圖１ 各種氣體的蒸氣壓

根據冷卻方式，可分為兩類，一是以液氮（ＬＮ２,７７Ｋ）或液氦（ＬＨｅ，４.２Ｋ）為冷媒（貯液式低溫泵），二是以小型氦氣低溫制冷機來冷卻。使用小型氦氣制冷機的低溫泵，無需像貯液式低溫泵一樣需要定期提供冷媒。故既可在操作上輕易獲得潔凈的超高真空，又可長時間穩定連續運轉。

2.低溫泵的工作原理及構造
有關低溫泵的構造以ＣＲＹＯ－Ｕ８Ｈ為例進行說明。低溫泵內使用的制冷機為2段式制冷機。1段冷凍能力大，可冷卻至８０Ｋ以下。2段雖然冷凍能力小，但也可冷卻至１０～１２Ｋ。１５Ｋ低溫冷凝板(１)（冷凝板）和１５Ｋ低溫冷凝板(２)（吸附板）設置在2段上，并受安裝在1段上的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板保護，避開來自室溫的放射（輻射）熱。

圖２?。茫遥伲希?８Ｈ構造

低溫泵可排放以下氣體(1)～(3)。

從蒸氣壓表中可看出，低溫面的溫度降至１３０Ｋ以下時，其蒸氣壓低于10^-8Pa，因此水蒸氣（H₂O）可凝結在冷卻至８０Ｋ以下的８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板上排出。氮（N₂）、氧（O₂）、氬（Ａｒ）等氣體，因在８０Ｋ溫度下其蒸氣壓高，不能凝結在８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板上，將會凝結在冷卻至20Ｋ以下的15Ｋ冷凝板上排出。

像氦（Ｈｅ）、氫（H₂）、氖（Ｎｅ）蒸氣壓極高的氣體分子在10～20Ｋ下則不能以冷凝作用排出，只能被涂在15Ｋ冷凝板(1)（冷凝板）內側的低溫吸附劑吸附排出。為防止吸附劑表面被冷凝性氣體蓋住，將把15Ｋ冷凝板(2)（吸附板）設置在冷凝性氣體不易進入的冷凝板的內側。
對８０Ｋ屏蔽筒、８０Ｋ擋板、１５Ｋ冷凝板(1)的外表面進行拋光處理是為了讓來自室溫的輻射熱反射回去。對８０Ｋ屏蔽筒的內面進行黑化處理是為了防止來自室溫的輻射熱在８０Ｋ屏蔽筒內面經反射后又入射到１５Ｋ冷凝板上。為了保證低溫泵的正常運轉，８０Ｋ屏蔽筒及８０Ｋ擋板的溫度應低于１３０Ｋ，且１５Ｋ冷凝板的溫度應低于２０Ｋ。

在８０Ｋ屏蔽筒上安裝Ｋ(ＣＡ)熱電偶，在１５Ｋ冷凝板上安裝氫蒸氣壓溫度計(H₂ＶＰ)或低溫熱電偶溫度計ＭＢＳ型，以此來測量各部位溫度。Ｋ(ＣＡ)熱電偶在１３０Ｋ下的標準起動電壓為－５.５ｍＶ）

3.低溫泵的再生與安全閥
低溫泵不像油擴散泵或渦輪分子泵，把被抽氣體壓縮后排放于泵外。因是通過冷凝吸附被捕集的氣體貯蓄在低溫泵內，故要求定期把泵內氣體向外放出，即進行再生。所謂再生就是通過把低溫泵的溫度升至室溫，把泵內冷凝、吸附的氣體恢復至氣體狀態后排出的過程。泵內貯蓄氣體量多或泵內成密封狀態的情況下進行再生時，泵內成高壓狀態，非常危險，因此低溫泵上附有安全閥。安全閥的開啟壓力設定為２０ｋＰa(表壓)。安全閥是為安全而設置的，絕對不可堵住安全閥或作為其他用途來使用。也不能作為再生時的放氣閥門來使用。安全閥動作時，放出氣體中的灰塵、污垢等，將會附著于安全閥座上，從而導致泄漏現象發生。

