CN115308291B - 一种低温泵用低温板性能测试装置 - Google Patents

一种低温泵用低温板性能测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及低温泵技术领域，公开了一种包括真空腔体、与所述真空腔体连通的四极质谱计及至少两个进气管，所述真空腔体的底部设有制冷机，所述真空腔体的内部设有冷屏，所述冷屏的顶部设有辐射障板，所述冷屏的内部设有用于承托低温板的紫铜热沉，所述紫铜热沉与所述制冷机之间连接冷头，所述冷头及所述紫铜热沉上均设有温度传感器及加热模块。本发明可研究测试不同温度下低温板表面的抽气性能及对气体的低温吸附系数。同时采用多路质量流量控制器向测试腔中通入混合气体，可研究测试低温板表面对混合气体以及单种气体的抽气性能和低温吸附系数。进一步可研究采用不同吸附剂以及不同基材的低温板对于气体的抽气性能和低温吸附系数的影响。

Description

一种低温泵用低温板性能测试装置
技术领域
本发明涉及低温泵技术领域，特别是涉及一种低温泵用低温板性能测试装置，尤其是涉及其低温抽气性能测试及气体低温吸附系数测量的装置。
背景技术
利用低温表面来吸附和冷凝气体以达到抽气目的的泵叫做低温泵。低温泵具有高抽气速率、低极限压力的典型优势，在半导体、集成电路、航空航天以及核聚变等领域得到广泛应用。低温泵通常由低温板、冷屏、泵口辐射挡板、冷却回路、泵壳等部分组成。低温板是低温泵设计的核心部件，利用其表面吸附和冷凝原理抽除真空室中的气体。冷屏和泵口辐射挡板主要作用是吸收和反射来自高温壁面的热辐射并对进入泵内的气体进行预冷。低温泵的抽气能力(抽速、容量)和所能达到的极限压力，与低温板的抽气性能以及被抽气体有关。
气体物理吸附是气体分子因范德华力在低温表面聚集一层或者多层并释放能量的过程，物理吸附特性与低温板及气体自身物理性质有关。事实上，因分子热运动碰撞到吸附表面的气体分子不可能全部被吸附，其中有一部分能量相对较大的分子会从吸附表面上返回到空间中去，而且通过降低吸附表面的温度可以提高气体被吸附的概率。这种被吸附的气体分子数和碰撞在低温表面上的气体分子数之比，称之为气体低温吸附系数α。气体低温吸附系数是表征低温泵中低温表面对气体分子吸附能力的一个重要的基本物理参数，是低温泵研制过程中的关键的理论依据，直接决定低温泵的抽气性能。因此，气体在不同低温表面的吸附系数测量对于低温泵的设计研发以及其它低温吸附工程应用具有重要意义。
低温泵的设计理念是在分子流状态下优化泵结构实现紧凑结构下的大抽速、大容量、快再生的设计目标。在低温泵的总体设计过程中，抽气速率S、抽气容量Q、再生时间T是低温泵设计的三个关键参数，也是评价所设计低温泵性能的三个重要指标。因此在低温泵设计过程中应该对上述三个关键参数进行研究。尽管抽气速率S与低温泵的实际结构有关，尤其是低温板的空间布置以及泵的尺寸密切相关，但是在低温泵设计研发过程中应该通过一定比例的试验件对不同的低温板工艺进行定性选择，进而得出最优的低温板工艺。同时通过实际低温板与该试验件的面积之比，进而外推得出实际低温泵的抽气容量Q。再生时间T与低温板工艺有关；尽管该试验件与实际低温板存在面积差异，但是若采取同种工艺，那么两者的再生时间是相同的，于是可以定量研究实际低温泵的再生时间T。
由测量流量q与压力p可计算得出抽速S。容量Q根据国家行业标准，在持续充气情况下，抽速S下降50％的总注气量作为抽气容量Q。同时通过监测再生气体的成分及含量，确定再生时间T。通过上述测得抽速S与Monte Carlo方法迭代计算的抽速进行比对，进而确定气体低温吸附系数α。
