[发明专利]利用锡锑合金的低温泵及其使用方法

说明书

相关申请

本申请主张2008年4月4日申请的美国临时申请第61/123,037号的优先权权利。

将上述申请的全部教示以引用的方式并入本文中。

发明背景

目前可用的低温真空泵(低温泵)一般都遵循共同的设计概念。通常操作范围在4至25K的低温数组是主要的泵表面。此表面由较高温度的辐射屏蔽所包围，后者经常操作于60至130K的温度范围。辐射屏蔽保护较低温度的数组免受辐射热。辐射屏蔽一般包含封闭的壳罩，但留有开口，在此把前置数组定位于主要泵表面和要抽空的工作腔室之间。

在操作期间，例如水气的高沸点气体凝结于前置数组上。低沸点气体通过数组而进入辐射屏蔽里的空间并凝结于较低温度的数组上。也可以在此空间里提供涂覆以吸附剂(例如木炭)的表面或操作于较冷数组的温度或以下的分子筛，以移除极低沸点气体(例如氢)。由于气体因此凝结和/或吸附于泵表面上，工作腔室里便产生了真空。

在闭路循环的低温冷却器所冷却的系统，冷却器是典型的二阶段致冷器，其具有延伸经过辐射屏蔽后方或侧面的冷指(cold finger)。高压氦冷媒一般是从压缩机组件经过高压管线而传递到致冷器。通往冷却器里的位移器驱动马达的电力也经常透过压缩机或控制器组件来传递。

辐射屏蔽是在致冷器的第一阶段的最冷末端处连结于热槽或冷站。屏蔽以免受辐射热的方式包围着第二阶段低温板。前置数组经由附接于辐射屏蔽或者如美国专利第4,356,701号所揭示地经由热支柱(thermal strut)，而由第一阶段热槽所冷却。

低温冷却器的最冷的第二阶段的最冷末端是在冷指的尖端。主要泵表面或 低温板在第二阶段的此最冷末端处连结于热槽。此低温板可以是单纯的金属板或杯，或者它可以是排列和连结于第二阶段热槽周围的金属挡板数组。此第二阶段低温板也支持着低温吸附剂。

对于用来制造最可靠和最高效率的低温泵的复杂科技的某方面来说，已有许多努力投注在选择用于低温致冷器(例如Gifford-McMahon、Stirling、脉冲管等低温致冷器)的再生性热交换器的材料。一般偏好再生性热交换器在低温展现高的体积热容量。然而如图1所示，大部分的金属体积热容量随着温度下降低于75K而展现急剧减少；相对而言，氦的体积热容量在25K以下急剧增加，尖峰在大约10K。图1所示锡、锑、氦、铅的比热数值得自参考数据，如揭示于物质的热物理性质：比热：金属性元素和合金(Thermophysical Properties of Matter：Specific Heat：Metallic Elements and Alloys，Y.S.Touloukian和E.H.Buyco，第4册)以及比热：非金属性液体和气体(Specific Heat：Nonmetallic Liquids and Gases，Y.S.Touloukian和T.Makita，第6册)(IFI/Plenum，纽约，1970年)，其所有教示的内容并于此以为参考。图1所示二种或更多种金属的混合物的比热数值则是依据所示混合物的组成百分比来调整纯金属的已知比热数值而计算得出。低温致冷器典型使用铅(Pb)做为第二阶段再生性热交换器的构件，此乃因为铅在低温具有比较高的体积热容量。

然而，铅是可以伤害神经系统的有毒金属，特别是对幼小儿童，并且引发血液和脑部异常。长期暴露于铅或其盐类(特别是可溶性盐类或强氧化剂PbO₂)可以导致肾脏病变和类似疝气的腹绞痛。因此，现在产品中使用铅已遭到禁止、限制或非所欲。

其它再生性材料也有缺点。举例而言，包含稀土元素的金属间化合物极为昂贵。此外，金属间的化合材料要比金属化合物更硬、更脆，因此难以制成低温致冷器的再生性热交换器所需的几何形状。这些材料表现也比较差，此乃因为当它们在致冷器的正常操作期间暴露于重复的机械冲击时会轻易地解构成粉末。铋是具有高体积热容量的另一种金属，但是它非常贵且脆，难以制成再生器材料所需的球形。铋也会像金属间化合物一样解构成粉末，并且额外缺点是铋粉末是高度易燃和极易与铝和空气反应。铝是建构低温致冷器所常见的材料，因此当致冷器于空气中拆解时，粉末可能就会起反应。

所以，需要较不危险和不昂贵的高体积热容量的再生性热交换器材料，其不会于操作期间而有随着时间劣化的倾向，并且能够形成所需的几何形状。

发明内容