流体机械

项目	A/cm²	M/（g·mol^-1）	T_g/K	$α s$	W
数值	2 930	2	50	0.55	0.492

项目

A/cm²

M/（g·mol^-1）

T_g/K

α s

数值

2 930

0.55

0.492

项目	A/cm²	M/（g·mol^-1）	T_g/K	$α s$	W
数值	2 930	2	50	0.55	0.492

项目

A/cm²

M/（g·mol^-1）

T_g/K

α s

数值

2 930

0.55

0.492

GM制冷机低温泵抽气性能测试平台优化设计

郎嘉琪 ¹^,² , 张秀平 ¹^,² , 王汝金 ¹^,² , 贾磊 ¹^,² , 周全 ¹^,² , 张硕 ¹^,² , 王铭翔 ¹^,² , 柯瑶 ¹^,²

流体机械 | 应用技术 2026,54(1): 93-100

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流体机械 |应用技术 2026 , 54 (1) : 93 -100

GM制冷机低温泵抽气性能测试平台优化设计

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郎嘉琪¹^,², 张秀平¹^,², 王汝金¹^,², 贾磊¹^,², 周全¹^,², 张硕¹^,², 王铭翔¹^,², 柯瑶¹^,²

作者信息

¹合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

²国机通用机械科技股份有限公司，合肥 230031

作者简介:

郎嘉琪（1994），男，博士，工程师，主要从事低温真空技术研发，通信地址：230031安徽省合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：1220278290@qq.com。

Optimization design of pumping performance test platform for GM refrigerator cryopump

Jiaqi LANG¹^,², Xiuping ZHANG¹^,², Rujin WANG¹^,², Lei JIA¹^,², Quan ZHOU¹^,², Shuo ZHANG¹^,², Mingxiang WANG¹^,², Yao KE¹^,²

Affiliations

¹Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

²Sinomach General Machinery Science &Technology Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

出版时间: 2026-01-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.012

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摘要

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针对传统Gifford-McMahon（GM）制冷机低温泵测试平台存在的抽气性能诊断手段单一、再生功能有限及测试精度不足等问题，基于JB/T 11081—2011标准设计了一种高精度测试平台。该平台集成温度与真空等关键数据采集与显示模块，并创新性地引入热吹扫加热子系统，同时采用残余气体分析仪（RGA）实时监测被测气体的压力变化。通过理论计算、仿真分析与试验测试，重点对低温泵的氢气抽速性能进行验证。结果表明：所设计的热吹扫装置利用100 ℃氮气对低温面进行吹扫，可有效满足易燃易爆气体的再生加热需求；试验过程中，降温和真空性能稳定，未出现波动现象；通过采集氢气进气前后的分压变化，得到抽速实测平均值为4 291 L/s，与理论计算值（4 514 L/s）及仿真结果（4 552 L/s）的误差均小于10%，处于允许误差范围内，验证了平台设计的合理性。该平台可为国产低温泵性能优化提供高精度测试手段。

关键词

低温泵 / 抽气性能测试 / 流量计法 / 不确定度 / 抽速

Abstract

收起

To address the issues of single pumping performance diagnosis methods，limited regeneration capabilities，and insufficient testing accuracy in traditional Gifford-McMahon （GM） refrigerator cryopump test platforms，a high‑precision test platform was designed based on JB/T 11081—2011 standards.This platform integrates key data acquisition and display modules for temperature and vacuum，and innovatively introduces a thermal purge heating subsystem，while using a residual gas analyzer （RGA） to monitor real‑time pressure changes of the tested gas.Through theoretical calculations，simulation analysis，and experimental testing，the hydrogen pumping speed performance of the cryopump was validated.The results show that：the designed thermal purge device uses 100 ℃ nitrogen to purge the cryogenic surface，effectively meeting the regeneration heating requirements for flammable and explosive gases；during the test，cooling and vacuum performance remained stable without fluctuations；by collecting partial pressure changes before and after hydrogen injection，the measured average pumping speed was 4 291 L/s，with errors less than 10% compared to theoretical calculations （4 514 L/s） and simulation results （4 552 L/s），falling within the allowable error range，validating the rationality of the platform design.This platform can provide high‑precision testing methods for the performance optimization of domestic cryopumps.