然而，目前并没有一种优良的测试装置能有效对低温板的性能进行测试，从而指导低温板的工艺选择与技术研发，并对低温泵整体抽气性能进行定性定量研究，为低温泵设计研制提供重要技术支撑。此外，由于气体低温吸附系数相关数据缺乏，该装置可对其进行研究测量，进而构建相关实验数据表，为蒙特卡洛模拟提供重要输入参数。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种低温泵用低温板性能测试装置，有效对低温板试验件进行抽气性能测试，从而指导低温板的工艺选择与技术研发，并对低温泵整体抽气性能进行定性定量研究，为低温泵设计研制提供重要技术支撑；同时解决气体低温吸附系数这一基本物理参数测量技术问题，为指导低温泵设计提供关键物理参数和模拟的重要边界条件。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：包括真空腔体、与所述真空腔体连通的四极质谱计及至少两个进气管，所述真空腔体的底部设有制冷机，所述真空腔体的内部设有冷屏，所述冷屏的顶部设有辐射障板，所述冷屏的内部设有用于承托低温板的紫铜热沉，所述紫铜热沉与所述制冷机之间连接冷头，所述冷头及所述紫铜热沉上均设有温度传感器及加热模块。
优选地，所述真空腔体的外壁连接有输气管，所述输气管的另一端连接有气体混合器，所述进气管连接所述气体混合器。
优选地，还包括高精度薄膜真空规、真空三通、全量程真空规和与所述真空腔体相连通的高真空角阀，所述高精度薄膜真空规、所述高真空角阀及所述全量程真空规均与所述真空三通相连通。
优选地，所述真空腔体上设有高真空挡板阀及抽空接口，所述高真空挡板阀连接所述四极质谱计，所述抽空接口用于连接分子泵机组对真空腔体进行抽空。
优选地，所述冷屏包括上部冷屏及下部冷屏，所述辐射障板固设于所述上部冷屏的顶部，所述上部冷屏及所述下部冷屏上均设有所述温度传感器。
优选地，所述下部冷屏的底部设有用于连接所述冷头的连接法兰，所述连接法兰上设有一级冷头温度传感器及一级冷头加热模块。
优选地，所述冷头包括相连接的一级冷头及二级冷头，所述二级冷头的顶部连接所述紫铜热沉，所述二级冷头上设有二级冷头加热模块，所述一级冷头的上部连接所述连接法兰，所述一级冷头的下端穿过所述真空腔体连接所述制冷机。
优选地，所述紫铜热沉的外侧套设有密封圈，所述密封圈的边缘设有卡槽，所述卡槽内嵌设有压圈，所述压圈与所述密封圈之间形成密封腔，所述低温板设于所述密封腔内。
优选地，所述紫铜热沉的中心设有安装槽，所述安装槽内及所述紫铜热沉的底部均设有所述温度传感器。
优选地，所述辐射障板包括若干呈环形的障板单元，且若干所述辐射障板单元同轴设置，所述辐射障板单元的横截面与水平面倾斜设置。
本发明实施例的一种低温泵用低温板性能测试装置，与现有技术相比，其有益效果在于：通过制冷机冷头对低温板降温，利用温度传感器和加热模块实现低温板温度精准可控，可研究测试不同温度下低温板表面的抽气性能及对气体的低温吸附系数。同时采用多路质量流量控制器向测试腔中通入混合气体，可研究测试低温板表面对混合气体以及单种气体的抽气性能和低温吸附系数。进一步可研究采用不同吸附剂以及不同基材的低温板对于气体的抽气性能和低温吸附系数的影响。通过外接四极质谱计进而研究低温板再生过程及再生特性。同等条件下，通过缩比面积的低温板试验件可获得低温泵的抽气性能，同时测得低温表面的气体低温吸附系数，避免了设计原型泵进行研究，节约时间成本和人力物力。
附图说明
图1为本发明的低温泵用低温板性能测试装置的结构示意图。
图2为本发明的低温泵用低温板性能测试装置的剖视图。
图3为本发明的低温泵用低温板性能测试装置的侧视图。
图4为本发明的冷屏及辐射障板连接的结构示意图。
图5为本发明的辐射障板的结构示意图。
图6为图2中二级冷头区域的放大图。
图7为本发明的低温板的结构示意图。
图8为本发明的紫铜热沉的结构示意图。
其中：1-进气管道A，2-气体混合器，3-安全阀，4-真空卡盘接头A，5-上部真空腔体，6-四极质谱计，7-高真空挡板阀，8-高真空角阀，9–高精度薄膜真空规，10-真空三通，11-下部抽空接口，12-制冷机，13-下部真空腔体，14-全量程真空规，15-进气管道B，16-混合器气体进口A，17-混合器气体进口B，18-输气管，19-真空卡盘接头B，20-真空法兰，21-上部冷屏，22-聚四氟压圈，23-聚四氟密封圈，24-二级冷头，25-下部冷屏，26-紫铜连接法兰，27-真空线路管道，28-波纹管，29-连接法兰，30-一级冷头，31-紫铜热沉，32-低温板，33-辐射障板，34-混合气体出口，35-真空卡盘接头C，36-上部抽空接口，37-线路管道，38-一级冷头加热模块，39-一级冷头温度传感器，40-温度传感器A，41-温度传感器B，42-横向辐射障板支撑，43-纵向辐射障板支撑，44-温度传感器C，45-温度传感器D，46-调节螺栓，47-温度传感器E，48-弹簧压块，49-沉头螺钉，50-密封圈支撑块，51-温度传感器F，52-二级冷头加热模块，53-内六角螺栓，54-线槽，55-安装槽。