低溫泵在當今生產研究過程中應用廣泛，但其每工作一段時間后都需要進行“再生”，所需時間長，泵效率低。本文對一種低溫泵的吸附陣結構分析并設計了一種結合自動控制功能的快速再生加熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單片機編程控制，自動化程度高，再生時間短，使用方便，為國內低溫泵快速再生環(huán)節(jié)的發(fā)展提供借鑒。

　　低溫泵是一種利用低溫表面來冷凝、吸附和捕集氣體的真空獲得設備，它具有潔凈無油、抽速高等優(yōu)點，在半導體、集成電路和空間技術研究方面應用廣泛。由于低溫泵采用冷頭吸附，工作一段時間后，冷頭被氣體凝結的固體所覆蓋，表面溫度升高，對氣體吸附作用減弱甚至停止，失去抽氣作用，因此實際使用時，每過一段時間就需要對泵進行加熱，以去除凝結在冷頭上的固態(tài)氣體，即所謂的“再生”。

　　國內目前低溫泵再生仍使用常規(guī)方法，即對泵體進行加熱，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。整個過程一般需8 ～12 h，耗時長，嚴重影響大規(guī)模鍍膜等生產線效率。反觀國外，相關生產廠家已經推出了自動化程度很高的低溫泵產品，其再生過程電加熱、全自動控制，耗時短、效率高，“冷到冷”耗時小于50 min，完全再生時間也只要約2. 5 h，且約50 次快速再生后才需要一次完全再生，其技術優(yōu)勢顯而易見。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:一級冷凝板溫度為80 K，用來冷凝H2O 及預冷其他氣體，二級冷凝板溫度為15K，用來冷凝N2、O2、Ar 等氣體，在二級冷凝板一面涂以活性炭床，其在低溫下對He、Ne 和H2有很強的吸附能力。因此再生時二級冷凝板，又稱吸附陣，應得到加熱。但溫升應小，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。再生開始時，泵內溫度約20 K。先關閉低溫泵抽氣口閥門，開啟加熱電路對吸附陣直接加熱，此時控制系統(tǒng)中的單片機從真空計讀取泵內真空度，并通過溫度傳感器測量吸附陣附近溫度，由繼電器控制加熱電路的通斷。當溫度高于20 K 后，He、Ne 和H2首先從吸附陣活性炭上逸出；溫度在77 ～ 100K范圍內時，N2、O2、Ar 等凝結氣體融化、沸騰并從排氣口逸出。再生結束前，維持溫度在100 K，打開機械泵將泵內氣體抽出。當泵內真空度趨于穩(wěn)定后，切斷加熱電路，關閉機械泵，低溫泵重新降溫、開始工作。上述再生過程只對吸附陣直接加熱，且只加熱到100 K，泵內其他零部件溫度都維持在很低水平，因此再次使用時，無需使泵從室溫以上降至20 K 以下，能極大地縮短再生時間，提高泵工作效率。

2、加熱結構

　　根據加熱方式的不同，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。其中采用加熱絲進行電加熱是一種經濟有效的再生方式。這種方式下，加熱元件可以通過熱傳導對吸附陣直接進行加熱，因此所需的加熱時間很短。同時由溫度控制系統(tǒng)測量此處溫度隨時調節(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、關方式控制。針對圖2 所示的，其中粗黑線部分即為加熱絲。

圖2 安徽萬瑞冷電公司吸附陣結構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果如圖3。由圖中結果可以看出，低溫吸附陣各處受熱均勻，溫差較小，熱量基本被陣列吸收，對冷頭溫升影響小，降低能耗并縮短了再生后重新制冷的時間，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、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，其阻值隨溫度變化而線性變化，通過電橋放大器將其阻值變化產生的差分信號放大后由A/D轉換模塊采集進單片機；同時真空計通過串口通信模塊將真空度輸入單片機。顯示模塊顯示溫度和真空度數據；當溫度未超過100 K 時，繼電器電路一直導通，加熱電路持續(xù)加熱。溫度超過100 K 后，由單片機斷開繼電器電路，停止加熱。

　　由于低溫泵內部屬于超低溫環(huán)境，其最低溫度可達4 K( - 269℃)，此時很多常見溫度傳感器靈敏度會明顯降低，此處選擇經低溫標準標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℃ 時為1000 Ω。根據DIN-IEC751 國際標準，Pt1000 在溫度系數TCR = 0. 003851 時，電阻特性如圖5。所用鉑電阻在- 200℃以下溫區(qū)阻值變化需再進行標定。

圖3 模擬溫度分布結果

圖4 控制系統(tǒng)原理圖

圖5 Pt1000 輸出特性曲線

　　圖6 為溫度調節(jié)電路。采用8 位A/D 轉換，在5V 標準電壓下，分辨率約為20 mV。由于對溫度的控制精度要求并不高，8 位A/D 轉換器可以滿足需求。圖中RELAY-SPST 為繼電器，通過控制開關K的通斷來控制加熱絲R。當溫度傳感器采集到的溫度低于100 K 時PA7 端輸出高電平，此時K 閉合，加熱電路進行加熱；當溫度高于100 K 時PA7 端輸出低電平，此時K 斷開，加熱電路停止加熱。

圖6 溫度調節(jié)電路

4、結論

　　針對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，并可在再生過程中根據溫度、真空度的變化，實現再生加熱的自動控制和調節(jié)，一定程度上滿足了目前國內生產科研的需求。其特點為:

　　(1)純電加熱，結構簡單，易于實現，成本低廉。

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

　　(3)由單片機對快速再生過程進行自動控制，精度高，使用方便、可靠。