如何选择和使用涡轮分子泵(2)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)东北大学 作者:杨乃恒

2.2、涡轮分子泵的缺点

  任何真空泵都有不足之处,涡轮分子泵也不例外。下面介绍它存在的一些缺点。

  (1) 设备费用高

  在抽速大于1000 L/s 的涡轮分子泵要比扩散泵和低温泵的设备投资大。然而涡轮分子泵在由于工艺气体或其它原因而不能使用扩散泵和低温泵的特殊场合下它是很好用的。若与小型或中型扩散泵相比,小涡轮分子泵是相当贵的。然而考虑到扩散泵系统需要阀门、挡板、阱、阀门控制器和管道等,总的花费来计算,二者的差别也就不大了,在某些情况下,涡轮分子泵还是便宜的选择。

  (2) 对颗粒物或沉积物敏感

  若物体(螺钉、玻璃碎片、灯丝或硅片)落入正在运转的涡轮分子泵中,涡轮会遭到损坏,往往需返回制造厂进行维修。一旦出事故损坏就是严重的,不会有几件回用的。重修、更换零件是很贵的。为了工作安全起见,在泵入口处装上细孔眼的过滤网,以保护泵的正常运转。这种措施对泵的有效抽速损失较大。敷在叶片上厚的沉积物,会造成对叶片的磨损和通道堵塞,也会影响转子的不平衡。如果一些粒子进入轴承,造成磨损,能降低泵的工作寿命。因此在某些应用中,安装保护措施是必要的。

  (3) 噪音与振动

  从使用经验来看,泵会出现振动和噪音问题,多半是轴承损坏和平衡性差所出现的问题。在正常的工作中,泵处于平静的状态,最大振幅在0.1~0.001 μm(即100~1 nm)之间,在某些精密设备上得到应用。而测不出易觉察的振动如图5 所示。对涡轮分子泵(巴尔蔡司公司生产的330型涡轮分子泵)进行频谱分析。振动速度V 的单位为μm/s,频率的单位为Hz,计算振幅可用公式:d=V/2πf,式中d 为振幅μm,f 为频率Hz,产生的最大振幅<0.005 μm(<5 nm)如此小的振动,涡轮分子泵运转很平稳,噪音很小,对某些特殊应用也是问题。

涡轮分子泵的振动速度与频率的关系

图5 涡轮分子泵的振动速度与频率的关系

  (4) 破碎问题

  有些用户由于害怕转子叶片破碎而不敢使用涡轮分子泵,破碎是在泵正常运转时,叶轮突然遭到吸入异物或轴承磨损而出现破碎的。通常要有保护措施,如在入口处加过滤网,破碎通常是可以避免的。

  (5) 暴露大气易引起事故

  任何高真空泵在运转期间都会碰到这种事故。如规管破裂,入口处管道、阀门、密封出现问题,都可能突然使真空泵入口暴露在大气压之下。不同型号的涡轮分子泵,耐大气压冲击的能力是不同的。有些泵会因叶片共振弯曲相碰而损坏,但也有些泵受大气冲击而不损坏。最好的办法是厂家通过试验得出结果。扩散泵和低温泵在工作中遇到这种突然事故也比较麻烦,比涡轮分子泵的抵抗能力差,如扩散泵油被氧化会迅速污染真空室,低温泵要求再生等。

  要想涡轮分子泵有较长的工作寿命和最佳的运转性能,用户一定要按操作规程和使用步骤进行,将在下面将详细讨论这些问题。

3、涡轮分子泵运转时值得注意的几个问题

3.1、返流

  涡轮分子泵具有提供超清洁、无碳氢化合物的真空环境的能力,故常被用户选用。然而,用户也偶尔会发现涡轮分子泵提供不了不含碳氢化合物的真空环境。经调查发现碳氢化合物的来源,50%是操作失误所带来的问题,如涡轮分子泵的前级泵为油封式旋片泵时,没有控制返流的安全阀,不合理的放气程序都会引起油蒸汽的返流,不合要求的安全阀也会引起油污染。

  为了在系统中实现无碳氢化合物这一要求,在前级泵不是干式泵的情况下,真空技术网(http://www.chvacuum.com)认为有必要了解涡轮分子泵的压缩比及如何给泵充气的一些基本知识。

3.2、压缩比

  涡轮分子泵的压缩比是指前级管道(排气口处)的压力与进气口处的压力之比。由于被抽气体的分子量不同,泵对各种气体的压缩比也不同。气体分子量M 的平方根与压缩比K 的关系如图6所示,泵对氢的压缩比很小,一般为1000 左右,这样一来如果前级管道中氢的压力为1×10- 7 Torr(13.33 μPa),那么进气口处氢的压力则小1000倍,即为1×10-10 Torr(13.33 nPa)。由于氢是超高真空系统中主要的残余气体,所以氢的压缩比是决定涡轮分子泵的极限压力的关键因素。

