一种低温泵的制作方法

1.本发明涉及低温泵领域，具体涉及一种低温泵。


背景技术：

2.低温泵是一种利用制冷机将低温板冷却，通过低温冷凝及低温捕集方式将气体吸附在其低温板上的抽真空设备。
3.低温泵包含罩体、防辐射屏、挡板、冷伞阵列及制冷机。防辐射屏与挡板通过热接触的方式安装与制冷机的一级冷却台上，被冷却至80k左右，冷伞阵列以热接触的方式安装与制冷机的二级冷却台上，被冷却至10k左右。防辐射屏与挡板形成包围结构，将制冷机的二级冷却台及冷伞阵列包围在内。通过低温泵罩体开口，经挡板气道进入防辐射屏内部的气体，在冷伞阵列上冷凝为固体。随着进入气体的量的增加，冷凝固态物的厚度也增大，当厚度增加至一定值后，低温泵对气体的冷凝能力开始下降，此时吸附在冷伞阵列上的气体总量为低温泵排气容积的极限值。
4.冷伞阵列一般为沿低温泵罩体进气口的轴线方线依次布置的多块平行的低温板，气体经过防辐射屏进气口进入防辐射屏内部后与冷凝板接触并被冻结，在配置有多块低温冷凝板的低温真空泵中，不同位置的低温冷凝板所冻结的气体量在总气体量中的占比也不同，沿轴线从靠近进气口至远离进气口，低温冷凝板上所冻结的气体量占比逐渐减少，即大分部进入低温泵的气体被最靠近进气口的顶部低温板捕集，剩余小部分气体被其他低温冷凝板捕集。低温冷凝板表面的固态冷凝物的厚度随着冷凝板上所冻结气体量的增加而增加，厚度的增加导致冷凝物表面温度升高，任意一块冷凝板上固态冷凝物的表面温度升高至一定值后，低温泵的抽气能力大幅度下降，此时认为冷凝板上所冻结的全部气体为低温泵的排气容积。最靠近进气口的冷凝板上固态冷凝物厚度最先达到极限值，此时其他冷凝板上固态物的厚度远小于极限值，通过改变低温泵冷凝板上冻结气体量的占比，可以实现多块冷凝板上的固态物同时达到极限厚度，则可以大幅度增加低温泵的排气容积。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供一种能够提高排气容积极限值的低温泵。
6.技术方案：本发明的低温泵与真空腔室连接，包括罩体、制冷机、防辐射屏、低温挡板以及冷伞阵列；所述罩体内收纳有防辐射屏和制冷机；所述制冷机穿过防辐射屏并伸入防辐射屏空腔内部，冷伞阵列以热连接的方式与所述制冷机连接，并放置于防辐射屏内部；所述防辐射屏包括主防辐射屏和辅助防辐射屏，主防辐射屏呈筒状，且顶部设有开口；所述辅助防辐射屏同轴设置在主防辐射屏内部，辅助防辐射屏与主防辐射屏之间围成环形的辅助气体通道，辅助防辐射屏长度小于主防辐射屏，辅助防辐射屏两端均呈开口状，顶部安装低温挡板，低温挡板上开设若干气体通孔；所述冷伞阵列包括多个冷凝板，沿轴线方向布置于制冷机上的第二冷却台的两侧；气体经过低温挡板上的气体通孔、辅助气体通道被分为两股气流，第一股气流经过辅助防辐射屏的低温挡板被冷伞阵列中的一部分冷凝板捕集，
第二股气流经过辅助气体通道被冷伞阵列中的另一部分冷凝板捕集。
7.通过分配两股气流的量，使得冷伞阵列中的顶部冷凝板及底部冷凝板上的固化物上涨速度保持一致；通过分配两股气流的量，减少顶部冷凝板冻结气体的占比，增加其他冷凝板冻结气体的占比，则可以在顶部冷凝板上固态冷凝物厚度达到极限值前，增加其他冷凝板上冷凝物的量，从而增加低温泵的排气容积极限值。
8.还包括泵口法兰，所述泵口法兰安装在罩体顶部，辅助防辐射屏顶面高于泵口法兰，从而扩大了防辐射屏空腔的体积，即容纳冷凝层的容积。
