介紹了一種應(yīng)用于環(huán)模裝置的DN900LN₂型低溫泵的研制情況，該低溫泵是利用循環(huán)液氮配合GM 低溫制冷機(jī)共同提供冷量來進(jìn)行低溫冷凝和低溫吸附達(dá)到抽真空目的，其口徑為900 mm，對N₂抽速大于30 000 L/s。文中詳細(xì)論述了其結(jié)構(gòu)及工作原理、吸附陣和液氮冷屏的具體設(shè)計(jì)及計(jì)算、熱負(fù)荷計(jì)算等，并給出了性能測試方法及測試結(jié)果。該文的研究為大口徑低溫泵的研制提供了設(shè)計(jì)思路和計(jì)算方法參考。

1、引言

　　低溫泵是一種利用低溫冷凝和低溫吸附原理抽除氣體而獲得高真空的容積式真空泵，是獲得潔凈、無油的高真空環(huán)境的重要設(shè)備。低溫泵廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、集成電路、鍍膜和空間環(huán)境模擬等需要真空的設(shè)備上。

　　DN900LN₂型低溫泵是針對某環(huán)模裝置的需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求:

　　(1) 泵口直徑：Φ900 mm；

　　(2) 抽速： N₂>3. 0×10⁴ L /s; H2>2. 0×10⁴ L /s；

　　(3) 極限壓力： Pj<1×10^-6 Pa；

　　(4) 制冷時(shí)間：由室溫冷至20 K 的時(shí)間小于240 min；

2、結(jié)構(gòu)及原理

　　DN900LN₂型低溫泵是采用低溫制冷機(jī)和液氮(LN₂)同時(shí)提供冷量來進(jìn)行低溫冷凝和低溫吸附氣體從而獲得真空的。由于大口徑低溫泵的抽速和抽氣容量等都比較大，對冷量的需求也就比較大，而現(xiàn)有的低溫制冷機(jī)的冷量有限，單臺制冷機(jī)難以滿足低溫泵的需求，要使用多臺制冷機(jī)才能滿足冷量需求，制造成本較高，為此，本設(shè)計(jì)采用循環(huán)液氮輔助單臺GM制冷機(jī)作為冷源，循環(huán)液氮為77K冷屏和障板提供冷量，GM制冷機(jī)為20K低溫冷凝板提供冷量。結(jié)構(gòu)及原理如下圖1 所示。

圖1 低溫泵結(jié)構(gòu)及原理圖

　　通過連續(xù)注入的液氮來冷卻冷屏和障板，其溫度為77 ～ 90 K，液氮與冷屏及障板進(jìn)行熱交換后變成氮?dú)饣虻�的氣液混合物而排出低溫泵體，同時(shí)由G-M 循環(huán)低溫制冷機(jī)的二級冷頭來為吸附陣和冷凝板提供冷量，其溫度<20 K。低溫泵工作時(shí)，真空室內(nèi)的可凝性氣體則被冷屏、障板和冷凝板冷凝下來，難以凝結(jié)的氣體則被吸附陣吸收，從而就達(dá)到了所需的真空。

圖5 低溫泵實(shí)物圖

4、冷量選擇

　　4.1、LN₂ 流量

　　前面計(jì)算冷屏與障板的熱負(fù)荷為248.07 W，該部分熱負(fù)荷需要消耗液氮的冷量，按1∶44 計(jì)算可得需要液氮流量為6 L/h 即可滿足該部分熱負(fù)荷對冷量的需求，考慮到泵殼內(nèi)零部件的冷量損耗和縮短降溫時(shí)間，可以選擇10 L/h。

　　4.2、制冷機(jī)冷量

　　前面計(jì)算的低溫冷凝板的熱負(fù)荷是由制冷機(jī)的二級冷頭來承擔(dān)的，則需要制冷機(jī)的二級冷量不低于5.62 W。根據(jù)冷凝板熱負(fù)荷，考慮到制冷工作時(shí)的溫度一般在15K以下，所配制冷機(jī)冷量要有富余，最終設(shè)計(jì)選擇萬瑞公司生產(chǎn)的GM210制冷機(jī)，其二級冷量在20 K 時(shí)>10 W，冷量足夠。

5、性能測試結(jié)果

　　制作了標(biāo)準(zhǔn)的測試真空罩，對低溫泵的抽速、抽氣容量、極限真空度和降溫時(shí)間等進(jìn)行了測試。其中按定壓法進(jìn)行抽速測試，在測試過程中，測試罩內(nèi)的壓力保持不變。抽速按公式S =Q/P 計(jì)算，式中Q 為氣體流量，P 為測試罩內(nèi)的平衡壓力。低溫泵的抽速按在10^-3 Pa、10^-4 Pa 壓強(qiáng)下的平均抽速計(jì)算。

表1 DN900LN₂低溫泵性能測試結(jié)果

6、結(jié)論

　　DN900LN₂型低溫泵利用循環(huán)液氮和低溫制冷機(jī)作冷源，具有抽速高、抽氣容量大、潔凈無油，主要是為某環(huán)境模擬裝置配套的抽真空設(shè)備，也可以應(yīng)用于半導(dǎo)體、真空鍍膜等行業(yè)的大型設(shè)備上作為獲得潔凈、無油的高真空設(shè)備。該低溫泵經(jīng)過測試，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，已在某環(huán)境模擬設(shè)備上運(yùn)行超過兩年，指標(biāo)正常，性能穩(wěn)定。該型低溫泵比常規(guī)制冷機(jī)低溫泵增加了循環(huán)液氮，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，它的研制成功，創(chuàng)新了一些新的結(jié)構(gòu)、工藝，為同類型、大口徑的低溫泵奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，已獲得省新產(chǎn)品獎(jiǎng)。