失，包括：

　　(1)回?zé)崞髦負(fù)Q熱不完全等因素引起的回?zé)崞鲹p失Qr；
　　(2) 排除器往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成的“穿梭”損失Qsh；
　　(3) 軸向?qū)�熱損失Qcond；
　　(4) 泵氣損失Qpu
　　(5) 空容積損失Qvoid
　　(6) 密封漏氣和摩擦損失Qleak
　　(7) 室溫輻射損失Qrad
　　(8) G-M制冷機(jī)的其他因素?fù)p失Qother

　　在制冷機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)一定的情況下，二級(jí)密封引起的冷量損失對(duì)于二級(jí)溫度的數(shù)值具有顯著影響直接決定了系統(tǒng)的最低制冷溫度，或者說(shuō)是低制冷溫度數(shù)值反映了實(shí)際制冷量的變化。

3、結(jié)論

　　從試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 在高于80 K 的溫區(qū)，在二級(jí)蓄熱材料熱容足夠的情況下，活塞與氣缸壁之間的漏氣損失引起的二級(jí)溫度變化不明顯，無(wú)二級(jí)密封情況引起的損失，并不影響低溫泵的二級(jí)溫度。有無(wú)安裝二級(jí)密封引起的主要差別發(fā)生在進(jìn)入80 K 以下溫度區(qū)間。當(dāng)溫度下降到＜80 K 時(shí)，二級(jí)蓄熱材料的熱容發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱容量變小，制冷機(jī)的制冷量不足，二級(jí)密封的作用顯著體現(xiàn)。因此二級(jí)密封的主要作用可以認(rèn)為是在低溫區(qū)防止二級(jí)活塞和氣缸壁之間的氣體串氣，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度。

參考文獻(xiàn)

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