像氫、氦、氖蒸氣壓高的氣體分子在２０Ｋ則不能以冷凝作用排出，只能被降至２０Ｋ以下的低溫吸附劑吸附而排出。

4.低溫泵系統
低溫泵系統基本上由

《1》低溫泵組（包括制冷機組）
《2》壓縮機裝置
《3》金屬軟管（2條）

構成，并如圖3所示連接。
此外低溫泵起動（因低溫泵
不能從大氣壓下起動）和再生時
需要粗抽泵。（由客戶準備）

圖３　低溫泵系統

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。
	H2VP 水素蒸気圧溫度計 CA CA熱電対 V1 主閥門 V2 再生用粗抽閥 V3 真空室用粗抽閥 V4 粗抽閥 P1、P2 皮拉尼真空計 P3、P4 電離真空計

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）

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>

（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）

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

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。

2.可燃性氣體和爆炸性氣體排氣時

因低溫泵為氣體冷凝式真空泵，冷凝在泵內的氣體，在進行再生或升溫時，又重新向泵內釋放。被排出的氣體并不是由單一氣體組成，不僅包括工藝氣體，也包括二次生成氣體以及殘留氣體。除工藝氣體外量最多的通常為空氣（氧氣）。故存在發生燃燒或爆炸等事故的可能。
在真空裝置里以下幾項可被視為燃燒因素。

(1)　由于對真空計的燈絲點燈而引起的燃燒
(2)　由加熱器類引起的燃燒
(3)　由于靜電引起的燃燒
靜電在使用聚乙烯制粗抽配管或排氣配管時容易產生。建議粗抽配管或排氣配管使用金屬制品。同時金屬管配必須接地。且接地電阻應低于100Ω。

表1：主要氣體的特性、燃燒范圍及易爆范圍　　(與空氣的容量比％)

表2：氧與可燃性氣體混合的燃燒范圍及易爆范圍

3.利用低溫泵排放氧氣時

低溫泵內的氧氣具有導致燃燒的危險。
在工藝氣體中需要使用氧氣時，必須特別注意以下事項。

１．請嚴格按照低溫泵使用說明書的規定來操作使用低溫泵。
并請注意以下事項。
☆在低溫泵的再生過程中，請進行認真檢查。避免導致點燃火焰之事故的發生（例如：燈絲型真空計點亮等）。
請參照以下圖2。
①用于從低溫泵中排放氣體用配管，請采用金屬制品。并應采取接地措施以避免產生靜電。
②請充入適當量的不活性氣體后進行再生。
③需將從低溫泵中排放出的氣體釋放于大氣中之前，為了將該濃度控制在燃燒范圍以下，請將不活性氣體（如氮）注入配管內進行稀釋處理。
④需向配管內注入氮氣實施稀釋處理時，請與開始進行低溫泵再生的操作同時進行。
⑤請將低溫泵的安全閥與配管連接起來。使在安全閥在開啟工作的情況下也能利用不活性氣體來進行稀釋。
2.在低溫泵內的氧氣濃度高于空氣的狀態（如停電后）下，不可進行粗抽真空作業。必須充入不活性氣體進行稀釋后方可進行。
為了能夠安全地進行再生作業，把油回轉泵作為粗抽泵使用時，請把潤滑油換成不易氧化反應的無機物潤滑油或使用干泵進行粗抽。
對停電后的真空室不要立刻進行真空排氣。必須先充入不活性氣體進行稀釋。

低溫泵內的臭氧有導致爆炸的危險。
把氧氣作為工藝氣體使用時有可能會生成臭氧。
在進行離子化工藝中（如濺射，蝕刻，輝光放電，EB蒸鍍）有生成臭氧的可能。
特別是在進行低溫泵的再生作業時，如存在臭氧，會有爆炸的危險。

