低温真空泵制冷机二级密封作用试验
低温真空泵作为一种高比抽气速率和极洁净的高真空泵，在很多科研和工业加工方面的应用越来越广泛。一般低温真空泵大多以G-M制冷机作为冷源。本文针对G-M制冷机中的二级密封作用进行了实验研究,结果表明：当温度下降到80K 以下区间，二级蓄热材料的热容发生转变，热容量变小，制冷量不足，从而影响到低温泵的极限制冷温度，二级密封的作用显著体现。
低温真空泵一般简称为低温泵或者冷泵（cryopump），从广义上来讲，是利用低温面冷凝、吸附气体的一种气体捕集式真空泵装置，是由真空和低温技术结合而形成的一种应用技术[1]。本文针对低温泵制冷机的二级密封的作用和原理进行了研究，所指的低温泵是指以小型制冷机为冷源的一种高抽速、无污染的高真空泵，在许多试验研究中作为产生高真空高洁净的基础手段，在工业生产领域，IC、LCD、HD 的生产中，主要作为薄膜沉积工艺真空系统的标准配置，具有广泛和重要的应用领域。
低温泵的基本结构如图1 所示， 由制冷机、第一级冷凝阵列、第二级冷凝阵列、泵壳体组成。
图1 低温泵的基本结构
制冷机的第一级和第二级冷头用来冷却两级冷凝阵列。冷凝阵列和冷头之间采用铟片来进行热耦合以便获得高的热传导。在实际使用中，两级冷头的温度由各自的热负载和热传导决定。一级冷凝阵列主要用来冷凝水气、CO2、碳氢化合物，同时为第二级阵列提供热屏蔽。第二级冷凝阵列包括冷凝表面和吸附表面。吸附表面对于抽取Helium、Hydrogen 和Neon 是至关重要的。二级冷凝阵列由一级冷凝阵列提供屏蔽，通常用活性碳作为吸附剂，确保其他气体冷凝在一级冷凝阵列上。
1、G-M制冷机原理
G-M制冷机是Gifford-McMahon 制冷机的简称，是一种回热式小型低温制冷机，它利用绝热放气膨胀（又称为西蒙膨胀）原理获得低温，具有结构简单，运行可靠，性能稳定，使用寿命长等许多优点，现代低温真空泵绝大多数采用G-M制冷机作为冷源，利用氦气绝热膨胀产生低温。该制冷机在上世纪六十年代就已经出现[2,3]。随后其可靠性不断得到提高。
在给定压缩机参数的情况下，G-M制冷机的制冷量与制冷温度之间是函数关系。随着温度降低，由于热损失的增加，制冷量会显著下降。实际应用中，为了在60 K 以下获得可用的制冷量，在压缩机尺寸一定的情况下，使用如图2 所示的两级串联式系统。在这种配置中，一级温度约80 K，阻止了来自室温的大部分热传导和热辐射，也补充了蓄冷器的损失。然后利用二级能够获得低于15 K 的温度。
图2 两级G-M制冷机原理图
2、试验方案
G-M制冷机因为具有振动小，安装和使用方便的特点，常常被用作低温泵及低温试验装置的冷源，广泛应用于物理、化学、磁学、热学等需要低温环境的研究领域。制冷机的运行寿命与可靠性，及压缩机的滤油技术和二级密封是工程上的技术难点[5]。
二级密封是制冷机活塞/ 置换器组件中的一个关键部件，如果出现问题，整个制冷机很难降到最低温度，同时在工作过程中出现降温速度的减慢、停降、温度回升等不正常现象，造成制冷机性能下降、寿命降低，甚至失去抽气功能。
根据结构功能，二级密封的作用主要是防止二级的漏气，在起密封作用的同时，二级密封同样会产生摩擦损失。
本文通过考虑二级密封失效的极限情况，即没有二级密封的情况下，制冷机的实际工作情况来研究二级密封的作用，试验方案是对制冷机在安装二级密封和不安装二级密封的两种情况下进行对比，以此来对其进行分析。
本试验使用的主要设备如下：
低温泵：Austin Scientific CyoPlex- 8
压缩机：Austin Scientific M125
测温装置：Austin Scientific E500
2.1、试验平台的设计
本实验主要是研究二级密封对于低温泵性能的影响。低温泵的性能主要体现在二级冷头的温度上。所以实验设备并没有考虑使用模拟腔体。而是将低温泵安放在一块不锈钢盲板上，在盲板的另一端打孔，焊接上两个KF40 的接口,用来安装抽气管路和真空计。
抽气系统由机械式旋片泵、气动阀门、充气阀门、真空计、压缩机空气以及氮气分配系统组成。低温泵的氦气提供系统由M125 氦气压缩机、密封金属软管、冷水机组成。
