低溫真空泵制冷機(jī)二級密封作用試驗
低溫真空泵作為一種高比抽氣速率和極潔凈的高真空泵，在很多科研和工業(yè)加工方面的應(yīng)用越來越廣泛。一般低溫真空泵大多以G-M制冷機(jī)作為冷源。本文針對G-M制冷機(jī)中的二級密封作用進(jìn)行了實驗研究,結(jié)果表明：當(dāng)溫度下降到80K 以下區(qū)間，二級蓄熱材料的熱容發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱容量變小，制冷量不足，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度，二級密封的作用顯著體現(xiàn)。
低溫真空泵一般簡稱為低溫泵或者冷泵（cryopump），從廣義上來講，是利用低溫面冷凝、吸附氣體的一種氣體捕集式真空泵裝置，是由真空和低溫技術(shù)結(jié)合而形成的一種應(yīng)用技術(shù)[1]。本文針對低溫泵制冷機(jī)的二級密封的作用和原理進(jìn)行了研究，所指的低溫泵是指以小型制冷機(jī)為冷源的一種高抽速、無污染的高真空泵，在許多試驗研究中作為產(chǎn)生高真空高潔凈的基礎(chǔ)手段，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，IC、LCD、HD 的生產(chǎn)中，主要作為薄膜沉積工藝真空系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置，具有廣泛和重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
低溫泵的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示， 由制冷機(jī)、第一級冷凝陣列、第二級冷凝陣列、泵殼體組成。
圖1 低溫泵的基本結(jié)構(gòu)
制冷機(jī)的第一級和第二級冷頭用來冷卻兩級冷凝陣列。冷凝陣列和冷頭之間采用銦片來進(jìn)行熱耦合以便獲得高的熱傳導(dǎo)。在實際使用中，兩級冷頭的溫度由各自的熱負(fù)載和熱傳導(dǎo)決定。一級冷凝陣列主要用來冷凝水氣、CO2、碳?xì)浠衔铮瑫r為第二級陣列提供熱屏蔽。第二級冷凝陣列包括冷凝表面和吸附表面。吸附表面對于抽取Helium、Hydrogen 和Neon 是至關(guān)重要的。二級冷凝陣列由一級冷凝陣列提供屏蔽，通常用活性碳作為吸附劑，確保其他氣體冷凝在一級冷凝陣列上。
1、G-M制冷機(jī)原理
G-M制冷機(jī)是Gifford-McMahon 制冷機(jī)的簡稱，是一種回?zé)崾叫⌒偷蜏刂评錂C(jī)，它利用絕熱放氣膨脹（又稱為西蒙膨脹）原理獲得低溫，具有結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，性能穩(wěn)定，使用壽命長等許多優(yōu)點，現(xiàn)代低溫真空泵絕大多數(shù)采用G-M制冷機(jī)作為冷源，利用氦氣絕熱膨脹產(chǎn)生低溫。該制冷機(jī)在上世紀(jì)六十年代就已經(jīng)出現(xiàn)[2,3]。隨后其可靠性不斷得到提高。
在給定壓縮機(jī)參數(shù)的情況下，G-M制冷機(jī)的制冷量與制冷溫度之間是函數(shù)關(guān)系。隨著溫度降低，由于熱損失的增加，制冷量會顯著下降。實際應(yīng)用中，為了在60 K 以下獲得可用的制冷量，在壓縮機(jī)尺寸一定的情況下，使用如圖2 所示的兩級串聯(lián)式系統(tǒng)。在這種配置中，一級溫度約80 K，阻止了來自室溫的大部分熱傳導(dǎo)和熱輻射，也補(bǔ)充了蓄冷器的損失。然后利用二級能夠獲得低于15 K 的溫度。
圖2 兩級G-M制冷機(jī)原理圖
2、試驗方案
G-M制冷機(jī)因為具有振動小，安裝和使用方便的特點，常常被用作低溫泵及低溫試驗裝置的冷源，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)等需要低溫環(huán)境的研究領(lǐng)域。制冷機(jī)的運行壽命與可靠性，及壓縮機(jī)的濾油技術(shù)和二級密封是工程上的技術(shù)難點[5]。
二級密封是制冷機(jī)活塞/ 置換器組件中的一個關(guān)鍵部件，如果出現(xiàn)問題，整個制冷機(jī)很難降到最低溫度，同時在工作過程中出現(xiàn)降溫速度的減慢、停降、溫度回升等不正�，F(xiàn)象，造成制冷機(jī)性能下降、壽命降低，甚至失去抽氣功能。
根據(jù)結(jié)構(gòu)功能，二級密封的作用主要是防止二級的漏氣，在起密封作用的同時，二級密封同樣會產(chǎn)生摩擦損失。
本文通過考慮二級密封失效的極限情況，即沒有二級密封的情況下，制冷機(jī)的實際工作情況來研究二級密封的作用，試驗方案是對制冷機(jī)在安裝二級密封和不安裝二級密封的兩種情況下進(jìn)行對比，以此來對其進(jìn)行分析。
本試驗使用的主要設(shè)備如下：
低溫泵：Austin Scientific CyoPlex- 8
壓縮機(jī)：Austin Scientific M125
測溫裝置：Austin Scientific E500
2.1、試驗平臺的設(shè)計
