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[低溫泵入門 2 ]
低溫泵的使用方法
1.低溫泵的安裝，設(shè)置
系列低溫泵因使用小型氦氣制冷機，可在任何方位進行安裝。但從密封件的磨耗考慮，建議以同一方向使用。氫蒸氣壓溫度計應安裝在便于讀取溫度數(shù)據(jù)的場所。壓縮機裝置應放置在便于確認壓力表的場所。并要求放置在水平地面（地面傾斜在±５°范圍內(nèi)）上。
為了便于進行維修工作，要求低溫泵和壓縮機裝置的周圍留出一定空間。使用空冷式壓縮機時，為了讓空氣自然流通，前后應留出３０ｃｍ以上空間。且要求定期對熱交換器是否被不純物堵住進行確認并清潔。
金屬軟管彎曲會導致氦氣漏泄。要求彎曲最小半徑為２５０mm。在需要對金屬軟管進行彎曲時，應使用帶有Ｌ型接頭的金屬軟管或彎頭。
圖１為低溫泵的使用代表例圖。在此圖中如粗抽壓力為４０Ｐａ的話，不會發(fā)生油氣逆流現(xiàn)象，則不需要使用粗抽用過濾器。如在使用粗抽用過濾器時，要求定期對粗抽用過濾器進行再生。如使用干泵時，因不發(fā)生油氣逆流現(xiàn)象，則粗抽壓力不受限制。能抽什么程度，就可以抽到什么程度。低溫泵本身不需要電離真空計，但為了便于確認低溫泵單體的極限壓力，建議在低溫泵上安裝電離真空計。在前面所述，低溫泵可向任何方位進行安裝，但在排出大量水汽時，事先應考慮好如何把再生時產(chǎn)生的水排好。
| 圖1:為低溫泵的使用代表例圖。 | |||||||||||||||||
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2.熱源的隔離及遮擋
低溫泵的冷凍能力因型號而異。１級冷頭降至80Ｋ的所需功率為數(shù)十瓦特，２級冷頭降至20Ｋ的所需功率為數(shù)瓦特。但真空裝置內(nèi)有蒸發(fā)源或加熱器等熱源。
如圖２表示直徑為254mm(10英寸)的面放出的輻射熱量。隨溫度的上升以及輻射率的加大所放出的熱量也隨之增加。因來自真空裝置的熱量會遠遠超出低溫泵的冷凍能力，如這些熱量進入低溫泵話，會導致低溫泵的性能即排氣功能降低。真空室內(nèi)存在熱源時，應根據(jù)需要對熱源進行隔離。
圖2:φ254mm面放出的輻射熱及輻射熱與溫度的關(guān)系 |
圖３是存在熱源時的安裝例。圖①輻射熱直接入進低溫泵內(nèi)，因此不可采用。（2）、（3）可以采用，但如熱源的溫度高時應把經(jīng)反射后進入低溫泵的輻射量也應考慮在內(nèi)。
圖3:有發(fā)熱源時的安裝例
〈供參考，因輻射熱低溫泵所承受的熱負荷可由以下公式計算得出。〉
Q＝εAV?σ?A?（Tw4-T14） （W)
εAV:平均輻射熱,σ:玻耳茲曼常數(shù)＝5.67X10-12（W/cm2/K4）,A:受熱面積（cm2）
Tw:室溫壁的溫度（通常３００Ｋ）, T1:屏蔽筒?擋板的溫度（通常８０Ｋ）
3.冷卻水注意事項（水量及水質(zhì)）
壓縮機裝置有空冷式和水冷式兩種。且向壓縮機裝置的輸入電力的大部分都將變成熱。采用空冷式的情況下，這些熱在空冷扇與熱交換器中冷卻。因不需要提供冷卻水，不僅可以降低成本，也不需要進行設(shè)置管道等優(yōu)點。但因產(chǎn)生的熱將全部排放于大氣中，需要進行空氣凈化處理，且會產(chǎn)生噪音和塵埃。因此近年來普遍采用水冷式。
