G-M低溫泵系統的故障診斷與分析

2010-01-16 張建明博魯可斯科技(上海)有限公司

　　本文比較系統地總結了Gifford- McMahon (G- M)制冷循環的低溫泵系統的故障診斷與分析方法, 提出了低溫泵在使用過程中應注意的問題與解決方案, 并結合實例詳細描述了解決故障的方法、工具和診斷過程。本文的方法可以為低溫泵系統的故障診斷和排除提供實際的指導作用。

　　低溫高真空泵(Cryogenic high- vacuum Pump),又稱低溫泵、冷泵、冷凝泵, 它可以高速抽取各種氣體, 既可以為科學研究提供潔凈的超高真空環境( 可以達到10^-9Pa 的超高真空) , 又可提供超低溫的測試環境。它又是一種高效、耐用、應用范圍很廣的超高真空泵。在低溫泵技術發展的過程中最重大的突破是G-M(Gifford-McMahon) 制冷循環的應用和二十世紀六十年代活性炭的應用,這種低溫泵大量用于計算機芯片、半導體、平板顯示、數據記錄硬體和光電器件的制造過程中。低溫泵系統通常需要24h連續運轉, 全年365天持續工作。在日常運行中可能發生種種故障, 對低溫泵的制冷能力和抽氣特性產生影響。國內對低溫泵系統的故障也曾經進行了初步的研究但內容還遠不能滿足解決大量實際問題的需求。本文作者因工作關系比較系統地總結了低溫泵故障發生的類型以及故障診斷分析的方法和解決問題的措施。目前國內引進的低溫泵越來越多, 培養一個熟練掌握低溫泵性能的維修人員, 不但需要大量的理論培訓, 而且需要長時間的實踐訓練, 成本高、周期長。雖然低溫泵維修手冊中包含了一些故障處理方面的內容, 但并不全面和具體, 遠不能滿足技術人員在實際維護中的需要。本文的內容是作者實踐經驗的總結, 是對低溫泵維護手冊的補充, 可為使用低溫泵的科技人員提供一些現場檢修的實際指導, 對提高檢修效率降低檢修成本有一定的實用意義。

1、低溫泵故障類型與診斷分析

1.1、壓縮機故障對低溫泵抽氣性能的影響

1.1.1、泄漏對低溫泵抽氣性能的影響

(1)氦氣壓縮機潤滑油的泄漏

　　故障現象: 氦氣壓縮機內部有潤滑油泄漏故障分析和排除: 氦氣壓縮機由機械部件組成, 為了保證運轉的正常需要對運動部件進行潤滑油潤滑。潤滑油會與從低溫泵中回來的氦氣混合后進入壓縮機的泵體。通過泵體壓縮后, 出來的是高溫高壓帶有潤滑油的氦氣。通常壓縮機漏油分兩種情況: 第一種是壓縮機經過多年的連續運轉后, 密封件老化, 造成泄漏。第二種是由壓縮機的安全閥引起的。在壓縮機的管路中裝有一個黃色銅制安全閥, 當壓縮機內部的壓力超過一定數值時, 安全閥被推開, 高壓的潤滑油與氦氣的混合物噴出, 造成漏油。

　　因此, 壓縮機的潤滑油泄漏分為密封件老化泄漏和安全閥打開泄漏。這兩種情況都是不能完全避免的。而低溫泵系統通常是放在潔凈室內,不可以有任何泄漏污染工作環境。所以通常建議將低溫泵和壓縮機分開放置, 即將壓縮機放置到潔凈室的外面, 以防萬一。

(2) 氦氣壓縮機的氦氣泄漏

　　故障現象: 在壓縮機經過長期運轉后, 壓縮機內的氦氣壓力會有所降低。

　　故障分析和排除: 這可能是由于兩種原因造成的。第一、在每次拆裝氦氣管路時, 會損失一定的氦氣。氦氣管路的接頭為自密封型, 理論上每次拆裝只會有2 毫升的氦氣損耗。但實際操作時, 有時會聽到漏氣的聲音, 此時就有可能泄漏較多的氦氣。這種情況只需補充氦氣即可。第二、氦氣系統泄漏。氦氣系統的泄漏會造成氦氣的壓力持續降低, 最終會影響低溫泵的抽氣性能。這時需要使用帶有嗅探器(Sniffer) 的氦氣檢漏儀對整個低溫泵系統進行測漏。排除漏點后, 對壓縮機補充氦氣。

　　因此, 為了避免氦氣的泄漏, 通常盡量避免對氦氣管路進行頻繁拆裝。在氦氣壓縮機運轉多年后, 應對密封件進行更換, 特別是各電磁閥處的密封墊圈。

1.1.2、壓縮機不能運轉對低溫泵抽氣性能的影響

(1) 壓縮機完全不能運轉

　　故障現象: 壓縮機完全不能啟動

　　故障分析和排除: 壓縮機上安裝有主電源開關和壓縮機開關。在啟動壓縮機時應該先開啟主電源開關, 如果主電源開關或壓縮機開關立刻跳閘, 則表明電源的相序錯誤或電壓錯誤, 需要接入正確的電源相序和電壓。如果主電源開關和壓縮機開關都沒有跳閘, 檢查遠程控制器是否正確安裝使用。

　　因此, 壓縮機完全不能啟動通常是由于電源錯誤或遠程控制器安裝不正確。當然, 壓縮機的電路損壞和機械部件損壞也會造成壓縮機完全不能運轉, 最常見的故障是由于電源相序錯誤,將會有一個叫相位監測器的元件損壞。

(2) 壓縮機只能運轉幾分鐘

　　故障現象: 在壓縮機開啟后, 只能運轉幾分鐘, 就停止工作。

　　故障分析和排除: 查看主電源開關是否跳閘, 如果跳閘, 則檢查輸入電壓是否正確, 檢查氦氣的靜態壓力是否在規定的范圍內, 如果太低需要補充氦氣, 如果氦氣壓力太高, 需要通過充氣接口放氣。檢查壓縮機冷卻水的流量和溫度, 冷卻水的溫度太高或太低都會引起壓縮機的溫度保護開關跳閘。查看壓縮機的型號, 如果是1020R 或8500 系列, 同時壓縮機的噪音很大, 則表明壓縮機的潤滑油不足, 需要補充潤滑油。如果以上檢查都正常, 可以嘗試不斷啟動壓縮機,觀察每次壓縮機開關跳閘的時間間隔是否在不斷延長, 因為低溫泵首次啟動或很長時間沒有使用, 其內部的潤滑油溫度很低, 導致壓縮機的泵體潤滑情況不好。特別是在一些寒冷地區的冬季, 過低的溫度會使低溫泵的潤滑油凝結。這時低溫泵并沒有損壞, 只需反復啟動, 從而達到預熱的目的。因此, 壓縮機的正常運轉需要正確的氦氣壓力、良好的溫度控制和充足的潤滑油潤滑。

　　限于篇幅，文章第二章節的部分內容省略，詳細文章請郵件至作者索要。