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低溫真空泵特點及原理

日期:2021-01-17 03:06
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摘要:

什麽是低溫泵?

北方的冬天,在玻璃窗上常結一層霜,這就是低溫抽氣作用。水蒸汽凝結在0oC以下的玻璃表麵上,使空氣中水蒸汽的分壓強降低了,達到了抽除水蒸汽的目的。同理,如果設法使某一固體表麵溫度足夠低,使其低於空氣中主要氣體成分的飽和蒸汽壓溫度,空氣中大部份氣體被凝結,達到了抽真空的目的。按這種原理抽真空的泵叫低溫冷凝泵。低溫泵要求溫度控製在4-25K範圍內。(在更低溫度下效果會更好,但實際上主要由於經濟原因, 大約4-25K溫度就足夠了) 

低溫泵的優點:

在很多科研問題和工業加工方麵,要求極清潔的、無碳氫化合物的真空,低溫泵可達到極清潔的真空環境。

低溫泵的較高比抽速,適合要求限定空間內具有很高抽速的各種情況。

低溫泵的主要機理:

低溫泵為產生真空提供*直接的方法,氣體分子到達冷卻表麵上, 凝固在那裏, 因此從貯存氣體的容器中被**掉。在很低的溫度下, 用這種方法能夠將氣體完全**掉, 這樣從理論上看, 可以獲得理想的真空。

 

圖1為若幹氣體的飽和蒸汽壓曲線,它表明在20K時幾乎所有的氣體都冷凝,,因此在任何實際工作中,,由於冷凝物的蒸汽壓太低而不太重要了,正如所看到的那樣, 在20K時氦, 氫和氖具有相當高的蒸汽壓, 但是使溫度降低到4.2K(液氦的沸點)時,氖的蒸汽壓降到可以忽略不計的數值, 而在這個溫度下氫的壓強仍然為10-6mbar左右,,氦的壓強也很高。因此除了這兩種氣體之外, 其它所有的氣體在上述溫度範圍內都能利用低溫冷凝方法**, 而蒸汽壓太低沒有多大意義。

 

圖2用示意圖表明氣體分子的低溫冷凝,這個過程是在預先被相同性質的分子或原子覆蓋的基板上氣體分子或原子的物理粘結。結果是在結合能等於升華能時由氣體相向冷凝(固體) 相過渡。

在低溫泵操作過程中, 該泵需要還原之前,, 固體冷凝物的厚度可能高達10mm,。在這個意義上的再生是低溫泵加熱的過程, 或者至少是使冷凝表麵加熱的過程, 以便冷凝物蒸發釋放。以後該泵必須重新冷卻。

 

為了**氦氣和氫氣, 必須采用低溫吸附。附圖3示意說明低溫吸附過程。這是在清潔的, 異質基體上(固體材料或冷凝物) 氣體分子和原子的物理結合, 例如H2和He在活性碳或沸石上。結合能等於比蒸發熱大得多的吸附熱。

 

圖4中示出以活性碳為吸附材料的溫度為函數的H2和He的低溫吸附平衡蒸汽壓曲線,這些曲線明顯低於前麵的相應蒸汽壓曲線。結果甚至在15K時, 這些氣體也能被充分凝固, 因此被吸附**掉。但是必須注意表麵大小相同的情況出的氣體量遠遠低於用冷凝抽出的氣體量。因而必須在較短時間間隔進行再生。總結一下人們獲得的結果, 為了有效地抽出各種氣體, 各種低溫泵必須安裝所謂的低溫冷凝和低溫吸附表麵。在這種情況下,大約12K的溫度足以獲得超高真空範圍的各種氣體壓力。

 

吸附劑有三種類型:1)非金屬吸附劑泵:以活性炭、分子篩等為吸附劑。2)金屬吸附劑泵:以蒸發或升華在冷麵上的鈦、鉭、鋁等金屬或其合金為吸氣劑。3)氣體霜也有類似吸附劑一樣的吸氣作用,象二氧化碳、水蒸汽等易冷凝的氣體,在低溫表麵上凝結的同時,將不易冷澱的氣體(如氦)也一起埋葬或吸附抽除。

 

