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產(chǎn)品信息

[低溫泵入門 4 ]

低溫泵的性能

低溫泵的性能中①冷卻降溫特性 ②排氣速度(抽速) ③排氣容量 ④最大流量 ⑤交叉壓力 ⑥極限壓力 ⑦熱負(fù)荷能力為重要項(xiàng)目。以下對(duì)這些項(xiàng)目進(jìn)行說(shuō)明。

1.冷卻降溫特點(diǎn)
因低溫泵不能直接對(duì)大氣起動(dòng),需要進(jìn)行粗抽真空。油回轉(zhuǎn)泵作為粗抽泵使用時(shí),只需抽至不發(fā)生油蒸氣返流的40Pa,敝公司低溫泵即可起動(dòng)。殘留在泵內(nèi)的氣體會(huì)全部吸附到吸附劑里。冷卻時(shí)間受下列要素影響。

表1.對(duì)冷卻降溫時(shí)間帶來(lái)影響的要素

要素 冷卻時(shí)間
1.粗抽壓力 延時(shí)
2.低溫泵的溫度 延時(shí)
3.粗抽后殘留氣體成分 干燥(低溫泵內(nèi)干燥) 延時(shí)
水分多
4.低溫泵受污染 受污染 延時(shí)

冷卻降溫時(shí)間受再生方法的影響。充入氮?dú)夥ɑ蚴褂眉訜釒В瑢⑹沟蜏乇玫臏囟壬撸ニ瑥亩灰走_(dá)到真空絕熱,冷卻時(shí)間也隨之延長(zhǎng)。且極少量的漏泄,也會(huì)導(dǎo)致無(wú)法冷卻。需特別注意不可忽視(尤其是安全閥的漏泄)。使用60Hz電源頻率與50Hz電源頻率相比,冷卻時(shí)間可縮短約10~15%。
通常把冷卻時(shí)間定義為15K低溫冷凝板溫度下降至20K以下所需時(shí)間。如表2所示。

 

2.排氣速度特性
2-1.對(duì)水汽的排氣特性

低溫表面溫度低于150K時(shí),低溫表面對(duì)水汽的捕捉率幾乎可以視為1。通常,在低溫泵正常運(yùn)行時(shí),因80K屏蔽筒和80K擋板的溫度低于130K,故低溫泵對(duì)水汽的抽速等同于80K屏蔽筒口徑的理想抽速。對(duì)分子量為M的氣體的單位面積理想抽速s為:
s=62.5/M1 / 2(L/s/cm2)(20℃)

在排出水汽時(shí),因水的分子量為M=18,故理想抽速為s=14.7(L/s/cm2)。80K屏蔽筒吸氣口的面積為A(cm2)時(shí),低溫泵對(duì)水汽的抽速S為,S=s?A(L/s)。

例如在使用8英寸低溫泵時(shí),80K屏蔽筒吸氣口的面積為約275cm2,則對(duì)水汽的抽速為4000L/s。對(duì)冷凝在80K擋板上而被排出的氣體(如CO2,NH4)用同樣的方法可計(jì)算。
因?qū)λ某樗贋椋矗埃埃埃?s,CO2的分子量為44,CRYO-U8H低溫泵對(duì)CO2的抽速,由此可計(jì)算得出
SCO2=SH2O X ( 18 / 44 )1/2=2560 L/s。

表2.低溫泵對(duì)水汽的抽速

口徑 型號(hào) 抽速(L/s)
6 U6H 2100
8 U8H,U8H-U,U8HSP 4000
10 U10PU 6900
12 U12H,U12H-K2,U12HSP 9500
16 U16,U16P 16000
20 U20P 29000
22 U22H 39000
30 U30H 70000

2-2.對(duì)Ar、N2(冷凝性氣體)的排氣特性

N2、Ar、CO、O2等蒸氣壓較高的氣體不能在80K擋板或80K屏蔽筒上冷凝,只有在溫度低于20K條件下才能冷凝而排出。
低溫表面的溫度低于20K時(shí),低溫表面對(duì)冷凝性氣體的捕捉率為1。且在分子流領(lǐng)域從吸氣口到冷凝板的電導(dǎo)不變,低溫泵的排氣速度也不變。

