低溫泵常見故障分析及其解決措施

許忠旭，杜春林，武 越

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低溫泵是20世紀70年代末發展起來的一種新型抽氣設備，其利用低溫表面對被抽氣體分子進行冷凝、吸附和捕集，可以獲得高真空和超高真空[1]，具有無污染、抽速較大、運行平穩、操作簡單等優點[2]，是目前空間環境模擬設備的主要真空獲得設備。本文結合各口徑低溫泵的使用經驗，總結了冷頭和氦壓縮機所發生的各類典型故障，并提出了解決措施。

1 低溫泵組成及工作原理

低溫泵通常由氦壓縮機、泵的殼體（泵腔）、冷頭（含一級及二級冷頭）、冷屏（一級冷板口徑大于500 mm的一級冷板通常使用液氮冷屏代替）、二級冷板、障板、冷頭測溫傳感器、真空規、安全閥等組成，如圖1所示。低溫泵的抽氣口徑為160～1320 mm不等。口徑小于等于500 mm的低溫泵，其一級冷板及障板由一級冷頭提供冷量；大于500 mm的低溫泵，通常不使用一級冷板，而由外界輸入的 液氮給冷屏及障板提供冷量。

圖1 萊寶COOLVAC低溫泵組成[3]Fig.1 The makeup of Leybold COOLVAC cyropump

低溫泵通常采用G-M兩級制冷循環。其制冷工作原理可以簡述為：氦壓縮機將來自于冷頭的低壓低溫氦氣壓縮為高壓高溫的氦氣后，經冷卻、油分離，變成高壓常溫的純凈氦氣進入冷頭，在冷頭的一、二級氣缸內絕熱膨脹制冷，變成低壓低溫的氦氣后再返回壓縮機。如此反復循環，使各級冷板冷卻。

2 典型故障及可能原因分析

2.1 冷頭典型故障及原因分析

2.1.1 冷頭組成及功能簡介

低溫泵冷頭的內部結構如圖2所示[4]，主要由氣缸、活塞組成。活塞通過密封環與氣缸密封連接，形成一、二級冷頭，分別包含一級蓄冷器及二級蓄冷器。一、二級冷板對應安裝在一、二級冷頭上。活塞由電機或配氣盤來驅動，在氣缸內做往復運動，確保進入到冷頭內的高壓氦氣在一、二級冷頭（布置有測溫傳感器）內進行絕熱膨脹制冷，逐漸降低一、二級冷頭溫度。

圖2 制冷機低溫泵冷頭內部結構Fig.2 The internal structure of refrigerator cryopump

2.1.2 二級冷板活性炭脫落的問題

二級冷板安裝在泵腔內，因此與二級冷板有關的故障不易發現，其中最容易發生的問題是活性炭的脫落，如圖3所示。活性炭脫落有兩種情況：一是完全脫落，活性炭顆粒或粘結在一起的活性炭塊掉落在屏蔽板上；二是虛脫，表面上看活性炭顆粒還是粘接在二級冷板上，但是稍用外力觸碰就會脫落。活性炭脫落會影響低溫泵對氫氣、氦氣的抽速，嚴重時，脫落的活性炭因振動等原因運動到屏蔽板與泵殼之間，在其間搭起一座“熱橋”，導致一、二級冷板的溫度降不下來或泵殼外表結霜嚴重。

圖3 低溫泵二級冷板活性炭脫落Fig.3 The active carbon desquamation instance of cryopump second cold plate

2.1.3 冷頭運行時聲音異常

低溫泵在正常運行過程中會發出有規律的聲音。當發出不規律的、分貝偏高的運行聲音時，表明冷頭出了問題，此類聲音多由冷頭活塞變形導致與氣缸的摩擦增大、間隙改變所致。圖4為某型號低溫泵在使用過程中出現運行聲音異常后，打開冷頭發現活塞開裂。當冷頭內含油或氦氣不純時也可能導致冷頭運行聲音異常。

圖4 低溫泵冷頭內活塞開裂變形Fig.4 The crack in the piston of the cryopump cold head

2.1.4 一、二級冷板溫度無法降到要求值

低溫泵正常工作過程中，一級冷板溫度可以降低到65 K 以下，二級冷板溫度降低到15 K 以下。當出現故障時，會發生一、二級冷板的溫度同時或單獨降不到要求值的情況。圖5所示為某型號低溫泵的一級、二級冷板溫度變化。

圖5 低溫泵異常后的一、二級冷頭溫度曲線Fig.5 The temperature curves of the first and second cold heads of abnormal cryopump

出現一、二級冷板溫度降不到要求值的主要原因有：1）冷頭活塞上的密封環磨損嚴重，導致一、二級冷頭之間串氣；2）氦壓縮機、氦管漏氣等原因導致氦氣壓力不足；3）氦壓縮機內部的油氣分離器、吸附器等失效導致冷頭活塞內部進油。