9.所述制冷机包括一级冷却台和二级冷却台；所述主防辐射屏及辅助防辐射屏一级冷却台通过热连接的方式与进行固定；一级冷却台可将主防辐射屏和辅助防辐射屏冷却至第一级温度。
10.所述冷伞阵列与二级冷却台热连接，二级冷却台可将冷伞阵列冷却至第二级温度。
11.所述主防辐射屏和辅助防辐射屏的内表面进行发黑处理，以此提高辐射率。
12.所述冷伞阵列包括冷伞框架，以及在冷伞框架上自上而下同轴配置的第一冷凝板、第二冷凝板、第三冷凝板及第四冷凝板；所述第二冷凝板、第三冷凝板均具有伞状侧面；所述第一冷凝板、第二冷凝板位于辅助防辐射屏内底部，第三冷凝板及第四冷凝板位于主防辐射屏内底部，第一、第二冷凝板用于捕捉并冷凝从低温档板上的气体通孔进入的气体，第三、第四冷凝板用于捕捉并冷凝从辅助气体通道进入的气体。
13.所述第一冷凝板和第四冷凝板的半径相同；所述第二冷凝板、第三冷凝板半径均小于第一冷凝板半径，第三冷凝板半径大于第二冷凝板半径，尽可能的增大冷凝面积。
14.所述主防辐射屏和辅助防辐射屏外表面、低温挡板表面以及冷伞框架各部分的表面均镀镍，以此降低辐射率。
15.所述第一冷凝板的半径为辅助防辐射屏半径的70％～98％，第一冷凝板能够可靠地不与辅助防辐射屏接触并且提供较大的冷凝层生长面积。
16.有益效果：本发明的技术方案与现有技术相比，其有益效果在于：通过多个冷凝板冷凝气体，与仅依靠顶部冷凝板冷凝气体的低温泵相比，多块冷凝板的面积之和大于单一的顶部冷凝伞面积，由此可提高低温泵容积。
附图说明
17.图1为本发明的剖视图；
18.图2为本发明所述低温泵的俯视图；
19.图3为图1沿a-a方向的剖视图一；
20.图4为图1沿a-a方向的剖视图二。
具体实施方式
21.下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明的技术方案进行详细介绍。
22.以下为了方便理解低温真空泵16的构成要件的位置关系，使用“径向”、“轴向”等术语。轴向表示通过经低温挡板上的气体通道6和辅助气体通道7的方向(图2中中心线b的单点划线的方向)，径向表示沿与中心线b垂直的方向。为了方便起见，将在轴向上相对靠近
经低温挡板上的气体通道6的一侧称作“上”，相对远离经低温挡板上的气体通道6的一侧称作“下”。关于径向，有时将相对靠近经低温挡板上的气体通道6的中心(图2中为中心轴b)的一侧称作“内”，将相对远离经低温挡板上的气体通道6的中心的一侧称作“外”。将围绕中心轴b的方向称作“周向”。另外，这种表达与低温真空泵16安装于真空腔室时的配置无关。例如，低温真空泵16也可以以使经低温挡板上的气体通道6沿垂直方向朝下的方式安装于真空腔室。
23.如图1-3所示，低温泵16与真空腔室连接，用于将真空腔室内的真空度提升至预期的级别。低温泵16包括罩体1、制冷机2、辐射屏3、低温挡板4、以及冷伞阵列5。罩体1内收纳有防辐射屏3和制冷机2；制冷机21穿过防辐射屏3并伸入防辐射屏空腔内部，在制冷机2处于防辐射屏空腔内部的一端安装冷伞阵列5。罩体1顶部安装泵口法兰8。
