低溫泵知識

低溫泵又叫低溫真空泵、冷泵、冷凝泵。低溫泵的冷源可以是低溫液體（液氮或液氦），也可以是低溫制冷機(jī)。這里介紹制冷機(jī)型低溫泵，這種低溫泵的制冷機(jī)在兩個溫度級上產(chǎn)生制冷，分別冷卻兩個低溫表面，被抽的氣體就被冷卻在低溫表面上。制冷機(jī)的一級通常工作在 50K－70K范圍，它用來冷卻靠外的冷板，這個外部冷板既為更冷的冷板充當(dāng)防輻射的屏蔽，同時又用來冷卻擋在泵入口處的百葉窗（障板），當(dāng)水蒸汽碰到障板上時就被冷凍在它上面，這極像液氮冷阱冷凍水蒸氣的情形。制冷機(jī)的二級，即冷的一級，通常工作在 10K－20K之間，用來冷卻靠內(nèi)的冷板，它冷凍穿過百葉窗的 N_2、O_2、Ar 等氣體。不能被這一溫度冷凍的氣體被位于冷板內(nèi)部的活性炭吸附。

低溫制冷機(jī)工作原理

  低溫泵用小型低溫制冷機(jī)采用的是吉福特-麥克馬洪循環(huán)，利用西蒙膨脹原理（即絕熱放氣）來制冷的。主要由冷頭單元、壓縮機(jī)單元、控制單元、金屬連接軟管等組成。其中，控制單元一般安裝在壓縮機(jī)單元內(nèi)，形成一個整體。其工質(zhì)采用氦氣在系統(tǒng)中循環(huán)工作，下圖是其工作的主要原理圖。

高純氦氣在壓縮機(jī)中被壓縮后產(chǎn)生高壓氦氣，經(jīng)換熱器冷卻后，通過油氣分離器與油蒸汽分離，并在吸附器中到進(jìn)一步純化。開始時，驅(qū)動機(jī)構(gòu)使一二級排出器均處于氣缸底部，與此同時打開進(jìn)氣閥。高壓氣體進(jìn)入一級排出器上方的熱腔容積和一級回?zé)崞?。一級回?zé)崞骱团c熱腔容積的壓力增高。當(dāng)壓力平衡后，一級排出器從氣缸底部向上移動，把進(jìn)入到熱腔中的氣體推移出去，經(jīng)一級回?zé)崞骼鋮s后進(jìn)入一級冷腔。當(dāng)排出器移動到氣缸頂部，進(jìn)氣閥關(guān)閉，排氣閥打開，此時，處于一級冷腔中的高壓氣體向低壓部分放氣，產(chǎn)生一級冷量；一部分氣體經(jīng)一級回?zé)崞骷訜岷筮M(jìn)入壓縮機(jī)低壓腔，經(jīng)過壓縮后以變成高壓氣體，一部分經(jīng)二級回?zé)崞鬟M(jìn)入二級冷腔，經(jīng)冷頭換熱，產(chǎn)生二級冷量。當(dāng)一二級排出器重新移動到氣缸底部，排氣閥關(guān)閉。這樣，周而復(fù)始，整個系統(tǒng)就能連續(xù)工作，連續(xù)不斷地制取冷量。制得的冷量經(jīng)過冷頭輸出，形成冷源。

二、低溫泵的特點和適用場合

1、低溫泵的特點：

1）低溫泵是一種容積式真空泵，工作時無需前級泵；

2）低溫泵需要再生；

3）低溫泵對不同的氣體具有不同的抽速和抽氣容量。

2、低溫泵的優(yōu)點

1）高極限真空度

  一臺標(biāo)準(zhǔn)型的低溫泵，其極限真空度可達(dá) 10^-7Pa，必要時，在不加其它輔助泵的情況下也可以做到 10^-9Pa，而理論上，甚至于達(dá)到 10^-11Pa 以上*真空。這些都是其它高真空*的。

2）大抽速

  大抽速是低溫泵的一個重要特性。在同口徑的情況下，對空氣的抽速，分子泵差不多是低溫泵的 2/3。盡管擴(kuò)散泵與其相當(dāng)，但增加冷板后，其能力大打折扣，也只能相當(dāng)于低溫泵的 2/3 左右。很重要的一點：低溫泵對水具有超高的抽速，其遠(yuǎn)高于其它真空泵。大多數(shù)情況下，水蒸氣是真空系統(tǒng)的主要負(fù)荷，低溫泵的高抽速使得建立真空的速度比其他真空泵快，可以大大提高產(chǎn)品產(chǎn)出量。