為了能及時地掌握臭氧產生之情況，應對以下項目進行檢查確認。

１．開始再生作業數分鐘后，泵內響出類似放電的異常聲音。
２．在進行再生作業時，低溫泵內的氣體發出一種類似電弧焊接時所發生的刺激性臭味。

改變工序將有導致增加臭氧產生的可能性。
大量的臭氧的將會導致強烈的爆炸，非常危險。
當已產生臭氧時，請注意以下幾點。
１．請嚴格按照上述有關氧氣方面的注意事項規定執行。請增加再生的頻率，將低溫泵中的臭氧量控制在最小限度內。必需的再生次數，將會由于流量及工作程需的不同而異。也許每次都必須進行再生的操作。
２．僅限于在不會對工序過程產生影響的情況下，請將氧氣的注入量控制在最小限度范圍內。

＊需排放氧氣時，請與裝置制造廠家或敝公司聯系商洽。除上述項目之外，還必須對是否采取下述措施進行研討。

請安裝連接在停電時也能向低溫泵內，配管內注入N2的控制電路。因此，必須裝備無停電電源。最低限度也必須裝備好溫度計，用于凈化向低溫泵內注入N2的閥，以及低溫泵內氣體排放閥，低溫泵內大氣壓檢測器，用于對配管進行稀釋處理的N2注入閥。
關于停電后是否必須實施再生之操作，請通過對低溫泵的2級冷頭的溫度是否超過20K進行確認后再做出判斷。如超過20K時，就必須予以實施。如沒有超過20K時，則請在此狀態下進行重新啟動操作。

圖1:氧氣/可燃性氣體的稀釋方法(1)

4.可燃性氣體排氣后的再生

對可燃性氣體（在等離子反應中真空室內生成的可燃性氣體等）排氣后對低溫泵進行再生時應特別注意。
?工作氣體的分解，靶材及鍍膜材料所放出氣體，基片及工件放出氣體（H2O）的分解等能生成氫氣的例子。
可燃性氣體排氣后,用油回轉泵對低溫泵進行再生時，因可燃性氣體和空氣混合進入油回轉泵的排氣口或排氣配管內，會有發生燃燒或爆炸的危險。但是，如對可燃性氣體進行稀釋，濃度低于燃燒范圍（參照表2）時，則不會有發生燃燒或爆炸的危險。
對有可燃性氣體的低溫泵進行再生時，與氧氣排氣時一樣，應遵守以下注意事項。
?在低溫泵的再生過程中，請認真檢查，避免導致點燃火焰之事故的發生（例如：燈絲型真空計點亮等）。
　請參照以下圖2。
①請在注入適量的不活性氣體之后，再來進行再生。
②用于從低溫泵中排放氣體用配管，請采用金屬制品。并應采取接地措施以避免產生靜電。
③在排放像氫氣比稀釋用氣體輕的氣體時，為了使管道內不可存在殘留氣體，請做好配管設置工程。
④需將從低溫泵中排放出的氣體釋放于大氣中之前，為了將該濃度控制在燃燒范圍以下，請將不活性氣體（如氮）注入配管內來進行稀釋處理。
⑤需向配管內注入氮氣實施稀釋處理時，請與開始進行低溫泵再生的操作同時進行。這是為了在從低溫泵中將低溫泵體內的氣體釋放于配管內時，避免配管內存有空氣（氧氣）。
⑥請將低溫泵的安全閥與配管連接起來。使在安全閥在開啟工作的情況下也能利用不活性氣體來進行稀釋。
⑦請不要在停電后立即對真空室進行抽真空操作。需抽真空之前，請務必利用不活性氣體進行稀釋處理之后，再來進行。
⑧請將低溫泵中的可燃性氣體量控制在燃燒范圍以下的濃度內，并在可對N2進行凈化及稀釋的范圍內決定再生之后，再來進行再生的操作。

＊需排放氧氣時，請與裝置制造廠家或敝公司聯系商洽。除上述項目之外，還必須對是否采取下述措施進行研討。

請安裝連接在停電時也能向低溫泵內，配管內注入N2的控制電路。因此，必須裝備無停電電源。最低限度也必須裝備好溫度計，用于凈化向低溫泵內注入N2的閥，以及低溫泵內氣體排放閥，低溫泵內大氣壓檢測器，用于對配管進行稀釋處理的N2注入閥。
關于停電后是否必須實施再生之操作，請通過對低溫泵的2級冷頭的溫度是否超過20K進行確認后再做出判斷。如超過20K時，就必須予以實施。如沒有超過20K時，則請在此狀態下進行重新啟動操作。

