制冷機(jī)低溫泵的常見(jiàn)再生方式
小型制冷機(jī)低溫泵是依靠制冷機(jī)獲取冷量, 利用低溫表面冷凝和吸附氣體來(lái)獲得和保持真空的裝置 , 它具有清潔無(wú)炭氫污染、極限真空度高等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于微電子、材料科學(xué)等研究和生產(chǎn)領(lǐng)域。
低溫泵的再生是使泵內(nèi)貯存的氣體解析和脫附的過(guò)程, 再生的方式有多種, 其所需時(shí)間和再生效果也有差別。再生方式的選擇、冷頭溫度測(cè)量方法以及再生起點(diǎn)終點(diǎn)的判斷對(duì)低溫泵系統(tǒng)自動(dòng)化有著重要意義。目前國(guó)外的低溫泵生產(chǎn)廠(chǎng)家都推出了自動(dòng)化程度很高的低溫泵產(chǎn)品, 國(guó)內(nèi)有關(guān)研究單位也在積極開(kāi)展相關(guān)工作。本文從我國(guó)國(guó)情出發(fā), 討論了低溫泵再生過(guò)程中的一些問(wèn)題, 并提出了一些個(gè)人觀點(diǎn)以供低溫泵用戶(hù)參考。
從原理上講, 低溫泵捕集的氣體可以以固態(tài)、氣態(tài)或液態(tài)方式除去, 由于以固態(tài)方式除去冷凝物存在很多技術(shù)難題, 目前商品低溫泵采用的都是后兩種方式。根據(jù)加熱方式的不同, 再生方式一般分為:自然加熱再生、氣體沖洗再生、電加熱再生三類(lèi)。
自然加熱再生是最簡(jiǎn)單的低溫泵再生方法, 它是利用泵壁與周?chē)諝獾臒峤粨Q來(lái)使泵升溫的, 在剛開(kāi)始再生時(shí), 由于泵內(nèi)真空度較高, 因此主要是依靠泵壁的熱輻射和泵內(nèi)的熱傳導(dǎo)使冷板逐漸升溫,這個(gè)升溫過(guò)程相當(dāng)緩慢。當(dāng)壓強(qiáng)升高到10-1～ 10Pa范圍后, 對(duì)流換熱才開(kāi)始起比較大的作用。自然加熱再生需要的時(shí)間很長(zhǎng), 一般需十幾個(gè)小時(shí)。由于自然加熱再生一般利用過(guò)壓保護(hù)閥排氣, 在這種情況下,如果泵能夠和其環(huán)境達(dá)到完全平衡, 那么泵內(nèi)融化的冰水會(huì)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(guò)程中需要進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的初抽, 而且泵的極限壓強(qiáng)也會(huì)受到影響。自然加熱再生一般只用于一些對(duì)泵性能要求不高的場(chǎng)合。
氣體沖洗再生是使用很普遍的一種方法, 它利用沖入泵內(nèi)的室溫或加熱的干燥的惰性氣體(N2或Ar) 對(duì)泵進(jìn)行加熱, 它有恒壓法和脈沖沖洗法兩種形式。因?yàn)槟軌蜻M(jìn)行有效的熱交換, 所以可以縮短再生時(shí)間, 而且氣體沖洗有利于水蒸氣從活性炭中脫附出來(lái), 再生的質(zhì)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(jīng)濟(jì)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(jìn)行加熱, 另一種是利用泵內(nèi)冷頭上的加熱板進(jìn)行加熱。由于低溫泵的部分元件不能承受高溫, 因而需要對(duì)加熱過(guò)程進(jìn)行控制。采用加熱帶加熱方式時(shí),可以選用自限溫型的加熱帶(這種加熱帶由PTC 發(fā)熱元件制成) , 也可以由儀表進(jìn)行控制。采用銠鐵電阻溫度傳感器做二極冷頭溫度測(cè)量的低溫泵可以利用這個(gè)傳感器對(duì)加熱帶進(jìn)行控制, 但是由于這種情況下所測(cè)量的溫度值不能準(zhǔn)確反映泵壁處的溫度,因此需要采取一些措施來(lái)避免過(guò)溫現(xiàn)象的發(fā)生。另外采用一些具有邏輯輸出的溫度監(jiān)視器件(如MAXIAM公司的MAX6501 等) 也可以很經(jīng)濟(jì)的對(duì)加熱帶進(jìn)行限溫控制。加熱帶使用很方便, 而且這種方式所需的再生時(shí)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(dú)采用加熱帶對(duì)低溫泵再生時(shí), 再生時(shí)間仍比較長(zhǎng), 而且如果采用過(guò)壓閥進(jìn)行排氣, 也存在和自然加熱再生方式中類(lèi)似的問(wèn)題。
采用加熱帶加熱和氣體沖洗配合使用能夠比單獨(dú)采用氣體沖洗縮短很多時(shí)間。由于使用加熱帶無(wú)需對(duì)泵原有的結(jié)構(gòu)進(jìn)行任何改動(dòng), 因此可以經(jīng)濟(jì)的用于對(duì)一些舊泵的改造, 以提高其使用效率。采用加熱板進(jìn)行加熱是一種很經(jīng)濟(jì)有效的再生方式。一般低溫泵的兩級(jí)冷頭上各有一個(gè)加熱板, 兩個(gè)加熱板是獨(dú)立的, 加熱板與冷頭是緊密接觸的, 因而能夠通過(guò)熱傳導(dǎo)直接對(duì)冷板加熱, 再生只需很短的升溫時(shí)間, 采用這種再生方式需要對(duì)兩個(gè)冷頭的溫度進(jìn)行測(cè)量, 并根據(jù)測(cè)溫結(jié)果對(duì)兩個(gè)加熱板的功率進(jìn)行調(diào)節(jié), 由于加熱板的功率較小, 其熱慣性也比較小, 可以采用開(kāi)關(guān)式控制方法。考慮到安全問(wèn)題, 加熱板一般采用安全的低壓交流電(24VAC) 供電。為了獲得較好的再生質(zhì)量, 再生加熱過(guò)程中要配合進(jìn)行粗抽。近年來(lái), 在電加熱再生的基礎(chǔ)上又發(fā)展了一種新技術(shù), 它能夠在一級(jí)冷頭的溫度波動(dòng)很小的情況下, 清除二級(jí)冷頭上的冷凝物。它是應(yīng)用于二級(jí)冷頭飽和而一級(jí)冷頭遠(yuǎn)沒(méi)飽和的情況。由于冷頭升溫和降溫的幅度較小, 因而與完全再生相比能夠進(jìn)一步的縮短再生時(shí)間, 提高制冷機(jī)低溫泵的使用效率。
采用加熱板進(jìn)行加熱再生的方式時(shí), 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些, 這種情況下使用一個(gè)嵌入微控制器的專(zhuān)門(mén)為小型制冷機(jī)低溫泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能儀器進(jìn)行控制會(huì)很方便。
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