本文設(shè)計了一種基于活塞間隙的微小流導(dǎo)結(jié)構(gòu)，流導(dǎo)數(shù)值可調(diào)，采用實驗的方法研究了微小流導(dǎo)的壓力特性、溫度特性及調(diào)節(jié)重復(fù)性。討論了該流導(dǎo)在微小氣體流量計量的應(yīng)用情況及前景。

　　動態(tài)流導(dǎo)法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置、真空漏率校準(zhǔn)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(dǎo)值的微小流導(dǎo)可以提供更小的氣體流量，從而延伸動態(tài)流導(dǎo)法真空標(biāo)準(zhǔn)裝置或真空漏率校準(zhǔn)裝置的測量下限。同時，微小流導(dǎo)也可以在精度要求相對較低的條件下拓展流量上限。

　　流導(dǎo)器件的實現(xiàn)方式有多種，最為簡單的結(jié)構(gòu)是在薄壁上加工微小孔洞，可通過激光或者機械加工制作。德國PTB 通過改造針閥的方法研制了一種流導(dǎo)，韓國KRISS 通過將三根鎢絲置于小孔內(nèi)的方式研制了一種流導(dǎo)結(jié)構(gòu)，日本NMIJ 采用金屬顆粒燒結(jié)方式的流導(dǎo)結(jié)構(gòu)。采用上述幾種流導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造的流導(dǎo)，真空技術(shù)網(wǎng)(http://m.mp99x.cn/)認(rèn)為其流導(dǎo)值不易準(zhǔn)確預(yù)估。本文研制了以活塞間隙為限流元件的流導(dǎo)結(jié)構(gòu)，屬環(huán)形圓管道，由于活塞制造工藝成熟，流導(dǎo)數(shù)值可預(yù)估且可調(diào)。為便于應(yīng)用，我們采用實驗的方法研究了其各項特性。

1、流導(dǎo)結(jié)構(gòu)

　　本文以活塞間隙作為限流結(jié)構(gòu)，設(shè)計了流導(dǎo)器件，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。活塞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(fù)研磨，估計實際間隙約為8~10 μm)。流導(dǎo)在工作過程中，工作氣體從流導(dǎo)左側(cè)箭頭處流入，流經(jīng)活塞筒1 與活塞桿13 配合間隙，經(jīng)過環(huán)形通道，從出氣管2沿箭頭方向流出�；钊�的間隙相對穩(wěn)定，且不易發(fā)生堵塞及易清洗。

圖1 流導(dǎo)結(jié)構(gòu)

　　圖中微分頭9 的測量范圍為5 cm，用于標(biāo)記活塞桿移動位置。為使流導(dǎo)內(nèi)能夠保持較好的真空度，移動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(tǒng)得到很好的密封特性，也可以保證活塞桿能夠靈活移動。為了使活塞桿能夠自由的移動且容易安裝，在活塞筒的一端內(nèi)加工出圓環(huán)形狀結(jié)構(gòu)及氣體流出孔，使活塞筒的非有效配合部分就可以充當(dāng)活塞桿的限位裝置。活塞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(dǎo)結(jié)構(gòu)，沒有加工殘余應(yīng)力，因此活塞的間隙不會隨時間的推移而逐漸發(fā)生變化，進(jìn)而使流導(dǎo)數(shù)值保持穩(wěn)定。

2、流導(dǎo)性能研究

　　為便于應(yīng)用和設(shè)計該類型微小流導(dǎo)，我們采用了自主研發(fā)的流導(dǎo)測量系統(tǒng)測試了該活塞間隙型微小流導(dǎo)的特性。微小流導(dǎo)的具體測試內(nèi)容和結(jié)果如下所述。

　　2.1、微小流導(dǎo)壓力特性

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

4、討論與結(jié)語

　　我們對所設(shè)計制作的活塞間隙型流導(dǎo)進(jìn)行了測試，了解了其壓力特性、溫度特性及調(diào)節(jié)的重復(fù)性。下面我們將對這種流導(dǎo)的今后應(yīng)用問題做一簡要討論。

　　該流導(dǎo)的流導(dǎo)值在10^-7 m³/s 量級，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.8%。如上游壓力為10^-2 Pa，并用磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(SRG)測量，則可給出10^-9 Pa·m³/s的流量，標(biāo)準(zhǔn)不確定度可接近1%。由2.1 節(jié)可知該流導(dǎo)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，這時可配用能覆蓋其一個量級左右的恒壓流量計，則可延伸其上限，同時可用該恒壓流量計測定其流導(dǎo)值。

　　采用SRG 測量該流導(dǎo)上游壓力10^-2 Pa 甚至10^-3 Pa 時，可能會遇到一些麻煩，因這時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(tǒng)復(fù)雜，且影響工作效率。因此可考慮設(shè)計制作流導(dǎo)值更小活塞間隙型流導(dǎo)。由于這種流導(dǎo)是一種環(huán)形圓管，其流導(dǎo)值與活塞間隙平方和活塞直徑成正比，與管長成反比。根據(jù)現(xiàn)有流導(dǎo)值的數(shù)據(jù)，再設(shè)計制作10^-9 m³/s 量級的流導(dǎo)應(yīng)無問題。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(dǎo)值并拓展流量上限。為擴展產(chǎn)生流量的范圍，還可以考慮在一個系統(tǒng)內(nèi)配用兩個以上不同流導(dǎo)值量級的活塞間隙型流導(dǎo)。這可能使實際應(yīng)用更方便。

　　現(xiàn)有流導(dǎo)的流導(dǎo)值可調(diào)，且重復(fù)同一活塞位置的流導(dǎo)值具有良好的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)可用于定點校準(zhǔn)等流量控制系統(tǒng)。也可預(yù)見，如制作成配合距離固定的活塞間隙型流導(dǎo)，其流導(dǎo)值應(yīng)具有更好的穩(wěn)定性。

　　綜上所述，本文設(shè)計、制作了活塞間隙型微小流導(dǎo)，并通過實驗的方法測量了其相關(guān)特性。該結(jié)構(gòu)獨特的微小流導(dǎo)可用于提供10^-9 Pa·m³/s 的流量，本文的研究工作為該類型流導(dǎo)的進(jìn)一步應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。