水冷式壓縮機的冷卻水的溫度過于低的話，壓縮機內(nèi)潤滑油的粘度上升，會導致壓縮機裝置收到運轉(zhuǎn)指令也無法啟動或成超負荷狀態(tài)。相反冷卻水的溫度過于高或流量少的話，壓縮機的溫度變高或不能正常冷卻，導致熱控開關(guān)動作即壓縮機停止運轉(zhuǎn)。有關(guān)對冷卻水的水溫及流量，請參照使用說明書，要求在規(guī)定范圍內(nèi)使用。如水溫低于10℃時，在停止壓縮機運轉(zhuǎn)的同時也需要停止供應冷卻水。如不停止冷卻水的供應，會導致壓縮機的啟動困難。且在停止壓縮機時存在壓縮機內(nèi)的冷卻水會有結(jié)冰的可能性時，會導致配管破裂的危險，因此要求進行空壓排水，把壓縮機裝置內(nèi)的冷卻水徹底排掉。
冷卻水要使用不會對配管產(chǎn)生腐蝕作用，且無含水垢等附著物的干凈的水。水質(zhì)差將會導致配管流經(jīng)變窄，流量減少，熱傳達不良即冷卻不良。如使用對配管產(chǎn)生腐蝕作用的冷卻水，熱交換器上將會出現(xiàn)細孔，導致重大事故。有關(guān)水質(zhì)管理標準敝公司參照了日本冷凍空調(diào)工業(yè)會的水質(zhì)標準。由于冷卻水內(nèi)會存在附著沉淀物等，會導致水質(zhì)變差。因此要求定期對水質(zhì)進行檢查和對配管進行清洗。
表1：冷卻水的水質(zhì)標準（參照了日本冷凍空調(diào)工業(yè)會的水質(zhì)標準）
| 項 目 | 普遍用 標準值 |
低溫泵用 推薦值 |
傾向 | ||
| 腐蝕 | 生成水垢 | ||||
| 標 準 項 目 |
pH (25℃) | 6.5～8.0 | 6.5～8.0 | ○ | ○ |
| 導電率(25℃) (μ S/cm) | 800以下 | 200以下 | ○ | ○ | |
| 氯化物離子 Cl- (mg Cl-/L) | 200以下 | 50以下 | ○ | ||
| 硫酸離子 SO2-- (mg Cl-/L) | 200以下 | 50以下 | ○ | ||
注意）○表示具有腐蝕作用或易生成水垢的項目。
4.低溫泵的運轉(zhuǎn)及運行循環(huán)
低溫泵的運行由以下３個過程組成。
（1） 運行開始 低溫泵的粗抽真空及冷卻降溫
（2） 通常運行 低溫泵對真空裝置進行抽氣
（3） 停止運行、再生 低溫泵停止運行和進行再生
1.運行開始（粗抽真空、冷卻降溫）
低溫泵的運轉(zhuǎn)啟動步驟如下。
（1）接通主電源。
（2）壓縮機裝置為水冷式時，供應冷卻水。
（3）粗抽至低溫泵內(nèi)壓力達到40Pa為止。（如抽至13～20Pa以下的話，油回轉(zhuǎn)泵內(nèi)的油蒸氣向低溫泵反流，導致低溫泵被油蒸氣污染。但使用干泵時，抽壓不受限制，抽至數(shù)Pa也無妨） 在進行粗抽后通常進行壓力上升測試。
壓力上升速度的推薦界限值為ΔＰ／Δｔ≦1.3Pa/min
（4）啟動低溫泵。
（5）待低溫泵達到工作狀態(tài)。滿足以下條件時則說明低溫泵達到了工作狀態(tài)，即可進行抽氣工作。
●１５Ｋ冷凝板的溫度降至２０Ｋ以下
●８０Ｋ屏蔽筒的溫度降至１３０Ｋ（Ｋ熱電偶的起動電壓為－５.５ｍＶ）以下降至此溫度為止所需時間（冷卻降溫時間）如表２所示因低溫泵型號而異。
（6）低溫泵將開始通常運行。
表2：各型號低溫泵的冷卻降溫時間 （粗抽真空：４０Ｐａ）
| 低溫泵型號 | U6H | U8H | U8HSP | U10PU | U12H | U12HSP | U16 | U16P | U20P | U22H | U30H | |
| 冷卻降溫時間 （分） |
50Hz | 80 | 100 | 110 | 150 | 85 | 90 | 110 | 120 | 160 | 150 | 240 |