由在分子流領(lǐng)域?qū)Φ獨(dú)獾呐艢馑俣葋?lái)代表低溫泵說(shuō)明書上的低溫泵排氣速度。除氮?dú)馔鈱?duì)分子量為M的冷凝性氣體的排氣速度可由以下公式計(jì)算得出。

SM=SN2×(28/M)1/ 2(L/s)???????(1)
SN
2:對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣龋↙/s)

例如CRYO-U8H低溫泵對(duì)氬氣的抽速,從表6-3中可看出SN2=1700(L/s),且氬氣分子量M=40,可由上述公式計(jì)算得出
Sar=1700X(28/40)1 / 2=1400L/s

sein_01
図1.CRYO-U對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣?/span>

型號(hào) 排氣速度(L/s)
U6H 750
U8H/U8H-U/U8HSP 1700
U10P 2300
U12H 4000
U12HSP 4100
U16/U16P 5000
U20P 10000
U22H 17000
U30H 28000

表3.各型號(hào)低溫泵對(duì)氮?dú)獾呐艢馑俣龋ǖ蜏乇谜f(shuō)明書上的數(shù)據(jù))

 

氣體的流動(dòng)從分子流變?yōu)橹虚g流時(shí)因電導(dǎo)與壓力成正比,低溫泵的排氣速度也隨之增大。但因隨壓力的增大對(duì)低溫泵的入射熱量也隨之增加,故當(dāng)熱負(fù)荷超過(guò)制冷機(jī)的冷卻能力時(shí)低溫泵的排氣將達(dá)到極限。敝公司把在熱負(fù)荷狀態(tài)下低溫冷凝板的溫度上升至20K時(shí)的流量定義為最大流量(圖1 ○記號(hào)的點(diǎn))。最大流量隨冷卻能力的增大也隨之增大。但因低溫表面的熱傳導(dǎo)率有限,不管冷卻能力有多強(qiáng),低溫表面也會(huì)產(chǎn)生溫度陡度。當(dāng)冷凝層的表面溫度超過(guò)極限時(shí),因氣體無(wú)法被凝固,低溫泵的排氣速度將成零。

2-3.H2、He、Ne非凝結(jié)性氣體)排氣特性

H2、He、Ne種氣體的蒸氣壓最高,在20K條件下無(wú)法通過(guò)冷凝作用排出,因此稱之為非凝結(jié)性氣體。這些氣體因無(wú)法通過(guò)冷凝作用排出,故吸附在冷卻至20K以下的吸附劑里排出。隨著吸附劑吸附非凝結(jié)性氣體量增加成飽和狀態(tài),排氣速度將逐漸降低。當(dāng)排氣速度降至初期值的80%時(shí),吸附在吸附劑表面上的氣體量定義為排氣量(后述)。對(duì)非凝結(jié)性氣體的排氣速度由(1)和(2)而定。通常根據(jù)試驗(yàn)而定。
(1)吸附劑的吸附率(受以下要素影響)
①吸附劑的性質(zhì),吸附劑的裝入方法,吸附劑的結(jié)構(gòu)
②吸附劑的量、溫度
③脫氣程度
④到此刻為此吸附的氣體種類及吸附量
⑤氣體的流量,氣體的溫度
(2)吸氣口到吸附劑的到達(dá)率(電導(dǎo))
像H2、Ne吸附量大的氣體,在分子流領(lǐng)域里排氣速度保持一定不變。冷凝板的溫度隨流量的增加也隨之上升,當(dāng)升至20K時(shí)所徑流的流量為最大流量。在排出非凝結(jié)性氣體的情況下,因隨吸附劑表面上吸附量的增加即吸附率的降低,接近最大流量的大流量抽氣只能維持很短的時(shí)間。以較大的流量對(duì)氫氣進(jìn)行排氣時(shí),建議不要進(jìn)行連續(xù)排氣,間隔排氣更能維持其排氣性能。
非凝結(jié)性氣體當(dāng)中,因氫氣屬放出氣體的重要成分,應(yīng)用上也屬重要?dú)怏w,故有詳細(xì)規(guī)格可參照。氖因使用例極低,沒(méi)有詳細(xì)數(shù)據(jù)可參照。氦氣為最難吸附的氣體即被排氣量只有氫氣的1/100~1/1000,因此不鼓勵(lì)使用低溫泵進(jìn)行排氣。

