大口徑低溫泵測試系統(tǒng)可為環(huán)模設(shè)備低溫泵提供完整的性能參數(shù)。本文介紹了一種大口徑、大抽速低溫泵的測試系統(tǒng)，對各分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行了詳細(xì)描述。其使用流量法和流導(dǎo)法兩種方法提供在1×10^-6 Pa 至10 Pa 范圍內(nèi)的抽速、預(yù)冷時間、極限真空度等參數(shù)的測量。此系統(tǒng)同時具有加熱烘烤和可調(diào)節(jié)氣體流量的功能。

　　隨著環(huán)模設(shè)備容量的不斷增大，真空系統(tǒng)對于大抽速、高真空、清潔無油的低溫泵需求也越來越強，同時對于低溫泵性能測試設(shè)備的要求也隨之提高。本文介紹了一種國內(nèi)最新的大口徑低溫泵測試系統(tǒng)，能完成氮氣等氣體抽速、低溫泵預(yù)冷時間、低溫泵極限真空度的測定，測試罩極限真空小于1×10^-6 Pa，控制精度優(yōu)于0.5%F.S。

1、低溫泵測試系統(tǒng)的總體設(shè)計及測試原理

　　低溫泵測試系統(tǒng)主要由測試罩、真空測量系統(tǒng)、真空獲得系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)等部分組成。其總體設(shè)計原理如圖1 所示。

　　抽速測試方法分為兩部分，流量法和標(biāo)準(zhǔn)流導(dǎo)法。流量法主要用來得到低真空下(>10^-3 Pa)的抽速、測試低溫泵的容許真空度和流量上限；流導(dǎo)法主要是利用分子流下的小孔流導(dǎo)來測試高真空下(<10^-3 Pa)泵的抽速等性能參數(shù)。

圖1 低溫泵測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2、低溫泵測試罩設(shè)計

　　2.1、罩體設(shè)計

　　測試罩提供氣體通導(dǎo)和測試空間，要求其放氣量小，選用不銹鋼材料；結(jié)合目前各種真空泵測試標(biāo)準(zhǔn)，計算出筒體的各尺寸(見圖2)。

圖2 低溫泵測試罩基本尺寸圖

　　筒體采用臥式結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性好的短圓筒型真空容器；筒體尾部采用蝶型封頭結(jié)構(gòu)。筒體分為大小兩部分，大腔為第一級，接流量控制系統(tǒng)的輸出彎管，Φd 的小孔為流導(dǎo)孔，小腔通過大法蘭與低溫泵連接，兩個真空規(guī)法蘭連接高精度全量程真空規(guī)，用來測量兩腔真空度。大法蘭和低溫泵連接，采用氟橡膠密封圈密封，真空規(guī)采用刀口法蘭密封，其他接口均采用氟橡膠方式密封。

　　下面從蒙特卡羅法傳輸幾率上說明此設(shè)計尺寸的優(yōu)點。

4、真空測量系統(tǒng)

　　真空測量范圍要求為10^-7 Pa~10⁵ Pa，使用全量程真空規(guī)，分別測量低真空和高真空兩部分。系統(tǒng)采用三個采樣點檢測：兩個真空規(guī)測量大腔和小腔的真空度，安裝位置為兩腔軸線中間位置(見圖2)，原則上小腔側(cè)真空規(guī)位置盡量靠近泵口，但考慮到真空度分布梯度，為了得到真空度均值，我們選擇了中間位置。流量控制系統(tǒng)反饋信號測量規(guī)作為輔助規(guī)。

5、加熱系統(tǒng)

　　加熱系統(tǒng)用來對低溫泵和測試罩進(jìn)行烘烤放氣，測試極限真空度，以及泵罩系統(tǒng)回溫再生。系統(tǒng)采用筒體外部纏繞加熱帶和內(nèi)部使用紅外加熱燈陣的方案。加熱帶主要對泵罩外殼加熱，紅外燈陣對低溫泵內(nèi)部障板加熱；由于加熱對象對溫度范圍和加熱速度、精度要求不一樣，所以加熱帶和紅外燈陣的電控系統(tǒng)相互獨立，分別閉環(huán)控制。

　　紅外燈陣對低溫泵內(nèi)部障板加熱烘烤，控溫精度要求較高，通過貼片鉑電阻采集障板溫度，閉環(huán)反饋到一個單輸入單輸出0.1%F.S 級高精度控溫儀，通過控溫儀控制固態(tài)繼電器通斷，使紅外燈陣交替開關(guān)，從而進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)控溫。

6、流量控制系統(tǒng)

　　流量控制系統(tǒng)原理圖如圖3 所示，閉環(huán)系統(tǒng)，壓力模式下流量控制器通過反饋的真空度，控制閥門，從而調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；流量模式下控制器和可控閥門組成控制系統(tǒng)，直接控制流量；整個流量系統(tǒng)控制精度為0.5%F.S�？煽亻y門要求節(jié)流口前后壓差穩(wěn)定在0.1 MPa 左右，因此在氣源出口減壓器低壓端安裝一個高精度氣體壓力傳感器，精度10 Pa，用來監(jiān)測入口壓力，出口壓力工況下為真空環(huán)境，近似認(rèn)為壓力為0 Pa。

7、實驗數(shù)據(jù)

　　圖4 是使用流導(dǎo)法測出的低溫泵真空度-抽速曲線，P1、P2 分別是大腔和小腔真空度，從圖中可以看到泵口真空度優(yōu)于3×10^-3 Pa 時抽速最大，達(dá)到70000 L·S^-1。

　　在氣體負(fù)載即P1 真空度達(dá)到3×10^-2 Pa，接近低溫泵工作極限時，泵抽速降低，只有58000 L·S^-1 左右，與經(jīng)典理論不符，我們分析可能是由于壓力突然升高造成氣體由分子流轉(zhuǎn)化為粘滯流，造成壓力梯度過大，真空規(guī)采集出現(xiàn)誤差造成，或者是由于泵口壓力升高傳輸幾率變小的原因。綜合來看低溫泵對于干燥氮氣的抽速在60000~70000 L·S^-1，由于泵口壓力是逐漸增大的，因此本抽速曲線也符合經(jīng)典理論中的制冷機低溫泵抽速特性曲線，同時圖中也反映了試驗中泵口的最高壓力。抽速曲線中，抽速突然變化的部分是充氣過程和泵口壓力調(diào)節(jié)的反映。