| 60Hz | 70 | 90 | 100 | 135 | 75 | 80 | 100 | 110 | 140 | 135 | 200 | |
（注意）在以下幾種情況下，實際冷卻降溫時間可能會比表中時間值長。(1)低溫泵內(nèi)受污染，(2)熱負荷大，(3)由于再生操作等低溫泵內(nèi)完全變干燥，(4)粗抽完成后、殘留氣體中的Ｈe,Ｈ2,Ｎe氣體分壓超過０.１Ｐａ。
CRYO-U12Hの運行循環(huán)例
2.通常運行
待低溫泵進入工作狀態(tài)，按下列步驟對真空室進行抽氣。
（1）真空室內(nèi)的壓力達到最大容許交差壓力（參照６.５）為止對真空室內(nèi)進行粗抽。（通常采用降至４０Ｐａ）。油回轉(zhuǎn)泵作為粗抽泵使用時，為防止油蒸氣向真空室內(nèi)反流，不可以抽至低于１３Ｐａ。干泵作為粗抽泵使用時，抽至１３Ｐａ以下也沒關(guān)系。
（2）打開主閥門對真空室進行精抽。
（3）真空室內(nèi)壓力達到所需壓力后即可進行鍍膜，濺射等作業(yè)。
3.運行停止
（1）關(guān)閉主閥門。
（2）把低溫泵切換ＯＦＦ狀態(tài)。
（3）水冷式壓縮機時，根據(jù)需要應停止供應冷卻水。
（4）待１５Ｋ冷凝板和８０Ｋ屏蔽筒的溫度完全降至室溫后，低溫泵內(nèi)的壓力達到１０～１００Ｐａ為止進行粗抽。由于在升溫過程中所產(chǎn)生的氣化氣體，使得低溫泵內(nèi)壓力超過大氣壓的情況下，要求設(shè)置通氣閥進行放大氣。防止泵內(nèi)壓力超過大氣壓。
4.低溫泵的再生
因低溫泵為貯存式真空泵，當泵內(nèi)貯存的氣體量達到極限時，要求向外排放，使低溫泵恢復吸附排氣功能。此操作稱為再生(regeneration)。低溫泵排出的極限氣體量為排氣容量。當下述任意情況出現(xiàn)時，即需進行再生。
（1）１５Ｋ冷凝板的溫度超過２０Ｋ
（2）８０Ｋ屏蔽筒的溫度超過１３０Ｋ（－５.５ｍＶ）
（3）關(guān)閉主閥門過５分鐘后壓力降不到１.３×１０－４Pa以下
（4）排氣功能滿足不了裝置要求
通常的使用過程中，當氣體量達到排氣容量時；在進行裝置的維修作業(yè)時；或節(jié)假日里定期進行再生作業(yè)。如在節(jié)假日里等無人操作情況下進行再生時，可進行自動再生。
4-1.適用于各種用途的再生方法（完全再生及再生的效率化）
再生操作分３個步驟進行。
（1）升溫過程
（2）粗抽真空過程
（3）冷卻降溫過程
為縮短再生時間應縮短升溫時間和粗抽真空時間。為了能夠徹底地進行再生，需完全升溫至室溫，并通過進行有效粗抽，把吸附劑里的水分徹底除掉。冰在０℃ 以上溫度下才可融化，想要徹底除掉水分，需把溫度升至０℃以上。
（1）升溫過程的效率化
停止低溫泵運轉(zhuǎn)，把溫度升至室溫的方法有以下幾種。
(1)自然升溫 :只需把低溫泵切換為ＯＦＦ狀態(tài)后放置即可
(2)電加熱帶 :把加熱帶裹在泵壁外表進行加熱
(3)注入N2 :向低溫泵內(nèi)注入氮氣，使得泵內(nèi)部開始加熱即縮短升溫時間
(4)注入N2＋加熱帶：(2)、(3)可并用
(5)注入熱N2 :向低溫泵內(nèi)注入溫度為７０℃的氮氣
(6)注入熱N2＋電加熱器:并用(2)和(5)，最能縮短升溫時間
溫度升至室溫為止的時間，除上述方法外，因泵內(nèi)貯存的氣體量、種類及泵型號而異。因此事先不易估量其升溫時間。通常，注入氮氣法需要６０～９０分鐘。各種再生方法所需升溫時間由表3所示。此表中把注入氮氣法所需時間定為1。僅可做參考值。
表3：升溫方法及升溫時間（參考值）
| 升溫方法 | 升溫時間的比率 |
