故障排除

2019-04-151.低温泵的安装、设置

CRYO-U系列(除 CRYO-U30、U22以外)因使用小型氦气制冷机,可在任何方位进行安装。但是,考虑到密封件磨损这一点,最好还是安装在同一个方向上使用。

氢蒸气压温度计应安装在便于读取温度数据的位置。

压缩机装置应放置在便于确认压力表的场所,并要求放置在水平地面(水平倾斜在±5°范围内)上。

为了便于进行维修工作,要求低温泵和压缩机装置的周围留出足够的空间。使用空冷式压缩机时,为了让空气自然流通,前后应留出30cm以上空间。并且要求定期对热交换器是否被不纯物堵住进行确认并清洁。


氦管被直角弯曲的话会导致氦气漏泄,因此要求弯曲最小半径为250mm。在需要氦管直角弯曲时,应使用带有L型接头的氦管或弯头。


图1为低温泵的使用代表例图。在此图中如粗抽压力为40Pa的话,不会发生油气逆流现象,则不需要使用粗抽用过滤器。

如在使用粗抽用过滤器时,要求定期对粗抽用过滤器进行再生。低温泵本身一般不需要电离真空计,但为了便于确认低温泵单体的极限压力,建议在低温泵上安装电离真空计。

如前面所述,低温泵可向任何方位进行安装,但在排出大量水汽时,应事先考虑好如何把再生时产生的水排出。

图1:低温泵的使用代表例图

fig4-1.gif

H2VP 氢蒸气压温度计 CA CA热电偶
V1 主阀 V2 再生用粗抽阀
V3 真空槽用粗抽阀 V4 粗抽阀
P1、P2 皮拉尼真空计 P3、P4 电离真空计

2. 热源的隔离及遮挡

低温泵的冷冻能力因型号而异。1级冷头降至80K的所需功率为几十瓦特,2级冷头降至20K的所需功率为几瓦特。但真空装置内有蒸发源或加热器等热源。


如图2表示的是直径为254mm(10英寸)的面放出的辐射热量。随温度的上升以及辐射率的加大所放出的热量也随之增加。由于真空装置内产生的热量远远超出低温泵的冷冻能力,如这些热量进入低温泵的话,会导致低温泵无法正常冷却,排气性能降低。因此当真空室内存在热源时,必须对热源进行隔离及遮挡。


图2:Φ254mm面放出的辐射热 辐射率与温度的关系

fig4-2.gif

图3是存在热源时的安装例。图①辐射热直接入进低温泵内,因此不可采用。(2)、(3)可以采用,但如果热源的温度比较高,应把经反射后进入低温泵的辐射量也应考虑在内。


图3:有发热源时的安装例

fig4-3.gif

<供参考,低温泵因辐射热所承受的热负荷可由以下公式计算得出。>
Q=εAV・σ・A・(Tw4-T14) (W)
εAV:平均辐射率,σ:玻耳兹曼常数=5.67X10-12(W/cm2/K4),A:受热面积(cm2)
Tw:室温壁的温度(通常300K), T1:屏蔽筒・挡板的温度(通常80K)

3. 冷却水注意事项(水量及水质)

低温泵配套使用的压缩机有空冷式和水冷式两种。且向压缩机输入的电力几乎都会转变成热。

采用空冷式的情况下,这些热通过空冷扇与热交换器冷却。由于空冷式不使用冷却水,没有额外的运行成本,也不需要设置管道。但因产生的热将全部排放于大气中,必须使用空调,
且会产生噪音和尘埃。因此近年来普遍采用水冷式。

水冷式压缩机的冷却水的温度如果过低,压缩机内润滑油的粘度上升,会导致压缩机收到运转指令也无法启动或成超负荷状态。

相反冷却水的温度过于高或流量少的话,压缩机的温度变高或不能正常冷却,导致热控开关动作即压缩机停止运转。
有关冷却水的水温及流量,请参照使用说明书,保证在规定范围内使用。如水温低于10℃时,在停止压缩机运转的同时也需要停止供应冷却水。

如不停止冷却水的供应,会导致压缩机启动困难。在停止时若存在压缩机内的冷却水会结冰的可能性,会导致配管破裂非常危险,因此要求进行空压排水,把压缩机内的冷却水彻底排掉。

