低溫真空泵作為一種高比抽氣速率和極潔凈的高真空泵，在很多科研和工業加工方面的應用越來越廣泛。一般低溫真空泵大多以G-M制冷機作為冷源。本文針對G-M制冷機中的二級密封作用進行了實驗研究,結果表明：當溫度下降到80K 以下區間，二級蓄熱材料的熱容發生轉變，熱容量變小，制冷量不足，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度，二級密封的作用顯著體現。

　　低溫真空泵一般簡稱為低溫泵或者冷泵（cryopump），從廣義上來講，是利用低溫面冷凝、吸附氣體的一種氣體捕集式真空泵裝置，是由真空和低溫技術結合而形成的一種應用技術^[1]。本文針對低溫泵制冷機的二級密封的作用和原理進行了研究，所指的低溫泵是指以小型制冷機為冷源的一種高抽速、無污染的高真空泵，在許多試驗研究中作為產生高真空高潔凈的基礎手段，在工業生產領域，IC、LCD、HD 的生產中，主要作為薄膜沉積工藝真空系統的標準配置，具有廣泛和重要的應用領域。

　　低溫泵的基本結構如圖1 所示， 由制冷機、第一級冷凝陣列、第二級冷凝陣列、泵殼體組成。

圖1 低溫泵的基本結構

　　制冷機的第一級和第二級冷頭用來冷卻兩級冷凝陣列。冷凝陣列和冷頭之間采用銦片來進行熱耦合以便獲得高的熱傳導。在實際使用中，兩級冷頭的溫度由各自的熱負載和熱傳導決定。一級冷凝陣列主要用來冷凝水氣、CO₂、碳氫化合物，同時為第二級陣列提供熱屏蔽。第二級冷凝陣列包括冷凝表面和吸附表面。吸附表面對于抽取Helium、Hydrogen 和Neon 是至關重要的。二級冷凝陣列由一級冷凝陣列提供屏蔽，通常用活性碳作為吸附劑，確保其他氣體冷凝在一級冷凝陣列上。

1、G-M制冷機原理

　　G-M制冷機是Gifford-McMahon 制冷機的簡稱，是一種回熱式小型低溫制冷機，它利用絕熱放氣膨脹（又稱為西蒙膨脹）原理獲得低溫，具有結構簡單，運行可靠，性能穩定，使用壽命長等許多優點，現代低溫真空泵絕大多數采用G-M制冷機作為冷源，利用氦氣絕熱膨脹產生低溫。該制冷機在上世紀六十年代就已經出現^[2,3]。隨后其可靠性不斷得到提高。

　　在給定壓縮機參數的情況下，G-M制冷機的制冷量與制冷溫度之間是函數關系。隨著溫度降低，由于熱損失的增加，制冷量會顯著下降。實際應用中，為了在60 K 以下獲得可用的制冷量，在壓縮機尺寸一定的情況下，使用如圖2 所示的兩級串聯式系統。在這種配置中，一級溫度約80 K，阻止了來自室溫的大部分熱傳導和熱輻射，也補充了蓄冷器的損失。然后利用二級能夠獲得低于15 K 的溫度。

圖2 兩級G-M制冷機原理圖

2、試驗方案

　　G-M制冷機因為具有振動小，安裝和使用方便的特點，常常被用作低溫泵及低溫試驗裝置的冷源，廣泛應用于物理、化學、磁學、熱學等需要低溫環境的研究領域。制冷機的運行壽命與可靠性，及壓縮機的濾油技術和二級密封是工程上的技術難點^[5]。

　　二級密封是制冷機活塞/ 置換器組件中的一個關鍵部件，如果出現問題，整個制冷機很難降到最低溫度，同時在工作過程中出現降溫速度的減慢、停降、溫度回升等不正常現象，造成制冷機性能下降、壽命降低，甚至失去抽氣功能。

　　根據結構功能，二級密封的作用主要是防止二級的漏氣，在起密封作用的同時，二級密封同樣會產生摩擦損失。

　　本文通過考慮二級密封失效的極限情況，即沒有二級密封的情況下，制冷機的實際工作情況來研究二級密封的作用，試驗方案是對制冷機在安裝二級密封和不安裝二級密封的兩種情況下進行對比，以此來對其進行分析。

　　本試驗使用的主要設備如下：

　　低溫泵：Austin Scientific CyoPlex- 8
　　壓縮機：Austin Scientific M125
　　測溫裝置：Austin Scientific E500