| 1.自然升溫 | 3～6 |
| 2.電加熱帶 | ～1.2 |
| 3.氮氣沖洗法 | 1 |
| 4.氮氣沖洗法＋電加熱帶 | ～0.85 |
| 5.熱氮氣沖洗法 | ～0.80 |
| 6.熱氮氣沖洗法＋電加熱帶 | ～0.70 |
圖５:低溫泵的升溫過程 |
右圖表示低溫泵升溫時的狀態(tài)，大致可分為Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ４種模式。
A:氮氣沖洗法＋電加熱帶(水氣少時)
屏蔽筒和擋板的溫度升溫至４０℃左右。通過除去泵內(nèi)水氣，可獲得良好的再生效果。
B:只用氮氣沖洗法（水氣少時）
是最普遍使用的再生方法。在水氣少時可獲得良好的再生效果。
C:氮氣沖洗法＋電加熱帶（排出大量水氣時）
在０℃下冰化解為水時升溫會停止一段時間。因使用電加熱帶，可縮短融化時間。（基板為玻璃或塑料時建議使用此方法）
D:只采用氮氣沖洗法或用自然升溫法排出大量水氣時，因加熱量少，冰很難融化為水。
在這種狀態(tài)下如進行粗抽，因再生不能充分進行會導致排氣性能降低。向玻璃或塑料進行鍍膜時需要特別注意。對Ｋ熱電偶的起動電壓是否降到０mV請進行確認。要求并用電加熱帶。尤其是在排出大量水氣時，把再生過程中的Ｋ熱電偶的起動電壓記錄下來，判斷處于Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ４種的哪種模式，并確認冰是否完全融化。
（2）粗抽真空過程
油回轉(zhuǎn)泵通常作為低溫泵的粗抽泵使用。使用油回轉(zhuǎn)泵的情況下，在高壓領(lǐng)域，因存在空氣的粘性流flashing作用，返流量極少。但壓力低于１５Ｐａ時，粘性流flashing作用降低，會出現(xiàn)油蒸氣返流現(xiàn)象。（參照圖４－６）
從安全方面考慮敝公司低溫泵在粗抽壓力４０Ｐａ下可以啟動。如粗抽至２０Ｐａ以下時請使用粗抽用過濾器。在使用沸石阱時應注意以下幾點。(1)粗抽時間變長、(2)水氣多時很快成飽和狀態(tài)、(3)產(chǎn)生塵埃、(4)需要定期進行活性化。
在低溫泵內(nèi)存在大量水氣的條件下進行粗抽的話，因隨著蒸發(fā)，熱量會被奪取，會導致水溫降低。水分少時，會完全蒸發(fā)掉。但水分多時，水將結(jié)冰后殘留，從而導致再生不良。在水分多的情況下，粗抽作業(yè)時如并用電加熱帶，可防止結(jié)冰。且在使用油回轉(zhuǎn)泵排出大量水分時，油會乳化，很難抽至４０Ｐａ。在這種情況下通常需要頻繁更換其油。但可采取以下措施。
(1) 使用油含量多，處水能力強的大型油回轉(zhuǎn)泵。
(2) 使用可對水和油進行分離，具有排水器的油回轉(zhuǎn)泵。
(3) 使用機械增壓泵降低極限壓力。（但油回轉(zhuǎn)泵的油要定期更換。）
在處理大量玻璃，塑料時，因需要排出大量水氣，故要求事先做好措施。
4-2再生用各選購配件
提高再生效果的方法有氮氣沖洗法和使用電加熱帶法。敝公司可向您提供再生氣體配管ＰＲ型（氮氣沖洗再生用）和再生用電加熱帶ＲＢＨ型。此外還可提供自動再生控制裝置ＡＲＣ型。
圖６:再生氣體配管ＰＲ型
圖７:再生用加熱帶ＲＢＨ型
圖８:ＲＢＨ升溫特性
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ＲＢＨ型電加熱帶使用自限溫度的發(fā)熱體，因此不需要溫控器。因發(fā)熱體的電阻隨溫度的上升會增大，可控制電流，防止超過設(shè)定溫度值。因不使用雙金屬溫控器等，不會出現(xiàn)溫度過高等故障，非常安全。