型號(hào)
CRYO-U排氣速度
(L/s)最大流量
(Pa?L/s)排氣量
(Pa?L)-U6H11001.1×1023.1×105-U8H27002.4×1021.0×106-U8HSP32002.4×1021.0×106-U10PU36001.5×1026.7×105-U12H60004.1×1029.8×105-U12HSP60004.1×1021.6×106-U16100004.1×1022.4×106-U16P100004.5×1022.4×106-U20P180005.0×1024.6×106-U22H250001.3×1038.5×106-U30H430007.4×1021.5×107

表4.CRYO-U低溫泵對(duì)氫氣的排氣性能

sein_02

図2.CRYO-U低溫泵對(duì)氫氣的排氣速度

3.低溫泵的排氣量

3-1.對(duì)凝結(jié)性氣體的排氣量

利用低溫泵的冷凝作用排出的氣體有①凝結(jié)在80K屏蔽筒或80K擋板上的氣體(主要是水汽),②凝結(jié)在15K冷凝板上的氣體(氮?dú)猓瑲鍤猓鯕獾龋﹥煞N。

(1) 對(duì)水汽的排氣量
因隨著80K擋板上水汽的凝結(jié)和厚度的增大,80K擋板的電導(dǎo)會(huì)變小,對(duì)凝結(jié)或吸附在15K冷凝板上的氣體的排氣速度會(huì)逐漸降低。當(dāng)排氣速度大幅降低即需要進(jìn)行再生時(shí),到此時(shí)為止排出的水汽的量應(yīng)稱為對(duì)水汽的排氣量。但對(duì)水汽的排氣量沒(méi)有作出定義。對(duì)水汽的排氣量下表數(shù)據(jù)可做參照。(排氣量的單位為g)

型號(hào) 排氣量(g)
CRYO-U6H 40
CRYO-U8H,U8H-U 90
CRYO-U10PU 170
CRYO-U12H 260
CRYO-U16,U16P 500
CRYO-U20P 1000
CRYO-U22H 1400

表5.低溫泵對(duì)水汽的排氣量(標(biāo)準(zhǔn))

(1) 水汽多的情況舉例
塑料
玻璃
陶瓷
(2) 在汽水多的情況下進(jìn)行再生時(shí)的注意點(diǎn)
升溫時(shí)要求冰完全化掉
粗抽時(shí)水汽不可以冰凍
要求完全去除泵內(nèi)水汽
對(duì)油回轉(zhuǎn)泵進(jìn)行性能確認(rèn)(確認(rèn)油氣是否乳化)

(2) 對(duì)氬氣的排氣量

凝結(jié)在15K冷凝板上的氣體當(dāng)中排氣量不易計(jì)算的氣體是在濺射作業(yè)中對(duì)氬氣的排氣量。隨著15K冷凝板表面上氬氣量的增多,將與80K擋板或80K屏蔽筒發(fā)生接觸,或氬氣層內(nèi)的溫度陡度變大,氬氣的表面溫度升高,即無(wú)法再吸附氬氣。到此時(shí)為止排出的氬氣量為排氣量。敝公司把停止供應(yīng)氬氣并關(guān)閉主閥門過(guò)5分鐘后壓力不能降至1.3X10-4Pa以下時(shí),到此時(shí)為止排出的氬氣總量定義為對(duì)氬氣的排氣量。當(dāng)對(duì)氬氣的排氣量達(dá)到上述定義的排氣量時(shí),即使停止供應(yīng)氬氣,壓力恢復(fù)急劇變壞,無(wú)法再吸附氬氣。圖6-4所示以200SCCM速度連續(xù)注入氬氣5分鐘后停止其注入時(shí)的CRYO-U12HSP的壓力。可看出當(dāng)排氣量超過(guò)4.3X108Pa?L時(shí),壓力恢復(fù)急劇變壞,排氣量為4.3X108Pa?L。表6-6所示為各型號(hào)低溫泵對(duì)氬氣的排氣量。