Key words

cryopump / pumping performance testing / flowmeter method / uncertainty / pumping speed

引用本文

郎嘉琪, 张秀平, 王汝金, 贾磊, 周全, 张硕, 王铭翔, 柯瑶. GM制冷机低温泵抽气性能测试平台优化设计. 流体机械, 2026 , 54 (1) : 93 -100 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.012

Jiaqi LANG, Xiuping ZHANG, Rujin WANG, Lei JIA, Quan ZHOU, Shuo ZHANG, Mingxiang WANG, Yao KE. Optimization design of pumping performance test platform for GM refrigerator cryopump[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (1) : 93 -100 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.012

正文

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0　引言

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随着半导体、航天器地面测试和大科学装置等尖端领域对真空环境要求的不断提高，基于Gifford-McMahon（GM）制冷机的低温泵因其抽速大、结构紧凑、稳定性高、寿命长及无污染等优势，在上述领域发挥着重要作用^［1-4］。低温泵抽气性能测试平台作为研究抽气机理与提升设备性能的关键载体，是低温泵设计研发过程中不可或缺的环节。然而，目前传统测试平台大多未能反映在制冷机交变冷源作用下低温泵动态真空性能与温度特性的影响机制；低温泵的再生加热多依赖自然再生或电加热，存在效率低、功能局限等问题；测试手段普遍参数单一，影响了测试精度与工况模拟能力^［5-9］。这不仅阻碍了对泵体性能的准确评价，也制约了新一代低温泵的研发进程。

针对上述问题，文中提出一种改进型测试平台，该平台通过集成高速数据采集与显示子系统、多参数气体监测装置及新型氮气热吹扫再生加热装置，实现对工作温度、真空特性、气体分压等关键参数的动态捕获与分析。该设计能够安全处理制冷过程中产生的易燃易爆工作气体，并且增强测试平台的测量精度、再生能力与诊断功能，以期为国产低温泵的性能优化提供更为可靠的测试手段。

1　测试平台原理和结构

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目前抽速测量依据JB/T 11081—2011《真空技术制冷机低温泵》。低温泵抽气性能测试方法主要分为流量计法和小孔流导法^［10-11］。流量计法适用于压强高于1×10^-4 Pa或流量大于2×10^-2 Pa⋅L/s的情况，而小孔流导法的适用条件则相反。在实际测试工况中，进气量通常均大于2×10^-2 Pa⋅L/s，因此本研究采用流量计法测试GM制冷机低温泵的抽气性能。抽速计算公式如下：

S = Q P - P o

（1）

式中，S为低温泵的有效抽速，L/s；Q为进气量，Pa⋅L/s；P为进气量Q下真空计测得平衡压力，Pa；P_o为进真空计测得真空室的本底压力，Pa。

1.1　测试平台组成

测试平台的原理如图1所示，其主体结构为测试罩，其余组成部分包括低温泵测试样机、混合进气子系统、辅助抽气子系统、温度测量子系统、热吹扫再生子系统、真空测量与残余气体分析子系统。

测试罩的尺寸严格依据流量计法要求进行设计：内径250 mm，高度397 mm，腔体壁厚10 mm，与水平面夹角为10°，材料选用304不锈钢，具体结构如图2所示。

选用一台250 mmGM制冷机低温泵为测试样机^［12］。该泵搭载住友RDK-415D GM制冷机冷头及F-50H氦压缩机，泵体采用独特的低温吸附阵列设计（见图3），阵列肋片内侧壁面粘附有活性炭，用以提升抽气能力。

