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【暖通知识分享】图文结合,详细为你讲解低温泵

低温泵是利用低温表面冷凝气体的真空泵,又称冷凝泵。低温泵可以获得抽气速率最大、极限压力最低的清洁真空,广泛应用于半导体和集成电路的研究和生产,以及分子束研究、真空镀膜设备、真空表面分析仪器、离子注入机和空间模拟装置等方面。


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结构及原理


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低温泵的构造和功能

    泵的原理:低温泵是一种高真空泵,可以利用在低温表面上的冷凝和吸附的方法将气体和水蒸气从真空室中除掉。抽气过程中,气体不会经过低温泵而会留在腔室里。

    障板:障板能保护低温板免受真空室的热辐射。

    辐射屏:包裹着冷头,有一个镀镍外层,用来反射辐射的热能;内层涂有专门的黑色涂层,可以防止热量反射到冷板上。冷板外层是高光泽度镀镍处理,内层粘合吸附材料。

    冷板:冷板从功能上分为外表面冷凝排除气体部分和内表面活性炭吸附排除气体部分。O 2 、N2、 Ar等凝缩性气体分子的绝大部分被挡在冷板外表面,并在其表面凝缩,而到达其内表面活性炭气体分子则极少。H2分子在外表面不被凝缩而被反射,从而被其内表面的活性炭所吸附。

一级冷头

温度范围:70~100K,通常为80K。主要用来凝缩水蒸气。

二级冷头

温度范围:10~20K,通常为15~20K。主要用来凝缩O 2 、N2、Ar、CO2等饱和蒸气体汽压高的气体。

    冷冻机:此制冷机包括一个双级冷头和一个压缩机,通过两个氦管相联,工作介质是气态氦,在压缩机里被压缩,然后在冷头里膨胀,就可使其吸收外部的热量。如果,从外部传入的热量较少或者根本没有, 处于断热状态,气体本身就会降温,这就是他的制冷过程。障板与冷头第二级相连,冷板与第一级相连。

    抽气原理:在低温泵内设有由液氦或制冷机冷却到极低温度的冷板。它使气体凝结,并保持凝结物的蒸汽压力低于泵的极限压力,从而达到抽气作用。低温抽气的主要作用是低温冷凝、低温吸附和低温捕集。①低温冷凝:气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上,其平衡压力基本上等于冷凝物的蒸气压。抽空气时,冷板温度必须低于 25K;抽氢时,冷板温度更低。低温冷凝抽气冷凝层厚度可达10毫米左右。②低温吸附:气体分子以一个单分子层厚(10-8厘米数量级)被吸附到涂在冷板上的吸附剂表面上。吸附的平衡压力比相同温度下的蒸气压力低得多。如在 20K时氢的蒸气压力等于大气压力,用 20K的活性炭吸氢时吸附平衡压力则低于10-8 帕。这样就可能在较高温度下通过低温吸附来进行抽气。③低温捕集:在抽气温度下不能冷凝的气体分子,被不断增长的可冷凝气体层埋葬和吸附。

    一般说来,泵的极限压力就是冷板温度下的被冷凝气体的蒸气压力。温度为120K时,水的蒸气压已低于10-8帕。温度为20K时,除氦、氖和氢外,其他气体的蒸气压也低于10-8帕。但由于被抽容器和低温冷板的温度不同,泵的极限压力高于冷凝物的蒸气压。对于室温下的容器,低温板为20K时,泵的极限压力约为冷凝物蒸气压力的4倍。


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低温泵分为注入式液氦低温泵和闭路循环气氦制冷机低温泵两种。


低温环境的形成

①低温冷凝


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气体分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的气体层上,在温度<100K时,水蒸汽和大多数碳氢化合物凝结在障板或冷屏上。除He、H 2、N e 以外的所有气体,由于其饱和蒸汽压低,故会被液化,冷冻在一、二级冷头上。


      ②低温吸附

温度低于20K时,氢气、氦气和氖气被冷伞内表面上的吸附材料吸附。活性炭在 20K以下的温度时的吸附能力特别的强,所以可以利用二级的低温度和活性炭的这一特性对上述的永久性气体进行吸附,进而达到真空度的要求。

特别提醒:由于泵内冷凝和吸附的气体数量增加,冷板的温度会升高,抽气速率会下降。因此,有必要定期再生低温泵从而去除累积的气体。

气体冷凝、吸附过程示意图


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低温泵的安装与要求

安装设施及要求

① 前级泵—低温泵要求一台前级泵预抽真空室,抽到低温泵的启动压力,并且可以在低温泵再生时可以抽除再生期间产生的气体。

②吸附井—安装水冷挡板,如果油蒸汽返到低温泵,可以使它的吸附阵被污染,则必须更换吸附阵。

③ 高真空阀门—安装在低温泵与真空室之间,这样可以缩短启动时间,还可以实现在真空室不放气的情况下再生低温泵,还可以随时对真空室进行检漏。

④ 预抽阀---在低温泵的预抽接口处,必须安装一只阀门,该阀门在预抽和再生时是打开的,而在低温泵运行期间是关闭的,另外还有一只是用来用同一台机械泵对真空室进行预抽的。


安装压缩机

① 确保压缩机放置在稳固的水平面上。

② 静态氦压-关闭压缩机并使其处于室温下,压力的指示应该在1.4-1.5 Mpa 之间,如果压力指示偏低,则需要补充些 He 气(99.999%的纯度)

