低温泵知识
时间：2021-03-11 阅读：7100
低温泵知识
低温泵又叫低温真空泵、冷泵、冷凝泵。低温泵的冷源可以是低温液体（液氮或液氦），也可以是低温制冷机。这里介绍制冷机型低温泵，这种低温泵的制冷机在两个温度级上产生制冷，分别冷却两个低温表面，被抽的气体就被冷却在低温表面上。制冷机的一级通常工作在 50K－70K范围，它用来冷却靠外的冷板，这个外部冷板既为更冷的冷板充当防辐射的屏蔽，同时又用来冷却挡在泵入口处的百叶窗（障板），当水蒸汽碰到障板上时就被冷冻在它上面，这极像液氮冷阱冷冻水蒸气的情形。制冷机的二级，即冷的一级，通常工作在 10K－20K之间，用来冷却靠内的冷板，它冷冻穿过百叶窗的 N2、O2、Ar 等气体。不能被这一温度冷冻的气体被位于冷板内部的活性炭吸附。
低温制冷机工作原理
低温泵用小型低温制冷机采用的是吉福特-麦克马洪循环，利用西蒙膨胀原理（即绝热放气）来制冷的。主要由冷头单元、压缩机单元、控制单元、金属连接软管等组成。其中，控制单元一般安装在压缩机单元内，形成一个整体。其工质采用氦气在系统中循环工作，下图是其工作的主要原理图。
高纯氦气在压缩机中被压缩后产生高压氦气，经换热器冷却后，通过油气分离器与油蒸汽分离，并在吸附器中到进一步纯化。开始时，驱动机构使一二级排出器均处于气缸底部，与此同时打开进气阀。高压气体进入一级排出器上方的热腔容积和一级回热器。一级回热器和与热腔容积的压力增高。当压力平衡后，一级排出器从气缸底部向上移动，把进入到热腔中的气体推移出去，经一级回热器冷却后进入一级冷腔。当排出器移动到气缸顶部，进气阀关闭，排气阀打开，此时，处于一级冷腔中的高压气体向低压部分放气，产生一级冷量；一部分气体经一级回热器加热后进入压缩机低压腔，经过压缩后以变成高压气体，一部分经二级回热器进入二级冷腔，经冷头换热，产生二级冷量。当一二级排出器重新移动到气缸底部，排气阀关闭。这样，周而复始，整个系统就能连续工作，连续不断地制取冷量。制得的冷量经过冷头输出，形成冷源。
二、低温泵的特点和适用场合
1、低温泵的特点：
1）低温泵是一种容积式真空泵，工作时无需前级泵；
2）低温泵需要再生；
3）低温泵对不同的气体具有不同的抽速和抽气容量。
2、低温泵的优点
1）高极限真空度
一台标准型的低温泵，其极限真空度可达 10-7Pa，必要时，在不加其它辅助泵的情况下也可以做到 10-9Pa，而理论上，甚至于达到 10-11Pa 以上*真空。这些都是其它高真空*的。
2）大抽速
大抽速是低温泵的一个重要特性。在同口径的情况下，对空气的抽速，分子泵差不多是低温泵的 2/3。尽管扩散泵与其相当，但增加冷板后，其能力大打折扣，也只能相当于低温泵的 2/3 左右。很重要的一点：低温泵对水具有超高的抽速，其远高于其它真空泵。大多数情况下，水蒸气是真空系统的主要负荷，低温泵的高抽速使得建立真空的速度比其他真空泵快，可以大大提高产品产出量。
3）真正洁净
低温泵是真正的洁净无油、抽速高的高真空泵，它是利用低温冷板来冷凝、吸附气体而获得和保持真空，在真空区域任何没有运动部件，没有油，所有清洁无污染。这一点是其它真空泵*的。
低温泵一般是不会发生这些问题的。因为他们不用流体，所以任何情况下的回流都是不可能的。
除扩散泵本身返油外，另一个常见的污染源是前级机械真空泵的油蒸气。使用低温泵时的切换压力是使用扩散泵时切换压力的 2～10 倍，预抽用的低真空管内是粘滞流，使低真空泵的油蒸气不会产生回流。
低温泵没有泵油被污染引起的问题。在许多薄膜（特别是由可以与泵油结合的化学方法生产的红外镀膜）的制造过程中，泵油会受到污染而变成泥状，这种情况会很快地降低泵的效率，造成生产时间的增加，甚至造成膜层的质量问题。为了防止这类问题出现，人们往往勤换油，但频繁的换油耗时又费力，增加了维修费用和停工期。您若使用了低温泵就没有这个问题。
低温泵的切换压力高。这有两大好处：（1）减少抽气时间；（2）不会产生返油情况
4）运行成本低
