針對(duì)大口徑大抽速低溫泵的抽速性能進(jìn)行了研究。由于我國(guó)對(duì)小于400 mm 的低溫泵的抽速測(cè)試有規(guī)范，但是對(duì)1250 mm 大口徑的低溫泵還沒(méi)有規(guī)范，因此類比電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低溫泵總規(guī)范SJ/T11259-2001 中規(guī)定的抽速測(cè)試方法，提出了一種在真空系統(tǒng)中實(shí)際測(cè)量低溫泵抽速的方法； 采用流量標(biāo)定法獲得低溫泵在不同氮?dú)饬髁肯碌膲簭?qiáng)和抽速，最后將抽速的理論值和試驗(yàn)值進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明，低溫泵在1 ～ 10 mL/min 小進(jìn)氣條件下的抽速為44441 ～53280 L/s，在大進(jìn)氣條件200 ～800 mL/min 時(shí)抽速為51393 ～59132 L/s，均小于低溫泵的理論抽速60891 L/s。小流量進(jìn)氣條件下的實(shí)際抽速低于大流量下的實(shí)際抽速。并給出影響抽速的因素不僅與被抽氣體物性參數(shù)、低溫泵流導(dǎo)參數(shù)及冷凝板面積等自身參數(shù)有關(guān)還受到真空艙的體積、實(shí)際材料放氣等因素的影響。

　　隨著航天科技發(fā)展，尤其是當(dāng)前空間推進(jìn)技術(shù)的大力發(fā)展，航天器空間模擬試驗(yàn)對(duì)設(shè)備的要求逐步提高，高真空、超低溫的測(cè)試環(huán)境是模擬試驗(yàn)的重要條件。低溫泵是利用低溫表面將氣體冷凝和吸附而達(dá)到抽氣目的的真空泵。其原理是使用低溫介質(zhì)將低溫泵的冷凝板冷卻到20 K 以下，此時(shí)，沸點(diǎn)溫度高于冷凝面溫度的氣體就會(huì)大量凝固在冷凝板上，從而產(chǎn)生抽氣效果。低溫泵因其具有抽速大、真空度高、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已成為航天領(lǐng)域試驗(yàn)真空艙的主抽泵。

　　另外在其他特殊領(lǐng)域也有應(yīng)用報(bào)道，文獻(xiàn)給出了美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家的高真空設(shè)備的系統(tǒng)構(gòu)成，其中低溫泵是不可缺少的泵組系統(tǒng)。在進(jìn)行火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，為了真實(shí)模擬宇宙空間環(huán)境，需要發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)真空艙處于高真空狀態(tài)，此時(shí)低溫泵對(duì)氣體的抽速性能是決定試驗(yàn)成敗的關(guān)鍵參數(shù)。

　　中華人民共和國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的制冷機(jī)低溫泵總規(guī)范中對(duì)泵口直徑小于等于400 mm 的低溫泵有規(guī)定: 當(dāng)?shù)蜏乇醚b有標(biāo)準(zhǔn)罩并按規(guī)定條件工作時(shí)，從試驗(yàn)罩流過(guò)的氣體流量與在試驗(yàn)罩上指定位置測(cè)得的平衡壓強(qiáng)之比，稱為泵的實(shí)際抽速。但是對(duì)1250 mm 的大口徑低溫泵的抽速測(cè)試沒(méi)有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。低溫泵的理論抽速需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，而應(yīng)用到實(shí)際真空系統(tǒng)中的抽速性能更受關(guān)注，據(jù)報(bào)道張滌新等對(duì)500 mm 的低溫泵的性能做了測(cè)試。本文將低溫泵在實(shí)際應(yīng)用的真空系統(tǒng)中測(cè)得的抽速定義為低溫泵的實(shí)際抽速，因?yàn)橄到y(tǒng)漏率和材料放氣等影響，實(shí)際抽速可以更有效指導(dǎo)真空系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，為選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)用的配泵方案和制訂低溫泵的運(yùn)行方案提供參考依據(jù)，所以真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.healwit.com.cn/)認(rèn)為進(jìn)行大口徑低溫泵抽速的研究尤顯重要。

　　本文在總結(jié)給出低溫泵抽速的理論計(jì)算公式基礎(chǔ)上，介紹了實(shí)際真空系統(tǒng)的構(gòu)成及低溫泵在實(shí)際真空系統(tǒng)中抽速的測(cè)量方法。對(duì)比低溫泵的理論抽速，對(duì)實(shí)際抽速測(cè)試試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較分析，為設(shè)計(jì)低溫泵真空系統(tǒng)時(shí)提供數(shù)據(jù)和理論參考。

1、低溫泵理論抽速計(jì)算方法

　　本章所研究的低溫泵泵口直徑為1250 mm，標(biāo)稱抽速為60000 L /s，自身極限壓強(qiáng)小于10^-7 Pa，為大口徑大抽速真空泵。低溫泵由泵殼、一級(jí)屏蔽板、二級(jí)冷凝板、氣液分離器和冷頭五部分組成。一級(jí)屏蔽板由液氮來(lái)進(jìn)行冷卻，溫度最低可達(dá)到80 K，采用90°的人字形百葉窗形式； 二級(jí)冷凝板安裝在二級(jí)冷頭法蘭上，采用冷氦氣冷卻，溫度在20 K 以下，是使低溫泵具有抽氣作用的核心部位。文獻(xiàn)給出的低溫泵內(nèi)冷凝板單位面積的抽氣速率公式為