本實驗主要是研究二級密封對于低溫泵性能的影響。低溫泵的性能主要體現(xiàn)在二級冷頭的溫度上。所以實驗設(shè)備并沒有考慮使用模擬腔體。而是將低溫泵安放在一塊不銹鋼盲板上，在盲板的另一端打孔，焊接上兩個KF40 的接口,用來安裝抽氣管路和真空計。
抽氣系統(tǒng)由機(jī)械式旋片泵、氣動閥門、充氣閥門、真空計、壓縮機(jī)空氣以及氮氣分配系統(tǒng)組成。低溫泵的氦氣提供系統(tǒng)由M125 氦氣壓縮機(jī)、密封金屬軟管、冷水機(jī)組成。
溫度記錄系統(tǒng)由測溫二極管、E500溫度監(jiān)視控制器、PC機(jī)和溫度記錄軟件組成。
2.2、試驗流程
在本實驗中，拆除二級密封之后，重新組裝低溫泵是該實驗的難點。如果因為分解和組裝不當(dāng)而破壞了低溫泵，那么測量得到的數(shù)據(jù)并不能反應(yīng)二級密封的作用。因為制冷機(jī)工作依靠高純氦氣（>99.999%），任何雜質(zhì)氣體進(jìn)入制冷機(jī)都會引起低溫泵性能的下降。
實驗的流程為：先將低溫泵制冷狀態(tài)進(jìn)行測試，記錄其降溫時間和極限溫度。然后將低溫泵進(jìn)行分解，拆除二級密封并安裝到位，記錄其降溫時間和極限溫度。試驗流程框圖如圖3。
圖3 試驗流程
2.3、試驗結(jié)果和分析
圖4 為低溫泵二級冷頭的溫度- 時間曲線，每分鐘記錄一次二級冷頭的溫度。溫度單位為K。三角形為正常情況下的低溫泵二級溫度-時間曲線，菱形為不安裝二級密封的溫度- 時間曲線。
圖4 二級冷頭降溫曲線
從圖4 中可以看出，在整個降溫過程中，兩條曲線開始時并沒有什么區(qū)別, 只是在降溫的低溫區(qū)有所區(qū)別。
圖5 為80 K 溫度下的溫度- 時間曲線的局部放大。從圖中可以看出，安裝二級密封的情況下，冷頭降溫明顯加快，且極限溫度低，而不安裝二級密封的降溫慢，且極限溫度高。之間的差值就是二級密封情況下引起的冷量損失。
圖5 80K 以下降溫曲線
制冷機(jī)的實際制冷量Qac，也就是有效制冷量與整個系統(tǒng)中所有冷量損失Qloss 之和的差值[6]。
當(dāng)制冷機(jī)的理論制冷量與系統(tǒng)中的所有損失之和達(dá)到平衡時，其有效制冷量為零。這時，對應(yīng)的制冷溫度叫做最低制冷溫度，或稱作無負(fù)荷制冷溫度。
G-M制冷機(jī)的損失，包括：
(1)回?zé)崞髦負(fù)Q熱不完全等因素引起的回?zé)崞鲹p失Qr；
(2) 排除器往復(fù)運動造成的“穿梭”損失Qsh；
(3) 軸向?qū)釗p失Qcond；
(4) 泵氣損失Qpu
(5) 空容積損失Qvoid
(6) 密封漏氣和摩擦損失Qleak
(7) 室溫輻射損失Qrad
(8) G-M制冷機(jī)的其他因素?fù)p失Qother
在制冷機(jī)設(shè)計結(jié)構(gòu)一定的情況下，二級密封引起的冷量損失對于二級溫度的數(shù)值具有顯著影響直接決定了系統(tǒng)的最低制冷溫度，或者說是低制冷溫度數(shù)值反映了實際制冷量的變化。
3、結(jié)論
從試驗結(jié)果可以看出， 在高于80 K 的溫區(qū)，在二級蓄熱材料熱容足夠的情況下，活塞與氣缸壁之間的漏氣損失引起的二級溫度變化不明顯，無二級密封情況引起的損失，并不影響低溫泵的二級溫度。有無安裝二級密封引起的主要差別發(fā)生在進(jìn)入80 K 以下溫度區(qū)間。當(dāng)溫度下降到＜80 K 時，二級蓄熱材料的熱容發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱容量變小，制冷機(jī)的制冷量不足，二級密封的作用顯著體現(xiàn)。因此二級密封的主要作用可以認(rèn)為是在低溫區(qū)防止二級活塞和氣缸壁之間的氣體串氣，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度。
參考文獻(xiàn)
[1] Bridwell M C，Rodes J G.History of the modern cryopump [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A- Vacuum Surfaces and Films，1985,3(3): 472- 475.
[2] McMahon H O,Gifford W E.A New Low- Temperature Gas Expansion Cycle [J]. Advances in Cryogenic Engineering，1960,5: 354.
[3] Gifford W E. The Gifford-McMahon Cycle [J]. Advances in Cryogenic Engineering，1966:152.
[4] 劉海波，魯雪生，顧安忠. G-M制冷機(jī)的研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J]. 能源技術(shù)，2004,25(6): 235- 237.
[5] 陳家富， 嚴(yán)善倉， 趙東輝.10W/20K，80W/80K G-M制冷機(jī)的設(shè)計與研究[J ]. 低溫與超導(dǎo)，2003 , 31(1): 3 .
[6] 陳國邦，湯珂.小型低溫制冷機(jī)原理[M]. 北京:科學(xué)出版社,2010.
