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冷凝泵的工作原理及類型

發(fā)布時(shí)間:2015年07月16日 09:20   閱讀:7127   返回   來源:澤德
冷凝泵是利用低溫表面冷凝氣體的真空泵又稱冷凝泵。冷凝泵是獲得清潔真空的極限壓力最低、抽氣速率最大的真空泵,廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路的研究和生產(chǎn),以及分子束研究、真空鍍膜設(shè)備、真空表面分析儀器、離子注入機(jī)和空間模擬裝置等方面。因其潔凈無污染、效率高、抽速大、高可靠性等突出優(yōu)勢(shì),被廣泛的應(yīng)用于科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室、乃至工業(yè)生產(chǎn)等眾多領(lǐng)域,如半導(dǎo)體材料制作、平板顯示器 生產(chǎn)/測(cè)試設(shè)備、太陽能制造業(yè)、真空鍍膜 、熱真空系統(tǒng)等。
 
  按真空泵的工作原理,真空泵基本上可以分為兩種類型,即氣體傳輸泵和氣體捕集泵。氣體傳輸泵是一種能使氣體不斷的吸入和排出,借以達(dá)到抽氣目的的真空泵。氣體捕集泵是一種使氣體分子被吸附或凝結(jié)在泵的內(nèi)表面上,從而減小了容器內(nèi)的氣體分子數(shù)目而達(dá)到抽氣目的的真空泵。
 
  抽氣原理
 
  在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機(jī)冷卻到極低溫度的冷板 ,它使氣體凝結(jié),并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力,從而達(dá)到抽氣作用。低溫抽氣的主要作用是低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集。
 
  (1)低溫冷凝:氣體分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的氣體層上,其平衡壓力基本上等于冷凝物的蒸氣壓。抽空氣時(shí),冷板溫度必須低于 25K;抽氫時(shí),冷板溫度更低。低溫冷凝抽氣冷凝層厚度可達(dá)10毫米左右。
 
 ?。?)低溫吸附:氣體分子以一個(gè)單分子層厚(10-8厘米數(shù)量級(jí))被吸附到涂在冷板上的吸附劑表面上。吸附的平衡壓力比相同溫度下的蒸氣壓力低得多。如在20K時(shí)氫的蒸氣壓力等于大氣壓力,用20K的活性炭吸氫時(shí)吸附平衡壓力則低于10-8 帕。這樣就可能在較高溫度下通過低溫吸附來進(jìn)行抽氣。
 
  (3)低溫捕集:在抽氣溫度下不能冷凝的氣體分子,被不斷增長(zhǎng)的可冷凝氣體層埋葬和吸附。
 
  一般說來,泵的極限壓力就是冷板溫度下的被冷凝氣體的蒸氣壓力。溫度為120K時(shí),水的蒸氣壓已低于10-8帕。溫度為20K時(shí),除氦、氖和氫外,其他氣體的蒸氣壓也低于10-8帕。但由于被抽容器和低溫冷板的溫度不同,泵的極限壓力高于冷凝物的蒸氣壓。對(duì)于室溫下的容器,低溫板為20K時(shí),泵的極限壓力約為冷凝物蒸氣壓力的4倍。
 
  類型
 
  低溫泵分為注入式液氦低溫泵和閉路循環(huán)氣氦制冷機(jī)低溫泵兩種。
 
 ?。?)注入式液氦低溫泵:主要由液氦容器、泵體和連接擋板的液氮腔體等部分組成。為了減少液氦消耗,液氦容器的外壁采用雙層保溫壁并在其間抽成真空。當(dāng)泵被預(yù)抽到10-6 帕壓力時(shí)灌入液氮和液氦,氣體凝結(jié)在4.2K的工作冷板上。經(jīng)預(yù)抽使氦氫分壓到10-12帕數(shù)量級(jí),故泵可獲得10-11帕以下的極限壓力。如果把液氦容器抽真空減壓到6650帕,液氦溫度可降到2.3K,則可得到更低的極限壓力。
 
 ?。?)閉路循環(huán)氣氦制冷機(jī)低溫泵:它是70年代出現(xiàn)的新型低溫泵。這種泵不消耗氦氣、操作簡(jiǎn)便,易于維修,應(yīng)用日漸廣泛。制冷機(jī)的制冷介質(zhì)為氣氦,一級(jí)冷板溫度為50~100K,用來冷凝水蒸汽和預(yù)冷其他氣體;二級(jí)冷板溫度為10~20K,用來冷凝氮、氧和氬等氣體。在二級(jí)冷板的內(nèi)表面涂以活性炭。活性炭的比表面積為500~2500米2/克,在低溫下對(duì)氦、氖和氫有很強(qiáng)的吸附能力。冷板由無氧銅制成,表面拋光達(dá)到鏡面程度,以減小輻射系數(shù)。泵的極限壓力為10-7~10-8帕,工作壓力范圍為10-1~10-7帕,要求預(yù)抽壓力為1帕。制成的產(chǎn)品抽氣速率已達(dá)60000升/秒(1升=10-3米3)。此外,尚可根據(jù)工藝的特點(diǎn)把抽氣冷板安排在被抽容器內(nèi),其抽氣速率可達(dá)到106升/秒以上。
 
  熱負(fù)載
 
  低油泵的熱負(fù)載主要是氣體的凝結(jié)熱和周圍壁面對(duì)工作冷板的輻射熱。凝結(jié)熱與氣體種類有關(guān),對(duì)于 80K、133.322帕·升的氮?dú)饫淠?0K冷板上的凝結(jié)熱為0.3~0.6焦耳。工作冷板接受的輻射熱與周圍壁面板溫度和工作冷板溫度兩者 4次方之差成正比。因此,4.2K和20K工作冷板均用50~100K的冷板來屏蔽,以減少工作冷板所接受的輻射熱。
 
  總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
 
  (1)立式結(jié)構(gòu):適于埋裝在地下,不會(huì)受電動(dòng)機(jī)熱風(fēng)、空氣溫度和日照等影響,易于保冷;能降低泵的吸上高度,增加灌注頭,提高有效汽蝕余量;立式結(jié)構(gòu)還有利于排氣,使懸掛軸有足夠高度便于布置軸封裝置,故該泵也稱為立式筒型泵。
 
 ?。?)對(duì)稱結(jié)構(gòu):泵的總體結(jié)構(gòu)力求對(duì)稱布置,以便在冷態(tài)下能均勻變形。
 
 ?。?)雙層殼體:為了保冷方便和有利于輸送危險(xiǎn)介質(zhì),通常都制成雙層殼體,內(nèi)殼里面承受泵壓,內(nèi)外殼之間是吸入壓力,這樣可適當(dāng)降低內(nèi)殼的強(qiáng)度要求。
 
  外殼需做成真空夾層,已達(dá)到隔熱效果。

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