需利用油回轉泵來排放冷凝有可燃性氣體的低溫泵內的氣體時，應少量緩慢地將低溫泵內的可燃性氣體一點點地排放出來。并請將氮氣等類不活性氣體注入配管內，將管道內的可燃性氣體的濃度控制在燃燒范圍以下。(圖2：從Ｂ部位注入不活性氣體)
利用低溫泵來排放大量的氧氣，進行再生時，當低溫泵內的氧氣濃度達到20%以上的情況下，如果在此狀態下利用油回轉泵來排放氣體時，將有導致油回轉泵內的油燃燒或爆炸的危險。請將氮氣等不活性氣體注入低溫泵和油回轉泵之間的粗抽配管內，將氧氣濃度控制在20%。以下(圖2：從Ａ部位注入不活性氣體)
如需利用低溫泵同時排放可燃性氣體和空氣或氧氣時，請將低溫泵的運轉操作停止下來。事先決定好可燃性氣體的排氣時間后，再來進行再生之操作。以次來確保即使是可燃性氣體恢復還原為普通氣體后其濃度也將控制在燃燒范圍之外。為了安全起見，請將氮氣等不活性氣體注入配管內。

圖2:氧氣/可燃性氣體的稀釋方法(2)

1.冷卻降溫特點
因低溫泵不能直接對大氣起動，需要進行粗抽真空。油回轉泵作為粗抽泵使用時，只需抽至不發生油蒸氣返流的４０Ｐa，敝公司低溫泵即可起動。殘留在泵內的氣體會全部吸附到吸附劑里。冷卻時間受下列要素影響。

表1.對冷卻降溫時間帶來影響的要素

冷卻降溫時間受再生方法的影響。充入氮氣法或使用加熱帶，將使低溫泵的溫度升高，除去水汽，從而不易達到真空絕熱，冷卻時間也隨之延長。且極少量的漏泄，也會導致無法冷卻。需特別注意不可忽視（尤其是安全閥的漏泄）。使用６０Hz電源頻率與５０Hz電源頻率相比，冷卻時間可縮短約１０～１５％。
通常把冷卻時間定義為１５Ｋ低溫冷凝板溫度下降至２０Ｋ以下所需時間。如表２所示。

2.排氣速度特性
2-1.對水汽的排氣特性

低溫表面溫度低于１５０Ｋ時，低溫表面對水汽的捕捉率幾乎可以視為1。通常，在低溫泵正常運行時，因８０Ｋ屏蔽筒和８０Ｋ擋板的溫度低于１３０Ｋ，故低溫泵對水汽的抽速等同于８０Ｋ屏蔽筒口徑的理想抽速。對分子量為Ｍ的氣體的單位面積理想抽速ｓ為：
s=62.5／M^{1 / 2}(L/s/cm²)(20℃)

在排出水汽時，因水的分子量為Ｍ＝１８，故理想抽速為s=14.7(L/s/cm²)。８０Ｋ屏蔽筒吸氣口的面積為A(cm²)時，低溫泵對水汽的抽速Ｓ為，Ｓ＝ｓ?Ａ（Ｌ/ｓ）。

例如在使用８英寸低溫泵時，８０Ｋ屏蔽筒吸氣口的面積為約275cm²，則對水汽的抽速為４０００Ｌ/ｓ。對冷凝在８０Ｋ擋板上而被排出的氣體（如CO₂,NH₄）用同樣的方法可計算。
因對水汽的抽速為４０００Ｌ/ｓ，CO₂的分子量為４４，ＣＲＹＯ－Ｕ８Ｈ低溫泵對CO₂的抽速，由此可計算得出
SCO₂=SH₂O X ( 18 / 44 )^1/2=2560 L/s。

表2.低溫泵對水汽的抽速

2-2.對Ar、N₂（冷凝性氣體）的排氣特性

N₂、Ar、CO、O₂等蒸氣壓較高的氣體不能在８０Ｋ擋板或８０Ｋ屏蔽筒上冷凝，只有在溫度低于２０Ｋ條件下才能冷凝而排出。
低溫表面的溫度低于２０Ｋ時，低溫表面對冷凝性氣體的捕捉率為1。且在分子流領域從吸氣口到冷凝板的電導不變，低溫泵的排氣速度也不變。

