CN111120255B - 内置式低温泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温泵技术领域，公开了内置式低温泵，其包括制冷机(1)和冷板组件(2)，制冷机(1)与冷板组件(2)连接并冷却冷板组件(2)，还包括泵口法兰(3)，制冷机(1)和冷板组件(2)均固装在泵口法兰(3)上，泵口法兰(3)与待真空腔室(5)的开口处配合并实现密封，冷板组件(2)伸入待真空腔室(5)内并通过泵口法兰(3)进行固定。本发明通过无泵壳设计和内置于腔体腔体，使冷板组件于腔体内气体充分接触，这使得冷板组件对气体的吸附更加均匀，有效面积增大，吸附速度较传统低温泵有量级提升，同时由于其有效面积的增大，冷板组件对气体的吸留极限也有量级的提升。

Description

内置式低温泵
技术领域
本发明涉及低温泵领域，尤其涉及了一种内置式低温泵。
背景技术
低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵，又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空，广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产，以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。
日常使用状态下，低温泵安装于真空处理装置的真空腔室上。由于低温泵采用低温吸附原理，工作一段时间后，一级冷板和二级冷板表面形成气体冷凝霜层，当霜层过厚时，冷板表面温度升高，对气体吸附作用减弱甚至停止，失去抽气作用，整个低温泵即达到了气吸附的极限。
分析和测试结果均表明，决定低温泵中低温泵的抽速和吸留极限的主要因素在于：相对于冷板的气体入口的面积、气体入口与冷板之间的距离和角度位置，冷板及冷板上粘连活性炭的量等。
市场生产厂提供的低温泵，大都将冷板和防辐射屏装在泵壳内，通过泵口对真空容器抽气。
在该工作状态下：
(1)泵口的面积极大的限制了低温泵的抽速；
(2)冷板与抽口距离不一致，冷板的吸留不易达到均匀饱和，限制了总吸留极限；
(3)泵口的存在同时使气体流道较为复杂，在再生过程中气体分子逸散困难，再生时间长，再生不充分。
目前，专利名称为低温泵，专利号为201710173160.X的发明专利，但还存在吸收速度和吸收极限较低的缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术中吸收速度和吸收极限较低的缺点，提供了内置式低温泵。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
内置式低温泵，包括制冷机和冷板组件，制冷机与冷板组件连接并冷却冷板组件，还包括泵口法兰，制冷机和冷板组件均固装在泵口法兰上，泵口法兰与待真空腔室的开口处配合并实现密封，冷板组件伸入待真空腔室内并通过泵口法兰进行固定。
作为优选，还包括与冷板组件连接的加热棒，加热棒位于待真空腔室内。
作为优选，泵口法兰上安装有密封圈，密封圈位于泵口法兰和待真空腔室之间；泵口法兰上还设有用于放置供电线和/或信号传输线的排线孔。
作为优选，冷板组件包括一级冷板和二级冷板，制冷机上设有一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头均通过泵口法兰伸入待真空腔室内并分别与一级冷板和二级冷板连接进行制冷。
作为优选，一级冷板和二级冷板均圆周分布，一级冷板分布在二级冷板外；一级冷板为紫铜板，一级冷板外设有镀银抛光层，一级冷板上的温度为50k～60k；二级冷板为紫铜板，二级冷板外设有镀银抛光层，二级冷板的内壁上设有以低温胶粘的活性炭，二级冷板上的冷却温度为7k～8k。
作为优选，一级冷板包括一级底板和多个一级百叶板，一级底板为环形板或圆形板，一级百叶板竖直放置并圆周固定在一级底板上。
作为优选，每个一级百叶板均包括第一板和第二板，第一板和第二板之间呈120°～150°的夹角并定义该夹角为一级百叶板的内角，一级百叶板的内角均朝向一级冷板的中轴线方向向内设置，两个相邻一级百叶板之间形成一级气流道。
作为优选，定义在一级冷板的水平截面上由第一板和第二板的连接位到一级冷板的中心轴的连接线为一级基准线，第二板与一级基准线之间的角度设置为46°～66°。
