什么是低溫泵（冷凝泵）低溫泵結(jié)構(gòu)及原理
低溫泵是利用低溫表面冷凝氣體的真空泵，又稱冷凝泵。低溫泵可以獲得抽氣速率最大、極限壓力最低的清潔真空，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路的研究和生產(chǎn)，以及分子束研究、真空鍍膜設(shè)備、真空表面分析儀器、離子注入機和空間模擬裝置等方面。
結(jié)構(gòu)及原理
低溫泵的構(gòu)造和功能
泵的原理：低溫泵是一種高真空泵，可以利用在低溫表面上的冷凝和吸附的方法將氣體和水蒸氣從真空室中除掉。抽氣過程中，氣體不會經(jīng)過低溫泵而會留在腔室里。
障板：障板能保護低溫板免受真空室的熱輻射。
輻射屏：包裹著冷頭，有一個鍍鎳外層，用來反射輻射的熱能；內(nèi)層涂有專門的黑色涂層，可以防止熱量反射到冷板上。冷板外層是高光澤度鍍鎳處理，內(nèi)層粘合吸附材料。
冷板：冷板從功能上分為外表面冷凝排除氣體部分和內(nèi)表面活性炭吸附排除氣體部分。O 2 、N2、 Ar等凝縮性氣體分子的絕大部分被擋在冷板外表面，并在其表面凝縮，而到達其內(nèi)表面活性炭氣體分子則極少。H2分子在外表面不被凝縮而被反射，從而被其內(nèi)表面的活性炭所吸附。
一級冷頭
溫度范圍：70～100K，通常為80K。主要用來凝縮水蒸氣。
二級冷頭
溫度范圍：10～20K，通常為15～20K。主要用來凝縮O 2 、N2、Ar、CO2等飽和蒸氣體汽壓高的氣體。
冷凍機：此制冷機包括一個雙級冷頭和一個壓縮機，通過兩個氦管相聯(lián)，工作介質(zhì)是氣態(tài)氦，在壓縮機里被壓縮，然后在冷頭里膨脹，就可使其吸收外部的熱量。如果,從外部傳入的熱量較少或者根本沒有, 處于斷熱狀態(tài)，氣體本身就會降溫，這就是他的制冷過程。障板與冷頭第二級相連，冷板與第一級相連。
抽氣原理：在低溫泵內(nèi)設(shè)有由液氦或制冷機冷卻到極低溫度的冷板。它使氣體凝結(jié)，并保持凝結(jié)物的蒸汽壓力低于泵的極限壓力，從而達到抽氣作用。低溫抽氣的主要作用是低溫冷凝、低溫吸附和低溫捕集。①低溫冷凝：氣體分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的氣體層上，其平衡壓力基本上等于冷凝物的蒸氣壓。抽空氣時，冷板溫度必須低于 25K；抽氫時，冷板溫度更低。低溫冷凝抽氣冷凝層厚度可達10毫米左右。②低溫吸附：氣體分子以一個單分子層厚(10-8厘米數(shù)量級)被吸附到涂在冷板上的吸附劑表面上。吸附的平衡壓力比相同溫度下的蒸氣壓力低得多。如在 20K時氫的蒸氣壓力等于大氣壓力，用 20K的活性炭吸氫時吸附平衡壓力則低于10-8 帕。這樣就可能在較高溫度下通過低溫吸附來進行抽氣。③低溫捕集：在抽氣溫度下不能冷凝的氣體分子，被不斷增長的可冷凝氣體層埋葬和吸附。
一般說來，泵的極限壓力就是冷板溫度下的被冷凝氣體的蒸氣壓力。溫度為120K時，水的蒸氣壓已低于10-8帕。溫度為20K時，除氦、氖和氫外，其他氣體的蒸氣壓也低于10-8帕。但由于被抽容器和低溫冷板的溫度不同，泵的極限壓力高于冷凝物的蒸氣壓。對于室溫下的容器，低溫板為20K時，泵的極限壓力約為冷凝物蒸氣壓力的4倍。
低溫泵分為注入式液氦低溫泵和閉路循環(huán)氣氦制冷機低溫泵兩種。
低溫環(huán)境的形成
①低溫冷凝
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冷凝溫度 |
氣體種類 |
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80K |
水蒸氣等 |
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20K |
O2、N2、Ar、CO2等 |
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氣體分子冷凝在冷板表面上或冷凝在已冷凝的氣體層上，在溫度<100K時，水蒸汽和大多數(shù)碳氫化合物凝結(jié)在障板或冷屏上。除He、H 2、N e 以外的所有氣體,由于其飽和蒸汽壓低,故會被液化,冷凍在一、二級冷頭上。
②低溫吸附
溫度低于20K時，氫氣、氦氣和氖氣被冷傘內(nèi)表面上的吸附材料吸附?；钚蕴吭?20K以下的溫度時的吸附能力特別的強，所以可以利用二級的低溫度和活性炭的這一特性對上述的
永久性氣體進行吸附，進而達到真空度的要求。
