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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據的場所。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）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，不會發生油氣逆流現象，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，因不發生油氣逆流現象，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的所需功率為數十瓦特，２級冷頭降至20Ｋ的所需功率為數瓦特。但真空裝置內有蒸發源或加熱器等熱源。
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。真空室內存在熱源時，應根據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，因此不可采用。（2）、（3）可以采用，但如熱源的溫度高時應把經反射后進入低溫泵的輻射量也應考慮在內。
圖3:有發熱源時的安裝例
〈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?！?br />
Q＝εAV?σ?A?（Tw4-T14） （W)
εAV:平均輻射熱,σ:玻耳茲曼常數＝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）
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，也不需要進行設置管道等優點。但因產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，壓縮機內潤滑油的粘度上升，會導致壓縮機裝置收到運轉指令也無法啟動或成超負荷狀態。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，導致熱控開關動作即壓縮機停止運轉。有關對冷卻水的水溫及流量，請參照使用說明書，要求在規定范圍內使用。如水溫低于10℃時，在停止壓縮機運轉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的冷卻水會有結冰的可能性時，會導致配管破裂的危險，因此要求進行空壓排水，把壓縮機裝置內的冷卻水徹底排掉。
冷卻水要使用不會對配管產生腐蝕作用，且無含水垢等附著物的干凈的水。水質差將會導致配管流經變窄，流量減少，熱傳達不良即冷卻不良。如使用對配管產生腐蝕作用的冷卻水，熱交換器上將會出現細孔，導致重大事故。有關水質管理標準敝公司參照了日本冷凍空調工業會的水質標準。由于冷卻水內會存在附著沉淀物等，會導致水質變差。因此要求定期對水質進行檢查和對配管進行清洗。
表1：冷卻水的水質標準（參照了日本冷凍空調工業會的水質標準）
| 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.低溫泵的運轉及運行循環
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）粗抽至低溫泵內壓力達到40Pa為止。（如抽至13～20Pa以下的話，油回轉泵內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。滿足以下條件時則說明低溫泵達到了工作狀態，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?。ù殖檎婵眨海矗埃校幔?/span>
| 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)低溫泵內受污染，(2)熱負荷大，(3)由于再生操作等低溫泵內完全變干燥，(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の運行循環例
2.通常運行
待低溫泵進入工作狀態，按下列步驟對真空室進行抽氣。
（1）真空室內的壓力達到最大容許交差壓力（參照６.５）為止對真空室內進行粗抽。（通常采用降至４０Ｐａ）。油回轉泵作為粗抽泵使用時，為防止油蒸氣向真空室內反流，不可以抽至低于１３Ｐａ。干泵作為粗抽泵使用時，抽至１３Ｐａ以下也沒關系。
（2）打開主閥門對真空室進行精抽。
（3）真空室內壓力達到所需壓力后即可進行鍍膜，濺射等作業。
3.運行停止
（1）關閉主閥門。
（2）把低溫泵切換ＯＦＦ狀態。
（3）水冷式壓縮機時，根據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，低溫泵內的壓力達到１０～１００Ｐａ為止進行粗抽。由于在升溫過程中所產生的氣化氣體，使得低溫泵內壓力超過大氣壓的情況下，要求設置通氣閥進行放大氣。防止泵內壓力超過大氣壓。
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時；或節假日里定期進行再生作業。如在節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，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 :向低溫泵內注入氮氣，使得泵內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，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
油回轉泵通常作為低溫泵的粗抽泵使用。使用油回轉泵的情況下，在高壓領域，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，會出現油蒸氣返流現象。（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、(3)產生塵埃、(4)需要定期進行活性化。
在低溫泵內存在大量水氣的條件下進行粗抽的話，因隨著蒸發，熱量會被奪取，會導致水溫降低。水分少時，會完全蒸發掉。但水分多時，水將結冰后殘留，從而導致再生不良。在水分多的情況下，粗抽作業時如并用電加熱帶，可防止結冰。且在使用油回轉泵排出大量水分時，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泵。
(2) 使用可對水和油進行分離，具有排水器的油回轉泵。
(3) 使用機械增壓泵降低極限壓力。（但油回轉泵的油要定期更換。）
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熱體，因此不需要溫控器。因發熱體的電阻隨溫度的上升會增大，可控制電流，防止超過設定溫度值。因不使用雙金屬溫控器等，不會出現溫度過高等故障，非常安全。
