低溫泵在當(dāng)今生產(chǎn)研究過(guò)程中應(yīng)用廣泛，但其每工作一段時(shí)間后都需要進(jìn)行“再生”，所需時(shí)間長(zhǎng)，泵效率低。本文對(duì)一種低溫泵的吸附陣結(jié)構(gòu)分析并設(shè)計(jì)了一種結(jié)合自動(dòng)控制功能的快速再生加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機(jī)編程控制，自動(dòng)化程度高，再生時(shí)間短，使用方便，為國(guó)內(nèi)低溫泵快速再生環(huán)節(jié)的發(fā)展提供借鑒。

　　低溫泵是一種利用低溫表面來(lái)冷凝、吸附和捕集氣體的真空獲得設(shè)備，它具有潔凈無(wú)油、抽速高等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體、集成電路和空間技術(shù)研究方面應(yīng)用廣泛。由于低溫泵采用冷頭吸附，工作一段時(shí)間后，冷頭被氣體凝結(jié)的固體所覆蓋，表面溫度升高，對(duì)氣體吸附作用減弱甚至停止，失去抽氣作用，因此實(shí)際使用時(shí)，每過(guò)一段時(shí)間就需要對(duì)泵進(jìn)行加熱，以去除凝結(jié)在冷頭上的固態(tài)氣體，即所謂的“再生”。

　　國(guó)內(nèi)目前低溫泵再生仍使用常規(guī)方法，即對(duì)泵體進(jìn)行加熱，使冷頭上吸附的冷凝物氣化排出，再將冷頭冷卻至約10 K，繼續(xù)工作。整個(gè)過(guò)程一般需8 ～12 h，耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響大規(guī)模鍍膜等生產(chǎn)線效率。反觀國(guó)外，相關(guān)生產(chǎn)廠家已經(jīng)推出了自動(dòng)化程度很高的低溫泵產(chǎn)品，其再生過(guò)程電加熱、全自動(dòng)控制，耗時(shí)短、效率高，“冷到冷”耗時(shí)小于50 min，完全再生時(shí)間也只要約2. 5 h，且約50 次快速再生后才需要一次完全再生，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。在此情況下，自主研發(fā)自己的低溫泵快速再生系統(tǒng)顯得十分重要。

1、快速再生原理

　　低溫泵工作原理為:一級(jí)冷凝板溫度為80 K，用來(lái)冷凝H2O 及預(yù)冷其他氣體，二級(jí)冷凝板溫度為15K，用來(lái)冷凝N2、O2、Ar 等氣體，在二級(jí)冷凝板一面涂以活性炭床，其在低溫下對(duì)He、Ne 和H2有很強(qiáng)的吸附能力。因此再生時(shí)二級(jí)冷凝板，又稱(chēng)吸附陣，應(yīng)得到加熱。但溫升應(yīng)小，以便再生后可迅速降溫，重新投入工作。

圖1 CRYO-U12H 型低溫泵

　　快速再生系統(tǒng)主要由加熱電路和控制系統(tǒng)組成。再生開(kāi)始時(shí)，泵內(nèi)溫度約20 K。先關(guān)閉低溫泵抽氣口閥門(mén)，開(kāi)啟加熱電路對(duì)吸附陣直接加熱，此時(shí)控制系統(tǒng)中的單片機(jī)從真空計(jì)讀取泵內(nèi)真空度，并通過(guò)溫度傳感器測(cè)量吸附陣附近溫度，由繼電器控制加熱電路的通斷。當(dāng)溫度高于20 K 后，He、Ne 和H2首先從吸附陣活性炭上逸出；溫度在77 ～ 100K范圍內(nèi)時(shí)，N2、O2、Ar 等凝結(jié)氣體融化、沸騰并從排氣口逸出。再生結(jié)束前，維持溫度在100 K，打開(kāi)機(jī)械泵將泵內(nèi)氣體抽出。當(dāng)泵內(nèi)真空度趨于穩(wěn)定后，切斷加熱電路，關(guān)閉機(jī)械泵，低溫泵重新降溫、開(kāi)始工作。上述再生過(guò)程只對(duì)吸附陣直接加熱，且只加熱到100 K，泵內(nèi)其他零部件溫度都維持在很低水平，因此再次使用時(shí)，無(wú)需使泵從室溫以上降至20 K 以下，能極大地縮短再生時(shí)間，提高泵工作效率。