図3.CRYO-U12HSP的壓力恢復(fù)(測(cè)定例)
sein_03

型號(hào)CRYO- 排氣量(Pa?L)
-U6H 5.6×107
-U8H,U8H-U 1.0×108
-U8HSP 2.5×108
-U10PU 1.0×108
-U12H 2.1×108
-U12HSP 4.3×108
-U16,U16P 4.3×108
-U20P 5.8×108
-U22H 8.1×108
-U30H 7.8×108

3-2.對(duì)非凝結(jié)性氣體的排氣量

對(duì)像氫,氦,氖在10K左右溫度下不能以冷凝作用排出的氣體,是以被附在15K冷凝板內(nèi)側(cè)的吸附劑吸附而排出。隨著冷凝板上吸附量的增大即接近飽和狀態(tài)①低溫泵的排氣速度會(huì)降低 ,②吸附平衡壓力會(huì)升高即排氣性能逐漸降低,以至不能進(jìn)行排氣。敝公司把當(dāng)對(duì)氫氣的排氣速度降至到初期排氣速度的80%時(shí),吸附劑所吸附的氫氣量定義為對(duì)氫氣的排氣量。為有效發(fā)揮其吸附作用吸附劑要求清凈。吸附劑在以下3種情況下易受污染。
① 吸附了凝結(jié)性氣體(主要為空氣)
② 吸附了水汽
③ 吸附了油蒸氣
大量吸附上述物質(zhì)時(shí),對(duì)氫氣的吸附能力會(huì)降低。空氣或水汽通過(guò)對(duì)低溫泵進(jìn)行再生可除去,但油蒸氣一旦被吸附則無(wú)法除去,只能更換15K冷凝板②(吸附板)。為保證低溫泵對(duì)氫氣的排氣性能,油蒸氣不可向低溫泵返流。
圖4所示對(duì)氫氣的排氣速度與所排出的氫氣量關(guān)系。S表示排氣速度,C表示排氣量。各型號(hào)低溫泵對(duì)氫氣的排氣速度及排氣量,請(qǐng)參照表。

圖4:對(duì)氫氣的排氣速度與排氣量的關(guān)系
sein_04

 

4.對(duì)低溫泵的熱負(fù)荷及最大流量
低溫泵的熱負(fù)荷決定于輻射熱及氣體分子的負(fù)荷(氣體分子的熱傳導(dǎo),被抽氣體的冷凝熱),并由下述公式計(jì)算而得。
sein_05-1

σ :玻耳茲曼常數(shù) 5.67×10-12W/cm2/K4
εAV :平均輻射率
T1 :低溫表面的溫度(K)
T2 :高溫表面的溫度(K)
A :受熱面積(cm2)

sein_05-12
A1:內(nèi)側(cè) A2:外側(cè)

sein_05-21

γ :氣體的比熱比
0 :熱適應(yīng)系數(shù)平均
:壓力(Pa)
M :分子量
T1 :低溫表面的溫度(K)
T2 :高溫表面的溫度(K)
A :受熱面積(cm2)

