針對大口徑大抽速低溫泵的抽速性能進行了研究。由于我國對小于400 mm 的低溫泵的抽速測試有規(guī)范，但是對1250 mm 大口徑的低溫泵還沒有規(guī)范，因此類比電子行業(yè)標準低溫泵總規(guī)范SJ/T11259-2001 中規(guī)定的抽速測試方法，提出了一種在真空系統(tǒng)中實際測量低溫泵抽速的方法； 采用流量標定法獲得低溫泵在不同氮氣流量下的壓強和抽速，最后將抽速的理論值和試驗值進行了比較分析。結(jié)果表明，低溫泵在1 ～ 10 mL/min 小進氣條件下的抽速為44441 ～53280 L/s，在大進氣條件200 ～800 mL/min 時抽速為51393 ～59132 L/s，均小于低溫泵的理論抽速60891 L/s。小流量進氣條件下的實際抽速低于大流量下的實際抽速。并給出影響抽速的因素不僅與被抽氣體物性參數(shù)、低溫泵流導參數(shù)及冷凝板面積等自身參數(shù)有關(guān)還受到真空艙的體積、實際材料放氣等因素的影響。

　　隨著航天科技發(fā)展，尤其是當前空間推進技術(shù)的大力發(fā)展，航天器空間模擬試驗對設(shè)備的要求逐步提高，高真空、超低溫的測試環(huán)境是模擬試驗的重要條件。低溫泵是利用低溫表面將氣體冷凝和吸附而達到抽氣目的的真空泵。其原理是使用低溫介質(zhì)將低溫泵的冷凝板冷卻到20 K 以下，此時，沸點溫度高于冷凝面溫度的氣體就會大量凝固在冷凝板上，從而產(chǎn)生抽氣效果。低溫泵因其具有抽速大、真空度高、清潔無污染等優(yōu)點，已成為航天領(lǐng)域試驗真空艙的主抽泵。

　　另外在其他特殊領(lǐng)域也有應用報道，文獻給出了美國、德國、日本等國家的高真空設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成，其中低溫泵是不可缺少的泵組系統(tǒng)。在進行火箭發(fā)動機性能試驗時，為了真實模擬宇宙空間環(huán)境，需要發(fā)動機工作時真空艙處于高真空狀態(tài)，此時低溫泵對氣體的抽速性能是決定試驗成敗的關(guān)鍵參數(shù)。

　　中華人民共和國電子行業(yè)標準中的制冷機低溫泵總規(guī)范中對泵口直徑小于等于400 mm 的低溫泵有規(guī)定: 當?shù)蜏乇醚b有標準罩并按規(guī)定條件工作時，從試驗罩流過的氣體流量與在試驗罩上指定位置測得的平衡壓強之比，稱為泵的實際抽速。但是對1250 mm 的大口徑低溫泵的抽速測試沒有相應標準。低溫泵的理論抽速需要進行試驗驗證，而應用到實際真空系統(tǒng)中的抽速性能更受關(guān)注，據(jù)報道張滌新等對500 mm 的低溫泵的性能做了測試。本文將低溫泵在實際應用的真空系統(tǒng)中測得的抽速定義為低溫泵的實際抽速，因為系統(tǒng)漏率和材料放氣等影響，實際抽速可以更有效指導真空系統(tǒng)的工程設(shè)計，為選擇經(jīng)濟實用的配泵方案和制訂低溫泵的運行方案提供參考依據(jù)，所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)認為進行大口徑低溫泵抽速的研究尤顯重要。

　　本文在總結(jié)給出低溫泵抽速的理論計算公式基礎(chǔ)上，介紹了實際真空系統(tǒng)的構(gòu)成及低溫泵在實際真空系統(tǒng)中抽速的測量方法。對比低溫泵的理論抽速，對實際抽速測試試驗的測量結(jié)果進行比較分析，為設(shè)計低溫泵真空系統(tǒng)時提供數(shù)據(jù)和理論參考。

1、低溫泵理論抽速計算方法

　　本章所研究的低溫泵泵口直徑為1250 mm，標稱抽速為60000 L /s，自身極限壓強小于10^-7 Pa，為大口徑大抽速真空泵。低溫泵由泵殼、一級屏蔽板、二級冷凝板、氣液分離器和冷頭五部分組成。一級屏蔽板由液氮來進行冷卻，溫度最低可達到80 K，采用90°的人字形百葉窗形式； 二級冷凝板安裝在二級冷頭法蘭上，采用冷氦氣冷卻，溫度在20 K 以下，是使低溫泵具有抽氣作用的核心部位。文獻給出的低溫泵內(nèi)冷凝板單位面積的抽氣速率公式為

