低温泵制冷单元的故障对系统的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:张以忱

  如果低温泵制冷机系统的故障不是在气体压缩单元、连接管道和真空系统,则问题一定在制冷单元。与低温泵制冷单元有关的故障有:1)机械零件的磨损;2)密封元件的老化;3)工作氦气的泄漏;4)供气气流所引起的污染;5)超负荷运行。

a. 制冷单元的机械零件磨损对泵性能的影响

  低温泵制冷单元传动机构的作用是使制冷膨胀机的排出器做往复运动和传动阀门。由于长时间的运行,阀门的传动轴承或传动器轴承可能损坏。

  传动器轴承的损坏,有可能引起传动轭及其衬套的损坏。任何金属零件的损坏,金属碎片都会被吸入传动马达,引起恶性循环,加速低速电机轴承的磨损和产生更高的磨损热。

  另一个故障是阀门的不正确运动,可能导致阀门开得不够,或停留不开,则在供气和排气中会引起串漏或堵塞,也可能引起不正常的压差,而使压缩机发生严重故障。

  传动单元中的任何故障都会导致制冷能力损失,从而使运行温度上升,而破坏低温泵的正常工作。

b. 制冷单元密封件的老化与损坏对泵性能的影响

  制冷单元中密封件的老化或损坏都会导致排出器漏气而使制冷能力降低,使运行温度上升。密封件的故障有四个类型:1)一级排出器的密封老化和磨损;2) 二级排出器密封环的故障;3)传动轭轴密封组合的损坏;4)进、排气阀门中Taflono 型环的磨损和O 型密封圈的老化等。由于漏气使压差减小,致使制冷量亦减小和制冷温度上升,使泵的抽气性能恶化。一、二级活塞环的泄漏,从压缩机来的部分高压氦气不经蓄冷器预冷而直接进入冷头,膨胀后的部分冷氦气不经蓄冷器而直接经活塞进入排气阀,使制冷机制冷量损失严重,直至泵无法工作。

c.制冷单元污染对泵性能的影响

  制冷单元的污染主要有四个来源:1)充气时用了污染的氦气;2)清洗技术不良;3)从气体压缩单元带来的液体油或油汽;4)气缸与排出器密封环磨损的灰尘等。

  现代低温泵的制冷机一般选用G-M循环制冷机和索尔文循环制冷机,它们的制冷单元与压缩单元分开,其间用两根金属软管连接,在振动和长时间的工作中,就有可能使密封件老化及连接件松动而产生泄漏。在实际应用中,有的低温泵一年补气一次,有的半年补气一次或更多次,如果补气时用了不纯的气体,或补气时带进了空气,就造成直接污染。

  水汽、氮和氢的污染大多都是由于清洗不佳引起的。泵在维修后,一定要将各部件抽空到规定的真空度要求并持续抽一定的时间。如果抽空时间太长则会引起机械泵油的返流,抽气时间太短达不到抽空的目的,必然造成污染。

  压缩机长期工作会加速压缩机的磨损,更主要的是加速润滑油的裂解,当油的裂解速率超过活性炭吸附筒的吸附速率时,它就被高压氦气带到制冷单元的一、二级蓄冷器中堵塞蓄冷器,时间愈长,污染愈严重。这样极大地减小了蓄冷器的热交换面积,使气流进出不畅。

  一个理想的蓄冷器要求热容量大,气流和填料之间接触表面积大,有良好的热交换,对气流的阻力小、填料的空容积小以及沿气流方向虽有极大的温度梯度,但导热小等。蓄冷器受污染和局部堵塞后,会使蓄冷器的空容积和压力降都发生变化,由实验测出的空容积和压力降损失的制冷量可为总制冷量的41.3%。

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