特別提醒：由于泵內(nèi)冷凝和吸附的氣體數(shù)量增加，冷板的溫度會升高，抽氣速率會下降。因此，有必要定期再生低溫泵從而去除累積的氣體。
氣體冷凝、吸附過程示意圖
低溫泵的安裝與要求
安裝設(shè)施及要求
① 前級泵―低溫泵要求一臺前級泵預(yù)抽真空室，抽到低溫泵的啟動壓力，并且可以在低溫泵再生時可以抽除再生期間產(chǎn)生的氣體。
②吸附井―安裝水冷擋板，如果油蒸汽返到低溫泵，可以使它的吸附陣被污染，則必須更換吸附陣。
③ 高真空閥門―安裝在低溫泵與真空室之間，這樣可以縮短啟動時間，還可以實現(xiàn)在真空室不放氣的情況下再生低溫泵，還可以隨時對真空室進行檢漏。
④ 預(yù)抽閥—在低溫泵的預(yù)抽接口處，必須安裝一只閥門，該閥門在預(yù)抽和再生時是打開的，而在低溫泵運行期間是關(guān)閉的，另外還有一只是用來用同一臺機械泵對真空室進行預(yù)抽的。
安裝壓縮機
① 確保壓縮機放置在穩(wěn)固的水平面上。
② 靜態(tài)氦壓－關(guān)閉壓縮機并使其處于室溫下，壓力的指示應(yīng)該在1.4-1.5 Mpa 之間，如果壓力指示偏低，則需要補充些 He 氣（99.999%的純度）
③ 連接壓縮機的冷卻水管，供、排水管與水冷壓縮機的連接準確。
安裝低溫泵
① 高真空法蘭連接
低溫泵可以借助其高真空法蘭固定在真空室需要的任何地方，在安裝前請檢查“O”型圈是否完好，以其表面無壓痕和雜物為準則。
② 抽氣接口和安全閥的連接
低溫泵在運行過程中，不能排氣，所以在啟動以前需要利用機械泵等粗抽泵通過抽氣接口來預(yù)抽低溫泵，并可以作為在再生時所釋放的氣體的出口。要保證把低溫泵的抽氣接口接到相應(yīng)尺寸的前級泵上去。
連接低溫泵和壓縮機
① 把低溫泵和壓縮機，以及金屬軟管上所有自密封接頭上的保護帽取下。
注意：在如下的步驟中，決不可以使用清潔劑去擦拭自密封接頭。
② 在進行連接之前必須保證接頭上沒有灰塵、油跡、顆粒雜物等，必要時用一柄刷子去清潔螺紋，用一塊沒有棉絲的軟布去擦拭密封面上的任何贓物。
③ 連接金屬軟管，按照氣流方向連接軟管，從壓縮機開始到低溫泵（注意高、低壓標(biāo)志），然后從低溫泵到壓縮機，用兩個扳手去擰緊每一只自密封接頭以保護軟管不至于扭曲而漏氣，適度擰緊每一只接頭。連接好之后在檢查壓縮機的壓力表的指示，如果在 1.3～1.5MPa，則正常，如果低于此值則如前面所述的用純度大于 99.999%的氦氣再補充些。
特別注意：金屬軟管內(nèi)維持著 1.4-1.5MPa 的高壓，所以應(yīng)非常小心的使用以防止損壞，也不能裝反。
低溫泵的再生與保養(yǎng)
冷凝泵的再生
1、再生時間
① 根據(jù)運轉(zhuǎn)周期, 定期進行再生。
② 制冷能力降低時(溫度達不到 20K 以下;真空度差), 進行再生。
2、再生種類
① 通常再生: 3～ 8h。
② 急速再生:當(dāng)泵內(nèi)含有毒性、腐蝕性、可燃性氣體以及大量的O2、水時,泵停止后, 進行短時間再生。
3、急速再生的實施
通常通過加熱的方式進行。用電加熱器對低溫泵進行加熱回溫，點加熱再生對于泵的冷陣提供了最快和最完善的再生，因此允許在超高真空范圍的泵中使用，因為來自第一級的凝聚水蒸氣在再生期間不會變成液態(tài)并使冷陣飽和，所以是很完善的。
再生的起始條件:
因低溫泵應(yīng)用場合而異，對連續(xù)抽氣過程來說，一般只要滿足下面兩個條件中的一個，低溫泵就需要再生：(1)低溫泵在無其他附加熱負荷時，二級
冷頭溫度超過20K或一級冷頭溫度超過130K；(2)高真空閥門關(guān)閉5min后泵內(nèi)壓強在1×10-4Pa以上。
特別提醒:由于低溫泵是吸附型的泵，它屬于儲存過程氣體的。因此，再生時，必須對前級泵、前級真空閥以及前級壓力進行可靠監(jiān)控。同時危險氣體可能從前級泵排出。且前級閥和前級泵一定要打開，不然低溫泵的壓力很可能會跳到正壓，前級泵的排氣口必須與適當(dāng)?shù)呐艢夤芫€連接。
為什么要定期保養(yǎng)？
冷凍機內(nèi)其他可能交換的部品：
固定位置O型圈:破損老化或者檢漏泄漏處需 要更換。
馬達：馬達驅(qū)動軸斷裂或扭矩明顯不足時需要交換。
氣缸：使用超過十年或內(nèi)部刮傷、有氦氣泄漏的需要更換。
馬達鍵：磨損嚴重時需要交換。
其他部件：有破損或明顯不可修復(fù)變形時，需要交換。
冷凍的油成分導(dǎo)致的癥狀和問題點
１）損傷密封件
?突然發(fā)生故障
２）傷及冷凍機氣缸
