制冷機低溫泵的常見再生方式
小型制冷機低溫泵是依靠制冷機獲取冷量, 利用低溫表面冷凝和吸附氣體來獲得和保持真空的裝置 , 它具有清潔無炭氫污染、極限真空度高等優點, 廣泛應用于微電子、材料科學等研究和生產領域。
低溫泵的再生是使泵內貯存的氣體解析和脫附的過程, 再生的方式有多種, 其所需時間和再生效果也有差別。再生方式的選擇、冷頭溫度測量方法以及再生起點終點的判斷對低溫泵系統自動化有著重要意義。目前國外的低溫泵生產廠家都推出了自動化程度很高的低溫泵產品, 國內有關研究單位也在積極開展相關工作。本文從我國國情出發, 討論了低溫泵再生過程中的一些問題, 并提出了一些個人觀點以供低溫泵用戶參考。
從原理上講, 低溫泵捕集的氣體可以以固態、氣態或液態方式除去, 由于以固態方式除去冷凝物存在很多技術難題, 目前商品低溫泵采用的都是后兩種方式。根據加熱方式的不同, 再生方式一般分為:自然加熱再生、氣體沖洗再生、電加熱再生三類。
自然加熱再生是最簡單的低溫泵再生方法, 它是利用泵壁與周圍空氣的熱交換來使泵升溫的, 在剛開始再生時, 由于泵內真空度較高, 因此主要是依靠泵壁的熱輻射和泵內的熱傳導使冷板逐漸升溫,這個升溫過程相當緩慢。當壓強升高到10-1～ 10Pa范圍后, 對流換熱才開始起比較大的作用。自然加熱再生需要的時間很長, 一般需十幾個小時。由于自然加熱再生一般利用過壓保護閥排氣, 在這種情況下,如果泵能夠和其環境達到完全平衡, 那么泵內融化的冰水會留在底板上, 而且室溫下活性炭將吸附高分壓的水蒸氣, 因而泵在使用過程中需要進行長時間的初抽, 而且泵的極限壓強也會受到影響。自然加熱再生一般只用于一些對泵性能要求不高的場合。
氣體沖洗再生是使用很普遍的一種方法, 它利用沖入泵內的室溫或加熱的干燥的惰性氣體(N2或Ar) 對泵進行加熱, 它有恒壓法和脈沖沖洗法兩種形式。因為能夠進行有效的熱交換, 所以可以縮短再生時間, 而且氣體沖洗有利于水蒸氣從活性炭中脫附出來, 再生的質量也提高了, 另外它還能稀釋那些有毒和爆炸性的氣體。
電加熱再生是一種經濟的再生方法, 目前有兩種不同的加熱方式, 一種是利用加熱帶裹在泵壁外表進行加熱, 另一種是利用泵內冷頭上的加熱板進行加熱。由于低溫泵的部分元件不能承受高溫, 因而需要對加熱過程進行控制。采用加熱帶加熱方式時,可以選用自限溫型的加熱帶(這種加熱帶由PTC 發熱元件制成) , 也可以由儀表進行控制。采用銠鐵電阻溫度傳感器做二極冷頭溫度測量的低溫泵可以利用這個傳感器對加熱帶進行控制, 但是由于這種情況下所測量的溫度值不能準確反映泵壁處的溫度,因此需要采取一些措施來避免過溫現象的發生。另外采用一些具有邏輯輸出的溫度監視器件(如MAXIAM公司的MAX6501 等) 也可以很經濟的對加熱帶進行限溫控制。加熱帶使用很方便, 而且這種方式所需的再生時間要比自然加熱再生要短一些, 再生效果也有了提高, 但單獨采用加熱帶對低溫泵再生時, 再生時間仍比較長, 而且如果采用過壓閥進行排氣, 也存在和自然加熱再生方式中類似的問題。
采用加熱帶加熱和氣體沖洗配合使用能夠比單獨采用氣體沖洗縮短很多時間。由于使用加熱帶無需對泵原有的結構進行任何改動, 因此可以經濟的用于對一些舊泵的改造, 以提高其使用效率。采用加熱板進行加熱是一種很經濟有效的再生方式。一般低溫泵的兩級冷頭上各有一個加熱板, 兩個加熱板是獨立的, 加熱板與冷頭是緊密接觸的, 因而能夠通過熱傳導直接對冷板加熱, 再生只需很短的升溫時間, 采用這種再生方式需要對兩個冷頭的溫度進行測量, 并根據測溫結果對兩個加熱板的功率進行調節, 由于加熱板的功率較小, 其熱慣性也比較小, 可以采用開關式控制方法。考慮到安全問題, 加熱板一般采用安全的低壓交流電(24VAC) 供電。為了獲得較好的再生質量, 再生加熱過程中要配合進行粗抽。近年來, 在電加熱再生的基礎上又發展了一種新技術, 它能夠在一級冷頭的溫度波動很小的情況下, 清除二級冷頭上的冷凝物。它是應用于二級冷頭飽和而一級冷頭遠沒飽和的情況。由于冷頭升溫和降溫的幅度較小, 因而與完全再生相比能夠進一步的縮短再生時間, 提高制冷機低溫泵的使用效率。
采用加熱板進行加熱再生的方式時, 系統的結構要復雜一些, 這種情況下使用一個嵌入微控制器的專門為小型制冷機低溫泵系統設計的智能儀器進行控制會很方便。
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