由在分子流領域對氮氣的排氣速度來代表低溫泵說明書上的低溫泵排氣速度。除氮氣外對分子量為Ｍ的冷凝性氣體的排氣速度可由以下公式計算得出。

SM=SN₂×(28／M)^{1/ 2}（L/s）???????(1)
SN
₂：對氮氣的排氣速度（L/s）

例如ＣＲＹＯ－Ｕ８Ｈ低溫泵對氬氣的抽速，從表６－３中可看出SN₂＝1700（L/s），且氬氣分子量Ｍ＝４０，可由上述公式計算得出
Sar=1700X(28/40)^{1 / 2}=1400L/s

図1.CRYO-U對氮氣的排氣速度

表3.各型號低溫泵對氮氣的排氣速度（低溫泵說明書上的數據）

氣體的流動從分子流變為中間流時因電導與壓力成正比，低溫泵的排氣速度也隨之增大。但因隨壓力的增大對低溫泵的入射熱量也隨之增加，故當熱負荷超過制冷機的冷卻能力時低溫泵的排氣將達到極限。敝公司把在熱負荷狀態下低溫冷凝板的溫度上升至２０Ｋ時的流量定義為最大流量（圖1 ○記號的點）。最大流量隨冷卻能力的增大也隨之增大。但因低溫表面的熱傳導率有限，不管冷卻能力有多強，低溫表面也會產生溫度陡度。當冷凝層的表面溫度超過極限時，因氣體無法被凝固，低溫泵的排氣速度將成零。

2-3.H₂、He、Ne非凝結性氣體）排氣特性

H₂、He、Ne種氣體的蒸氣壓最高，在２０Ｋ條件下無法通過冷凝作用排出，因此稱之為非凝結性氣體。這些氣體因無法通過冷凝作用排出，故吸附在冷卻至２０Ｋ以下的吸附劑里排出。隨著吸附劑吸附非凝結性氣體量增加成飽和狀態，排氣速度將逐漸降低。當排氣速度降至初期值的８０％時，吸附在吸附劑表面上的氣體量定義為排氣量（后述）。對非凝結性氣體的排氣速度由（１）和（２）而定。通常根據試驗而定。
（１）吸附劑的吸附率(受以下要素影響)
①吸附劑的性質，吸附劑的裝入方法，吸附劑的結構
②吸附劑的量、溫度
③脫氣程度
④到此刻為此吸附的氣體種類及吸附量
⑤氣體的流量，氣體的溫度
（２）吸氣口到吸附劑的到達率（電導）
像H₂、Ｎe吸附量大的氣體，在分子流領域里排氣速度保持一定不變。冷凝板的溫度隨流量的增加也隨之上升，當升至２０Ｋ時所徑流的流量為最大流量。在排出非凝結性氣體的情況下，因隨吸附劑表面上吸附量的增加即吸附率的降低，接近最大流量的大流量抽氣只能維持很短的時間。以較大的流量對氫氣進行排氣時，建議不要進行連續排氣，間隔排氣更能維持其排氣性能。
非凝結性氣體當中，因氫氣屬放出氣體的重要成分，應用上也屬重要氣體，故有詳細規格可參照。氖因使用例極低，沒有詳細數據可參照。氦氣為最難吸附的氣體即被排氣量只有氫氣的１／１００～１／１０００，因此不鼓勵使用低溫泵進行排氣。

型號
CRYO-U排氣速度
(L/s)最大流量
(Pa?L/s)排氣量
(Pa?L)-U6H11001.1×10²3.1×10⁵-U8H27002.4×10²1.0×10⁶-U8HSP32002.4×10²1.0×10⁶-U10PU36001.5×10²6.7×10⁵-U12H60004.1×10²9.8×10⁵-U12HSP60004.1×10²1.6×10⁶-U16100004.1×10²2.4×10⁶-U16P100004.5×10²2.4×10⁶-U20P180005.0×10²4.6×10⁶-U22H250001.3×10³8.5×10⁶-U30H430007.4×10²1.5×10⁷

