冷凝泵机械结构及工作原理

冷凝泵机械结构及工作原理

一、简介

冷凝泵工作原理是通过冷凝或者俘获分子来实现真空。它由一些低温的表面（-193o C- -255）来冷凝气体分子。另外，冷凝泵也通过带有活性炭的表面吸收不能被冷冻的气体分子。

一.冷凝泵机械结构

1.压缩机

将氦气压缩之后送到冷冻机里

2.冷冻机

使被压缩的氦气在冷冻机里膨胀，冷却作用

3.泵壳

泵体内（挡板处）将气体凝固，使气体被吸空获得真空

上述的三个系统组成一个整体的冷凝泵系统运转。

二、冷凝泵机械部件结构及功能

一．导流板

材料: 无氧铜;

温度: 80K(一级冷头温度)

结构: 人字纹形,百叶窗形。

功用：1.凝缩排除水蒸汽（H2O），有机物（CO2）

2.防止热辐射进入辐射找

二．辐射罩

材料: 无氧铜

温度: 80K。

功用：1.辐射罩包裹着冷头

2.阻挡外来的热辐射，外侧为了反射热辐射，因为实施了反射率很高的镍喷涂，内侧

为了阻挡热辐射反射到冷板,实施了能吸收辐射能的黑化处理涂层。

三．冷板

材料: 无氧铜

温度: 15K (二级冷头温度)

结构: 9片柱形, 5片锥形

功用：分为外表面冷凝排除气体部分和内表面活性炭吸附排除气体部分

1.O2，N2，Ar等气体分子挡在冷板外表面并凝缩，H2分子在冷板外表面被反射，被活性炭吸附。

四、温度计

结构：1.H2蒸汽压温度计

2.半导体温度计

五．一级冷头

材料: 无氧铜

温度: 70～ 100K,通常80K

功用；用来凝缩水蒸汽。

六．二级冷头

材料: 无氧铜; 温度: 10～ 20K,通常15～ 20K

功用：主要用来凝缩N2、O2、Ar、CO2等饱和蒸汽压高的气体。

七．冷冻机

目前,冷凝泵中所使用的冷冻机有以下三种形式。

① G-M循环冷冻机: 最早被用于冷凝泵中的

小型极低温冷冻机, 它是根据Gi fford和Mcmaho n

而发明研制,具有很高可靠性、极低温度的冷冻机。

如今也使用的很广泛。

② Modified Solv ay 循环冷冻机: 严格地说,在

热力学上与G-M循环不一样,但在实际上也可以看

作是用在气压驱动机构上的G-M循环冷冻机。

③ Sterling 循环冷冻机: 是容压缩和膨胀为一

体的冷冻机,在冷凝泵中一般作为最大型机种来使

用,但目前基本上不使用。

八．黄色连杆

材料: 黄色夹布胶木。

九．蓄冷器

一级蓄冷器材料: 黄铜网

二级蓄冷器材料: 铅丸。

其作用为: ①当活塞杆往上死点运动中(膨胀

室容积逐渐增大) ,高压/进气阀打开,蓄冷器冷却进

入膨胀室He气。②当活塞杆往下死点运动中(膨胀

室容积逐渐减小)

二．工作原理

1.基本原理(以G-M循环冷冻机为例)

驱动He气通过压缩机的压缩后,以高压形态

供给冷冻机,将蓄冷器和气缸的室温侧连在一起,借

助切换阀接在He气压缩机的高压与低压侧。此外,

再将蓄冷器和气缸切换到低温侧,气缸内有一个活

塞连杆,借助曲柄连杆机构上下移动。为使G-M循

环冷冻机更小型化紧凑化,在活塞杆内采用了蓄冷

器构造(如图2所示)

用活塞密封被隔气缸内的压缩气体,通过活塞

的上下移动,使里面的被隔气体膨胀,就可使其吸收

外部的热量。如果,从外部传入的热量较少或者根本

没有,处于断热状态,气体本身就会降温。

这种吸收外部热量下降自身温度的过程,从能

量守恒的角度来分析,正好与活塞对外做的功相等。

这就是制冷的基本原理。

①活塞杆在低温侧状态时, 高压侧的阀门打

开。那么,膨胀室(气缸的低温侧)的容积和压力变

化,是从A— B的移动( P— V曲线图)。

②高压侧的阀门仍处于开启状态,活塞杆向室

温侧移动。由室温侧通过蓄冷器的He气被变为低

温气体,向膨胀室移动( B— C的移动)。

③低压侧的阀门打开,高压侧阀门关闭。膨胀

室内的He气在移动过程中,一边膨胀一边通过蓄

冷器。此时,就产生了冷冻( C— D的移动)。

④残留的低压He气,在活塞杆的作用下返回

到压缩机的低压侧( D— A的移动)。

冷凝泵的整个工作过程为: 膨胀、吸热、制冷。压

缩机的整个工作过程为: 压缩、放热、冷却。

3.低温环境的形成

①低温凝缩(冷凝)

冷凝温度气体种类

80K水等

20K N 2、O 2、A r、CO 2 等

如表格所示, 除He、H2、N e 以外的所有气体, 由于其饱和蒸汽压低, 故会被液化, 冷冻在一、二级冷头上。通过对泵的再生, 借助前级泵而排出泵体。

如蒸汽压曲线所示(略) ,除He、H2、Ne以外的

所有气体,由于其饱和蒸汽压低,故会被液化,冷冻

在一、二级冷头上。通过对泵的再生,借助前级泵而排出泵体。

②低温吸附

由于He、H2、Ne在10K时, 饱和蒸汽压也很

高。而在冷凝泵可能达到的温度10～ 20K时,亦不能被液化冷冻,只有依靠活性碳的吸附作用来加以吸附,而达到排气的目的。