作为优选，二级冷板包括固定板和多个二级百叶板，二级底板为环形板或圆形板，二级百叶板竖直放置并圆周固定在二级底板上。
作为优选，每个二级百叶板均包括第三板和第四板，第三板和第四板之间呈110°～140°的夹角并定义该夹角为二级百叶板的内角，二级百叶板的内角均朝向二级冷板的中轴线方向向内设置，两个相邻二级百叶板之间形成二级气流道。
作为优选，定义在二级冷板的水平截面上由第三和第四板的连接位到二级冷板的中心轴的连接线为二级基准线，第四板与二级基准线之间的角度设置为83°～103°。
作为优选，冷板组件还包括障板，障板为紫铜板，障板外设有镀银抛光层，障板通过铟垫片与一级冷板连接。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本申请通过无泵壳设计和内置于腔体腔体，使冷板组件于腔体内气体充分接触，这使得冷板组件对气体的吸附更加均匀，冷板组件冷凝霜层厚度和平均吸附量也更趋于一致。传统低温泵冷板吸附集中于障板及筒状一级冷板上部很小空间，本申请通过低温泵障板及百叶窗式一级冷板桶壁均匀吸附，故本申请的低温泵的吸附更加均匀，有效面积增大，吸附速度较传统低温泵有量级提升，同时由于其有效面积的增大，冷板组件对气体的吸留极限也有量级的提升。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的制冷机、泵口法兰和冷板组件的机构示意图。
图3是图2的剖视图Ⅰ。
图4是图2的剖视图Ⅱ。
图5是一级冷板的结构示意图。
图6是二级冷板的结构示意图。
附图中各数字标号所指代的部位名称如下：1—制冷机、2—冷板组件、3—泵口法兰、4—加热棒、5—待真空腔室、21—一级冷板、210—一级气流道、211—一级底板、212—一级百叶板、2121—第一板、2122—第二板、22—二级冷板、220—二级气流道、221—二级底板、222—二级百叶板、2221—第三板、2222—第四板、23—障板、24—温度传感器、31—密封圈、32—排线孔。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
内置式低温泵，如图所示，包括制冷机1和冷板组件2，制冷机1与冷板组件2连接并冷却冷板组件2，还包括泵口法兰3，制冷机1和冷板组件2均固装在泵口法兰3上，泵口法兰3与待真空腔室4的开口处配合并实现密封，冷板组件2伸入待真空腔室4内并通过泵口法兰3进行固定。
还包括与冷板组件2连接的加热棒4，加热棒4位于待真空腔室5内。
舍弃传统低温泵外壳后，我们对低温泵采用内置式电加热的方式进行再生，通过加热棒4直接固定于冷板近端冷头上的方式完成对冷板的快速升温。再生时，由于无泵壳，且一级冷板21、二级冷板22都采用百叶窗式设计，再生过程中，冷板释放出的气体分子可通过均匀分布的叶片通道口逸散，使低温泵能够充分再生。该种工作状态下，真空系统在一次充分再生后可长时工作无需频繁再生，提高真空系统工作效率。
泵口法兰3上安装有密封圈31，密封圈31位于泵口法兰3和待真空腔室4之间，密封圈31为氟胶O型圈，密封圈31通过金属中心支架保证其压缩量和负压下的形状；泵口法兰3上还设有用于放置供电线和/或信号传输线的排线孔32。
冷板组件2包括一级冷板21和二级冷板22，制冷机1上设有一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头均通过泵口法兰3伸入待真空腔室4内并分别与一级冷板21和二级冷板22连接进行制冷，一级冷板21和二级冷板22分别通过铟垫片与一级冷头和二级冷头连接，一级冷板21用以降低二级冷头的热负荷，同时冷凝抽除H2O、CO2等气体，二级冷板22的动作温度低于20K，能大量冷凝吸附除氢、氖、氦以外的其他常见气体，低温活性炭用以吸附氢、氖、氦等难凝气体。
一级冷板21和二级冷板22均圆周分布，一级冷板21分布在二级冷板22外；一级冷板21为紫铜板，一级冷板21外设有镀银抛光层，一级冷板21上的温度为50k～60k；二级冷板22为紫铜板，二级冷板22外设有镀银抛光层，二级冷板22的内壁上设有以低温胶粘的活性炭，二级冷板22上的冷却温度为7k～8k。
舍弃传统低温泵的泵壳式设计，采用无泵壳设计，直接通过泵口法兰3与待真空腔室4连接，制冷机1中的一级冷头和二级冷头分布连接一级冷板21和二级冷板22，一级冷板21和二级冷板22插入待真空腔室4中，同时对一级冷板21进行叶片式改装使理论泵口流导产生量级的增大，显著提高低温泵抽速。
