低溫泵的原理與分類(lèi)
2017-12-13 16:30:06
利用低溫表面冷凝氣體的真空泵（行業(yè)：機(jī)械制造業(yè)），又稱(chēng)冷凝泵。凱泉泵業(yè)由此可見(jiàn)，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。低溫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（行業(yè)：機(jī)械制造業(yè)），一般應(yīng)用在半導(dǎo)體（semiconductor）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(shèbèi)、真空表面分析(Analyse)儀器設(shè)備、離子注入機(jī)和空間模擬裝置等方面。
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。
②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。這樣就可能在比較高溫度下通過(guò)(tōng guò)低溫吸附來(lái)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。凱泉泵業(yè)由此可見(jiàn)，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚(yáng)到高處或遠(yuǎn)方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。上海凱泉由于葉輪進(jìn)口不可能形成絕對(duì)真空，因此離心泵吸水高度不能超過(guò)10米，加上水流經(jīng)吸水管路帶來(lái)的沿程損失，實(shí)際允許安裝高度（水泵軸線(xiàn)距吸入水面的高度）遠(yuǎn)小于10米。
一般說(shuō)來(lái)，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(lèi)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。
①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。為了最大化減少液氦消耗，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。
②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(圖)。這種泵不消耗氦氣、操作控制簡(jiǎn)便，易于維護(hù)修理，應(yīng)用日漸廣泛。制冷機(jī)的制冷介質(zhì)(起決定作用的物質(zhì))為氣氦，一級(jí)冷板溫度為50～100K，用來(lái)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(lái)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(wú)氧銅制成，表面拋光（polishing）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(fàn wéi)為10-1～10-7帕，要求預(yù)抽壓力為1帕。制成的產(chǎn)品(Product)抽氣速率已達(dá)60000升/秒(1升=10-3米3)。此外，尚可根據(jù)工藝的特性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(Deep well pump)的熱負(fù)載主要是氣體的凝結(jié)熱和周?chē)诿鎸?duì)工作冷板的輻射熱。凱泉泵業(yè)開(kāi)動(dòng)前，先將泵和進(jìn)水管灌滿(mǎn)水，水泵運(yùn)轉(zhuǎn)后，在 葉輪高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力的作用下，葉輪流道里的水被甩向四周，壓入蝸殼，葉輪入口形成真空，水池的水在外界大氣壓力下沿吸水管被吸入補(bǔ)充了這個(gè)空間。繼而吸入的水又被葉輪甩出經(jīng)蝸殼而進(jìn)入出水管。凝結(jié)熱與氣體種類(lèi)有關(guān)，對(duì)于80
K、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。上海凱泉如安裝過(guò)高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺(tái)水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時(shí)，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來(lái)。工作冷板接受的輻射熱與周?chē)谘b飾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(lái)屏蔽，以最大化減少工作冷板所接受的輻射熱。
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