第九讲：真空系统组成元件

王继常
(东北大学)

2．3冷凝捕集器
2．3．1概述
    冷凝捕集器又称冷阱，是利用低温冷壁来捕集可凝性蒸气的一种低温冷凝捕集器。冷阱被广泛应用于高真空和超高真空系统中，安装在主泵入口和真空室之间的管路上。冷阱不仅能有效地捕集来自蒸气流泵的返流蒸气和部分裂解物，而且还可抽除来自真空室内的可凝性蒸气。冷阱的效果除了取决冷阱的设计原则为：a冷凝部位应具有较大的冷凝面积．b结构为光学密闭的，防止蒸气分子直线通过；c有尽可能大的流导；d冷剂消耗尽量少；e清洗拆装方便。
    冷阱的结构型式很多，就材质而言，有金属冷阱和玻璃冷阱两类。
2．3．2冷阱的典型结构
    于其结构之处，还取决于所使用的冷壁温度，低温冷壁的温度愈低效果愈好。使用冷阱应遵守一定规则;在加入冷剂前，应将容器抽空到足够低的压强,使可凝性气体被大量排除后再加入冷剂；在使用过程中,由于冷剂的损耗而使冷剂液面不断下降，露出无冷剂接触的壁面，这些表面的温度回升，使已被冷凝的蒸气重新蒸发，所以要设法使冷剂的液面尽量处于恒定位置。常用冷剂的制冷温度见表5。
    金属冷阱中，盛装冷剂的容器一般用不锈钢制成，在其壁上焊上若干捕集片，以增大低温壁板的表面积和阻挡蒸气分子进入真空室的作用。图39是一种长效冷凝捕集器，它采用双层结构，在中间装有冷凝捕集片，其特点是捕集效果好，不需要经常加液氮。图40的结构具有较大流导，可防止蒸气分子向上蠕动。它有两层结构，内装一盛冷荆的冷剂筒,其间具有双百叶窗式捕集片组，具有较好的阻挡蒸气分子的作用。图4l是一种高效冷凝捕集器，这种结构的特点是在其上法兰口处，有一个防止油分子爬移的障筒，它可使返油率大为降低，其结构紧凑，捕集效率高。图42是一种常见多用的冷凝捕集器，靠金属热传导杆3，将捕集片2与冷剂容器连接起来进行热交换而使捕集片2保持低温状态。图43是另一种金属冷阱，它结构简单，效果较好。图e中的件 l、2是防止蒸气分子通过冷阱飞入真空室的障板。图44是一种复合式冷阱，其特点是在中央设置了一个拇指形的冷阱筒，筒内装冷剂。在筒周围焊有两层挡油筒环，气路如箭头方向所示，捕集效果很好。此外在结构上还设置了分子筛盒(上、下各一处)，可存放分子筛，以在冷凝的基础上再复加上吸附效应。图45是中心带有液氮罐的冷阱。
    玻璃冷阱采用杜瓦瓶的形式，分为两层或多层，两层之间抽成高真空，以降低热传导损失。瓶内壁靠近真空的一面，若有条件时还可镀一层银，以加强热反射。玻璃冷阱的型式很多．图46是常见的几种玻璃冷阱的结构.
2．2．3冷阱的抽速
    冷凝捕集器对蒸气分子的抽速类似于低温泵的抽速，是指在捕集器中的蒸气压强下，单位时间内凝结在冷却壁上的蒸气体积。设冷阱的有效冷凝表面积为A，空间蒸气的热力学温度、粒子数密度和分压强分别为T₁,n₁,p₁；v₁的平均速度是对应于T1温度下的蒸气分子的热运动平均速率。冷阱的冷凝表面的热力学温度为T₂,在T₂温度下蒸气的饱和蒸气压为P₂，粒子数密度为n₂，蒸气分子热运动平均速率为v₂的平均速度。根据“碰撞频率”的概念，单位时间内碰撞冷凝表面的蒸气分子数N₁为

S_H2O=147A m³/s
S_Hg=44A m³/s

(未完待续)

表5 常用冷剂的致冷温度和CO₂、H₂O、Hg蒸汽压

冷剂	105Pa下制冷温度℃	饱和蒸汽压[Pa]
		CO2	H2O	Hg
冰	0	-	6.1×102	6.6×10-2
含冰盐水	-18	-	1×102	4×10-4
掺水氯化钙	-48	-	5.3	5.3×10-5
固体二氧化碳
丙酮混合物	-78	8.9×102	6.6×10-2	1.3×10-8
液态氧	-183	1×10-4	1.3×10-19	1.3×10-30
液态氮	-196	1.3×10-6	1.3×10-19	1.3×10-30
液态氢	-258		1.3×10-20