冷凝泵的工作原理及类型

冷凝泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵又称冷凝泵。冷凝泵是获得清洁真空的极限压力最低、抽气速率最大的真空泵，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。因其洁净无污染、效率高、抽速大、高可靠性等突出优势，被广泛的应用于科学研究实验室、乃至工业生产等众多领域，如半导体材料制作、平板显示器 生产/测试设备、太阳能制造业、真空镀膜 、热真空系统等。

 

　　按真空泵的工作原理，真空泵基本上可以分为两种类型，即气体传输泵和气体捕集泵。气体传输泵是一种能使气体不断的吸入和排出，借以达到抽气目的的真空泵。气体捕集泵是一种使气体分子被吸附或凝结在泵的内表面上，从而减小了容器内的气体分子数目而达到抽气目的的真空泵。

 

　　抽气原理

 

　　在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板 ，它使气体凝结，并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力，从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。

 

　　（1）低温冷凝：气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上，其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时，冷板温度必须低于 25K；抽氢时，冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。

 

　　（2）低温吸附：气体分子以一个单分子层厚（10-8厘米数量级）被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在20K时氢的蒸气压力等于大气压力，用20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。

 

　　（3）低温捕集：在抽气温度下不能冷凝的气体分子，被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。

 

　　一般说来，泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时，水的蒸气压已低于10-8帕。温度为20K时，除氦、氖和氢外，其他气体的蒸气压也低于10-8帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同，泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器，低温板为20K时，泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。

 

　　类型

 

　　低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。

 

　　（1）注入式液氦低温泵：主要由液氦容器、泵体和连接挡板的液氮腔体等部分组成。为了减少液氦消耗，液氦容器的外壁采用双层保温壁并在其间抽成真空。当泵被预抽到10-6 帕压力时灌入液氮和液氦，气体凝结在4.2K的工作冷板上。经预抽使氦氢分压到10-12帕数量级，故泵可获得10-11帕以下的极限压力。如果把液氦容器抽真空减压到6650帕，液氦温度可降到2.3K，则可得到更低的极限压力。

 

　　（2）闭路循环气氦制冷机低温泵：它是70年代出现的新型低温泵。这种泵不消耗氦气、操作简便，易于维修，应用日渐广泛。制冷机的制冷介质为气氦，一级冷板温度为50～100K，用来冷凝水蒸汽和预冷其他气体；二级冷板温度为10～20K，用来冷凝氮、氧和氩等气体。在二级冷板的内表面涂以活性炭。活性炭的比表面积为500～2500米2/克，在低温下对氦、氖和氢有很强的吸附能力。冷板由无氧铜制成，表面抛光达到镜面程度，以减小辐射系数。泵的极限压力为10-7～10-8帕，工作压力范围为10-1～10-7帕，要求预抽压力为1帕。制成的产品抽气速率已达60000升/秒（1升=10-3米3）。此外，尚可根据工艺的特点把抽气冷板安排在被抽容器内，其抽气速率可达到106升/秒以上。

 

　　热负载

 

　　低油泵的热负载主要是气体的凝结热和周围壁面对工作冷板的辐射热。凝结热与气体种类有关，对于 80K、133.322帕·升的氮气冷凝在20K冷板上的凝结热为0.3～0.6焦耳。工作冷板接受的辐射热与周围壁面板温度和工作冷板温度两者 4次方之差成正比。因此，4.2K和20K工作冷板均用50～100K的冷板来屏蔽，以减少工作冷板所接受的辐射热。

 

　　总体结构特点

 

　　（1）立式结构：适于埋装在地下，不会受电动机热风、空气温度和日照等影响，易于保冷；能降低泵的吸上高度，增加灌注头，提高有效汽蚀余量；立式结构还有利于排气，使悬挂轴有足够高度便于布置轴封装置，故该泵也称为立式筒型泵。

 

　　（2）对称结构：泵的总体结构力求对称布置，以便在冷态下能均匀变形。

 

　　（3）双层壳体：为了保冷方便和有利于输送危险介质，通常都制成双层壳体，内壳里面承受泵压，内外壳之间是吸入压力，这样可适当降低内壳的强度要求。

 

　　外壳需做成真空夹层，已达到隔热效果。