24.制冷机2包括同轴设置的一级冷却台21和二级冷却台22，一级冷却台21将其上附着物降至第一梯级温度(80k左右)，二级冷却台22将其上附着物降温至第二梯级温度(10k左右)，为了展示方便，图中制冷机2结构并未完全体现。一级冷却台21为低温部件，主防辐射屏31与一级冷却台21连接，被一级冷却台21冷却。辅助防辐射屏32可以与主防辐射屏31连接，也可以与一级冷却台21连接，比如一级冷却21是一个圆形，主、辅助防辐射屏各占用半个圆形，只要一级冷却台21能够将辅助防辐射屏32降温即可。
25.防辐射屏3包括主防辐射屏31和辅助防辐射屏32。主防辐射屏31呈圆形筒状，且顶部设有开口，底部为封闭状。一级冷却台21与主防辐射屏31的固定端连接。主防辐射屏31整体位于罩体1内部，且不与其接触。辅助防辐射屏32同轴设置在主防辐射屏31内部，辅助防辐射屏32与主防辐射屏31之间预留辅助气体通道7。辅助防辐射屏32整体呈圆环状，两端均呈开口状，顶部安装低温挡板4，辅助防辐射屏32的直径和长度均小于主防辐射屏31。主防辐射屏31及辅助防辐射屏32通过热连接的方式与一级冷却台21连接。主防辐射屏31、辅助防辐射屏32可被冷却至第一梯级温度(80k左右)。
26.低温挡板4上开设若干气体通孔。低温挡板4直径与辅助防辐射屏32的外径相同，位于防辐射屏3上方，低温挡板4与主防辐射屏31、辅助防辐射屏32和泵口法兰8同轴。低温挡板4与辅助防辐射屏32之间通过适当方式连接，所以可被冷却至第一梯级温度(80k左右)，可减弱来自泵口法兰8方向的辐射热，低温挡板4例如还可以具备格栅状的百叶窗结构。本方案中，低温挡板4与辅助防辐射屏32按以下方式连接，辅助防辐射屏32顶部内壁沿周向配设多个连接块，低温挡板4按某种方式固定于连接块上方；例如，低温挡板4和辅助防辐射屏32都具有螺纹孔，辅助防辐射屏32与低温挡板4通过螺栓固定于连接块上，连接块在配图中并未展示。
27.防辐射屏3沿轴向向上延伸直至超过泵口法兰8，低温挡板4位于泵口法兰8的上方，辅助防辐射屏32顶面高于泵口法兰8，防辐射屏3的上端和低温挡板4位于低温真空泵16的外部因此扩大了防辐射屏空腔13的体积(即容纳冷凝层的容积)。
28.冷伞阵列5包括第一冷凝板51、第二冷凝板52、第三冷凝板53及第四冷凝板54、冷伞框架55，第一冷凝板51、第二冷凝板52、第三冷凝板53及第四冷凝板54在冷伞框架55上自上而下同轴配置，并通过适当方式连接。冷伞阵列5通过适当方式与二级冷却台22连接，所以可冷却至第二级温度(10k左右)。冷伞阵列5整体位于防辐射屏3内部，且不与主防辐射屏31、辅助防辐射屏32、低温挡板4接触。
29.第一冷凝板51、第二冷凝板52位于辅助防辐射屏32内底部，第三冷凝板53及第四冷凝板54位于主防辐射屏31内底部。第二冷凝板52下端不会超过辅助防辐射屏32下端的第二开口。第一冷凝板51、第二冷凝板52、第三冷凝板53和第四冷凝板54的中心均位于低温真空泵16的中心轴c上。冷伞框架55在中心轴c的两侧沿中心轴c配设。第一冷凝板51和第四冷凝板54的半径相同；第二冷凝板52、第三冷凝板53半径均小于第一冷凝板51半径，第三冷凝板53半径可以大于第二冷凝板52半径。第二冷凝板52及第三冷凝板53的形状不同于第一冷凝板51的形状。第二冷凝板52及第三冷凝板53均具有伞状的侧面。第二冷凝板52及第三冷凝板53的上表面和下表面均设有活性炭等吸附剂，伞状侧面不设吸附剂。因此，伞状侧面作为冷凝面而发挥作用，上表面和下表面作为吸附面发挥作用。第四冷凝板54为以与轴向垂直的方式配置的圆板状部件。第四冷凝板54的下表面设有吸附剂。在第四冷凝板54与主防辐射屏31内底面之间形成有底部距离，底部距离小于顶部距离，如图4所示。