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明公开了一种低温泵用低温板性能测试装置，包括真空腔体、与所述真空腔体连通的四级质谱计6及至少两个进气管，所述真空腔体的底部设有制冷机12，所述真空腔体的内部设有冷屏，所述冷屏的顶部设有辐射障板33，所述冷屏的内部设有用于承托低温板32的紫铜热沉31，所述紫铜热沉31与所述制冷机12之间连接冷头，所述冷头及所述紫铜热沉31上均设有温度传感器及加热模块。所述真空腔体呈阶梯形，分为上下两部分，中间采用真空法兰连接；上部真空腔体顶部安装安全阀3，四周分布混合气体出口34、真空卡盘接头、真空法兰20以及上部抽空接口36。
所述真空腔体主体结构采用304不锈钢材质；上下两部分通过真空法兰20焊接在腔体上连接，底部制冷机12与下部真空腔体13采用ISO-K型法兰连接，连接处采用出气率低的氟橡胶O圈进行密封。靠近上部设置四个吊耳，方便搬运。右侧设置上部抽空接36，配有高真空挡板阀7进行闭合。后部焊接1/4英寸进气管道作为进气口，并通过真空管道连接于设计的气体混合器2；气体混合器2入口前设置两个质量流量控制器进行稳态流控。真空腔体主要作用为内部部件构建真空环境及为外部部件提供安装位置。
基于上述技术特征的低温泵用低温板性能测试装置，采用制冷机12作为冷源，采用氦气作为载冷介质，通过制冷机12的二级冷头24对低温板32降温，利用温度传感器和加热模块实现低温板32温度精准可控，可研究测试不同温度下低温板32表面的抽气性能及对气体的低温吸附系数。同时采用多路质量流量控制器向测试腔中通入混合气体，可研究测试低温板32表面对混合气体以及单种气体的抽气性能和低温吸附系数。进一步可研究采用不同吸附剂以及不同基材的低温板32对于气体的抽气性能和低温吸附系数的影响。通过外接四极质谱计6进而研究低温板32再生过程及再生特性。同等条件下，通过缩比面积的低温板32试验件可获得低温泵的抽气性能，同时测得低温表面的气体低温吸附系数，避免了设计原型泵进行研究，节约时间成本和人力物力。
本实施例中，所述真空腔体的外壁连接有输气管18，所述输气管18的另一端连接有气体混合器2，所述进气管连接所述气体混合器2。较佳地，所述进气管为两个，分别为进气管道A1和进气管道B15，这两个所述进气管道分别外接不同气体气瓶，通过不同的气体质量流量控制器来准确控制所注入气体的流量，再将气体通过两个混合器气体进口16、17注入到所设计的气体混合器2中。气体混合器2内部设计连续弯曲管道，以保证不同气体的混合均匀性。之后通过输气管18连接混合气体出口34注入到上部真空腔体5中。安全阀3通过真空卡盘接头19连接上部真空腔体5，其主要作用是当上部真空腔体5内压力超过设计上限时其保护膜破裂以保证设备和操作人员的安全性。
如图1所示，所述真空腔体上设有高真空挡板阀7及下部抽空接口11，所述高真空挡板阀7连接所述四极质谱计6，所述下部接口11用于连接分子泵机组对真空腔体进行抽空。高真空挡板阀7通过真空法兰20连接上部真空腔体5及四极质谱计6，利用质谱计的模拟扫描模式在仪器的工作质量范围内，选择适当的参数对装置进行全谱扫描，记录系统残余气体的全谱图。利用计算机解析谱图可以分析气体的种类和残余量，从而研究不同气体再生之后的差异性和再生时间。真空腔体由上部真空腔体5和下部真空腔体13组成，真空腔体主要为内部部件构建真空环境以及为外部部件提供安装位置。真空腔体上下分布两个抽空接口36和11，外接分子泵机组对真空腔体进行抽空以达到测试真空度。为了监测真空腔体内部的真空度，高精度薄膜真空规9及全量程真空规14通过真空三通10连接，然后整体连接在高真空角阀8上，再通过真空卡盘接头35与上部真空腔体5连接。检测腔体内部真空，将数据实时传输给计算机并自动保存相关测试数据。