通过无泵壳设计和内置于腔体腔体，使一级冷板21与待真空腔室4内的气体充分接触，这使得一级冷板21对气体的吸附更加均匀，一级冷板21冷凝霜层厚度和平均吸附量也更趋于一致。
一级冷板21的叶片式设计，同时对二级冷板22进行叶片圆柱式布局，也使二级冷板22相对于理论抽气口的距离和角度相对一致，使二级冷板22各位置的吸留速度基本相同，二级冷板22各位置在近乎相同的时间内达到吸留饱和，在完全达到吸留饱和前，不会因为部分位置的吸留饱和影响低温泵的抽速，同时也达到了增加吸留极限的目的。
舍弃传统低温泵外壳后，我们对低温泵采用内置式电加热的方式进行再生，通过加热棒4直接固定于冷板组件2近端冷头上的方式完成对一级冷板21和二级冷板22的快速升温。
实施例2
与实施例1相同，不同的是一级冷板21包括一级底板211和多个一级百叶板212，一级底板211为环形板或圆形板，一级百叶板212竖直放置并圆周固定在一级底板211上，一级底板211上设有多个第一底板孔，第一底板孔两个一组，每组第一底板孔对应一个一级百叶板212，一级百叶板212通过与第一底板孔配合的铆钉固装在一级底板211上。
每个一级百叶板212均包括第一板2121和第二板2122，第一板2121和第二板2122之间呈135°的夹角并定义该夹角为一级百叶板212的内角，一级百叶板212的内角均朝向一级冷板21的中轴线方向向内设置，两个相邻一级百叶板212之间形成一级气流道210。
第一板2121的宽度大于第二板2122的宽度，第一板2121的底部设有水平设置的第一固定片，第一固定片上设有螺纹孔与第一底板孔配合实现一级百叶片212的固装。
再生时，由于无泵壳，且一级冷板21的叶片式设计，再生过程中，一级冷板21释放出的气体分子可通过均匀分布的一级气流道210逸散，使低温泵能够充分再生。
定义在一级冷板21的水平截面上由第一板2121和第二板2122的连接位到一级冷板21的中心轴的连接线为一级基准线，第二板2122与一级基准线之间的角度设置为56°。
一级冷板21与一级冷头法兰间螺纹连接，一级底板211与一级冷头配合法兰间垫铟片保证其优良的导热性。一级底板211与一级百叶板212之间通过垫铟片连接，以无氧铜铆钉铆接，保证其接触传热面积和导热性。
本申请中百叶窗式的一级冷板21，在相同低温泵口径下，冷板重量与传统直筒一级冷板相当，对制冷机1一级净负载相当。
本申请中百叶窗式一级冷板21完全伸入待真空腔室4中，传统泵壳式低温泵其理论泵口流导即低温泵障板流导，而百叶窗式一级冷板21使其流导变为低温泵障板23流导加上侧壁百叶窗流导，其与传统泵壳式低温泵比较，其理论泵口流导产生量级的增大。
实施例3
与实施例1相同，不同的是二级冷板22包括固定板221和多个二级百叶板222，二级底板221为环形板或圆形板，二级百叶板222竖直放置并圆周固定在二级底板221上，二级底板221上设有多个第二底板孔，第二底板孔两个一组，每组第二底板孔对应一个二级百叶板222，二级百叶板22通过与第二底板孔配合的铆钉固装在二级底板221上。
每个二级百叶板222均包括第三板2221和第四板2222，第三板2221和第四板2222之间呈125°的夹角并定义该夹角为二级百叶板222的内角，二级百叶板222的内角均朝向二级冷板22的中轴线方向向内设置，两个相邻二级百叶板222之间形成二级气流道220。
第三板2221的宽度小于第四板2222的宽度，第三板2221的底部设有水平设置的第三固定片，第三固定片上设有螺纹孔并与第二底板孔配合实现二级百叶片222的固装。
定义在二级冷板22的水平截面上由第三2221和第四板2222的连接位到二级冷板22的中心轴的连接线为二级基准线，第四板2222与二级基准线之间的角度设置为93°。
二级冷板22(吸附阵)采用筒状百叶窗结构。
本申请中的百叶窗式二级冷板22主体结构由第三板2221、第四板2222和冷头固定板等组成。
冷头固定板与二级冷头法兰间螺纹连接，冷头固定板与二级冷头法兰间垫铟片保证其优良的导热性。冷头固定板与第三板2221之间通过垫铟片连接，以无氧铜铆钉铆接，保证其接触传热面积和导热性。
本申请中百叶窗式二级冷板22，在相同低温泵口径下，冷板重量与传统直筒二级冷板相当，对制冷机1二级净负载相当。