冷却水要使用不会对配管产生腐蚀作用,且无含水垢等附着物的干净的水。

水质差将会导致配管流径变窄,流量减少,发生热传导不良导致无法正常冷却。

另外,如使用对配管有腐蚀作用的冷却水,热交换器上将会出现细孔,导致重大事故。

为了热交换器的寿命延长,保持性能,有关水质标准敝公司参照了日本冷冻空调工业会的水质标准。

由于冷却水内会存在附着沉淀物等,会导致水质变差。

因此要求定期对水质进行检查和对配管进行清洗。


表1:冷却水的水质标准(参照了日本冷冻空调工业会的水质标准)

项 目 普通用
标准值
低温泵用
推荐值
倾 向
腐 蚀 生成水垢
标准项目  pH (25℃) 6.5~8.0 6.5~8.0
 导电率(25℃) (μ S/cm) 800以下 200以下
 氯化物离子 Cl- (mg Cl-/L) 200以下 50以下
 硫酸离子 SO2-- (mg Cl-/L) 200以下 50以下

4.低温泵的运转及运行循环

低温泵的运行由以下3个过程组成。
(1) 运行开始    低温泵的粗抽真空及冷却降温
(2) 通常运行    低温泵对真空装置进行排气
(3) 停止运行、再生 低温泵停止运行和进行再生

1.运行开始(粗抽真空、冷却降温)

低温泵的运转启动步骤如下。
(1)接通主电源。
(2)压缩机为水冷式时,供应冷却水。
(3)粗抽至低温泵内压力达到40Pa为止。(如抽至13~20Pa以下的话,油回转泵内的油蒸气向低温泵反流,导致低温泵被油蒸气污染。)在进行粗抽后通常进行压力上升测试。
压力上升速度的推荐界限值为ΔP/Δt≦1.3Pa/min
(4)启动低温泵。
(5)待低温泵达到工作状态。满足以下条件时则说明低温泵达到了工作状态:
●15K冷凝板的温度降至20K以下
●80K屏蔽筒的温度降至130K(CA热电偶的起动电压为-5.5mV)以下,降至此温度为止所需时间(冷却降温时间)如表4-2所示因低温泵型号而异。
(6)低温泵将开始通常运行。

表2:各型号低温泵的冷却降温时间(粗抽真空:40Pa)

型 号 U6H U8H U8HSP U10PU U12H U12HSP U16 U16P U20P U22H U30H
冷却降温时间 50Hz 80 100 110 150 85 90 110 120 160 150 240
60Hz 70 90 100 135 75 80 100 110 140 135 200

(注)在以下几种情况下,实际冷却降温时间可能会比表中时间值长。(1)低温泵内受污染,(2)热负荷大,(3)由于再生操作等低温泵内完全变干燥,(4)粗抽完成后、残留气体中的He,H2,Ne气体分压超过0.1Pa。

CRYO-U12H的运行循环例
fig4-4.gif

2.通常运行

待低温泵进入工作状态,按下列步骤对真空室进行抽气。
(1)真空室内的压力达到最大容许交差压力以下(参照6.5)为止对真空室内进行粗抽。(通常采用降至40Pa)。为防止粗抽泵中的油蒸气向真空室内反流,不可以抽至低于13Pa。
(2)打开主阀门对真空室进行精抽。
(3)真空室内压力达到所需压力后即可进行镀膜,溅射等作业。

3.运行停止

(1)关闭主阀门。
(2)把低温泵切换OFF状态。
(3)水冷式压缩机时,根据需要应停止供应冷却水。
(4)待15K冷凝板和80K屏蔽筒的温度完全降至室温后,进行粗抽直到低温泵内的压力达到10~100Pa为止。
如果在升温过程中所产生的气化气体,使得低温泵内压力超过大气压的情况,必须设置通气阀进行放气,防止泵内压力超过大气压。

4.低温泵的再生

因低温泵为贮存式真空泵,当泵内贮存的气体量达到极限时,要求向外排放,使低温泵恢复吸附排气功能。此操作称为再生(regeneration)。低温泵排出的极限气体量称为排气容量。当下述任意情况出现时,即需进行再生。
(1)15K冷凝板温度超过20K
(2)80屏蔽筒的温度超过130K(-5.5mV)
(3)主阀门关闭过5分钟后的压力降不到1.3×10-4Pa以下
(4)排气性能满足不了装置要求

通常的使用过程中,除了排气量达到排气容量的情况以外,在装置维修保养时或节假日一般都会定期进行再生。
如在节假日等无人操作情况下进行再生时,可进行自动再生。

4-1.适用于各种用途的再生方法(完全再生及再生的效率化)

再生操作分以下3个步骤进行。

(1)升温过程
(2)粗抽过程
(3)冷却降温过程


为缩短再生时间应缩短升温时间和粗抽真空时间。为了能够彻底地进行再生,需完全升温至室温,并通过进行有效粗抽,把吸附剂里的水分彻底除去。冰在0℃ 以上才可融化,想要彻底除去水分,必须把温度升至0℃以上。