不管是投资新设备还是升级现有设备，都期望能从减少成本（人力，材料，效用，折旧等）、提高产量和收益上获得投资回报。如果把扩散泵或其它泵改为低温泵，投资回报如何？例如，500mm 口径低温泵对水蒸气的抽速为 30000 升/秒，相当于 800mm 口径的扩散泵，而且不必使用冷阱。一套薄膜设备每年可节省因购买液氮而需的 4 万元～8 万元。同时还可以节省由于购买、储存、处理和运输液氮等带来的各种费用。另外，常规维修和液氮的液面控制系统的偶然损坏所用的费用也没有了。保持对水蒸气大抽速的同时省略了冷阱还可以减少抽气阻力，因此可以增加腔体内的抽气速度。
与扩散泵比较，低温泵可以解决一些其他费用问题。扩散泵需要连续供应冷却水，如间断供水会造成管路损坏、再循环泵故障，甚至堵塞扩散泵本身的冷却管道，或者由于维修人员未能意识到而造成意外伤害。特别是，冷却水缺失会造成扩散泵产生“返流”，这会污染真空处理腔体，扩散泵流体会覆盖被镀制产品、靶、工具和腔体壁。一旦被污染，必须很费力地去清洗、重新组装和检漏真空腔体，再次启动之前所有这些处理过程必须是合格的。
扩散泵返流的其他常见原因有：真空泄漏、操作员失误、电源缺失、气流量过大、前级泵故障。在每种情况，都会使扩散泵排气嘴损坏，造成油蒸气回流。虽然一些有效的维护可以改善这些失误情况，但是每种办法都需要费用且没有一种是十分简单的。
低温泵节约电力。与扩散泵相比，低温泵可大大减少电能消耗，尤其是大口径泵。就抽速而言，低温泵仅需 1/3 的能耗就可以达到与扩散泵同等的效果。例如：使用两台 800mm口径扩散泵/增压泵的镀膜系统，每年的电耗达 29 万度（按 300 个工作日计算），改用两台500mm 口径的低温泵，抽速优于两台 800mm 扩散泵，并可节电 20 万度，计 12 万元。
低温泵工作，前级泵休息。扩散泵工作时需要前级真空泵一直连续稳定的运行（真空度0.1－0.5 托），即扩散泵不能独力的工作。而低温泵工作时，前级泵提供初步真空后（仅几分钟）后就关掉。从抽气开始到腔体达到切换压力（通常为 0.2－0.5 托）这一段时间前级泵工作，以后的时间低温泵是独立工作的。前级真空泵开的时间短可以节约电能，也有减少维护和减少噪声等好处。
5）安全可靠
真空腔内无运动部件，来自外界的干扰或来自真空系统的微粒不影响低温泵工作。另外，低温泵在真空突然失效时，大量气体进入低温泵的情况下，不受任何影响，因此在真空管的内爆等情况下，不至于损坏。同时，由于低温泵回温具有一定“惯性”，可在突然停电的情况下，有效地保护真空腔体内真空，不至于被镀工件受到影响。
6）使用方便
低温泵对安装方位没要求：由于低温泵对方向性要求不高，因此它可以泵口超上、泵口朝下、水平位置安装或以腔体需要的任何角度安装。而扩散泵多数情况都需要泵口向上垂直安装。这种安装使得在工作室内垂直方向上能达到高真空，但腔体内水平方向上末端真空受到影响，有效抽速将从 70％减小到 60％。泵抽速的降低造成循环时间的延长和产量的减少。
7）低温泵寿命长。因为它运动部件少且低速运行。通过日常的保养维护，低温泵的正常的使用寿命可达 5~6 万小时，有的甚至超过 8 万小时。
3、低温泵的缺点
1）需要降温时间（准备时间）；
2）需要再生；
3）购置成本高。
4、低温真空泵应用领域
低温泵适合用于希望获得 10－1Pa 至10－9Pa 真空度的场合，尤其适合应用于要求洁净无油和/或快速抽气的场合，例如：
◆ 真空排气设备
◆ 溅射镀膜设备
◆ 蒸发镀膜设备
◆ 离子注入设备
◆ 分子束外延设备
使用以上设备的工业真空镀膜，例如：半导体与集成电路前工序、光学镀膜、太阳能电池板、光电子器件和真空电子器件制造、平板显示器件镀膜
◆ 电子束设备
◆ 空间模拟装置
◆ 高能物理研究装置
◆ 加速器束流管
◆ 表面分析装置
三、低温泵的选型
低温泵生产厂家对低温泵型号的命名各不相当，没有统一的规定，但其规格基本上都是以口径来定。对低温泵的选型，主要考虑：抽气速度、使用的真空范围、气体的大通导、抽气容量、制冷机热负荷等。
低温泵选型时，主要遵循以下步骤：
1）计算系统所要求的抽速，选择相对应抽速的低温泵；
2）根据工作时某一气体流量，复核是否超过低温泵允许的通导；
3）根据系统的放气量，计算低温泵的再生周期，看是否满足工艺的要求；
4）查看系统工作时热源是否影响低温泵，必要时从结构上进行改进。