2.1、試驗平臺的設計

　　本實驗主要是研究二級密封對于低溫泵性能的影響。低溫泵的性能主要體現在二級冷頭的溫度上。所以實驗設備并沒有考慮使用模擬腔體。而是將低溫泵安放在一塊不銹鋼盲板上，在盲板的另一端打孔，焊接上兩個KF40 的接口,用來安裝抽氣管路和真空計。

　　抽氣系統由機械式旋片泵、氣動閥門、充氣閥門、真空計、壓縮機空氣以及氮氣分配系統組成。低溫泵的氦氣提供系統由M125 氦氣壓縮機、密封金屬軟管、冷水機組成。

　　溫度記錄系統由測溫二極管、E500溫度監視控制器、PC機和溫度記錄軟件組成。

2.2、試驗流程

　　在本實驗中，拆除二級密封之后，重新組裝低溫泵是該實驗的難點。如果因為分解和組裝不當而破壞了低溫泵，那么測量得到的數據并不能反應二級密封的作用。因為制冷機工作依靠高純氦氣（>99.999%），任何雜質氣體進入制冷機都會引起低溫泵性能的下降。

　　實驗的流程為：先將低溫泵制冷狀態進行測試，記錄其降溫時間和極限溫度。然后將低溫泵進行分解，拆除二級密封并安裝到位，記錄其降溫時間和極限溫度。試驗流程框圖如圖3。

圖3 試驗流程

2.3、試驗結果和分析

　　圖4 為低溫泵二級冷頭的溫度- 時間曲線，每分鐘記錄一次二級冷頭的溫度。溫度單位為K。三角形為正常情況下的低溫泵二級溫度-時間曲線，菱形為不安裝二級密封的溫度- 時間曲線。

圖4 二級冷頭降溫曲線

　　從圖4 中可以看出，在整個降溫過程中，兩條曲線開始時并沒有什么區別, 只是在降溫的低溫區有所區別。

　　圖5 為80 K 溫度下的溫度- 時間曲線的局部放大。從圖中可以看出，安裝二級密封的情況下，冷頭降溫明顯加快，且極限溫度低，而不安裝二級密封的降溫慢，且極限溫度高。之間的差值就是二級密封情況下引起的冷量損失。

圖5 80K 以下降溫曲線

　　制冷機的實際制冷量Qac，也就是有效制冷量與整個系統中所有冷量損失Qloss 之和的差值^[6]。

　　當制冷機的理論制冷量與系統中的所有損失之和達到平衡時，其有效制冷量為零。這時，對應的制冷溫度叫做最低制冷溫度，或稱作無負荷制冷溫度。

　　G-M制冷機的損失，包括：

　　(1)回熱器重換熱不完全等因素引起的回熱器損失Qr；
　　(2) 排除器往復運動造成的“穿梭”損失Qsh；
　　(3) 軸向導熱損失Qcond；
　　(4) 泵氣損失Qpu
　　(5) 空容積損失Qvoid
　　(6) 密封漏氣和摩擦損失Qleak
　　(7) 室溫輻射損失Qrad
　　(8) G-M制冷機的其他因素損失Qother

　　在制冷機設計結構一定的情況下，二級密封引起的冷量損失對于二級溫度的數值具有顯著影響直接決定了系統的最低制冷溫度，或者說是低制冷溫度數值反映了實際制冷量的變化。

3、結論

　　從試驗結果可以看出， 在高于80 K 的溫區，在二級蓄熱材料熱容足夠的情況下，活塞與氣缸壁之間的漏氣損失引起的二級溫度變化不明顯，無二級密封情況引起的損失，并不影響低溫泵的二級溫度。有無安裝二級密封引起的主要差別發生在進入80 K 以下溫度區間。當溫度下降到＜80 K 時，二級蓄熱材料的熱容發生轉變，熱容量變小，制冷機的制冷量不足，二級密封的作用顯著體現。因此二級密封的主要作用可以認為是在低溫區防止二級活塞和氣缸壁之間的氣體串氣，從而影響到低溫泵的極限制冷溫度。

參考文獻

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　　[5] 陳家富， 嚴善倉， 趙東輝.10W/20K，80W/80K G-M制冷機的設計與研究[J ]. 低溫與超導，2003 , 31(1): 3 .
　　[6] 陳國邦，湯珂.小型低溫制冷機原理[M]. 北京:科學出版社,2010.