活塞間隙型流導性能研究

　　本文設計了一種基于活塞間隙的微小流導結構，流導數值可調，采用實(shí)驗的方法研究了微小流導的壓力特性、溫度特性及調節重復性。討論了該流導在微小氣體流量計量的應用情況及前景。

　　動(dòng)態(tài)流導法真空標準裝置、真空漏率校準裝置的測量下限受常用氣體微流量計測量下限的限制。如恒壓流量計流量小于10^-8 Pa·m³/s 量級，不確定度已不可接受。已知流導值的微小流導可以提供更小的氣體流量，從而延伸動(dòng)態(tài)流導法真空標準裝置或真空漏率校準裝置的測量下限。同時(shí)，微小流導也可以在精度要求相對較低的條件下拓展流量上限。

　　流導器件的實(shí)現方式有多種，最為簡(jiǎn)單的結構是在薄壁上加工微小孔洞，可通過(guò)激光或者機械加工制作。德國PTB 通過(guò)改造針閥的方法研制了一種流導，韓國KRISS 通過(guò)將三根鎢絲置于小孔內的方式研制了一種流導結構，日本NMIJ 采用金屬顆粒燒結方式的流導結構。采用上述幾種流導結構制造的流導，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為其流導值不易準確預估。本文研制了以活塞間隙為限流元件的流導結構，屬環(huán)形圓管道，由于活塞制造工藝成熟，流導數值可預估且可調。為便于應用，我們采用實(shí)驗的方法研究了其各項特性。

1、流導結構

　　本文以活塞間隙作為限流結構，設計了流導器件，具體結構如圖1 所示�；钊�13 的名義面積為1 cm²，活塞筒1 與活塞桿13 的最大配合距離為3 cm，活塞名義間隙為5 μm(由于加工重復研磨，估計實(shí)際間隙約為8~10 μm)。流導在工作過(guò)程中，工作氣體從流導左側箭頭處流入，流經(jīng)活塞筒1 與活塞桿13 配合間隙，經(jīng)過(guò)環(huán)形通道，從出氣管2沿箭頭方向流出�；钊�的間隙相對穩定，且不易發(fā)生堵塞及易清洗。

圖1 流導結構

　　圖中微分頭9 的測量范圍為5 cm，用于標記活塞桿移動(dòng)位置。為使流導內能夠保持較好的真空度，移動(dòng)部件的密封方式采用了不銹鋼焊接波紋管6 的形式，這既可使系統得到很好的密封特性，也可以保證活塞桿能夠靈活移動(dòng)。為了使活塞桿能夠自由的移動(dòng)且容易安裝，在活塞筒的一端內加工出圓環(huán)形狀結構及氣體流出孔，使活塞筒的非有效配合部分就可以充當活塞桿的限位裝置�；钊�筒和活塞桿均采用不銹鋼加工，在活塞筒與活塞桿對磨前，對活塞桿進(jìn)行淬火處理。這種流導結構，沒(méi)有加工殘余應力，因此活塞的間隙不會(huì )隨時(shí)間的推移而逐漸發(fā)生變化，進(jìn)而使流導數值保持穩定。

2、流導性能研究

　　為便于應用和設計該類(lèi)型微小流導，我們采用了自主研發(fā)的流導測量系統測試了該活塞間隙型微小流導的特性。微小流導的具體測試內容和結果如下所述。

　　2.1、微小流導壓力特性

　　測試微小流導的壓力特性，首先我們要關(guān)注的是低壓區的分子流范圍。因在分子流范圍流導值對壓力是恒定的，是產(chǎn)生微小流量的主要應用。其次是非分子流范圍高壓區的流導特性，了解其擴展較大流量的可能情況。根據Knudsen 的工作，對于長(cháng)管道(l>>d)，流過(guò)流導元件的氣體流量qpv與壓力的關(guān)系可以通過(guò)下式獲得：

4、討論與結語(yǔ)

　　我們對所設計制作的活塞間隙型流導進(jìn)行了測試，了解了其壓力特性、溫度特性及調節的重復性。下面我們將對這種流導的今后應用問(wèn)題做一簡(jiǎn)要討論。

　　該流導的流導值在10^-7 m³/s 量級，測量結果的標準不確定度為0.8%。如上游壓力為10^-2 Pa，并用磁懸浮轉子真空計(SRG)測量，則可給出10^-9 Pa·m³/s的流量，標準不確定度可接近1%。由2.1 節可知該流導的分子流上限的上游壓力約為5 Pa，如測壓配用SRG，則上限只到1 Pa，也即上限流量在10^-7 Pa·m³/s，這時(shí)可配用能覆蓋其一個(gè)量級左右的恒壓流量計，則可延伸其上限，同時(shí)可用該恒壓流量計測定其流導值。

　　采用SRG 測量該流導上游壓力10^-2 Pa 甚至10^-3 Pa 時(shí)，可能會(huì )遇到一些麻煩，因這時(shí)SRG 需要在很低的壓力下測殘余示值(offset)并做修正，這不僅使系統復雜，且影響工作效率。因此可考慮設計制作流導值更小活塞間隙型流導。由于這種流導是一種環(huán)形圓管，其流導值與活塞間隙平方和活塞直徑成正比，與管長(cháng)成反比。根據現有流導值的數據，再設計制作10^-9 m³/s 量級的流導應無(wú)問(wèn)題。此條件下，要獲得10^-9 Pa·m³/s 流量的上游壓力，就可考慮直接用電容薄膜真空計進(jìn)行測量。而間隙減小可提高進(jìn)入分子流的壓力，仍可配用恒壓流量計測量流導值并拓展流量上限。為擴展產(chǎn)生流量的范圍，還可以考慮在一個(gè)系統內配用兩個(gè)以上不同流導值量級的活塞間隙型流導。這可能使實(shí)際應用更方便。

　　現有流導的流導值可調，且重復同一活塞位置的流導值具有良好的穩定性。這種結構可用于定點(diǎn)校準等流量控制系統。也可預見(jiàn)，如制作成配合距離固定的活塞間隙型流導，其流導值應具有更好的穩定性。

　　綜上所述，本文設計、制作了活塞間隙型微小流導，并通過(guò)實(shí)驗的方法測量了其相關(guān)特性。該結構獨特的微小流導可用于提供10^-9 Pa·m³/s 的流量，本文的研究工作為該類(lèi)型流導的進(jìn)一步應用提供了基礎。