平均熱的適應(yīng)系數(shù)0的公式(A1<A2)
sein_05-22
適應(yīng)系數(shù)1,2(近似值)
sein_05-23

sein_05-3

γ :冷凝熱(H2,He,Ne 為吸附熱)(W/Pa?L/s)
Tc :低溫表面的溫度(K)
Tg :氣體的溫度(K)
S :低溫泵的排氣速度(L/s)  SP:(Pa?L/s)
P :壓力(Torr)
Cp :氣體的平均比熱(W/(Pa?L/s)/K)

制冷機(jī)1段的熱負(fù)荷決定于輻射熱及氣體分子的熱傳導(dǎo)。但如不在10-1Pa壓力下連續(xù)使用,絕大部分熱負(fù)荷來(lái)自輻射熱。制冷機(jī)2段的熱負(fù)荷決定于被抽氣體的冷凝熱,并決定最大流量。制冷機(jī)2段冷凍能力受1段的熱負(fù)荷影響即1段的熱負(fù)荷增大時(shí),2段的冷凍能力會(huì)降低,最大流量也降低。
因此,在被抽氣體量多的情況下,應(yīng)保持低溫泵的清凈(減少輻射率),從而降低來(lái)自輻射的熱負(fù)荷。通常因大型低溫泵的受熱面積大即輻射熱大,應(yīng)使用冷凍能力大的制冷機(jī)。
低溫泵的最大流量為在受標(biāo)準(zhǔn)輻射熱條件下,當(dāng)15K冷凝板的溫度上升至20K時(shí)的流量。在相同直徑下,制冷機(jī)的冷凍能力越大或排氣速度越大最大流量則越大。例如,CRYO-U16和U16P在相同直徑相同排氣速度條件下,因U16P制冷機(jī)(R50)的冷凍能力比U16制冷機(jī)(R20)的冷凍能力大,則最大流量也大。
低溫泵的最大使用壓力Pmax是最大流量Qmax除以此時(shí)的排氣速度Smax而得(Pmax =Qmax /Smax )。氬氣的最大使用壓力Pmax在10-1Pa帶,屬中間流。表7所示各型號(hào)低溫泵的最大流量。

表7:各型號(hào)低溫泵的最大流量

氬氣
(Pa?L/s)
氫氣
(Pa?L/s)
CRYO-U6H 1.1×103 1.1×102
CRYO-U8H,U8H-U,U8HSP 1.2×103 2.4×102
CRYO-U10PU 8.0×102 1.5×102
CRYO-U12H,U12HSP 2.0×103 4.1×102
CRYO-U16 1.4×103 4.1×102
CRYO-U16P 1.6×103 4.5×102
CRYO-U20P 1.1×103 5.0×102
CRYO-U22H 4.1×103 1.3×103
CRYO-U30H 2.7×103 7.4×102

5.交叉壓力(crossover)
所謂交差壓力指對(duì)真空室的粗抽真空結(jié)束后,打開主閥門,開始使用低溫泵進(jìn)行排氣時(shí)的真空室的壓力值(粗抽壓力)。此時(shí)被容許的最大粗抽壓力稱為最大容許交差壓力。打開主閥門的瞬間真空室的氣體會(huì)流向低溫泵,但氣體量如超過(guò)極限時(shí),低溫泵則變?yōu)椴荒苓M(jìn)行排氣即溫度升高,泵內(nèi)捕集的氣體會(huì)重新放出來(lái)。最大容許交差壓力是低溫泵的最大吸入氣體量除以真空室的容積而得。
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低溫泵的最大吸入氣體量決定于低溫泵可恢復(fù)排氣性能的極限值(通常冷凝板的溫度會(huì)超過(guò)20K)。但安全起見(jiàn)通常把在式①中得出的最大容許交叉壓力的1/2作為粗抽壓力。為了更確保安全也可把冷凝板的溫度不超過(guò)20K的值作為最大容許交叉壓力。低溫泵的最大吸入氣體量隨低溫泵的熱負(fù)荷及泵內(nèi)捕集的氣體的量而變。

