低温真空泵制冷机二级密封作用试验

　　低温真空泵一般简称为低温泵或者冷泵(cryopump)，从广义上来讲，是利用低温面冷凝、吸附气体的一种气体捕集式真空泵装置，是由真空和低温技术结合而形成的一种应用技术[1]。本文针对低温泵制冷机的二级密封的作用和原理进行了研究，所指的低温泵是指以小型制冷机为冷源的一种高抽速、无污染的高真空泵，在许多试验研究中作为产生高真空高洁净的基础手段，在工业生产领域，IC、LCD、HD 的生产中，主要作为薄膜沉积工艺真空系统的标准配置，具有广泛和重要的应用领域。

　　低温泵的基本结构如图 1 所示，由制冷机、第一级冷凝阵列、第二级冷凝阵列、泵壳体组成。

　　制冷机的第一级和第二级冷头用来冷却两级冷凝阵列。冷凝阵列和冷头之间采用铟片来进行热耦合以便获得高的热传导。在实际使用中，两级冷头的温度由各自的热负载和热传导决定。一级冷凝阵列主要用来冷凝水气、CO2、碳氢化合物，同时为第二级阵列提供热屏蔽。第二级冷凝阵列包括冷凝表面和吸附表面。吸附表面对于抽取Helium、Hydrogen和 Neon 是至关重要的。二级冷凝阵列由一级冷凝阵列提供屏蔽，通常用活性碳作为吸附剂，确保其他气体冷凝在一级冷凝阵列上。

　　1 G-M制冷机原理

　　G- M 制冷机是 Gifford- McMahon 制冷机的简称，是一种回热式小型低温制冷机，它利用绝热放气膨胀(又称为西蒙膨胀)原理获得低温，具有结构简单，运行可靠，性能稳定，使用寿命长等许多优点，现代低温真空泵绝大多数采用G- M 制冷机作为冷源，利用氦气绝热膨胀产生低温。该制冷机在上世纪六十年代就已经出现[2, 3]。随后其可靠性不断得到提高。

　　在给定压缩机参数的情况下，G- M 制冷机的制冷量与制冷温度之间是函数关系。随着温度降低，由于热损失的增加，制冷量会显著下降。实际应用中，为了在 60 K 以下获得可用的制冷量，压缩机尺寸一定的情况下，使用如图 2 所示的两级串联式系统。在这种配置中，一级温度约 80 K，阻止了来自室温的大部分热传导和热辐射，也补充了蓄冷器的损失。然后利用二级能够获得低于15 K的温度。

　　2试验方案

　　G- M 制冷机因为具有振动小，安装和使用方便的特点，常常被用作低温泵及低温试验装置的冷源，广泛应用于物理、化学、磁学、热学等需要低温环境的研究领域。制冷机的运行寿命与可靠性，及压缩机的滤油技术和二级密封是工程上的技术难点[5]。

　　二级密封是制冷机活塞/ 置换器组件中的一个关键部件，如果出现问题，整个制冷机很难降到最低温度，同时在工作过程中出现降温速度的减慢、停降、温度回升等不正常现象，造成制冷机性能下降、寿命降低，甚至失去抽气功能。