3）真正潔凈

  低溫泵是真正的潔凈無油、抽速高的高真空泵，它是利用低溫冷板來冷凝、吸附氣體而獲得和保持真空，在真空區(qū)域任何沒有運(yùn)動部件，沒有油，所有清潔無污染。這一點是其它真空泵*的。

  低溫泵一般是不會發(fā)生這些問題的。因為他們不用流體，所以任何情況下的回流都是不可能的。

  除擴(kuò)散泵本身返油外，另一個常見的污染源是前級機(jī)械真空泵的油蒸氣。使用低溫泵時的切換壓力是使用擴(kuò)散泵時切換壓力的 2～10 倍，預(yù)抽用的低真空管內(nèi)是粘滯流，使低真空泵的油蒸氣不會產(chǎn)生回流。

  低溫泵沒有泵油被污染引起的問題。在許多薄膜（特別是由可以與泵油結(jié)合的化學(xué)方法生產(chǎn)的紅外鍍膜）的制造過程中，泵油會受到污染而變成泥狀，這種情況會很快地降低泵的效率，造成生產(chǎn)時間的增加，甚至造成膜層的質(zhì)量問題。為了防止這類問題出現(xiàn)，人們往往勤換油，但頻繁的換油耗時又費(fèi)力，增加了維修費(fèi)用和停工期。您若使用了低溫泵就沒有這個問題。

低溫泵的切換壓力高。這有兩大好處：（1）減少抽氣時間；（2）不會產(chǎn)生返油情況

4）運(yùn)行成本低

  不管是投資新設(shè)備還是升級現(xiàn)有設(shè)備，都期望能從減少成本（人力，材料，效用，折舊等）、提高產(chǎn)量和收益上獲得投資回報。如果把擴(kuò)散泵或其它泵改為低溫泵，投資回報如何？例如，500mm 口徑低溫泵對水蒸氣的抽速為 30000 升/秒，相當(dāng)于 800mm 口徑的擴(kuò)散泵，而且不必使用冷阱。一套薄膜設(shè)備每年可節(jié)省因購買液氮而需的 4 萬元～8 萬元。同時還可以節(jié)省由于購買、儲存、處理和運(yùn)輸液氮等帶來的各種費(fèi)用。另外，常規(guī)維修和液氮的液面控制系統(tǒng)的偶然損壞所用的費(fèi)用也沒有了。保持對水蒸氣大抽速的同時省略了冷阱還可以減少抽氣阻力，因此可以增加腔體內(nèi)的抽氣速度。

  與擴(kuò)散泵比較，低溫泵可以解決一些其他費(fèi)用問題。擴(kuò)散泵需要連續(xù)供應(yīng)冷卻水，如間斷供水會造成管路損壞、再循環(huán)泵故障，甚至堵塞擴(kuò)散泵本身的冷卻管道，或者由于維修人員未能意識到而造成意外傷害。特別是，冷卻水缺失會造成擴(kuò)散泵產(chǎn)生“返流”，這會污染真空處理腔體，擴(kuò)散泵流體會覆蓋被鍍制產(chǎn)品、靶、工具和腔體壁。一旦被污染，必須很費(fèi)力地去清洗、重新組裝和檢漏真空腔體，再次啟動之前所有這些處理過程必須是合格的。

  擴(kuò)散泵返流的其他常見原因有：真空泄漏、操作員失誤、電源缺失、氣流量過大、前級泵故障。在每種情況，都會使擴(kuò)散泵排氣嘴損壞，造成油蒸氣回流。雖然一些有效的維護(hù)可以改善這些失誤情況，但是每種辦法都需要費(fèi)用且沒有一種是十分簡單的。