温度记录系统由测温二极管、E500温度监视控制器、PC机和温度记录软件组成。
2.2、试验流程
在本实验中，拆除二级密封之后，重新组装低温泵是该实验的难点。如果因为分解和组装不当而破坏了低温泵，那么测量得到的数据并不能反应二级密封的作用。因为制冷机工作依靠高纯氦气（>99.999%），任何杂质气体进入制冷机都会引起低温泵性能的下降。
实验的流程为：先将低温泵制冷状态进行测试，记录其降温时间和极限温度。然后将低温泵进行分解，拆除二级密封并安装到位，记录其降温时间和极限温度。试验流程框图如图3。
图3 试验流程
2.3、试验结果和分析
图4 为低温泵二级冷头的温度- 时间曲线，每分钟记录一次二级冷头的温度。温度单位为K。三角形为正常情况下的低温泵二级温度-时间曲线，菱形为不安装二级密封的温度- 时间曲线。
图4 二级冷头降温曲线
从图4 中可以看出，在整个降温过程中，两条曲线开始时并没有什么区别, 只是在降温的低温区有所区别。
图5 为80 K 温度下的温度- 时间曲线的局部放大。从图中可以看出，安装二级密封的情况下，冷头降温明显加快，且极限温度低，而不安装二级密封的降温慢，且极限温度高。之间的差值就是二级密封情况下引起的冷量损失。
图5 80K 以下降温曲线
制冷机的实际制冷量Qac，也就是有效制冷量与整个系统中所有冷量损失Qloss 之和的差值[6]。
当制冷机的理论制冷量与系统中的所有损失之和达到平衡时，其有效制冷量为零。这时，对应的制冷温度叫做最低制冷温度，或称作无负荷制冷温度。
G-M制冷机的损失，包括：
(1)回热器重换热不完全等因素引起的回热器损失Qr；
(2) 排除器往复运动造成的“穿梭”损失Qsh；
(3) 轴向导热损失Qcond；
(4) 泵气损失Qpu
(5) 空容积损失Qvoid
(6) 密封漏气和摩擦损失Qleak
(7) 室温辐射损失Qrad
(8) G-M制冷机的其他因素损失Qother
在制冷机设计结构一定的情况下，二级密封引起的冷量损失对于二级温度的数值具有显著影响直接决定了系统的最低制冷温度，或者说是低制冷温度数值反映了实际制冷量的变化。
3、结论
从试验结果可以看出， 在高于80 K 的温区，在二级蓄热材料热容足够的情况下，活塞与气缸壁之间的漏气损失引起的二级温度变化不明显，无二级密封情况引起的损失，并不影响低温泵的二级温度。有无安装二级密封引起的主要差别发生在进入80 K 以下温度区间。当温度下降到＜80 K 时，二级蓄热材料的热容发生转变，热容量变小，制冷机的制冷量不足，二级密封的作用显著体现。因此二级密封的主要作用可以认为是在低温区防止二级活塞和气缸壁之间的气体串气，从而影响到低温泵的极限制冷温度。
参考文献
[1] Bridwell M C，Rodes J G.History of the modern cryopump [J]. Journal of Vacuum Science & Technology A- Vacuum Surfaces and Films，1985,3(3): 472- 475.
[2] McMahon H O,Gifford W E.A New Low- Temperature Gas Expansion Cycle [J]. Advances in Cryogenic Engineering，1960,5: 354.
[3] Gifford W E. The Gifford-McMahon Cycle [J]. Advances in Cryogenic Engineering，1966:152.
[4] 刘海波，鲁雪生，顾安忠. G-M制冷机的研究进展及其应用[J]. 能源技术，2004,25(6): 235- 237.
[5] 陈家富， 严善仓， 赵东辉.10W/20K，80W/80K G-M制冷机的设计与研究[J ]. 低温与超导，2003 , 31(1): 3 .
[6] 陈国邦，汤珂.小型低温制冷机原理[M]. 北京:科学出版社,2010.