30.在主防辐射屏31、辅助防辐射屏32的内表面可以实施发黑处理，以此提高辐射率，此时，主防辐射屏31和辅助防辐射屏32的内表面辐射率几乎等于1。发黑处理可以通过在铜基材的表面镀黑色铬而形成，也可以通过黑色喷涂形成。这种黑色表面有助于吸收进入到低温泵的热量。
31.为了反射来自外部的辐射热，在主防辐射屏31、辅助防辐射屏32的外表面、低温挡板4、第一冷凝板51、第二冷凝板52、第三冷凝板53、第四冷凝板54和冷伞框架55表面镀镍，以此降低辐射率。
32.下面对低温泵作用进行说明。
33.如图2、图3所示，当低温泵正式工作，对与泵口法兰8连接的真空腔室进行抽气时，制冷机2的一级冷却台21被降至第一梯级温度(80k左右)，二级冷却台22被降至第二梯级温度(10k左右)。由此，与一级冷却台21连接的主防辐射屏31、辅助防辐射屏32和低温挡板4被冷却至第一梯级温度，第一冷凝板51、第二冷凝板52、第三冷凝板53及第四冷凝板54共同组成的冷伞阵列5被冷却至第二梯级温度。
34.真空腔室中的气体流入低温泵时，分流成了两部分，一部分经低温挡板4的气体通孔进入到辅助防辐射屏32内，与布置在辅助辐射屏32第二开口上部的冷凝板接触，以冰晶形式堆积在第一冷凝板51、第二冷凝板52上。经由辅助气体通道7，即经主防辐射屏31和辅助防辐射屏32之间的环缝导入到第二开口下部的气体，在第三冷凝板53和第四冷凝板54上部冷凝，且冷凝的气体以冰晶形式堆积在第三冷凝板53和第四冷凝板54上。
35.因为进入低温泵的气体被分流为两部分，使得在第一冷凝板51、第二冷凝板52上冷凝的气体占总气体量的比列降低，在第三冷凝板53和第四冷凝板54上冷凝的气体占总气体量的比列升高，则当第一冷凝板51、第二冷凝板52上固态冷凝物的厚度达到极限值时，第三冷凝板53和第四冷凝板54上冻结的气体量较为分流情况下有所增加，故而提高了低温泵的排气容积。
36.第一冷凝板51的半径为辅助防辐射屏32的半径的70％以上，并且，第一冷凝板51的半径为辅助防辐射屏32的半径的98％以下。第一冷凝板51与低温挡板4之间形成有顶部距离。由此，第一冷凝板51能够可靠地不与辅助防辐射屏32接触并且提供较大的冷凝层生长面积。
37.以下，对上述结构的低温真空泵16的动作进行说明，首先，在开始工作之前用其他
适当的前级泵将真空腔室内部粗抽至例如10pa以下。之后，使低温真空泵16工作。一级冷却台21与二级冷却台22通过制冷机2的驱动被冷却，与一级冷却台21连接的主防辐射屏31、辅助防辐射屏32、低温挡板4被冷却至第一级温度，与二级冷却台22连接的冷伞阵列5被冷却至第二级温度。
38.从真空腔室流向低温真空泵16的气体的一部分与低温挡板4撞击，其他一部分则通过低温挡板4上的气体通孔进入到防辐射屏空腔13上部。并且，另一部分气体从主防辐射屏31与辅助防辐射屏32之间的辅助气体通道7进入到防辐射屏空腔13下部。
39.在第一梯级温度下蒸汽压充分降低的第1种气体(例如水)冷凝在低温挡板4的表面。在第二梯级温度下蒸汽压充分降低的第2种气体(例如氩)冷凝在冷伞阵列5的表面。在第二梯级温度下蒸气压也未充分降低的第3种气体(例如氢)被冷伞阵列5上的被冷却的吸附剂吸附。由此，低温真空泵16能够使真空腔室排气，实现所希望的真空度。