温度测量子系统采用Lake Shore DT-670硅二极管温度传感器组测量低温泵氦区与氮区的温度，并配合Lake Shore 218S温控仪对温度测量信号进行处理与显示。温控仪通过IEEE-488接口与计算机连接，用于传输各传感器的温度曲线数据。在低温泵的三级低温面及冷头表面各固定一个经过标定的硅二极管温度传感器，其在常温至1.4 K范围内的测量误差为±0.1 K；防辐射屏蔽筒表面固定安装2个未标定的传感器，测量误差为±1 K，共计获取6组低温测量数据。计算机端采集温度传感器与真空计的测量数据，绘制相应曲线，分析低温泵工作过程中温度波动对动态压力的影响。

真空测量子系统由安装于进气管路同一水平面的真空计及其数据传输线路构成。测量进气管路平面处的压力，获取测试罩内的真空压力数据。真空计选用INFICON BPG400型复合真空计，其测量范围为5×10^-8~1×10⁵ Pa，工作环境温度为0~50 ℃。

进气子系统主要由高压气瓶、减压阀、SFC5400型质量流量计、混合腔体、手动阀门、电源、通信计算机以及3/4英寸不锈钢管路组成。其中，减压阀采用斯麦特IR1000-01精密减压阀与SWagelok FU通用针阀，流量控制采用Sensirion SFC 5400型质量流量控制器。

残余气体分析子系统主要由残余气体分析仪及其数据传输线路组成，用于分析真空室内各类气体的分压变化。该子系统采用的残余气体分析仪为SRS公司生产的RGA200型，其配备四极杆探头、电子控制单元以及一套用于数据采集、分析与探头控制的实时Windows软件包。

辅助抽气子系统主要由分子泵辅助抽气机组、真空抽气管路及真空阀门组成，其功能是为低温泵工作提供所需的分子流预真空环境。

混合进气子系统主要由气瓶组、质量流量控制器、管路及混合腔体组成，用于向真空腔体通入测试气体。

针对传统测试平台大多未能反映制冷机交变冷源作用下低温泵动态真空性能与温度特性影响机制的问题，文中通过计算机端设计的采集软件，实时收集三级低温面及防辐射挡板的平均温度数据与压力数据，并绘制二者随时间变化的曲线。当监测到压力与温度在同一时间或极短时间间隔内同时发生波动或其他异常情况（例如在降温未达到工作温度前，二者变化同时停止等），则需分析制冷机运行工况（冷却水进出口温度与压力、压缩机运行状态等）是否存在异常，并对制冷机运行状态进行调整与记录。通过总结最佳制冷运行工况范围，以保障低温泵维持稳定运行状态^［13］。

低温泵持续工作一段时间后需要再生加热，而采用传统电加热丝直接加热低温面的电子加热方式不适用于易燃易爆气体（如氢气、氧气）的再生处理^［14-15］。为改进现有再生加热功能局限的问题，测试平台设计了专用的热吹扫再生子系统。该系统主要由高压氮气瓶、减压阀、不锈钢管路和热吹扫装置组成，通过热氮气吹扫促使低温面上附着的各类气体解吸，从而实现再生加热。热吹扫装置的结构设计如图4所示。1号和3号管道内设有散热棒，用于对氮气进行加热；2号管道内设置混合机构，以提高氮气均匀性；4号管道内的导流机构则用于改善热氮气流场的均匀性并调节风速，以达到最佳再生加热效果。系统通过PID控制调节，可根据设定目标温度自动调整加热功率，从而提升低温泵再生加热的效率^［16］。

目前，测试平台主要通过真空规测量压力，但真空规所测为腔体内所有气体的总压。在进行单一工作气体抽速测试时，其他气体的分压会对压力测量引入误差。为此，采用残余气体分析仪测量各气体分压，直接获得被测气体的本底压力及进气后的平衡压力，避免了其他气体分压导致的测量误差。