產生低於飽和蒸汽壓的氣體壓強的另一種方法是利用低溫捕集機理。如圖5所示,低溫捕集或共同冷凝, 是利用連續生長的、容易冷凝的載流氣體的冷凝物中埋葬不容易冷凝的氣體分子或原子的物理粘結,例如Ar中的H2 。為達到此目的, 將容易冷凝的載流氣體連續通到低溫泵裏, 並且在給定溫度下捕集蒸汽壓較高的其它氣體(共同冷凝)。當然冷凝表麵的溫度應使載流氣體冷凝物的蒸汽壓小到可以忽略不計,圖6示出作為載流體Ar和被埋葬氣體H2的情況。該曲線表明Ar- H2共同冷凝物的H2分壓比相同溫度下(右邊*後一邊線)**2冷凝物的平衡壓強低幾個數量級。共凝機理的詳細情況的研究表明, 在Ar中埋葬H2時, 抽一個H2分子大約需要30個氬原子。因此雖然理論上是可行的, 但是低溫捕集看起來相當不經濟, 如果說所考慮的是用於實際低溫工作, 倒不如說主要在於研究方麵。

低溫泵的主要部件

4.2-20K的一個或多個冷表麵

通常溫度為60-80K 的熱屏蔽( 輻射屏蔽/人字障板) 部分(包圍冷表麵)

連接在輻射屏蔽上的擋板

冷卻裝置

室溫泵殼

低溫泵的性能參數

1)對氣體的抽速(容積流率) 

低溫冷凝泵的理論抽速:

 

低溫冷凝泵的實際抽速:
    從(7)式可見,*大理論抽速與容器中的壓強和冷麵溫度無關,這是不可能的。實際上對低溫冷凝泵來說,當被冷凝泵抽除的氣體壓強等於冷凝物在低溫表麵溫度下的平衡壓強時,冷凝泵就失去了抽氣能力,抽速為零。因此,泵的實際抽永遠小於理論抽速。
    (1)被抽氣體壓強和冷麵溫度對抽速的影響:
        
式中Pg為被抽氣體壓強(Pa);Ps為在冷麵溫度下,被抽氣體的蒸汽壓強(Pa);Ts為冷麵溫度(K)。

  (2)凝結係數對冷凝泵抽速的影響:
        Sa= a·Spt    (9)
式中 a是凝結係數,其值受很多因素影響。一般由實驗確定。例如300K的H2O,打在77K冷麵上a=0.92;He打在4.2K5A分子篩上a=0.7;H2打在4.2K銅板上a=0.5~0.75等等。
    (3)屏蔽通導對抽速的影響:低溫泵為減少低溫介質消耗,減輕低溫板的熱負荷,往往在低溫板周圍加上輻射屏,這時低溫泵的抽速要受到輻射屏流導的影響。
    1/Su = 1/Sa + 1/u    (10)
式中Su為考慮輻射屏後低溫泵的抽速(L/s);u為輻射屏的通導(L/s);Sa為無輻射屏低溫板的實際抽速(L/s)。
    (4)凝結層對冷凝泵抽速的影響:冷凝泵在工作一段時間以後,低溫表麵上將凝結一定厚度的固態氣體層。對冷凝泵的抽速有一定影響。其影響主要取決於冷凝層的性質,也就是取決於冷凝層的結構和類型。冷凝層的導熱率是冷凝層的類型和結構的複雜函數。如果沉積速率低,冷凝層可以有一個玻璃狀外表,凝結層熱傳導好,對抽速幾乎無影響;如果沉積速率高,冷凝層出現類似雪花狀結構,熱傳導不好,會降低抽速,但對捕集非凝結性氣體是有利的。
    2)低溫冷凝泵的極限壓強
    達到極限壓強時,泵的抽速為零。從(8)式可得:


式中Pg為極限壓強(Pa);Tg為被抽氣體溫度(K);Ts為冷凝麵溫度(K);Ps為冷凝物上的蒸汽壓(Pa),其值隨溫度而變化。

低溫泵的極限真空度可達l0-3Pa。
    3)低溫泵的降溫時間:降溫時間是閉循環小型製冷機低溫泵的主要技術指標之一。降溫時間與技術水平有關,還要考經濟性。目前國內外的產品中,小型泵的降溫時間一般不超過90min,大型泵不超過180min。
    4)低溫泵的工作壽命:
    (1)再生壽命:泵使用到必須加熱再生的時間。
        式中D = ρK (Ts - Tw);A為冷凝麵麵積cm2;K`為凝結熱J/g;m為凝結量g/s;ρ為凝結物密度g/cm3;Ts為凝結層外表麵溫度(K);Tw為冷凝麵溫度(K);K為凝結物的熱傳導率(W/cm·K)。

 (2)貯槽式泵的裝填壽命:充裝一次製冷製所能工作的時間。
        t = V / Qv    (13)