5-1
表6-8 所示各型號(hào)低溫泵的標(biāo)準(zhǔn)最大吸入氣體量(對(duì)空氣)。例如, 在使用U8H低溫泵的情況下,最大吸入氣體量為133000Pa?L時(shí),容積為100L的真空容器的最大容許交叉壓力Pmax為
Pmax ≦133000Pa?L /100L=1330Pa
即粗抽壓力為1330Pa以下。安全起見(jiàn)通常把665Pa作為粗抽壓力。為不超過(guò)20K,最大吸入氣體量定為20000Pa?L。
P= 20000/100 =200Pa
在真空容器的容積大,粗抽壓力低于40Pa情況下,應(yīng)采取油蒸氣的逆流對(duì)策或使用更大型低溫泵或增加低溫泵臺(tái)數(shù)使得粗抽壓力保持40Pa或以上。

6.極限壓力
向低溫泵沒(méi)有氣體流入時(shí),低溫泵對(duì)冷凝性氣體的極限壓力決定于在一定低溫表面溫度條件下的各氣體的蒸氣壓及冷凝系數(shù)。并由以下公式計(jì)算得出。

Pg=Ps(Tg/Ts)1/2

Ts :低溫表面溫度 10~20K
Ps :在溫度Ts 條件下的氣體蒸氣壓(氫氣時(shí)為吸附平衡壓)(Pa)
Tg :氣體的溫度 ~300K
冷凝性氣體當(dāng)中,氮?dú)鉃檎魵鈮鹤罡叩臍怏w。圖6所示在低溫表面溫度10~20K時(shí)的對(duì)氮?dú)獾臉O限壓力。通常在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下冷凝板的溫度為10~12K左右,且蒸氣壓力為~10-21Pa,因此可以完全無(wú)視不計(jì)。對(duì)非冷凝性氣體即氫氣的極限壓力決定于吸附平衡壓力。圖6-7中可看出低溫泵內(nèi)活性炭對(duì)氫氣的吸附能力極強(qiáng)。在超高真空環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),被抽氫氣的量極少,氫氣的吸附平衡壓也可忽略不計(jì)。
(例如、8H(SH2O=2700 L/s) 時(shí), 10-8Pa 壓力條件下運(yùn)轉(zhuǎn)1個(gè)月時(shí)的氫氣的吸附量為Q=1.3x10-8x2700x30x24x3600=91 Pa
因此低溫泵的極限壓力決定于流入低溫泵的氣體量及排氣速度。低溫泵單體的極限壓力通常是在低溫泵上設(shè)置盲法蘭,并把流入低溫泵的氣體量控制在最小限度條件下測(cè)量。此外極限壓力因低溫泵規(guī)格(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格及超高真空規(guī)格)、粗抽壓力及是否進(jìn)行烘烤而異。在使用普通O型密封圈,粗抽壓力為40Pa,且不進(jìn)行烘烤條件下,低溫泵運(yùn)轉(zhuǎn)12個(gè)小時(shí)的極限壓力為 (1~4)×10-6Pa 。圖8所示在進(jìn)行烘烤和不進(jìn)行烘烤條件下對(duì)殘留氣體的測(cè)定值。表9所示低溫泵單體的標(biāo)準(zhǔn)極限壓力。超高真空規(guī)格下充分進(jìn)行烘烤時(shí)可獲得10-10Pa 帶極高真空。裝置的極限壓力決定于從裝置放出的氣體量。(P=Q/S)。
sein_07

圖6.極限壓力決定于蒸氣壓


活性炭對(duì)氫氣的吸附等溫線

sein_08
低溫泵的極限壓力(標(biāo)準(zhǔn))

規(guī)格 粗抽壓力(Pa) 烘烤 極限壓力(Pa)
標(biāo)準(zhǔn) 40
40
無(wú)
(100~150℃)×(3~10h)
(1~4)×10-6
(1~4)×10-7
超高真空 10-2~10-3
10-2~10-4
10-2~10-3
無(wú)
(200~220℃)×(3~8h)
(200~220℃)×約20h
10-8
10-9
10-10

 

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