40.在低温真空泵16中，通过安装各种结构特征，使第2种气体的冷凝层生长速度均等化。因此，能够避免第2种气体集中冷凝于特定的冷凝板(例如第一冷凝板5a)上。第2种气体均等的冷凝于各冷凝板上，低温真空泵16的内部空间的利用率变得极高。当第2种气体的冷凝层生长而与低温挡板4或防辐射屏3接触时，防辐射屏空腔13几乎不剩空余空间。因此，达到提高低温泵抽取氩气气体容积极限的目的。
41.本方案将防辐射屏3拆分成主防辐射屏31和辅助防辐射屏32，形成低温挡板上供气体通过的通道6与辅助气体通道7，辅助防辐射屏31与挡板置于主防辐射屏空腔13内，辅助防辐射屏32与主防辐射屏31共同围成环形空间；冷伞阵列5具备多个冷凝板，顶部冷凝板位于低温挡板及辅助防辐射屏的下端开口之间，底部冷凝板位于辅助防辐射屏下端开口与主防辐射屏封闭端之间。通过罩体1进气口进入的气体经过低温挡板4的流道、主防辐射屏31与辅助防辐射屏32围成的环形空间(即辅助气体通道7)被分为两股气流，第一股气流经过辅助防辐射屏32的上端开口被顶部冷凝板捕集，第二股气流经过辅助气体通道7被底部冷凝板捕集。通过分配两股气流的量，使得顶部冷凝板及底部冷凝板上的固化物上涨速度一致，则两片冷凝板上的冷凝固体可同时达到最大厚度。
42.以上，根据实施例对本发明进行了说明。但本发明并不限定于上述实施方式，本领域技术人员可以理解能够实施各种设计变更，并且可以存在各种变形例，并且这种变形例也包括在本发明的范围内。例如，通过更改低温挡板4的开孔方式及尺寸，来增大或减小氩气气体流经低温挡板上供气体通过的通道6的流导，从而达到调节低温挡板上供气体通过的通道6和辅助气体通道7的流导比例，达到相同的效果。通过在防辐射屏内部增加或减少气体冷凝板的数量从而达到相同的效果。
43.还可以通过改变主辐射屏和辅助防辐射屏之间间距，从而达到调节低温挡板上供气体通过的通道6和辅助气体通道7的流导比例，达到相同的效果。
44.本实施例采用的低温真空泵16为所谓的l式低温真空泵。l式低温真空泵通常是指制冷机2配设成与低温真空泵16的中心轴c交叉(通常为正交)的低温真空泵。另外，本发明同样可以适用于所谓的立式低温真空泵。立式低温真空泵是指制冷机沿低温真空泵的轴向配设的低温真空泵。

技术特征：
1.一种低温泵，该低温泵与真空腔室连接，包括罩体(1)、制冷机(2)、防辐射屏(3)、低温挡板(4)以及冷伞阵列(5)；所述罩体(1)内收纳有防辐射屏(3)和制冷机(2)；所述制冷机(21)穿过防辐射屏(3)并伸入防辐射屏空腔内部，冷伞阵列(5)以热连接的方式与制冷机(21)连接，并放置于防辐射屏(3)内部；其特征在于：所述防辐射屏(3)包括主防辐射屏(31)和辅助防辐射屏(32)，主防辐射屏(31)呈筒状，且顶部设有开口；所述辅助防辐射屏(32)同轴设置在主防辐射屏(31)内部，辅助防辐射屏(32)与主防辐射屏(31)之间围成环形的辅助气体通道(7)，辅助防辐射屏(32)长度小于主防辐射屏(31)，辅助防辐射屏(32)两端均呈开口状，顶部安装低温挡板(4)，低温挡板(4)上开设若干气体通孔；所述冷伞阵列(5)包括多个冷凝板，沿轴线布置于制冷机(2)上的第二冷却台(22)的两侧；气体经过低温挡板(4)上的气体通孔、辅助气体通道(7)被分为两股气流，第一股气流经过辅助防辐射屏(32)的低温挡板被冷伞阵列(5)中的一部分冷凝板捕集，第二股气流经过辅助气体通道(7)被冷伞阵列(5)中的另一部分冷凝板捕集。