  涡轮分子泵对于大分子量的气体,如对那些碳氢化合物分子的压缩比是相当大的,一般高于1012。这个比值根据不同泵,以及不同分子量而不同,由于前级泵的不同和其它因素,涡轮分子泵的前级管道中的碳氢化合物的分压力在10- 4 Torr(13.33 mPa)~10- 6 Torr(133.3 μPa)之间,在这种条件下,在泵的入口处碳氢化合物的分压力将低了1012 倍,即为10-16 Torr(13.33 fPa)或更低。这样几乎是无限小的压力,已超出了可测量的范围,即使最灵敏的质谱仪也难以测出。

不同分子量M 的平方根与压缩比的关系曲线

图6 不同分子量M 的平方根与压缩比的关系曲线

3.3、充气措施

  (1)为什么要充气

  当涡轮分子泵关闭或运转极慢时,泵将不再有足够大的压缩比(泵内压力梯度)来阻止前级侧存在的碳氢化合物通过涡轮叶片向真空室进行返流。这种现象称作反扩散或分子返流。在静态条件下,整个系统的压力均衡时,在前级管道侧, 油的分压力通常为10-4 ~10-6 Torr ( 或13.33mPa~133.3μPa)最后也会波及到泵的入口处。当泵关闭时,适当地给泵内充气是控制油分子返流,保持真空室内无碳氢化合物的一种有效的措施。

  当停泵后,碳氢化合物返流很快通过泵进入真空室内,如果系统仍保持在真空状态下,碳氢化合物将会粘在清洁的叶片和真空室的表面上。在随后再运转该系统时,将极难抽除粘着的碳氢化合物。另一方面,在涡轮分子泵停止运转时,如果给泵充入干燥氮气或干燥空气,则该干燥气体将给暴露的表面提供一层气体保护层,而且在系统充气后,返流的碳氢化合物由于与充入的气体混合起来,从而它的粘着能力很弱,在混合气体中碳氢化合物所占比例极小,在下一次抽空时也很快就能被抽走。

  (2)延迟充气

  虽然在泵断开电源后就应给泵充气已被大家所接受,且很平常,但是,涡轮分子泵在切断电源后,泵要渐渐地减速,若延迟几秒或几分钟再充气会更好一些。在泵减速到它平时速度的30%~50%期间,此时泵仍能起到抽气和压缩作用。能有效地使真空室处在真空状态下且能防止碳氢化合物的返流。延迟充气也能使阀门有足够的时间关闭,在经常停电的情况下,延迟充气是很有用的。为了延迟充气, 前级真空必须维持在1 ~1000 μmHg (1 ×10-3 mmHg ~1 mmHg 或133.3 mPa~133.3 Pa)范围之内,所以在涡轮分子泵与前级泵之间必须有一个真空阀,或者在前级泵内部装一个控制阀,该阀应在电源中断时,使涡轮分子泵与前级泵隔离开来。否则,通过前级泵、前级管道被充气,并导致了油的污染。

  (3)在何处充气

  在涡轮分子泵的前级侧充气,能强制使碳氢化合物立刻通过涡轮分子泵流入真空室。另一方面,若在涡轮分子泵吸入侧充气,能达到以清洁气体覆盖表面的目的。并使气流流向涡轮分子泵(自上而下),能暂时阻止、延迟碳氢化合物的返流,也有些涡轮分子泵在压缩级之间进行中间充气,它和在吸入侧充气控制碳氢化合物返流几乎同样有效。在超高真空系统中,在压缩级充气尤其优越。因为中间充气不需要价格昂贵的金属密封的可烘烤的充气阀。

  (4)怎样充气

  如果涡轮分子泵置于一个清洁、干燥的周围环境中,就可以充室内的空气。然而充气入口的位置必须仔细选择。如果充气入口位置靠近油封式旋片泵的排气口位置之上,则充入的气体中会含有油蒸汽势必会对真空系统造成污染,而且如果空气是湿的,为了减少以后再抽气的时间,于是要充入干燥氮气或经过干燥器过滤的空气。另外也不一定总是充入大气压力下的气体,若充入气体的压力为几Torr(几hpa)的干燥气体就足以能控制碳氢化合物的返流。

3.4、前级管道设安全阀

  如果不采用一个操作合理的前级管道安全阀,就有可能即污染涡轮分子泵又污染真空室。当前级泵断电停车时,前级泵就会给自己充气反向通到涡轮分子泵的排气口。这种前级泵充气会输送前级管道返流的泵油,之后通过涡轮分子泵进入真空室,这种现象称为油污染,被污染后涡轮分子泵的叶片就必须在厂家的指导下用氟利昂来清洗。