　　式中: S0為低溫泵冷凝板單位面積的理想抽速，L·/cm ^-2·s； T 為被抽氣體的溫度，K； M 為氣體的摩爾質(zhì)量，g /mol。

　　由于氣體分子在冷凝板上不可能全部被冷凝吸附，總有一部分能量特別大的氣體分子還會(huì)從冷凝板上返回到空間中去。這種被冷凝了的氣體分子和碰撞在低溫表面上的氣體分子之比稱為冷凝系數(shù)α，300 K 的N2在20 K 的冷面溫度下的典型冷凝系數(shù)可從真空設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得為0.6。

　　為了降低低溫泵的功率損耗，低溫泵使用屏蔽板將冷凝板屏蔽起來(lái)，但是屏蔽板卻增大了氣體的流阻，降低了氣體溫度，影響了低溫冷凝板的抽速，影響因子稱為屏蔽板的流導(dǎo)幾率U，它等于穿過(guò)擋板的粒子數(shù)與來(lái)流的總粒子數(shù)之比。

　　因此，可以得到帶有液氮屏蔽板的低溫泵的抽氣速率為

S = αS0AU (2)

　　式中: S 為低溫泵的理論抽速，L /s；A 為冷凝板、屏蔽板的面積，cm²；U 為屏蔽板的流導(dǎo)幾率( 文獻(xiàn)給出了人字形擋板的流導(dǎo)幾率約為0.24) 。表1 給出了本文研究的直徑為1250 mm 低溫泵的計(jì)算參數(shù)。

表1 直徑為1250 mm 低溫泵參數(shù)

　　下面從氣體分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和測(cè)試裝置兩方面分析抽速隨壓強(qiáng)變化的原因。

　　(1) 氣體分子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方面: 氣體分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與壓強(qiáng)有很大關(guān)系，不同壓強(qiáng)下的氣體遷徙動(dòng)力不同。在實(shí)際抽速的大流量測(cè)試方法中，試驗(yàn)罩內(nèi)的壓強(qiáng)在10 ^-2 Pa 量級(jí)范圍內(nèi)，氮?dú)夥肿拥钠骄�自由程�?.62 m，對(duì)于艙體直徑為5 m 的真空艙來(lái)言，其Knudsen 數(shù)Kn1為0.5，屬于粘滯-分子流。在小流量測(cè)試方法中，真空艙內(nèi)的壓強(qiáng)10 ^-4 Pa 量級(jí)范圍內(nèi)，氮?dú)夥肿拥钠骄�自由程�?2 m，其Knudsen數(shù)Kn2為11，屬于自由分子流。低溫泵泵口和屏蔽板在粘滯流時(shí)流導(dǎo)大于分子流，冷凝板的抽速和抽氣量相應(yīng)增大，所以大流量下的抽速大于小流量下的抽速。

　　(2) 測(cè)試裝置方面: 由低溫泵的抽氣原理可知，抽速和冷凝板附近的真空度有關(guān)，艙內(nèi)空間越大，則氣體的空間分布不均勻體現(xiàn)的越明顯，氣體密度從冷凝板表面到進(jìn)氣口是逐漸升高的，所以冷凝板附近的氣體壓強(qiáng)會(huì)低于空間內(nèi)的壓強(qiáng)； 而氣體空間越大，氣體遷徙所需的時(shí)間就會(huì)相對(duì)增加，低溫泵必須等待分子通過(guò)隨機(jī)無(wú)序的運(yùn)動(dòng)最終抵達(dá)冷凝板，這都會(huì)造成低溫泵的抽速下降。在小流量情況下由于自由分子流幾乎不考慮分子碰撞，而實(shí)際真空系統(tǒng)是相對(duì)比較龐大的，因此增加了分子自由程，延長(zhǎng)了氣體遷徙所需的時(shí)間； 與此對(duì)應(yīng)，在大流量下氣體是粘滯-分子流，分子間碰撞和粘滯作用有利于分子到達(dá)冷凝板，因此表現(xiàn)為大流量下的抽速高于小流量下的抽速。另外由于真實(shí)測(cè)試系統(tǒng)中不僅有真空艙，還有很多實(shí)驗(yàn)器件，特別是高分子材料，C 材料的實(shí)驗(yàn)工裝設(shè)備等會(huì)在真空環(huán)境下緩慢放氣，使得真實(shí)氣體負(fù)荷大于理論抽速計(jì)算的N2的流量，因此材料放氣也是影響抽速的一個(gè)因素。

4、結(jié)論

　　由于我國(guó)電子行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)低溫泵總規(guī)范SJ /T11259-2001 中規(guī)定的抽速測(cè)試方法只針對(duì)口徑小于等于400 mm 的低溫泵有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，1250 mm 的大口徑低溫泵的抽速測(cè)量還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)。本文針對(duì)上述情況提出在實(shí)際真空系統(tǒng)中測(cè)量大口徑低溫泵的抽速測(cè)量方法，因此結(jié)果是低溫泵在具體應(yīng)用系統(tǒng)中工作時(shí)的抽速，這種方法不僅比較簡(jiǎn)單實(shí)用，而且可以有效指導(dǎo)真空泵系統(tǒng)的運(yùn)行及低溫泵的實(shí)際應(yīng)用。通過(guò)低溫泵抽速試驗(yàn)及結(jié)果分析可得到如下結(jié)論:

　　(1) 本文所研究的低溫泵的實(shí)際抽速小于理論抽速，并且在小流量進(jìn)氣條件下的抽速低于大流量進(jìn)氣條件下的抽速。在實(shí)際低溫泵選擇中，在考慮泵的原有抽速基礎(chǔ)上，建議低溫泵的抽速應(yīng)有至少30%的裕度。

　　(2) 在實(shí)際系統(tǒng)中低溫泵的抽速不僅受氣體的特性參數(shù)、低溫泵流導(dǎo)參數(shù)及冷凝板面積等自身參數(shù)的影響還受到真空艙的體積、實(shí)際材料放氣等外圍設(shè)備的影響。