如图2所示，冷屏从结构上分为上下两部分，上部冷屏21和下部冷屏25采用焊接法兰的方式连接；下部冷屏25底部通过紫铜连接法兰26与一级冷头30连接。如图4所示，上部冷屏21左右对称分布温度传感器41和温度传感器44，用于实时测量上部冷屏21的温度；同样地，下部冷屏25顶部左右对称分布温度传感器40和温度传感器45，用于实时测量下部冷屏25的温度。紫铜连接法兰26底部分布一级冷头温度传感器39和一级冷头加热模块38。上部冷屏21顶部通过横向辐射障板支撑42以及纵向辐射障板支撑43安装辐射障板33，辐射障板整体机械结构和空间排布如图5所示，所述辐射障板33包括若干呈环形的障板单元，且若干所述辐射障板单元同轴设置，所述辐射障板单元的横截面与水平面倾斜设置。
冷屏的温度传感器和加热模块的线路从真空卡盘接头4外接航空插头引出连接到PLC上。借助五个温度传感器可以实时检测冷屏的区域温度，进行加权平均得出冷屏的温度，再通过控制加热模块的通断时间对一级冷头进行精准控温，进而控制整个冷屏和辐射障板33的温度在77K附近。上部冷屏21和下部冷屏25及辐射障板33具有光学密闭性，功能是吸收或反射来自高温壁面的热辐射并预冷即将到达内部低温板32的气体，从而有效降低低温板32的热负荷。
如图6所示，低温板32通过沉头螺钉49安装在所设计的紫铜热沉31上，如图7所示，低温板的整体结构中十字对称分布沉头孔用于固定安装。低温板32与紫铜热沉31中间采用导热硅胶，增强导热性能以保证两者温度误差在极小范围内。所述紫铜热沉的外侧套设有密封圈(优选聚四氟密封圈23)，所述密封圈的边缘设有卡槽，所述卡槽内嵌设有压圈(优选聚四氟压圈22)，所述压圈与所述密封圈之间形成密封腔，所述低温板设于所述密封腔内。低温板32四周安装所设计的聚四氟密封圈23用于密封，使混合气体出口34的气体难以进入下部真空腔体13，以保证进气量和吸附量的严格统一。聚四氟密封圈23上部装有聚四氟压圈22，其V型槽中对称分布弹簧压块48，可通过调节螺栓46在轴向方向上施加作用力用于调整聚四氟密封圈23的密封程度。所述低温板32方便拆卸更换，有利于多组不同条件下测试的进行。
如图8所示，紫铜热沉31环形等角度分布六个沉头孔，通过六个内六角螺栓53安装于二级冷头24上。二级冷头24下部安装二级冷头加热模块52，用于精确控制紫铜热沉31的温度，控制二级冷头加热模块52的通断时间使紫铜热沉31保持在一定温度下，进而维持低温板32在相应的测试温度下。紫铜热沉31中心有安装槽55，用于安装图6所示的温度传感器47，其用于监测低温板32的实时温度。其下部也安装同样的温度传感器51，用于监测紫铜热沉31的实时温度。两个温度传感器可测量的温区为1.5K～400K范围。在紫铜热沉31上下布置两个温度传感器的目的是检测紫铜热沉31的热传导效果，以检查是否所设定温度和实际低温板32的温度是否保证一致性，以此来保证在该温度下所测的低温板32对特定气体的吸附系数的精确性和抽气性能的准确性，从而减小测量误差得出最贴合实际情况的基本物理参数和抽气性能。紫铜热沉31上部分布线槽54，用于温度传感器47走线使用。如图2所示，温度传感器47、温度传感器51和二级冷头加热模块52的线路通过真空线路管道27和波纹管28外接航空插头连接到PLC上，用于实时监控和精准控制低温板32的温度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过此装置可以测试低温板的抽气性能，得到低温泵设计的三个重要指标——抽气容量Q、抽气速度S、再生时间T。同时可以精准测量气体低温吸附系数，为低温泵设计研制提供低温抽气性能和气体低温吸附系数方面的理论依据。
(2)装置冷源为制冷机12，解决了使用低温液体构建低温环境的问题。冷屏安装于一级冷头之上，通过温度传感器和一级冷头加热模块38由所开发的算法程序和人机交互界面对其温度进行实时精准控制。低温板32安装于固定在二级冷头24之上的紫铜热沉31上，通过开发的算法程序并借助温度传感器和二级冷头加热模块52可以测量在4K～310K温区范围内任意温度条件下气体的吸附系数以及测试相应的抽气性能，温度控制精度可根据用户实际需求进行相关调整。
