低温泵-使用方法

图1：低温泵的使用代表例图

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

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

＜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）

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）

（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

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）

图5：低温泵的升温过程

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

图7：再生用加热带RBH型

图8：RBH的升温特性

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。