式中V是裝冷劑的容積L;Qv為單位時間製冷劑的耗量L/s。
    (3)吸附泵的工作壽命:吸附板兩次活化(再生)所間隔的時間。
        tmax = Vm /SP    (14)

式中V為吸附容量,可根據吸附等溫線確定(Pa·L/kg);m為吸附劑質量(kg);S為抽速(L/s);P為泵入口壓強(Pa)。

低溫吸附泵工作所需要的預真空應達到 10-1 Pa 以下,以減少泵的熱負荷並避免在泵體內 積聚過厚的氣體冷凝產物。

 

按供低溫介質的方式分類,又可分為貯槽式、連續流動式和閉循環小型製冷機低溫泵。

 

貯槽式低溫冷凝泵的結構

容器內裝有常壓和4.2K的液氦

容器的外壁是各種冷凝氣體的冷凝表麵

輻射屏蔽通常用液氮冷卻,防止來自室溫泵殼對冷凝表麵的紅外線的輻射

擋板:保護冷凝表麵免受真空容器產生的輻射;冷凝水蒸汽;傳導氣體達到冷凝表麵。

閉循環小型製冷機低溫泵

 

 

 

它由低溫泵、壓縮機和膨脹機等部份組成。製冷介質氦氣由壓縮機壓縮,經進氣管到膨脹機。這時進氣閥門打開,膨脹機活塞在專用電機帶動下向上運動,使膨脹機下腔充滿高壓氣體。當活塞到達上部頂端時,關閉進氣閥,同時打開排氣閥,使膨脹機與低壓端相通,氣體膨脹製冷,活塞向下移動把冷量貯存在活塞內的蓄冷器中。如此多次循環,便在一、二級冷頭處分別獲得低於80K和20K的低溫和所需的製冷功率,並使氣體在低溫麵上凝結,在活性炭上吸附而被抽除。

上等冷陣中的擋板和屏蔽屏用於阻擋來自泵壁和真空室的熱輻射,保護二級冷陣免受室溫熱輻射的直接照射,以減小製冷功率損耗,維持泵的正常工作;同時,它還具有抽除H2O、C02等大多數碳氫化台物及其高凝結點氣體功能:另外還預冷上等冷陣不能抽除的其它氣體。

二級冷陣的外表麵是冷凝抽氣,用於抽除N2、O2和Ar時等可凝性氣體,而對He、Ne、H2等非凝性氣體進行預冷;

粘貼活性炭的內側主要以低溫吸附抽除He、Ne、H2。

該泵在抽混合氣體時(如空氣),還會發生低溫捕集抽氣作用,即可凝性氣體在一、二級低溫表麵冷凝後形成的固態多晶霜層,它對非凝性氣體具有相當的捕集抽氣功能。

再生方式

從原理上講,低溫泵捕集的氣體可以以固態、氣態或液態方式除去,由於以固態方式除去冷凝物存在很多技術難題,目前商品低溫泵采用的都是後兩種方式。根據加熱方式的不同,再生方式一般分為:自然加熱再生、氣體衝洗再生、電加熱再生三類。

  自然加熱再生是*簡單的低溫泵再生方法,它是利用泵壁與周圍空氣的熱交換來使泵升溫的,在剛開始再生時,由於泵內真空度較高,因此主要是依靠泵壁的熱輻射和泵內的熱傳導使冷板逐漸升溫,這個升溫過程相當緩慢。當壓強升高到10-1~10Pa範圍後,對流換熱才開始起比較大的作用。自然加熱再生需要的時間很長,一般需十幾個小時。由於自然加熱再生一般利用過壓保護閥排氣,在這種情況下,如果泵能夠和其環境達到完全平衡,那麽泵內融化的冰水會留在底板上,而且室溫下活性炭將吸附高分壓的水蒸氣,因而泵在使用過程中需要進行長時間的初抽,而且泵的極限壓強也會受到影響[3]。自然加熱再生一般隻用於一些對泵性能要求不高的場合。

  氣體衝洗再生是使用很普遍的一種方法,它利用衝入泵內的室溫或加熱的幹燥的惰性氣體(N2或Ar)對泵進行加熱,它有恒壓法和脈衝衝洗法兩種形式。因為能夠進行有效的熱交換,所以可以縮短再生時間,而且氣體衝洗有利於水蒸氣從活性炭中脫附出來,再生的質量也提高了,另外它還能稀釋那些有毒和爆炸性的氣體。