2.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：通过分配两股气流的量，使得冷伞阵列(5)中的顶部冷凝板及底部冷凝板上的固化物上涨速度保持一致。3.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：还包括泵口法兰(8)，所述泵口法兰(8)安装在罩体(1)顶部，辅助防辐射屏(32)顶面高于泵口法兰(8)。4.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：所述制冷机(2)包括一级冷却台(21)和二级冷却台(22)；所述主防辐射屏(31)及辅助防辐射屏(32)与一级冷却台(21)通过热连接的方式进行固定。5.根据权利要求4所述的低温泵，其特征在于：所述冷伞阵列(5)与二级冷却台(22)热连接。6.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：所述主防辐射屏(31)和辅助防辐射屏(32)的内表面进行发黑处理。7.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：所述冷伞阵列(5)包括冷伞框架(55)，以及在冷伞框架(55)上自上而下同轴配置的第一冷凝板(51)、第二冷凝板(52)、第三冷凝板(53)及第四冷凝板(54)；所述第二冷凝板(52)、第三冷凝板(53)均具有伞状侧面；所述第一冷凝板(51)、第二冷凝板(52)位于辅助防辐射屏(32)内底部，第三冷凝板(53)及第四冷凝板(54)位于主防辐射屏(31)内底部。8.根据权利要求7所述的低温泵，其特征在于：所述第一冷凝板(51)和第四冷凝板(54)的半径相同；所述第二冷凝板(52)、第三冷凝板(53)半径均小于第一冷凝板(51)半径，第三冷凝板(53)半径大于第二冷凝板(52)半径。9.根据权利要求1所述的低温泵，其特征在于：所述主防辐射屏(31)和辅助防辐射屏(32)外表面、低温挡板(4)表面以及冷伞框架(55)各部分的表面均镀镍。10.根据权利要求7所述的低温泵，其特征在于：所述第一冷凝板(51)的半径为辅助防辐射屏(32)半径的70％～98％。

技术总结
本发明公开了一种低温泵，包括罩体、制冷机、防辐射屏、低温挡板及冷伞阵列；防辐射屏由主防辐射屏及辅助防辐射屏构成，主防辐射屏为一端开口，另一端封闭的桶装结构，辅助防辐射屏置于主防辐射屏内，与主防辐射屏间围成环形的辅助气体通道；辅助防辐射屏两端呈开口状，顶部安装低温挡板，低温挡板上设置有供气体通过的通道；冷伞阵列包括多个冷凝板，冷凝板沿轴线方线布置于第二冷却台的两侧；进入低温泵的气体被分为两股，第一股气体经低温挡板上的气体通道被冷凝板捕集，第二股气流经过辅助气体通道冷凝板捕集。本发明的技术方案能够提高排气容积极限值。排气容积极限值。排气容积极限值。


技术研发人员：卢政阳 管承红 杨晨 陈杰 李艳锋
受保护的技术使用者：中船重工鹏力（南京）超低温技术有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/22