1.2　平台抽速测量不确定分析

测试平台抽速测量的不确定度主要来源于进气量测量与压力测量2个方面。为提升试验测试结果的准确性与可靠性，需系统分析影响各参数测量不确定度的关键因素。

1.2.1　压力测量不确定度

压力测量的不确定度主要来源于3个方面：全量程压力测量仪的误差引入的不确定度分量、测量重复性引入的不确定度分量，以及仪器稳定性引入的不确定度分量。

（1）压力测量仪误差引起的不确定分量

低温泵的工作压力在10^-3 Pa以下，复合真空计在该压力范围内的测量不确定度为15%，由全量程压力测量仪误差按均匀分布所引入的不确定度分量为：

u 1 P = P ¯ / 3 × 15 %

（2）

式中，

u 1 P

为n次重复测量的平均值。

（2）测量重复性引起的标准不确定分量

INFICON BPG400型真空计的重复性引起的不确定分量

u 2 P

为±5%

P ¯

。

（3）测量稳定性引起的标准不确定分量

稳定性指测量系统在长时间内保持测量结果一致性的能力。通过观察压力测量仪在远长于实际测量所需时长内的表现，发现其稳定性所引起的不确定度对总不确定度的影响可忽略，因此不予考虑。

（4）平衡压力P的合成标准不确定度

平衡压力P的合成标准不确定度为：

u P = u 1 P 2 + u 2 P 2

（3）

根据以上公式推算，

u P

=0.1

P ¯

。

1.2.2　充气量测量不确定度

充气量的不确定度主要由流量控制器的控制误差和重复性测量误差引起的不确定度分量组成。

（1）流量控制器误差引起的不确定分量

SFC 5400型质量流量控制器的精度为±0.1% FS，由该误差引入的不确定度分量按均匀分布可表示为：

u 1 Q = 0.1 % / 3

（4）

式中，

u 1 Q

为质量流量控制器的不确定度分量。

（2）重复性引起的不确定度分量

由质量流量控制器重复性引起的不确定度分量为：

u 2 Q = 0.15 % / 2

（5）

（3）充气量Q的标准不确定度

充气量Q的不确定度为：

u Q = u 1 Q 2 + u 2 Q 2

（6）

根据以上公式推算，

u Q

=0.095% FS。

1.2.3　抽速的不确定度计完整表达式

根据式（1）可知，抽速受进气量Q、平衡压力P和本底压力P_o影响，但三者之间的不确定度互不相关。依据不确定度合成原理，抽速的合成标准不确定度为：

u s = (∂ S ∂ P u P) 2 + (∂ S ∂ Q u Q) 2 + (∂ S ∂ P o u P o) 2 = (- Q P ¯ - P o u P) 2 + (1 P ¯ - P o u Q) 2 + [Q (P ¯ - P o) 2 u P o] 2

（7）

低温泵抽速S可表示为：

S = S ¯ + k u c

（8）

式中，S为将Q和P的试验值代入式（1）计算所得的抽速值；K为扩展因子，取值为2，对应的置信概率为95%。

2　测试平台的合理性分析

收起

2.1　抽速的理论分析

低温泵在分子流状态下的理论抽速可由下式表示^［17-19］：

S = A R T g 2 π M α s W

（9）

式中，S为理论抽速，L/s；A为低温面面积，cm²；T_g为被抽气体的温度，K；M为被抽气体的分子摩尔质量，g/mol；

α s

为低温面对被抽气体的凝聚系数；W为气体分子的传输几率。

低温泵对氢气的理论抽速计算参数如表1所示^［19-20］：

气体进入低温泵腔体后会与防辐射屏蔽结构发生碰撞接触后触发能量交换。为简化计算，假设气体分子温度与防辐射屏蔽结构温度一致。在实际降温过程中，防辐射屏蔽结构温度约为50 K，故将气体温度T_g设定为50 K。DAY等^［20］的研究表明，在5~10 K范围内，金属表面对氢气的凝聚系数呈逐渐下降趋势，但基本维持在0.6左右；CHILL等^［21］发现，在7~15 K内，该凝聚系数介于0.5~1之间。由于本试验中低温面最低温度降至11 K，因此将凝聚系数