表4.CRYO-U低溫泵對氫氣的排氣性能

図2.CRYO-U低溫泵對氫氣的排氣速度

3.低溫泵的排氣量

3-1.對凝結性氣體的排氣量

利用低溫泵的冷凝作用排出的氣體有①凝結在８０Ｋ屏蔽筒或８０Ｋ擋板上的氣體（主要是水汽），②凝結在１５Ｋ冷凝板上的氣體（氮氣，氬氣，氧氣等）兩種。

(1) 對水汽的排氣量
因隨著８０Ｋ擋板上水汽的凝結和厚度的增大，８０Ｋ擋板的電導會變小，對凝結或吸附在１５Ｋ冷凝板上的氣體的排氣速度會逐漸降低。當排氣速度大幅降低即需要進行再生時，到此時為止排出的水汽的量應稱為對水汽的排氣量。但對水汽的排氣量沒有作出定義。對水汽的排氣量下表數據可做參照。（排氣量的單位為ｇ）

表5.低溫泵對水汽的排氣量（標準）

(2) 對氬氣的排氣量

凝結在１５Ｋ冷凝板上的氣體當中排氣量不易計算的氣體是在濺射作業中對氬氣的排氣量。隨著１５Ｋ冷凝板表面上氬氣量的增多，將與８０Ｋ擋板或８０Ｋ屏蔽筒發生接觸，或氬氣層內的溫度陡度變大，氬氣的表面溫度升高，即無法再吸附氬氣。到此時為止排出的氬氣量為排氣量。敝公司把停止供應氬氣并關閉主閥門過5分鐘后壓力不能降至1.3X10^-4Ｐａ以下時，到此時為止排出的氬氣總量定義為對氬氣的排氣量。當對氬氣的排氣量達到上述定義的排氣量時，即使停止供應氬氣，壓力恢復急劇變壞，無法再吸附氬氣。圖６－４所示以２００ＳＣＣＭ速度連續注入氬氣5分鐘后停止其注入時的CRYO-U12HSP的壓力?？煽闯霎斉艢饬砍^4.3X10⁸Ｐa?Ｌ時，壓力恢復急劇變壞，排氣量為4.3X10⁸Ｐa?Ｌ。表６－６所示為各型號低溫泵對氬氣的排氣量。

図3.CRYO-U12HSP的壓力恢復（測定例）

3-2.對非凝結性氣體的排氣量

對像氫，氦，氖在１０Ｋ左右溫度下不能以冷凝作用排出的氣體，是以被附在１５Ｋ冷凝板內側的吸附劑吸附而排出。隨著冷凝板上吸附量的增大即接近飽和狀態①低溫泵的排氣速度會降低 ，②吸附平衡壓力會升高即排氣性能逐漸降低，以至不能進行排氣。敝公司把當對氫氣的排氣速度降至到初期排氣速度的８０％時，吸附劑所吸附的氫氣量定義為對氫氣的排氣量。為有效發揮其吸附作用吸附劑要求清凈。吸附劑在以下3種情況下易受污染。
①　吸附了凝結性氣體（主要為空氣）
②　吸附了水汽
③　吸附了油蒸氣
大量吸附上述物質時，對氫氣的吸附能力會降低?？諝饣蛩ㄟ^對低溫泵進行再生可除去，但油蒸氣一旦被吸附則無法除去，只能更換１５Ｋ冷凝板②（吸附板）。為保證低溫泵對氫氣的排氣性能，油蒸氣不可向低溫泵返流。
圖4所示對氫氣的排氣速度與所排出的氫氣量關系。Ｓ表示排氣速度，Ｃ表示排氣量。各型號低溫泵對氫氣的排氣速度及排氣量，請參照表。