  低溫泵節(jié)約電力。與擴(kuò)散泵相比，低溫泵可大大減少電能消耗，尤其是大口徑泵。就抽速而言，低溫泵僅需 1/3 的能耗就可以達(dá)到與擴(kuò)散泵同等的效果。例如：使用兩臺 800mm口徑擴(kuò)散泵/增壓泵的鍍膜系統(tǒng)，每年的電耗達(dá) 29 萬度（按 300 個工作日計算），改用兩臺500mm 口徑的低溫泵，抽速優(yōu)于兩臺 800mm 擴(kuò)散泵，并可節(jié)電 20 萬度，計 12 萬元。

  低溫泵工作，前級泵休息。擴(kuò)散泵工作時需要前級真空泵一直連續(xù)穩(wěn)定的運(yùn)行（真空度0.1－0.5 托），即擴(kuò)散泵不能獨力的工作。而低溫泵工作時，前級泵提供初步真空后（僅幾分鐘）后就關(guān)掉。從抽氣開始到腔體達(dá)到切換壓力（通常為 0.2－0.5 托）這一段時間前級泵工作，以后的時間低溫泵是獨立工作的。前級真空泵開的時間短可以節(jié)約電能，也有減少維護(hù)和減少噪聲等好處。

5）安全可靠

  真空腔內(nèi)無運(yùn)動部件，來自外界的干擾或來自真空系統(tǒng)的微粒不影響低溫泵工作。另外，低溫泵在真空突然失效時，大量氣體進(jìn)入低溫泵的情況下，不受任何影響，因此在真空管的內(nèi)爆等情況下，不至于損壞。同時，由于低溫泵回溫具有一定“慣性”，可在突然停電的情況下，有效地保護(hù)真空腔體內(nèi)真空，不至于被鍍工件受到影響。

6）使用方便

  低溫泵對安裝方位沒要求：由于低溫泵對方向性要求不高，因此它可以泵口超上、泵口朝下、水平位置安裝或以腔體需要的任何角度安裝。而擴(kuò)散泵多數(shù)情況都需要泵口向上垂直安裝。這種安裝使得在工作室內(nèi)垂直方向上能達(dá)到高真空，但腔體內(nèi)水平方向上末端真空受到影響，有效抽速將從 70％減小到 60％。泵抽速的降低造成循環(huán)時間的延長和產(chǎn)量的減少。

7）低溫泵壽命長。因為它運(yùn)動部件少且低速運(yùn)行。通過日常的保養(yǎng)維護(hù)，低溫泵的正常的使用壽命可達(dá) 5~6 萬小時，有的甚至超過 8 萬小時。

3、低溫泵的缺點

1）需要降溫時間（準(zhǔn)備時間）；

2）需要再生；

3）購置成本高。

4、低溫真空泵應(yīng)用領(lǐng)域

低溫泵適合用于希望獲得 10_－¹Pa 至10^－9Pa 真空度的場合，尤其適合應(yīng)用于要求潔凈無油和/或快速抽氣的場合，例如：

◆ 真空排氣設(shè)備

◆ 濺射鍍膜設(shè)備

◆ 蒸發(fā)鍍膜設(shè)備

◆ 離子注入設(shè)備

◆ 分子束外延設(shè)備

  使用以上設(shè)備的工業(yè)真空鍍膜，例如：半導(dǎo)體與集成電路前工序、光學(xué)鍍膜、太陽能電池板、光電子器件和真空電子器件制造、平板顯示器件鍍膜

◆ 電子束設(shè)備

◆ 空間模擬裝置

◆ 高能物理研究裝置

◆ 加速器束流管

◆ 表面分析裝置

三、低溫泵的選型

低溫泵生產(chǎn)廠家對低溫泵型號的命名各不相當(dāng)，沒有統(tǒng)一的規(guī)定，但其規(guī)格基本上都是以口徑來定。對低溫泵的選型，主要考慮：抽氣速度、使用的真空范圍、氣體的大通導(dǎo)、抽氣容量、制冷機(jī)熱負(fù)荷等。

低溫泵選型時，主要遵循以下步驟：

1）計算系統(tǒng)所要求的抽速，選擇相對應(yīng)抽速的低溫泵；

2）根據(jù)工作時某一氣體流量，復(fù)核是否超過低溫泵允許的通導(dǎo)；

3）根據(jù)系統(tǒng)的放氣量，計算低溫泵的再生周期，看是否滿足工藝的要求；

4）查看系統(tǒng)工作時熱源是否影響低溫泵，必要時從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。