(1)升温过程的效率化
停止低温泵运转,把温度升至室温的方法有以下几种。
(1)自然升温    :只需把低温泵切换为OFF状态后放置即可
(2)再生用加热带   :把加热带裹在泵壁外表进行加热
(3)注入N2:向低温泵内注入氮气,使得泵内部变热加快升温
(4)注入N2+加热带 :(2)、(3)并用
(5)注入热N2 :向低温泵内注入加热至70℃的氮气
(6)注入热N2+加热带 :并用(2)和(5),升温时间最短

温度升至室温为止的时间,除上述方法外,因泵内贮存的气体量、种类及泵型号不同而有较大差异,因此事先不易预估其升温时间。

通常,注入N2法需要60~90分钟。各种再生方法所需升温时间如下表所示。

此表中的数值是把注入N2法所需升温时间定为1比较得出的。仅可做参考值。


表3:升温方法及升温时间(参考值)

升温方法 升温时间的比例
 1.自然升温 3~6
 2.再生用加热带 ~1.2
 3.注入N2 1
 4.注入N2 +加热带 ~0.85
 5.注入热N2 ~0.80
 6.注入热N2 +加热带 ~0.70

图5:低温泵的升温过程

fig4-5.gif

右图表示低温泵升温时的状态,大致可分为A,B,C,D4种模式。

A:注入N2+加热带(水气少的情况)
屏蔽筒和挡板的温度升温至40℃左右。通过除去泵内水气,可获得良好的再生效果。

B:只注入N2 (水气少的情况)
是最普遍使用的再生方法。在水气少时可获得良好的再生效果。

C:注入N2+加热带(排出大量水气的情况)
在0℃下冰化解为水时升温会停止一段时间。因使用加热带,可缩短融化时间。(基板为玻璃或塑料时建议使用此方法)

D:只注入N2或用自然升温法排出大量水气的情况
因加热量少,冰很难融化为水。在这种状态下如进行粗抽,因再生不能充分进行会导致排气性能降低。向玻璃或塑料进行镀膜时需要特别注意。
对K热电偶的起动电压是否降到0mV请进行确认。必须并用电加热带。
尤其是在排出大量水气时,把再生过程中的K热电偶的起动电压记录下来,判断处于哪种模式,并确认冰是否完全融化。

2)粗抽过程
油回转泵通常作为低温泵的粗抽泵使用。使用油回转泵的情况下,在高压领域,因存在空气的粘性流flashing作用,返流量极少。
但压力低于15Pa时,粘性流flashing作用降低,若粗抽到这个压力以下会增加油蒸气返流的危险。

从安全方面考虑爱发科的低温泵可以确保在粗抽压力40Pa下性能正常。
如粗抽至20Pa以下时推荐使用粗抽用过滤器。在使用过滤器时应注意以下几点。
(1)粗抽时间变长、(2)水气多时很快成饱和状态、(3)产生尘埃、(4)需要定期进行活性化。


在低温泵内存在大量水气的条件下进行粗抽的话,随着水分蒸发,热量会被带走,会导致水温降低。
水分少时可以完全蒸发掉。但水分多时,水将结冰后残留,从而导致再生不完全。
在水分多的情况下,粗抽作业时如并用加热带,可防止结冰。
且在使用油回转泵排出大量水分时,油会乳化,很难抽至40Pa。
在这种情况下通常需要频繁更换油。但可采取以下措施。

(1) 使用油含量多,水处理能力强的大型油回转泵。
(2) 使用可对水和油进行分离,装有排水器的油回转泵。
(3) 使用机械增压泵降低极限压力。(但油回转泵的油要定期更换。)

在处理大量玻璃,塑料时,因需要排出大量水气,故要求事先做好措施。

4-2再生用各选购配件

提高再生效果的方法有氮气导入、使用加热带等方法。
ULVAC CRYO可向您提供再生气体配管PR型(氮气导入再生用)和再生用加热带RBH型。
此外还可提供自动再生控制装置ARC型。

图6:再生气体配管PR型

fig4-6.gif

图7:再生用加热带RBH型

fig4-7.gif

图8:RBH的升温特性

fig4-8.gif

RBH型加热带使用自控型的发热体,因此不需要温控器。
因发热体的电阻随温度的上升会增大,可控制电流,到达设定温度后不会再继续升温,保持在固定温度值。

因不使用双金属温控器等,不会出现温度过高等故障,非常安全。

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