活塞間隙型流導性能研究
本文設計了一種基于活塞間隙的微小流導結構，流導數值可調，采用實驗的方法研究了微小流導的壓力特性、溫度特性及調節重復性。討論了該流導在微小氣體流量計量的應用情況及前景。
動態流導法真空標準裝置、真空漏率校準裝置的測量下限受常用氣體微流量計測量下限的限制。如恒壓流量計流量小于10-8 Pa·m3/s 量級，不確定度已不可接受。已知流導值的微小流導可以提供更小的氣體流量，從而延伸動態流導法真空標準裝置或真空漏率校準裝置的測量下限。同時，微小流導也可以在精度要求相對較低的條件下拓展流量上限。
流導器件的實現方式有多種，最為簡單的結構是在薄壁上加工微小孔洞，可通過激光或者機械加工制作。德國PTB 通過改造針閥的方法研制了一種流導，韓國KRISS 通過將三根鎢絲置于小孔內的方式研制了一種流導結構，日本NMIJ 采用金屬顆粒燒結方式的流導結構。采用上述幾種流導結構制造的流導，真空技術網(http://smsksx.com/)認為其流導值不易準確預估。本文研制了以活塞間隙為限流元件的流導結構，屬環形圓管道，由于活塞制造工藝成熟，流導數值可預估且可調。為便于應用，我們采用實驗的方法研究了其各項特性。
1、流導結構
本文以活塞間隙作為限流結構，設計了流導器件，具體結構如圖1 所示。活塞13 的名義面積為1 cm2，活塞筒1 與活塞桿13 的最大配合距離為3 cm，活塞名義間隙為5 μm(由于加工重復研磨，估計實際間隙約為8~10 μm)。流導在工作過程中，工作氣體從流導左側箭頭處流入，流經活塞筒1 與活塞桿13 配合間隙，經過環形通道，從出氣管2沿箭頭方向流出。活塞的間隙相對穩定，且不易發生堵塞及易清洗。
圖1 流導結構
圖中微分頭9 的測量范圍為5 cm，用于標記活塞桿移動位置。為使流導內能夠保持較好的真空度，移動部件的密封方式采用了不銹鋼焊接波紋管6 的形式，這既可使系統得到很好的密封特性，也可以保證活塞桿能夠靈活移動。為了使活塞桿能夠自由的移動且容易安裝，在活塞筒的一端內加工出圓環形狀結構及氣體流出孔，使活塞筒的非有效配合部分就可以充當活塞桿的限位裝置。活塞筒和活塞桿均采用不銹鋼加工，在活塞筒與活塞桿對磨前，對活塞桿進行淬火處理。這種流導結構，沒有加工殘余應力，因此活塞的間隙不會隨時間的推移而逐漸發生變化，進而使流導數值保持穩定。
2、流導性能研究
為便于應用和設計該類型微小流導，我們采用了自主研發的流導測量系統測試了該活塞間隙型微小流導的特性。微小流導的具體測試內容和結果如下所述。
2.1、微小流導壓力特性
測試微小流導的壓力特性，首先我們要關注的是低壓區的分子流范圍。因在分子流范圍流導值對壓力是恒定的，是產生微小流量的主要應用。其次是非分子流范圍高壓區的流導特性，了解其擴展較大流量的可能情況。根據Knudsen 的工作，對于長管道(l>>d)，流過流導元件的氣體流量qpv與壓力的關系可以通過下式獲得：
4、討論與結語
我們對所設計制作的活塞間隙型流導進行了測試，了解了其壓力特性、溫度特性及調節的重復性。下面我們將對這種流導的今后應用問題做一簡要討論。
該流導的流導值在10-7 m3/s 量級，測量結果的標準不確定度為0.8%。如上游壓力為10-2 Pa，并用磁懸浮轉子真空計(SRG)測量，則可給出10-9 Pa·m3/s的流量，標準不確定度可接近1%。由2.1 節可知該流導的分子流上限的上游壓力約為5 Pa，如測壓配用SRG，則上限只到1 Pa，也即上限流量在10-7 Pa·m3/s，這時可配用能覆蓋其一個量級左右的恒壓流量計，則可延伸其上限，同時可用該恒壓流量計測定其流導值。
采用SRG 測量該流導上游壓力10-2 Pa 甚至10-3 Pa 時，可能會遇到一些麻煩，因這時SRG 需要在很低的壓力下測殘余示值(offset)并做修正，這不僅使系統復雜，且影響工作效率。因此可考慮設計制作流導值更小活塞間隙型流導。由于這種流導是一種環形圓管，其流導值與活塞間隙平方和活塞直徑成正比，與管長成反比。根據現有流導值的數據，再設計制作10-9 m3/s 量級的流導應無問題。此條件下，要獲得10-9 Pa·m3/s 流量的上游壓力，就可考慮直接用電容薄膜真空計進行測量。而間隙減小可提高進入分子流的壓力，仍可配用恒壓流量計測量流導值并拓展流量上限。為擴展產生流量的范圍，還可以考慮在一個系統內配用兩個以上不同流導值量級的活塞間隙型流導。這可能使實際應用更方便。
現有流導的流導值可調，且重復同一活塞位置的流導值具有良好的穩定性。這種結構可用于定點校準等流量控制系統。也可預見，如制作成配合距離固定的活塞間隙型流導，其流導值應具有更好的穩定性。
綜上所述，本文設計、制作了活塞間隙型微小流導，并通過實驗的方法測量了其相關特性。該結構獨特的微小流導可用于提供10-9 Pa·m3/s 的流量，本文的研究工作為該類型流導的進一步應用提供了基礎。