　　式中: S0為低溫泵冷凝板單位面積的理想抽速，L·/cm ^-2·s； T 為被抽氣體的溫度，K； M 為氣體的摩爾質(zhì)量，g /mol。

　　由于氣體分子在冷凝板上不可能全部被冷凝吸附，總有一部分能量特別大的氣體分子還會從冷凝板上返回到空間中去。這種被冷凝了的氣體分子和碰撞在低溫表面上的氣體分子之比稱為冷凝系數(shù)α，300 K 的N2在20 K 的冷面溫度下的典型冷凝系數(shù)可從真空設(shè)計手冊中查得為0.6。

　　為了降低低溫泵的功率損耗，低溫泵使用屏蔽板將冷凝板屏蔽起來，但是屏蔽板卻增大了氣體的流阻，降低了氣體溫度，影響了低溫冷凝板的抽速，影響因子稱為屏蔽板的流導幾率U，它等于穿過擋板的粒子數(shù)與來流的總粒子數(shù)之比。

　　因此，可以得到帶有液氮屏蔽板的低溫泵的抽氣速率為

S = αS0AU (2)

　　式中: S 為低溫泵的理論抽速，L /s；A 為冷凝板、屏蔽板的面積，cm²；U 為屏蔽板的流導幾率( 文獻給出了人字形擋板的流導幾率約為0.24) 。表1 給出了本文研究的直徑為1250 mm 低溫泵的計算參數(shù)。

表1 直徑為1250 mm 低溫泵參數(shù)

　　下面從氣體分子運動狀態(tài)和測試裝置兩方面分析抽速隨壓強變化的原因。

　　(1) 氣體分子運動狀態(tài)方面: 氣體分子的運動狀態(tài)與壓強有很大關(guān)系，不同壓強下的氣體遷徙動力不同。在實際抽速的大流量測試方法中，試驗罩內(nèi)的壓強在10 ^-2 Pa 量級范圍內(nèi)，氮氣分子的平均自由程為0.62 m，對于艙體直徑為5 m 的真空艙來言，其Knudsen 數(shù)Kn1為0.5，屬于粘滯-分子流。在小流量測試方法中，真空艙內(nèi)的壓強10 ^-4 Pa 量級范圍內(nèi)，氮氣分子的平均自由程為62 m，其Knudsen數(shù)Kn2為11，屬于自由分子流。低溫泵泵口和屏蔽板在粘滯流時流導大于分子流，冷凝板的抽速和抽氣量相應增大，所以大流量下的抽速大于小流量下的抽速。

　　(2) 測試裝置方面: 由低溫泵的抽氣原理可知，抽速和冷凝板附近的真空度有關(guān)，艙內(nèi)空間越大，則氣體的空間分布不均勻體現(xiàn)的越明顯，氣體密度從冷凝板表面到進氣口是逐漸升高的，所以冷凝板附近的氣體壓強會低于空間內(nèi)的壓強； 而氣體空間越大，氣體遷徙所需的時間就會相對增加，低溫泵必須等待分子通過隨機無序的運動最終抵達冷凝板，這都會造成低溫泵的抽速下降。在小流量情況下由于自由分子流幾乎不考慮分子碰撞，而實際真空系統(tǒng)是相對比較龐大的，因此增加了分子自由程，延長了氣體遷徙所需的時間； 與此對應，在大流量下氣體是粘滯-分子流，分子間碰撞和粘滯作用有利于分子到達冷凝板，因此表現(xiàn)為大流量下的抽速高于小流量下的抽速。另外由于真實測試系統(tǒng)中不僅有真空艙，還有很多實驗器件，特別是高分子材料，C 材料的實驗工裝設(shè)備等會在真空環(huán)境下緩慢放氣，使得真實氣體負荷大于理論抽速計算的N2的流量，因此材料放氣也是影響抽速的一個因素。

4、結(jié)論

　　由于我國電子行業(yè)標準低溫泵總規(guī)范SJ /T11259-2001 中規(guī)定的抽速測試方法只針對口徑小于等于400 mm 的低溫泵有標準規(guī)范，1250 mm 的大口徑低溫泵的抽速測量還沒有標準。本文針對上述情況提出在實際真空系統(tǒng)中測量大口徑低溫泵的抽速測量方法，因此結(jié)果是低溫泵在具體應用系統(tǒng)中工作時的抽速，這種方法不僅比較簡單實用，而且可以有效指導真空泵系統(tǒng)的運行及低溫泵的實際應用。通過低溫泵抽速試驗及結(jié)果分析可得到如下結(jié)論:

　　(1) 本文所研究的低溫泵的實際抽速小于理論抽速，并且在小流量進氣條件下的抽速低于大流量進氣條件下的抽速。在實際低溫泵選擇中，在考慮泵的原有抽速基礎(chǔ)上，建議低溫泵的抽速應有至少30%的裕度。

　　(2) 在實際系統(tǒng)中低溫泵的抽速不僅受氣體的特性參數(shù)、低溫泵流導參數(shù)及冷凝板面積等自身參數(shù)的影響還受到真空艙的體積、實際材料放氣等外圍設(shè)備的影響。