α s

取为0.55^［23-25］。低温泵对氢气的传输几率W通过Molflow软件仿真计算为0.492。低温面面积A经过测量为2 930 cm²。根据式（9）计算得到低温泵对氢气的理论抽速为4 514 L/s。

2.2　仿真验证分析

为验证抽气测试平台的合理性，采用Molflow软件建立了抽气系统的仿真模型，模拟不同进气量下进气平面的平衡压力，并依据式（2）计算对应的抽速。由于P_o较平衡压力低一个数量级以上，其影响可予以忽略。

2.2.1　结构模型

在Molflow软件中建立口径为250 mm的GM制冷机低温泵测试平台截面模型。为提高计算效率，对模型进行了如下简化：（1）省略系统中所有不与测试罩内气体分子接触的部件；（2）由于气体不会进入零部件的夹层，所有部件的厚度设为0；（3）省略所有用于安装和固定的零部件，如图5所示。

2.2.2　气体分子运动模型

由于气体分子在真空腔体内的流动情况较为复杂，为减少计算工作量，在不影响模拟结果准确性的前提下，对气体分子运动模型作如下简化^［26］。

（1）气体分子从进气表面入射时遵循克努森定律，且入射位置均匀分布。

（2）在稳态条件下，每秒从进气表面入射的气体分子数保持恒定。

（3）气体分子与壁面碰撞时为漫反射，反射角度符合克努森定律。

（4）采用有限数量的气体分子代表实际气体，通过追踪这些分子的运动状态来反映实际工况。

（5）气体分子之间不发生碰撞，仅与壁面发生碰撞。

（6）无论进气时间长短，低温泵的抽速均视为恒定。

（7）在平衡状态下，气体分子运动速度服从麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

2.2.3　物理参数和边界条件

（1）温度

由于气体分子进入低温泵后首先与80 K的防辐射挡板接触并被冷却至约80 K，因此在仿真中将代表低温泵的圆形截面温度设为80 K，进气面及其他腔体表面温度设为室温293 K^［27］。

（2）凝聚几率

凝聚几率表征气体与低温面接触后被吸附于表面的概率。设工作气体为H₂，其在约10.7 K的低温面上凝聚几率取为0.55。

（3）进气量

质量流量控制器的进气流量单位为sccm，1 sccm对应1.67 Pa⋅L/s。进气量设置分为2组：第一组在1.67~16.7 Pa⋅L/s范围内，按1.67 Pa⋅L/s的间隔等分为10个进气点；第二组在33.4~167 Pa⋅L/s范围内，按16.7 Pa⋅L/s的间隔等分为9个进气点。

2.2.4　结果分析

由图6可见，平衡压力基本与进气量呈线性关系。在忽略本底压力的情况下，根据式（1）计算得到抽速范围为4 432~4 672 L/s，平均抽速约为4 552 L/s。

2.3　试验测试结果分析

在完成试验测试平台的真空系统检漏、分子泵机组预抽真空与低温泵启动程序调试、真空规管校准及残余气体分析仪点漂移修正等一系列前期准备工作后，抽气测试系统进入稳定运行状态。测试平台实物如图7所示。

0~100 min内低温泵温度和真空室压力随时间的变化关系如图8所示。可以看出，随低温泵开始降温，真空室内压力从5×10^-3 Pa逐渐下降并稳定在2.5×10^-5 Pa；低温面与防辐射挡板温度则从室温分别下降并稳定在11 K与50 K。整个过程在100 min内完成，且温度和压力均未出现波动，表明泵体具有良好的制冷与抽气性能。此时系统所有仪器调试完毕，温度与压力均达到目标要求，证明测试平台已具备理想的测试条件。