本申请中百叶窗式二级冷板22与一级冷板21导流口平行，二级冷板22于一级冷板21筒型同心，故二级冷板22到一级冷板21间间距趋于一致。
在此工作状态下，二级冷板对气体吸附均匀，各板达到吸留极限的时间趋于一致。故带有百叶窗式筒状二级冷板22的低温泵对气体抽速较高，且对气体吸留极限较高。
实施例3
与实施例1相同，不同的是冷板组件2还包括障板23，障板23为紫铜板，障板23外设有镀银抛光层，障板23通过铟垫片与一级冷板21连接。
障板23用以冷凝抽除H2O、CO2等气体，同时为低温泵内二级冷板(吸附阵)提供隔热屏蔽。
还包括温度传感器24，为硅二极管温度传感器，在很宽的温度范围内是线性的，在低温范围灵敏度高。使用温度范围：1.5K-450K，对低温泵一级冷板21和二级冷板22的温度进行精确测量。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。

Claims (7)

1.内置式低温泵，其特征在于：包括制冷机(1)和冷板组件(2)，制冷机(1)与冷板组件(2)连接并冷却冷板组件(2)，还包括泵口法兰(3)，制冷机(1)和冷板组件(2)均固装在泵口法兰(3)上，泵口法兰(3)与待真空腔室(4)的开口处配合并实现密封，冷板组件(2)伸入待真空腔室(4)内并通过泵口法兰(3)进行固定；还包括与冷板组件(2)连接的加热棒(5)，加热棒(5)位于待真空腔室(4)内；冷板组件(2)包括一级冷板(21)和二级冷板(22)，制冷机(1)上设有一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头均通过泵口法兰(3)伸入待真空腔室(4)内并分别与一级冷板(21)和二级冷板(22)连接进行制冷；一级冷板(21)包括一级底板(211)和多个一级百叶板(212)，一级底板(211)为环形板或圆形板，一级百叶板(212)竖直放置并圆周固定在一级底板(211)上；每个一级百叶板(212)均包括第一板(2121)和第二板(2122)，第一板(2121)和第二板(2122)之间呈120°～150°的夹角并定义该夹角为一级百叶板(212)的内角，一级百叶板(212)的内角均朝向一级冷板(21)的中轴线方向向内设置，两个相邻一级百叶板(212)之间形成一级气流道(210)。
2.根据权利要求1所述的内置式低温泵，其特征在于：泵口法兰(3)上安装有密封圈(31)，密封圈(31)位于泵口法兰(3)和待真空腔室(4)之间；泵口法兰(3)上还设有用于放置供电线和/或信号传输线的排线孔(32)。
3.根据权利要求1所述的内置式低温泵，其特征在于：一级冷板(21)和二级冷板(22)均圆周分布，一级冷板(21)分布在二级冷板(22)外；一级冷板(21)为紫铜板，一级冷板(21)外设有镀银抛光层，一级冷板(21)上的温度为50k～60k；二级冷板(22)为紫铜板，二级冷板(22)外设有镀银抛光层，二级冷板(22)的内壁上设有活性炭，二级冷板(22)上的冷却温度为7k～8k。
4.根据权利要求1所述的内置式低温泵，其特征在于：定义在一级冷板(21)的水平截面上由第一板(2121)和第二板(2122)的连接位到一级冷板(21)的中心轴的连接线为一级基准线，第二板(2122)与一级基准线之间的角度设置为46°～66°。
5.根据权利要求1所述的内置式低温泵，其特征在于：二级冷板(22)包括二级底板(221)和多个二级百叶板(222)，二级底板(221)为环形板或圆形板，二级百叶板(222)竖直放置并圆周固定在二级底板(221)上。
6.根据权利要求5所述的内置式低温泵，其特征在于：每个二级百叶板(222)均包括第三板(2221)和第四板(2222)，第三板(2221)和第四板(2222)之间呈110°～140°的夹角并定义该夹角为二级百叶板(222)的内角，二级百叶板(222)的内角均朝向二级冷板(22)的中轴线方向向内设置，两个相邻二级百叶板(222)之间形成二级气流道(220)。
7.根据权利要求6所述的内置式低温泵，其特征在于：定义在二级冷板(22)的水平截面上由第三板(2221)和第四板(2222)的连接位到二级冷板(22)的中心轴的连接线为二级基准线，第四板(2222)与二级基准线之间的角度设置为83°～103°。
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