③ 连接压缩机的冷却水管,供、排水管与水冷压缩机的连接准确。


安装低温泵

① 高真空法兰连接

低温泵可以借助其高真空法兰固定在真空室需要的任何地方,在安装前请检查“O”型圈是否完好,以其表面无压痕和杂物为准则。

② 抽气接口和安全阀的连接

低温泵在运行过程中,不能排气,所以在启动以前需要利用机械泵等粗抽泵通过抽气接口来预抽低温泵,并可以作为在再生时所释放的气体的出口。要保证把低温泵的抽气接口接到相应尺寸的前级泵上去。


连接低温泵和压缩机

① 把低温泵和压缩机,以及金属软管上所有自密封接头上的保护帽取下。

注意:在如下的步骤中,决不可以使用清洁剂去擦拭自密封接头。

② 在进行连接之前必须保证接头上没有灰尘、油迹、颗粒杂物等,必要时用一柄刷子去清洁螺纹,用一块没有棉丝的软布去擦拭密封面上的任何赃物。

③ 连接金属软管,按照气流方向连接软管,从压缩机开始到低温泵(注意高、低压标志),然后从低温泵到压缩机,用两个扳手去拧紧每一只自密封接头以保护软管不至于扭曲而漏气,适度拧紧每一只接头。连接好之后在检查压缩机的压力表的指示,如果在 1.3~1.5MPa,则正常,如果低于此值则如前面所述的用纯度大于 99.999%的氦气再补充些。

特别注意:金属软管内维持着 1.4-1.5MPa 的高压,所以应非常小心的使用以防止损坏,也不能装反。


低温泵的再生与保养

冷凝泵的再生

1、再生时间

① 根据运转周期, 定期进行再生。

② 制冷能力降低时(温度达不到 20K 以下;真空度差), 进行再生。

2、再生种类

① 通常再生: 3~ 8h。

② 急速再生:当泵内含有毒性、腐蚀性、可燃性气体以及大量的O2、水时,泵停止后, 进行短时间再生。

3、急速再生的实施

通常通过加热的方式进行。用电加热器对低温泵进行加热回温,点加热再生对于泵的冷阵提供了最快和最完善的再生,因此允许在超高真空范围的泵中使用,因为来自第一级的凝聚水蒸气在再生期间不会变成液态并使冷阵饱和,所以是很完善的。

再生的起始条件:

因低温泵应用场合而异,对连续抽气过程来说,一般只要满足下面两个条件中的一个,低温泵就需要再生:(1)低温泵在无其他附加热负荷时,二级冷头温度超过20K或一级冷头温度超过130K;(2)高真空阀门关闭5min后泵内压强在1×10-4Pa以上。

特别提醒:由于低温泵是吸附型的泵,它属于储存过程气体的。因此,再生时,必须对前级泵、前级真空阀以及前级压力进行可靠监控。同时危险气体可能从前级泵排出。且前级阀和前级泵一定要打开,不然低温泵的压力很可能会跳到正压,前级泵的排气口必须与适当的排气管线连接。


为什么要定期保养?


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冷冻机内其他可能交换的部品:

固定位置O型圈:破损老化或者检漏泄漏处需  要更换。

马达:马达驱动轴断裂或扭矩明显不足时需要交换。

气缸:使用超过十年或内部刮伤、有氦气泄漏的需要更换。

马达键:磨损严重时需要交换。

其他部件:有破损或明显不可修复变形时,需要交换。


冷冻的油成分导致的症状和问题点

1)损伤密封件

?突然发生故障

2)伤及冷冻机气缸

?导致更换气缸等高额修理费的

3)油成分沾在金属管内

?会突然发生冷却不良


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预防维护规范

① 记录低温泵温度……(每天)

② 记录压缩机压力……(每天)

③ 更换压缩机吸附器…(18000 小时)

④ 更换冷头活塞………(按需要)

⑤ 向压缩机加氦气……(按需要,一般压力低于1.2MPa时需补充)


正常情况下不定期的维护程序:

① 根据需要对压缩机补充氦气;

② 低温泵的冷却容量出现明显下降时更换冷头活塞;

③ 当玷污物进入氦气回路时,用氦气吹洗压缩机和冷头。


低温泵的点检与故障的查找分析

1 低温泵点检

① 冷冻机运行是否平稳。

② 温度、真空度是否正常。

③ 泵体外侧是否有冷凝水存在, 否则, 需进行再生。

2.压缩机点检

① He 气压、水流量、水温、油位是否正常。

( He 气压 低压:0.4~0.8MPa;高压:1.7~2.2MPa水温范围8°~35°,正常纯水即可)

② 压缩机运转是否正常。


故障排除程序:

当你发现低温泵-压缩机系统有问题上时,在没有确定问题的根源是低温泵还是压缩机故障之前,我们首先参看如下的简单问题的检查。

⊙低温泵接通电源与否。

⊙压缩机插好电源后没有反映,看看压缩机的热保护是否已经复位。

⊙看压缩机是否放平,因为过大的斜度时压缩机运行时可能会造成压机过热而停止。

⊙在低温泵没达到切入压力时,不能打开高真空阀门。

⊙低温泵是否要再生?

⊙制冷机的核心部件经过 9000-12000 小时后更换没有?

⊙真空系统是否漏气。

⊙冷阵是否被油污染。

⊙金属软管安装是否正确,切忌不能装反。

⊙氦气是否充足。


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