制冷机低温泵的常见再生方式
小型制冷机低温泵是依靠制冷机获取冷量, 利用低温表面冷凝和吸附气体来获得和保持真空的装置 , 它具有清洁无炭氢污染、极限真空度高等优点, 广泛应用于微电子、材料科学等研究和生产领域。
低温泵的再生是使泵内贮存的气体解析和脱附的过程, 再生的方式有多种, 其所需时间和再生效果也有差别。再生方式的选择、冷头温度测量方法以及再生起点终点的判断对低温泵系统自动化有着重要意义。目前国外的低温泵生产厂家都推出了自动化程度很高的低温泵产品, 国内有关研究单位也在积极开展相关工作。本文从我国国情出发, 讨论了低温泵再生过程中的一些问题, 并提出了一些个人观点以供低温泵用户参考。
从原理上讲, 低温泵捕集的气体可以以固态、气态或液态方式除去, 由于以固态方式除去冷凝物存在很多技术难题, 目前商品低温泵采用的都是后两种方式。根据加热方式的不同, 再生方式一般分为:自然加热再生、气体冲洗再生、电加热再生三类。
自然加热再生是最简单的低温泵再生方法, 它是利用泵壁与周围空气的热交换来使泵升温的, 在刚开始再生时, 由于泵内真空度较高, 因此主要是依靠泵壁的热辐射和泵内的热传导使冷板逐渐升温,这个升温过程相当缓慢。当压强升高到10-1～ 10Pa范围后, 对流换热才开始起比较大的作用。自然加热再生需要的时间很长, 一般需十几个小时。由于自然加热再生一般利用过压保护阀排气, 在这种情况下,如果泵能够和其环境达到完全平衡, 那么泵内融化的冰水会留在底板上, 而且室温下活性炭将吸附高分压的水蒸气, 因而泵在使用过程中需要进行长时间的初抽, 而且泵的极限压强也会受到影响。自然加热再生一般只用于一些对泵性能要求不高的场合。
气体冲洗再生是使用很普遍的一种方法, 它利用冲入泵内的室温或加热的干燥的惰性气体(N2或Ar) 对泵进行加热, 它有恒压法和脉冲冲洗法两种形式。因为能够进行有效的热交换, 所以可以缩短再生时间, 而且气体冲洗有利于水蒸气从活性炭中脱附出来, 再生的质量也提高了, 另外它还能稀释那些有毒和爆炸性的气体。
电加热再生是一种经济的再生方法, 目前有两种不同的加热方式, 一种是利用加热带裹在泵壁外表进行加热, 另一种是利用泵内冷头上的加热板进行加热。由于低温泵的部分元件不能承受高温, 因而需要对加热过程进行控制。采用加热带加热方式时,可以选用自限温型的加热带(这种加热带由PTC 发热元件制成) , 也可以由仪表进行控制。采用铑铁电阻温度传感器做二极冷头温度测量的低温泵可以利用这个传感器对加热带进行控制, 但是由于这种情况下所测量的温度值不能准确反映泵壁处的温度,因此需要采取一些措施来避免过温现象的发生。另外采用一些具有逻辑输出的温度监视器件(如MAXIAM公司的MAX6501 等) 也可以很经济的对加热带进行限温控制。加热带使用很方便, 而且这种方式所需的再生时间要比自然加热再生要短一些, 再生效果也有了提高, 但单独采用加热带对低温泵再生时, 再生时间仍比较长, 而且如果采用过压阀进行排气, 也存在和自然加热再生方式中类似的问题。
采用加热带加热和气体冲洗配合使用能够比单独采用气体冲洗缩短很多时间。由于使用加热带无需对泵原有的结构进行任何改动, 因此可以经济的用于对一些旧泵的改造, 以提高其使用效率。采用加热板进行加热是一种很经济有效的再生方式。一般低温泵的两级冷头上各有一个加热板, 两个加热板是独立的, 加热板与冷头是紧密接触的, 因而能够通过热传导直接对冷板加热, 再生只需很短的升温时间, 采用这种再生方式需要对两个冷头的温度进行测量, 并根据测温结果对两个加热板的功率进行调节, 由于加热板的功率较小, 其热惯性也比较小, 可以采用开关式控制方法。考虑到安全问题, 加热板一般采用安全的低压交流电(24VAC) 供电。为了获得较好的再生质量, 再生加热过程中要配合进行粗抽。近年来, 在电加热再生的基础上又发展了一种新技术, 它能够在一级冷头的温度波动很小的情况下, 清除二级冷头上的冷凝物。它是应用于二级冷头饱和而一级冷头远没饱和的情况。由于冷头升温和降温的幅度较小, 因而与完全再生相比能够进一步的缩短再生时间, 提高制冷机低温泵的使用效率。
采用加热板进行加热再生的方式时, 系统的结构要复杂一些, 这种情况下使用一个嵌入微控制器的专门为小型制冷机低温泵系统设计的智能仪器进行控制会很方便。
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