2、加熱結(jié)構(gòu)

　　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)。其中采用加熱絲進(jìn)行電加熱是一種經(jīng)濟(jì)有效的再生方式。這種方式下，加熱元件可以通過(guò)熱傳導(dǎo)對(duì)吸附陣直接進(jìn)行加熱，因此所需的加熱時(shí)間很短。同時(shí)由溫度控制系統(tǒng)測(cè)量此處溫度隨時(shí)調(diào)節(jié)加熱功率。由于加熱絲功率小，其熱慣性也小，因此可以采用開(kāi)、關(guān)方式控制。針對(duì)圖2 所示的，其中粗黑線部分即為加熱絲。

圖2 安徽萬(wàn)瑞冷電公司吸附陣結(jié)構(gòu)示意圖及加熱絲排列方案

　　按照這種布置方式，其在100 W 功率下加熱20min 后的溫度分布模擬結(jié)果如圖3。由圖中結(jié)果可以看出，低溫吸附陣各處受熱均勻，溫差較小，熱量基本被陣列吸收，對(duì)冷頭溫升影響小，降低能耗并縮短了再生后重新制冷的時(shí)間，提高了工作效率。

3、溫度控制系統(tǒng)

　　本套控制系統(tǒng)的原理如圖4 所示，它主要由溫度采集電路、真空度采集電路、單片機(jī)、顯示電路和控制電路五部分組成。本系統(tǒng)使用溫度傳感器采集溫度信號(hào)，其阻值隨溫度變化而線性變化，通過(guò)電橋放大器將其阻值變化產(chǎn)生的差分信號(hào)放大后由A/D轉(zhuǎn)換模塊采集進(jìn)單片機(jī)；同時(shí)真空計(jì)通過(guò)串口通信模塊將真空度輸入單片機(jī)。顯示模塊顯示溫度和真空度數(shù)據(jù)；當(dāng)溫度未超過(guò)100 K 時(shí)，繼電器電路一直導(dǎo)通，加熱電路持續(xù)加熱。溫度超過(guò)100 K 后，由單片機(jī)斷開(kāi)繼電器電路，停止加熱。

　　由于低溫泵內(nèi)部屬于超低溫環(huán)境，其最低溫度可達(dá)4 K( - 269℃)，此時(shí)很多常見(jiàn)溫度傳感器靈敏度會(huì)明顯降低，此處選擇經(jīng)低溫標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定的鉑電阻溫度傳感器Pt1000，其阻值隨溫度成近似線性變化，在0℃ 時(shí)為1000 Ω。根據(jù)DIN-IEC751 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，Pt1000 在溫度系數(shù)TCR = 0. 003851 時(shí)，電阻特性如圖5。所用鉑電阻在- 200℃以下溫區(qū)阻值變化需再進(jìn)行標(biāo)定。

圖3 模擬溫度分布結(jié)果

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

圖5 Pt1000 輸出特性曲線

　　圖6 為溫度調(diào)節(jié)電路。采用8 位A/D 轉(zhuǎn)換，在5V 標(biāo)準(zhǔn)電壓下，分辨率約為20 mV。由于對(duì)溫度的控制精度要求并不高，8 位A/D 轉(zhuǎn)換器可以滿足需求。圖中RELAY-SPST 為繼電器，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)K的通斷來(lái)控制加熱絲R。當(dāng)溫度傳感器采集到的溫度低于100 K 時(shí)PA7 端輸出高電平，此時(shí)K 閉合，加熱電路進(jìn)行加熱；當(dāng)溫度高于100 K 時(shí)PA7 端輸出低電平，此時(shí)K 斷開(kāi)，加熱電路停止加熱。

圖6 溫度調(diào)節(jié)電路

4、結(jié)論

　　針對(duì)特定吸附陣的低溫泵快速再生系統(tǒng)集溫度、真空度采集、顯示為一體，并可在再生過(guò)程中根據(jù)溫度、真空度的變化，實(shí)現(xiàn)再生加熱的自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)，一定程度上滿足了目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)科研的需求。其特點(diǎn)為:

　　(1)純電加熱，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低廉。

　　(2)再生過(guò)程無(wú)需打開(kāi)泵體，最高溫度在100 K 左右，“冷到冷”時(shí)間大大縮短，提高了工作效率且節(jié)能。

　　(3)由單片機(jī)對(duì)快速再生過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)控制，精度高，使用方便、可靠。