圖4:對氫氣的排氣速度與排氣量的關系

4.對低溫泵的熱負荷及最大流量
低溫泵的熱負荷決定于輻射熱及氣體分子的負荷（氣體分子的熱傳導，被抽氣體的冷凝熱），并由下述公式計算而得。

A1：內側　A2：外側

平均熱的適應系數ａ0的公式（A1＜A2）

適應系數ａ1,ａ2（近似值）

制冷機1段的熱負荷決定于輻射熱及氣體分子的熱傳導。但如不在10^-1Ｐａ壓力下連續使用，絕大部分熱負荷來自輻射熱。制冷機2段的熱負荷決定于被抽氣體的冷凝熱，并決定最大流量。制冷機2段冷凍能力受1段的熱負荷影響即1段的熱負荷增大時，2段的冷凍能力會降低，最大流量也降低。
因此，在被抽氣體量多的情況下，應保持低溫泵的清凈（減少輻射率），從而降低來自輻射的熱負荷。通常因大型低溫泵的受熱面積大即輻射熱大，應使用冷凍能力大的制冷機。
低溫泵的最大流量為在受標準輻射熱條件下，當１５Ｋ冷凝板的溫度上升至２０Ｋ時的流量。在相同直徑下，制冷機的冷凍能力越大或排氣速度越大最大流量則越大。例如，ＣＲＹＯ－Ｕ１６和Ｕ１６Ｐ在相同直徑相同排氣速度條件下，因Ｕ１６Ｐ制冷機（Ｒ５０）的冷凍能力比Ｕ１６制冷機（Ｒ２０）的冷凍能力大，則最大流量也大。
低溫泵的最大使用壓力Ｐmax是最大流量Ｑmax除以此時的排氣速度Ｓmax而得（Ｐmax ＝Ｑmax ／Ｓmax ）。氬氣的最大使用壓力Ｐmax在10^-1Ｐａ帶，屬中間流。表７所示各型號低溫泵的最大流量。

表７:各型號低溫泵的最大流量

5.交叉壓力（crossover）
所謂交差壓力指對真空室的粗抽真空結束后，打開主閥門，開始使用低溫泵進行排氣時的真空室的壓力值（粗抽壓力）。此時被容許的最大粗抽壓力稱為最大容許交差壓力。打開主閥門的瞬間真空室的氣體會流向低溫泵，但氣體量如超過極限時，低溫泵則變為不能進行排氣即溫度升高，泵內捕集的氣體會重新放出來。最大容許交差壓力是低溫泵的最大吸入氣體量除以真空室的容積而得。

低溫泵的最大吸入氣體量決定于低溫泵可恢復排氣性能的極限值（通常冷凝板的溫度會超過２０Ｋ）。但安全起見通常把在式①中得出的最大容許交叉壓力的１/２作為粗抽壓力。為了更確保安全也可把冷凝板的溫度不超過２０Ｋ的值作為最大容許交叉壓力。低溫泵的最大吸入氣體量隨低溫泵的熱負荷及泵內捕集的氣體的量而變。

表6-8 所示各型號低溫泵的標準最大吸入氣體量（對空氣）。例如， 在使用Ｕ８Ｈ低溫泵的情況下，最大吸入氣體量為133000Ｐａ?Ｌ時，容積為１００Ｌ的真空容器的最大容許交叉壓力Ｐmax為
Ｐmax ≦133000Ｐａ?L ／100L＝1330Ｐａ
即粗抽壓力為1330Ｐａ以下。安全起見通常把665Ｐａ作為粗抽壓力。為不超過２０Ｋ，最大吸入氣體量定為20000Ｐａ?Ｌ。
Ｐ＝ 20000／100 ＝200Ｐａ
在真空容器的容積大，粗抽壓力低于４０Ｐａ情況下，應采取油蒸氣的逆流對策或使用更大型低溫泵或增加低溫泵臺數使得粗抽壓力保持４０Ｐａ或以上。