?導(dǎo)致更換氣缸等高額修理費的
３）油成分沾在金屬管內(nèi)
?會突然發(fā)生冷卻不良
預(yù)防維護規(guī)范：
① 記錄低溫泵溫度……（每天）
② 記錄壓縮機壓力……（每天）
③ 更換壓縮機吸附器…（18000 小時）
④ 更換冷頭活塞………（按需要）
⑤ 向壓縮機加氦氣……（按需要，一般壓力低于1.2MPa時需補充）
正常情況下
不定期的維護程序：
① 根據(jù)需要對壓縮機補充氦氣；
② 低溫泵的冷卻容量出現(xiàn)明顯下降時更換冷頭活塞；
③ 當(dāng)玷污物進入氦氣回路時，用氦氣吹洗壓縮機和冷頭。
低溫泵的點檢與故障的查找分析
1 低溫泵點檢
① 冷凍機運行是否平穩(wěn)。
② 溫度、真空度是否正常。
③ 泵體外側(cè)是否有冷凝水存在, 否則, 需進行再生。
2.壓縮機點檢
① He 氣壓、水流量、水溫、油位是否正常。
（ He 氣壓 低壓：0.4～0.8MPa；高壓：1.7～2.2MPa水溫范圍8°～35°，正常純水即可）
② 壓縮機運轉(zhuǎn)是否正常。
故障排除程序：
當(dāng)你發(fā)現(xiàn)低溫泵-壓縮機系統(tǒng)有問題上時，在沒有確定問題的根源是低溫泵還是壓縮機故障之前，我們首先參看如下的簡單問題的檢查。
⊙低溫泵接通電源與否。
⊙壓縮機插好電源后沒有反映，看看壓縮機的熱保護是否已經(jīng)復(fù)位。
⊙看壓縮機是否放平，因為過大的斜度時壓縮機運行時可能會造成壓機過熱而停止。
⊙在低溫泵沒達到切入壓力時，不能打開高真空閥門。
⊙低溫泵是否要再生？
⊙制冷機的核心部件經(jīng)過 9000-12000 小時后更換沒有？
⊙真空系統(tǒng)是否漏氣。
⊙冷陣是否被油污染。
⊙金屬軟管安裝是否正確，切忌不能裝反。
⊙氦氣是否充足。
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故障現(xiàn)象 |
故障范圍 |
可能原因 |
建議措施 |
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1.低溫泵最低溫度太高或降溫時間太長 |
a.低溫泵已經(jīng)抽氣至飽和 |
低溫泵需要再生 |
啟動再生器進行低溫泵再生 |
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系統(tǒng)負載太大 |
更換制冷量更大的低溫泵 |
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開啟壓力過高 |
在啟動低溫泵之前至少預(yù)抽到3Pa |
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b.氦氣壓力太低 |
系統(tǒng)有氦氣泄漏 |
對整個系統(tǒng)進行檢漏，查出漏點并解決 |
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c.障板或輻射屏 |
障板或輻射屏與 泵外殼相碰 |
擰緊螺釘確保他們的正確位置 |
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輻射屏被腐蝕或 很臟沒有光澤 |
拆下用酒精清洗 |
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故障現(xiàn)象 |
故障范圍 |
可能原因 |
建議措施 |
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2.低溫泵噪 音大，運轉(zhuǎn)緩慢或不正常（正常為2.4Hz） |
a.氦回路或配 氣閥污染 |
氦的供氣系統(tǒng)中含有濕氣或空氣 |
用 5 個 9 的高純氦氣吹洗，確保沒有濕氣 |
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氦氣中含有油蒸汽 |
安裝一只新吸附器 |
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b.制冷機 |
活塞或配氣閥損壞 |
更換 |
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配氣閥與閥座之間有贓物 |
清洗 |
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