  電加熱再生是一種經濟的再生方法,目前有兩種不同的加熱方式,一種是利用加熱帶裹在泵壁外表進行加熱,另一種是利用泵內冷頭上的加熱板進行加熱。由於低溫泵的部分元件不能承受高溫,因而需要對加熱過程進行控製。采用加熱帶加熱方式時,可以選用自限溫型的加熱帶(這種加熱帶由PTC發熱元件製成),也可以由儀表進行控製。采用銠鐵電阻溫度傳感器做二極冷頭溫度測量的低溫泵可以利用這個傳感器對加熱帶進行控製,但是由於這種情況下所測量的溫度值不能準確反映泵壁處的溫度,因此需要采取一些措施來避免過溫現象的發生。另外采用一些具有邏輯輸出的溫度監視器件(如MAXIAM公司的MAX6501等)也可以很經濟的對加熱帶進行限溫控製。加熱帶使用很方便,而且這種方式所需的再生時間要比自然加熱再生要短一些,再生效果也有了提高,但單獨采用加熱帶對低溫泵再生時,再生時間仍比較長,而且如果采用過壓閥進行排氣,也存在和自然加熱再生方式中類似的問題。采用加熱帶加熱和氣體衝洗配合使用能夠比單獨采用氣體衝洗縮短很多時間。由於使用加熱帶無需對泵原有的結構進行任何改動,因此可以經濟的用於對一些舊泵的改造,以提高其使用效率。采用加熱板進行加熱是一種很經濟有效的再生方式。一般低溫泵的兩級冷頭上各有一個加熱板,兩個加熱板是獨立的,加熱板與冷頭是緊密接觸的,因而能夠通過熱傳導直接對冷板加熱,再生隻需很短的升溫時間,采用這種再生方式需要對兩個冷頭的溫度進行測量,並根據測溫結果對兩個加熱板的功率進行調節,由於加熱板的功率較小,其熱慣性也比較小,可以采用開關式控製方法。考慮到**問題,加熱板一般采用**的低壓交流電(24VAC)供電。為了獲得較好的再生質量,再生加熱過程中要配合進行粗抽。

  近年來,在電加熱再生的基礎上又發展了一種新技術,它能夠在上等冷頭的溫度波動很小的情況下,**二級冷頭上的冷凝物。它是應用於二級冷頭飽和而上等冷頭遠沒飽和的情況。由於冷頭升溫和降溫的幅度較小,因而與完全再生相比能夠進一步的縮短再生時間,提高製冷機低溫泵的使用效率[2,4]。

采用加熱板進行加熱再生的方式時,係統的結構要複雜一些,這種情況下使用一個嵌入微控製器的專門為小型製冷機低溫泵係統設計的智能儀器進行控製會很方便。__ 3 再生起始和結束的判斷方法

再生的起始條件因低溫泵應用場合而異,對連續抽氣過程來說,一般隻要滿足下麵兩個條件中的一個,低溫泵就需要再生:(1)低溫泵在無其他附加熱負荷時,二級冷頭溫度超過20K或上等冷頭溫度超過130K;(2)高真空閥門關閉5min後泵內壓強在1×10-4Pa以上。

  而對一些間斷抽氣過程來說,由於高真空閥門開啟時,冷頭溫度必定產生波動而且冷頭溫度的恢複時間(Recovery Time)與預吸附的氣體的量、低溫泵的*大吸入氣體量(Crossover)等有密切關係,因此在這些情況下還需要根據實際情況下允許的波動時間確定再生條件。

  對非自動的低溫泵係統來說,低溫泵生產商一般提供了一個再生的參考時間,但由於實際情況的差異,還是要求操作者有一定的實際經驗來判斷是否可以結束再生,而一些自動化程度較高的低溫泵係統可以自動進行判斷。一般是在再生進行到某一階段後,將低溫泵粗抽到某一合適的壓強值,關閉粗抽閥,測量壓強上升的速率並與控製器內存儲的經驗值進行對比,如果不滿足條件,則需要繼續對低溫泵進行加熱[6]。這一過程也可以采用一定時間之後的壓強值來判斷。考慮到真空狀態下對放氣測量的精度要求和時間較短的要求,在1Pa左右進行測試是比較合適的[7]。對采用加熱帶加熱的再生方式,由於對泵抽空後加熱效果不佳,因此進行判斷的開始時間,兩次判斷的間隔時間需要根據實際情況進行確定,采用泵內加熱板加熱再生時無需考慮這兩個問題。