G-M低温泵系统的故障诊断与分析

2010-01-16 张建明博鲁可斯科技(上海)有限公司

　　本文比较系统地总结了Gifford- McMahon (G- M)制冷循环的低温泵系统的故障诊断与分析方法, 提出了低温泵在使用过程中应注意的问题与解决方案, 并结合实例详细描述了解决故障的方法、工具和诊断过程。本文的方法可以为低温泵系统的故障诊断和排除提供实际的指导作用。

　　低温高真空泵(Cryogenic high- vacuum Pump),又称低温泵、冷泵、冷凝泵, 它可以高速抽取各种气体, 既可以为科学研究提供洁净的超高真空环境( 可以达到10^-9Pa 的超高真空) , 又可提供超低温的测试环境。它又是一种高效、耐用、应用范围很广的超高真空泵。在低温泵技术发展的过程中最重大的突破是G-M(Gifford-McMahon) 制冷循环的应用和二十世纪六十年代活性炭的应用,这种低温泵大量用于计算机芯片、半导体、平板显示、数据记录硬体和光电器件的制造过程中。低温泵系统通常需要24h连续运转, 全年365天持续工作。在日常运行中可能发生种种故障, 对低温泵的制冷能力和抽气特性产生影响。国内对低温泵系统的故障也曾经进行了初步的研究但内容还远不能满足解决大量实际问题的需求。本文作者因工作关系比较系统地总结了低温泵故障发生的类型以及故障诊断分析的方法和解决问题的措施。目前国内引进的低温泵越来越多, 培养一个熟练掌握低温泵性能的维修人员, 不但需要大量的理论培训, 而且需要长时间的实践训练, 成本高、周期长。虽然低温泵维修手册中包含了一些故障处理方面的内容, 但并不全面和具体, 远不能满足技术人员在实际维护中的需要。本文的内容是作者实践经验的总结, 是对低温泵维护手册的补充, 可为使用低温泵的科技人员提供一些现场检修的实际指导, 对提高检修效率降低检修成本有一定的实用意义。

1、低温泵故障类型与诊断分析

1.1、压缩机故障对低温泵抽气性能的影响

1.1.1、泄漏对低温泵抽气性能的影响

(1)氦气压缩机润滑油的泄漏

　　故障现象: 氦气压缩机内部有润滑油泄漏故障分析和排除: 氦气压缩机由机械部件组成, 为了保证运转的正常需要对运动部件进行润滑油润滑。润滑油会与从低温泵中回来的氦气混合后进入压缩机的泵体。通过泵体压缩后, 出来的是高温高压带有润滑油的氦气。通常压缩机漏油分两种情况: 第一种是压缩机经过多年的连续运转后, 密封件老化, 造成泄漏。第二种是由压缩机的安全阀引起的。在压缩机的管路中装有一个黄色铜制安全阀, 当压缩机内部的压力超过一定数值时, 安全阀被推开, 高压的润滑油与氦气的混合物喷出, 造成漏油。

　　因此, 压缩机的润滑油泄漏分为密封件老化泄漏和安全阀打开泄漏。这两种情况都是不能完全避免的。而低温泵系统通常是放在洁净室内,不可以有任何泄漏污染工作环境。所以通常建议将低温泵和压缩机分开放置, 即将压缩机放置到洁净室的外面, 以防万一。

(2) 氦气压缩机的氦气泄漏

　　故障现象: 在压缩机经过长期运转后, 压缩机内的氦气压力会有所降低。

　　故障分析和排除: 这可能是由于两种原因造成的。第一、在每次拆装氦气管路时, 会损失一定的氦气。氦气管路的接头为自密封型, 理论上每次拆装只会有2 毫升的氦气损耗。但实际操作时, 有时会听到漏气的声音, 此时就有可能泄漏较多的氦气。这种情况只需补充氦气即可。第二、氦气系统泄漏。氦气系统的泄漏会造成氦气的压力持续降低, 最终会影响低温泵的抽气性能。这时需要使用带有嗅探器(Sniffer) 的氦气检漏仪对整个低温泵系统进行测漏。排除漏点后, 对压缩机补充氦气。

　　因此, 为了避免氦气的泄漏, 通常尽量避免对氦气管路进行频繁拆装。在氦气压缩机运转多年后, 应对密封件进行更换, 特别是各电磁阀处的密封垫圈。

1.1.2、压缩机不能运转对低温泵抽气性能的影响

(1) 压缩机完全不能运转

　　故障现象: 压缩机完全不能启动

　　故障分析和排除: 压缩机上安装有主电源开关和压缩机开关。在启动压缩机时应该先开启主电源开关, 如果主电源开关或压缩机开关立刻跳闸, 则表明电源的相序错误或电压错误, 需要接入正确的电源相序和电压。如果主电源开关和压缩机开关都没有跳闸, 检查远程控制器是否正确安装使用。

　　因此, 压缩机完全不能启动通常是由于电源错误或远程控制器安装不正确。当然, 压缩机的电路损坏和机械部件损坏也会造成压缩机完全不能运转, 最常见的故障是由于电源相序错误,将会有一个叫相位监测器的元件损坏。

(2) 压缩机只能运转几分钟

　　故障现象: 在压缩机开启后, 只能运转几分钟, 就停止工作。

　　故障分析和排除: 查看主电源开关是否跳闸, 如果跳闸, 则检查输入电压是否正确, 检查氦气的静态压力是否在规定的范围内, 如果太低需要补充氦气, 如果氦气压力太高, 需要通过充气接口放气。检查压缩机冷却水的流量和温度, 冷却水的温度太高或太低都会引起压缩机的温度保护开关跳闸。查看压缩机的型号, 如果是1020R 或8500 系列, 同时压缩机的噪音很大, 则表明压缩机的润滑油不足, 需要补充润滑油。如果以上检查都正常, 可以尝试不断启动压缩机,观察每次压缩机开关跳闸的时间间隔是否在不断延长, 因为低温泵首次启动或很长时间没有使用, 其内部的润滑油温度很低, 导致压缩机的泵体润滑情况不好。特别是在一些寒冷地区的冬季, 过低的温度会使低温泵的润滑油凝结。这时低温泵并没有损坏, 只需反复启动, 从而达到预热的目的。因此, 压缩机的正常运转需要正确的氦气压力、良好的温度控制和充足的润滑油润滑。

　　限于篇幅，文章第二章节的部分内容省略，详细文章请邮件至作者索要。