环境模拟器低温泵测试系统设计

环境模拟器低温泵测试系统设计大口径低温泵测试系统可为环模设备低温泵提供完整的性能参数。本文介绍了一种大口径、大抽速低温泵的测试系统，对各分系统构造功能开展了详细描述。其使用流量法和流导法两种方法提供在1×10-6Pa至10Pa范围内的抽速、预冷时间、极限真空度等参数的测量。此系统同时具有加热烘烤和可调节气体流量的功能。

随着环模设备容量的不断增大，真空系统对于大抽速、高真空、清洁无油的低温泵需求也越来越强，同时对于低温泵性能测试设备的要求也随之提高。本文介绍了一种国内最新的大口径低温泵测试系统，能完成氮气等气体抽速、低温泵预冷时间、低温泵极限真空度的测定，测试罩极限真空小于1×10-6Pa，控制精度优于0.5%F.S。1、低温泵测试系统的总体设计及测试原理

低温泵测试系统主要由测试罩、真空测量系统、真空获得系统、流量控制系统、加热系统、循环水系统、数据采集及控制系统等部分组成。其总体设计原理如图1所示。

抽速测试方法分为两部分，流量法和标准流导法。流量法主要用来得到低真空下(>10-3Pa)的抽速、测试低温泵的容许真空度和流量上限；流导法主要是利用分子流下的小孔流导来测试高真空下(<10-3Pa)泵的抽速等性能参数。

图1低温泵测试系统总体构造图2、低温泵测试罩设计

2.1、罩体设计

测试罩提供气体通导和测试空间，要求其放气量小，选用不锈钢材料；结合目前各种真空泵测试标准，计算出筒体的各尺寸(见图2)。

图2低温泵测试罩基本尺寸图

筒体采用卧式构造，稳定性好的短圆筒型真空容器；筒体尾部采用蝶型封头构造。筒体分为大小两部分，大腔为第一级，接流量控制系统的输出弯管，Φd的小孔为流导孔，小腔通过大法兰与低温泵连接，两个真空规法兰连接高精度全量程真空规，用来测量两腔真空度。大法兰和低温泵连接，采用氟橡胶密封圈密封，真空规采用刀口法兰密封，其他接口均采用氟橡胶方式密封。

下面从蒙特卡罗法传输几率上说明此设计尺寸的优点。4、真空测量系统

真空测量范围要求为10-7Pa~105Pa，使用全量程真空规，分别测量低真空和高真空两部分。系统采用三个采样点检测：两个真空规测量大腔和小腔的真空度，安装位置为两腔轴线中间位置(见图2)，原则上小腔侧真空规位置尽量靠近泵口，但考虑到真空度分布梯度，为了得到真空度均值，我们选择了中间位置。流量控制系统反应信号测量规作为辅助规。5、加热系统

加热系统用来对低温泵和测试罩开展烘烤放气，测试极限真空度，以及泵罩系统回温再生。系统采用筒体外部缠绕加热带和内部使用红外加热灯阵的方案。加热带主要对泵罩外壳加热，红外灯阵对低温泵内部障板加热；由于加热对象对温度范围和加热速度、精度要求不一样，所以加热带和红外灯阵的电控系统相互独立，分别闭环控制。

红外灯阵对低温泵内部障板加热烘烤，控温精度要求较高，通过贴片铂电阻采集障板温度，闭环反应到一个单输入单输出0.1%F.S级高精度控温仪，通过控温仪控制固态继电器通断，使红外灯阵交替开关，从而开展PID调节控温。6、流量控制系统

流量控制系统原理图如图3所示，闭环系统，压力模式下流量控制器通过反应的真空度，控制阀门，从而调节进气量；流量模式下控制器和可控阀门组成控制系统，直接控制流量；整个流量系统控制精度为0.5%F.S。可控阀门要求节流口前后压差稳定在0.1MPa左右，因此在气源出口减压器低压端安装一个高精度气体压力传感器，精度10Pa，用来监测入口压力，出口压力工况下为真空环境，近似认为压力为0Pa。7、实验数据

图4是使用流导法测出的低温泵真空度-抽速曲线，P1、P2分别是大腔和小腔真空度，从图中可以看到泵口真空度优于3×10-3Pa时抽速最大，到达70000L·S-1。

在气体负载即P1真空度到达3×10-2Pa，接近低温泵工作极限时，泵抽速降低，只有58000L·S-1左右，与经典理论不符，我们分析可能是由于压力突然升高造成气体由分子流转化为粘滞流，造成压力梯度过大，真空规采集出现误差造成，或者是由于泵口压力升高传输几率变小的原因。综合来看低温泵对于干燥氮气的抽速在60000~70000L·S-1