  在涡轮分子泵与前级泵之间装上一个真空阀,可以防止反向充气,当停电时立刻关上此阀。理想的情况是,它即能对前级泵入口充气又不致于使泵油返流浸入安全阀。另外,只有当它的压力基本均衡时才能打开安全阀,否则就有可能出现压力冲击前级管道的问题,例如,在断电瞬间前级泵压力将为大气压力,然而前级管道仍可能处于真空状态下。若阀门的两侧压力差很大,一旦通电阀门会立刻打开,含污染油的大气压下的气体将由前级泵冲向前级管道,从而会污染系统。所以安全阀需要一定的延迟开启的时间,以便让前级泵将阀门后的管道内抽成真空,阀前后的压差均衡时才可打开安全阀,总之采取办法来控制阀门的两侧的压力差,不使气流返冲。现在许多直联式旋片泵,在泵内装有安全阀,但阀门密封性能一定要保证,一旦阀门关不上后果相当严重,涡轮分子泵系统就会被油污染,这种问题是可能通过检测事先发现的。在运转的前级泵上安装一个前级真空规管,将泵关闭如果前级压力增加值在10~1000 μmHg (1×10- 2~1 torr 或1.333~133.3Pa)之间并不再增加,则阀门有效如果压力继续上升很快,直接达到大气压力说明阀门失效。如果阀门的密封良好,检查阀门是否立即开启还是等压力均衡后再开启,观察规管并开前级泵,如果规管马上就跳到几乎是大气压力,说明有返流的蒸汽的冲击。

3.5、操作程序

  由于涡轮分子泵的种类和型号是多种多样的,每种泵的操作方式由制造厂家提供,涡轮分子泵的操作最简单、最便宜的方法是同时启动涡轮分子泵和前级泵,当涡轮分子泵加速到正常转速时,同时也预抽完了该系统,在此初始高压强预抽阶段,油蒸汽的返流是不可能的。因为这时系统内气体处于粘滞流或层流状态,排出气体的密度大,可阻挡任何碳氢化合物的分子向涡轮分子泵方向返流。当达到分子流态时,涡轮分子泵已进入正常速度运转,在泵高压缩比的情况下运转时,就可防止了油蒸汽的返流。

  涡轮分子泵的前级泵由一个电纽开关控制,两泵可同时启动和停车。

  在某些快速循环的系统中,也没有足够的时间,使涡轮分子泵在每一个循环周期内,由于时间短来不及达到正常的运转速度。在这种情况下,就不能随工作循环去周期性地开启涡轮分子泵。此时涡轮分子泵就不得不连续的运转,前级泵粗抽真空室,很快就能达到涡轮分子泵的启动压力,就可以很快打开主阀,涡轮分子泵可以在相对高的压力下工作(节约了时间)也可使粗抽管道返流降到最低程度。

  如果系统需要有粗抽管道,操作不当也有可能出现返流问题,若是将系统粗抽到太低的压力,粗抽管道内就会出现分子流态。则粗抽泵的油蒸汽就有可能返流到真空室。当压力低于100~200 μmHg(13.33~26.66Pa)时,就会出现这种返流。

  当真空室粗抽适度后就关闭粗抽阀门,而粗抽泵还在继续运转时,粗抽管道内的压力降低了会出现分子流状态。碳氢化合物会出现返流,并凝结在粗抽阀盖上或阀的密封处。当粗抽阀再打开时,这些凝结物就有可能离开阀盖或密封处而返流向真空室一侧。在下一个高真空循环周期中这些油蒸汽就会迁移到真空室内而遭到污染。

  为了解决粗抽造成的返流问题,主要是在前级管道中避免分子流态的发生,以防油蒸汽返流。当前级管道中达到前级压力时,关闭粗抽阀对粗抽管道内充气(用一个充气阀和一个可控漏孔),然后关闭粗抽泵。因而粗抽管道内就不可能出现分子流态,防止了返流。

  使用涡轮分子泵时,通常可不用粗抽管道。如在快速循环的系统中,不设粗抽管道,可以选用那些耐大气冲击的涡轮分子泵。能直接从大气压力下对真空室进行抽真空。

  上述讨论是涡轮分子泵选用有油的前级泵工作时应注意的事项。在当前研制成功的不同型的干式前级泵可作为涡轮分子泵的前级泵时就解决了有油系统的返流问题,实现清洁的真空获得,如能选用当前出现的那种从大气压一直抽到高真空的新型分子泵工作就更好了。

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