试验过程中，通过质量流量控制器精确控制氢气进气量，分别在1.67~16.7 Pa⋅L/s和16.7~167 Pa⋅L/s两个区间内，以1.67 Pa⋅L/s和16.7 Pa⋅L/s为步长设置了19组测试工况。每次调整进气量后，待残余气体分析仪实时监测的氢气分压波动稳定在设定值的±5%以内并持续15 min，记录该工况下的平衡压力值，再根据式（1）计算抽速。为保证数据准确性，每组工况重复进行4次试验，抽速取4次结果的平均值，19组进气量对应的抽速数据如图9所示。

根据抽速计算公式，得到19组不同进气量下的抽速范围为4 030~4 552 L/s，其合成标准不确定度u_c为475~620 L/s，平均值为548 L/s。在最大进气量167 Pa⋅L/s时，平衡压力为0.037 2 Pa。氢气的分子直径为0.275 nm，腔体特征长度为0.25 m，根据分子流判定条件^［29］，压力低于0.048 7 Pa时气体流态属于分子流。在分子流状态下，对氢气的平均抽速为4 291 L/s。19组抽速数据的最大偏差为522 L/s，整体呈上升趋势。该偏差主要由真空规与质量流量控制器的仪器精度、重复性及稳定性共同引起^［28］；上升趋势则是因为随着进气量增加，低温面表面形成接近其温度的薄层氢气，其粗糙表面提升了氢气捕获效率。因此，低温泵的完整抽速可表示为（4 291±1 096） L/s（置信概率95%）。理论分析、仿真结果与试验测试值之间的误差较小，均在合理范围内，验证了抽气测试系统的合理性^［11］。

在完成抽速测试试验后，对低温泵进行热吹扫再生加热，步骤如下：

（1）关闭GM制冷机，待低温面温度回升至80~100 K；

（2）关闭分子泵辅助抽气机组与真空腔体之间的阀门，随后打开真空腔体与热吹扫装置间的法兰接口；

（3）通过PID控制器将目标温度设为100 ℃，同时通入经加热的氮气对低温面进行吹扫；

（4）当腔体压力在2~3 min内迅速接近大气压时，打开真空腔体的排气阀，将热氮气及解吸的氢气排至大气；

（5）持续吹扫腔体1~1.5 min后，依次关闭真空腔体与热吹扫装置的法兰接口及排气阀。

3　结论

收起

（1）通过关联真空压力（5×10^-3~2.5×10^-5 Pa）与冷头温度（低温面温度从常温降至10.7 K，防辐射挡板温度从常温降至50 K）的协同变化，并结合制冷机多参数工况（如冷却水进出口温度与压力、压缩机运行状态等）进行分析，可确定最佳制冷运行区间，从而保障低温泵稳定运行。

（2）设计的热吹扫装置采用PID温度控制（控制范围70~120 ℃）并结合独特的换热结构，提高了氮气的加热效率与温度均匀性，利用100 ℃氮气吹扫低温面能有效满足易燃易爆气体的再生加热需求。

（3）采用残余气体分析仪测量气体分压以评估抽速性能，替代传统的真空规测量方式，避免了H₂O，N₂等杂质气体的干扰，提高了测量精度。

参考文献

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文献

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2026年第54卷第1期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.012

接收时间：2025-05-21
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-01-30

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出版历史

收稿日期：2025-05-21
修回日期：2025-10-17

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¹合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

²国机通用机械科技股份有限公司，合肥 230031

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ltjx/CN/10.3969/j.issn.1005-0329.2026.01.012

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

项目	A/cm²	M/（g·mol^-1）	T_g/K	$α s$	W
数值	2 930	2	50	0.55	0.492

项目

A/cm²

M/（g·mol^-1）

T_g/K

α s

数值

2 930

0.55

0.492