DN900LN2 型低温泵的研制

　　介绍了一种应用于环模装置的DN900LN₂型低温泵的研制情况，该低温泵是利用循环液氮配合GM 低温制冷机共同提供冷量来进行低温冷凝和低温吸附达到抽真空目的，其口径为900 mm，对N₂抽速大于30 000 L/s。文中详细论述了其结构及工作原理、吸附阵和液氮冷屏的具体设计及计算、热负荷计算等，并给出了性能测试方法及测试结果。该文的研究为大口径低温泵的研制提供了设计思路和计算方法参考。

1、引言

　　低温泵是一种利用低温冷凝和低温吸附原理抽除气体而获得高真空的容积式真空泵，是获得洁净、无油的高真空环境的重要设备。低温泵广泛应用于半导体、集成电路、镀膜和空间环境模拟等需要真空的设备上。

　　DN900LN₂型低温泵是针对某环模装置的需求而设计开发的，设计指标要求:

　　(1) 泵口直径：Φ900 mm；

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

　　(3) 极限压力： Pj<1×10^-6 Pa；

　　(4) 制冷时间：由室温冷至20 K 的时间小于240 min；

2、结构及原理

　　DN900LN₂型低温泵是采用低温制冷机和液氮(LN₂)同时提供冷量来进行低温冷凝和低温吸附气体从而获得真空的。由于大口径低温泵的抽速和抽气容量等都比较大，对冷量的需求也就比较大，而现有的低温制冷机的冷量有限，单台制冷机难以满足低温泵的需求，要使用多台制冷机才能满足冷量需求，制造成本较高，为此，本设计采用循环液氮辅助单台GM制冷机作为冷源，循环液氮为77K冷屏和障板提供冷量，GM制冷机为20K低温冷凝板提供冷量。结构及原理如下图1 所示。

图1 低温泵结构及原理图

　　通过连续注入的液氮来冷却冷屏和障板，其温度为77 ～ 90 K，液氮与冷屏及障板进行热交换后变成氮气或氮的气液混合物而排出低温泵体，同时由G-M 循环低温制冷机的二级冷头来为吸附阵和冷凝板提供冷量，其温度<20 K。低温泵工作时，真空室内的可凝性气体则被冷屏、障板和冷凝板冷凝下来，难以凝结的气体则被吸附阵吸收，从而就达到了所需的真空。

图5 低温泵实物图

4、冷量选择

　　4.1、LN₂ 流量

　　前面计算冷屏与障板的热负荷为248.07 W，该部分热负荷需要消耗液氮的冷量，按1∶44 计算可得需要液氮流量为6 L/h 即可满足该部分热负荷对冷量的需求，考虑到泵壳内零部件的冷量损耗和缩短降温时间，可以选择10 L/h。

　　4.2、制冷机冷量

　　前面计算的低温冷凝板的热负荷是由制冷机的二级冷头来承担的，则需要制冷机的二级冷量不低于5.62 W。根据冷凝板热负荷，考虑到制冷工作时的温度一般在15K以下，所配制冷机冷量要有富余，最终设计选择万瑞公司生产的GM210制冷机，其二级冷量在20 K 时>10 W，冷量足够。

5、性能测试结果

　　制作了标准的测试真空罩，对低温泵的抽速、抽气容量、极限真空度和降温时间等进行了测试。其中按定压法进行抽速测试，在测试过程中，测试罩内的压力保持不变。抽速按公式S =Q/P 计算，式中Q 为气体流量，P 为测试罩内的平衡压力。低温泵的抽速按在10^-3 Pa、10^-4 Pa 压强下的平均抽速计算。

表1 DN900LN₂低温泵性能测试结果

6、结论

　　DN900LN₂型低温泵利用循环液氮和低温制冷机作冷源，具有抽速高、抽气容量大、洁净无油，主要是为某环境模拟装置配套的抽真空设备，也可以应用于半导体、真空镀膜等行业的大型设备上作为获得洁净、无油的高真空设备。该低温泵经过测试，各项性能指标完全达到设计指标要求，已在某环境模拟设备上运行超过两年，指标正常，性能稳定。该型低温泵比常规制冷机低温泵增加了循环液氮，结构复杂，它的研制成功，创新了一些新的结构、工艺，为同类型、大口径的低温泵奠定了坚实的基础，已获得省新产品奖。