(3)可通过更换进气管道不同气体，设定质量流量控制器对不同气体的换算系数，研究测试低温板32表面在一定温度条件下对不同单一气体的抽气性能和吸附系数；以及借助所设计的气体混合器，进而研究测量低温表面在一定温度条件下对混合气体的抽气性能和吸附系数。
(4)低温板32可采用不同基材，则其对吸附材料的传热特性有所不同，进而可研究低温板采用不同基材对低温抽气性能和气体低温吸附系数的影响。同时低温板32表面可以连接不同吸附材料，于是就可以研究不同吸附材料对气体的抽气性能和吸附系数的有关影响。进一步研究低温板32表面采用不同连接工艺的吸附材料对气体的抽气性能及吸附系数的影响。测试中可通过比较多个因素的影响结果，从而得出最优解，进而找出最适合实际商业化加工应用的充分条件。
(5)吸附达到饱和后控制低温板32进行回温，进而研究低温板32对气体的有效再生温度。再生一段时间之后，利用质谱计的模拟扫描模式在仪器的工作质量范围内，选择适当的参数对装置进行全谱扫描，记录系统残余气体的全谱图。再利用计算机解析谱图可以分析气体的种类和残余量，从而研究不同气体再生之后的差异性及再生时间。以契合低温泵饱和之后再生工作实际情况，对所设计的低温泵的性能进行全面的评估分析。
(6)同等条件下，通过设计缩比面积的测试模型——低温板，对其进行定性和定量分析，就可以得出整个低温泵的相关抽气性能。避免了研制低温泵原型样机进行相关研究，节约了时间成本和人力成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：包括真空腔体、与所述真空腔体连通的四极质谱计及至少两个进气管，所述真空腔体的底部设有制冷机，所述真空腔体的内部设有冷屏，所述冷屏的顶部设有辐射障板，所述冷屏的内部设有用于承托低温板的紫铜热沉，所述紫铜热沉与所述制冷机之间连接冷头，所述冷头及所述紫铜热沉上均设有温度传感器及加热模块；
所述冷屏包括上部冷屏及下部冷屏，所述辐射障板固设于所述上部冷屏的顶部，所述上部冷屏及所述下部冷屏上均设有所述温度传感器；
所述下部冷屏的底部设有用于连接所述冷头的连接法兰，所述连接法兰上设有一级冷头温度传感器及一级冷头加热模块；
所述冷头包括相连接的一级冷头及二级冷头，所述二级冷头的顶部连接所述紫铜热沉，所述二级冷头上设有二级冷头加热模块，所述一级冷头的上部连接所述连接法兰，所述一级冷头的下端穿过所述真空腔体连接所述制冷机。
2.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：所述真空腔体的外壁连接有输气管，所述输气管的另一端连接有气体混合器，所述进气管连接所述气体混合器。
3.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：还包括高精度薄膜真空规、真空三通、全量程真空规和与所述真空腔体相连通的高真空角阀，所述高精度薄膜真空规、所述高真空角阀及所述全量程真空规均与所述真空三通相连通。
4.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：所述真空腔体上设有高真空挡板阀及抽空接口，所述高真空挡板阀连接所述四极质谱计，所述抽空接口用于连接分子泵机组对真空腔体进行抽空。
5.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：所述紫铜热沉的外侧套设有密封圈，所述密封圈的边缘设有卡槽，所述卡槽内嵌设有压圈，所述压圈与所述密封圈之间形成密封腔，所述低温板设于所述密封腔内。
6.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：所述紫铜热沉的中心设有安装槽，所述安装槽内及所述紫铜热沉的底部均设有所述温度传感器。
7.如权利要求1所述的低温泵用低温板性能测试装置，其特征在于：所述辐射障板包括若干呈环形的障板单元，且若干所述辐射障板单元同轴设置，所述辐射障板单元的横截面与水平面倾斜设置。
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