6.極限壓力
向低溫泵沒有氣體流入時，低溫泵對冷凝性氣體的極限壓力決定于在一定低溫表面溫度條件下的各氣體的蒸氣壓及冷凝系數。并由以下公式計算得出。

Pg=Ps(Tg/Ts)1/2

冷凝性氣體當中，氮氣為蒸氣壓最高的氣體。圖6所示在低溫表面溫度１０～２０Ｋ時的對氮氣的極限壓力。通常在無負荷狀態下冷凝板的溫度為１０～１２Ｋ左右，且蒸氣壓力為～10-21Ｐa，因此可以完全無視不計。對非冷凝性氣體即氫氣的極限壓力決定于吸附平衡壓力。圖6-7中可看出低溫泵內活性炭對氫氣的吸附能力極強。在超高真空環境下運轉時，被抽氫氣的量極少，氫氣的吸附平衡壓也可忽略不計。 （例如、８Ｈ(SH2O=2700 L/s) 時， 10-8Ｐa 壓力條件下運轉1個月時的氫氣的吸附量為Q=1.3x10-8x2700x30x24x3600=91 Pa 因此低溫泵的極限壓力決定于流入低溫泵的氣體量及排氣速度。低溫泵單體的極限壓力通常是在低溫泵上設置盲法蘭，并把流入低溫泵的氣體量控制在最小限度條件下測量。此外極限壓力因低溫泵規格（標準規格及超高真空規格）、粗抽壓力及是否進行烘烤而異。在使用普通Ｏ型密封圈，粗抽壓力為４０Ｐa，且不進行烘烤條件下，低溫泵運轉１２個小時的極限壓力為 (１～４)×10-6Ｐa 。圖8所示在進行烘烤和不進行烘烤條件下對殘留氣體的測定值。表9所示低溫泵單體的標準極限壓力。超高真空規格下充分進行烘烤時可獲得10-10Ｐa 帶極高真空。裝置的極限壓力決定于從裝置放出的氣體量。（Ｐ＝Ｑ／Ｓ）。

圖6.極限壓力決定于蒸氣壓

活性炭對氫氣的吸附等溫線

低溫泵的極限壓力（標準）

圖１:冷凍原理

低溫泵所利用的代表性冷凍循環有以下兩種。
①Ｇ－Ｍ循環方式
② M-Solvay循環方式
從信賴度方面考慮，大部分低溫泵采用Ｇ－Ｍ循環。
敝公司采用了Ｇ－Ｍ循環。

圖表示Ｇ―Ｍ循環的
工作原理和Ｐ－Ｖ圖（表示
膨脹室的壓力Ｐ與容積Ｖ的關系）。

2.Ｇ－Ｍ循環
Ｇ－Ｍ循環是1950年末由吉福特（Gifford）開發發明。活塞的驅動方式有機械驅動方式（ＵＣＩ，ＣＴＩ）和利用工作氣體壓力差的驅動方式。Ｇ－Ｍ循環效率高，不僅驅動速度慢，而且對內部密封件的負荷小，是具有高性能及高信賴性的制冷循環。下面就敝公司采用的機械驅動方式進行說明。

A 最初活塞在活塞筒體的最下部。 此時低壓閥關閉，高壓閥開啟。 ↓ (a) 高壓氦氣進入活塞筒體的低溫部（室溫）填充。 ↓ B 活塞筒體內成高壓狀態。 ↓ (b) 活塞向上移動，室溫狀態的氦氣在蓄冷器內冷卻后進入低溫部。 ↓ C 低溫部呈最大容積。此時高壓閥關閉，低壓閥開啟。 ↓ (c) 低溫部的高壓氦氣經過蓄冷器而放出。此時通過膨脹，氦氣的溫度降低， 產生低溫。 ↓ D 低溫部呈最低壓力狀態。 ↓ (d) 活塞向下移動，被冷卻的氦氣邊對蓄冷器進行冷卻邊移送到室溫部。 ↓ A 回到原位，即循環完成。。

由此可以看出，在理想的Ｇ－Ｍ循環里Ｐ－Ｖ圖成四角形。把循環周期用ｔ秒表示的話，理想的冷凍能力Ｑideal可由以下公式計算得出。

Q ideal =W/t

為了獲得１５Ｋ以下極低溫，實際制冷機為2段式結構。且為實現結構的簡單化，把蓄冷器安裝在活塞內。因1段密封件和2段密封件不存在壓力差，故密封件的負擔小，壽命長信賴度高。

Seven key points
[Cryopump Assembly]

[Compressor Unit]

1. 圧力換算

2. 抽速

3. 流量

4. 排氣容量

5. 溫度