2.1.5 冷頭測溫傳感器失效

低溫泵的一、二級冷板通常都布置有1～2 個測溫傳感器，是最重要的測溫點，用以檢測壓縮機冷頭的工作狀態[5]。當低溫泵的一級或二級冷板的溫度顯示不正常后，首先應根據測得的低溫泵內真空度等指標排除低溫泵冷頭或氦壓縮機的可能故障。只有排除了這些部位的故障后，才能判定為測溫傳感器的失效故障。

可能的原因為：1）測溫傳感器安裝不牢固；2）傳感器自身損壞或信號傳輸線路斷路。

2.2 氦壓縮機典型故障及可能原因分析

2.2.1 氦壓縮機組成及功能簡介

氦壓縮機通常由壓縮機、換熱器、油氣分離器、吸附器、配套的閥門以及控制電路組成。其功能是將來自于冷頭的低壓氦氣壓縮為高壓氦氣，并經過換熱器、油氣分離器及吸附器的過濾作用，將氦氣純化。

2.2.2 氦壓縮機漏氣

氦壓縮機漏氣的典型現象是其壓力表示值低于要求值。氦壓縮機與氦管、冷頭連接在一起，若要判斷是否為氦壓縮機單獨漏氣，需要將氦管從氦壓縮機上拆下后，往氦壓縮機內充入氦氣至要求的靜態壓力值，觀察壓力的變化。發生漏氣的部位多為壓縮機內部油氣分離器、吸附器等連接部位以及壓縮機內部的工藝孔。漏氣與氦壓縮機運行過程中的周期性振動、工藝孔處的密封失效等有關。

2.2.3 氦壓縮機過熱保護

氦壓縮機在運行中突然停止，二級冷板的溫度迅速上升；一段時間以后，重新啟動氦壓縮機后又能正常運行，且二級冷板的溫度等指標均恢復到正常范圍。此情況稱為氦壓縮機過熱保護。可能原因有：1）氦壓縮機的循環水系統運行中斷；2）氦壓縮機內部的冷卻水管道或換熱器結垢嚴重，無法進行正常換熱。

2.2.4 溢流閥損壞

當發現低溫泵的二級冷頭存在降溫困難、運行聲音異常等情況時，可能原因為氦壓縮機內的溢流閥損壞。溢流閥損壞后，氦壓縮機內的壓縮機油就會穿過吸附器進入到冷頭內，引起冷頭運行不正常。

2.3 其他典型故障

低溫泵運轉過程中泵腔內真空度不能滿足使用要求也是常見的故障情況，究其原因，除上述冷頭及氦壓縮機故障引起的原因外，還應重點考慮泵腔本身是否存在泄漏，包括泵腔本體、泵腔與閥門連接處、泵腔內液氮冷屏（口徑大于500 mm 的低溫泵）、與泵腔連接的閥門等都是重點檢測的對象。圖6為某型號低溫泵使用過程中泵殼外表面結霜，原因為泵腔內的液氮冷屏匯總管泄漏。

圖6 某型號低溫泵泵腔內液氮冷屏匯總管泄漏 （白色為肥皂泡）Fig.6 The leakage of liquid nitrogen pipe in certain type cryopump shell (the white bubbles is soap bubbles)

3 解決措施及使用注意事項

3.1 二級冷板活性炭脫落

將二級冷板表面原有的活性炭清除干凈后重新粘接活性炭（一般選用椰子殼活性炭）。關鍵在低溫膠的選用，其性能的好壞直接決定了活性炭的粘接牢固性及使用壽命。二級冷板重新投入使用后，應注意以下事項：1）低溫泵抽氣過程中要避免抽除含有油蒸氣的氣體；2）低溫泵使用后應及時再生，避免二級冷板長期處于泵腔內高水分的狀態。

3.2 冷頭運行聲音異常

冷頭運行聲音異常時應及時關閉氦壓縮機。首先在冷頭及氦壓縮機均處于常溫狀態下對冷頭及氦壓縮機進行氦氣置換，以判斷是否為氦氣不純引起的冷頭聲音異常；其次可以檢測氦壓縮機出氣口的氣體是否含油。如果檢測到油，則可以肯定是由此原因引起。否則直接拆開冷頭，檢查活塞是否變形等情況，確定具體故障部位及原因后進行針對性的維修。

3.3 一、二級冷板溫度降不到要求值

如果是氦壓縮機壓力不足，應對其進行補氣至規定值。否則拆開冷頭進行檢查。冷頭內一、二級之間的活塞環磨損嚴重甚至破裂是導致一、二級冷板溫度降不到要求值的常見原因，應及時對磨損嚴重或破裂的活塞環進行更換。如果拆開冷頭發現活塞環完好，但是冷頭內有油，除了對冷頭進行除油處理外，還應尋根溯源，對氦壓縮機進行檢查。若經分析，冷頭內的油確定來自于氦壓縮機，則可根據氦壓縮機漏油的部位采取針對性的維修措施。圖7為氦壓縮機出氣口出油檢測裝置及用于吸油的紙張與毛氈檢測前后對比。

圖7 氦壓縮機出氣口出油檢測裝置及用于吸油的紙張與 毛氈檢測前后對比Fig.7 The oil measurement of the compressor exhaust and the contrast between the papers and the felts in absorbing oil

3.4 氦壓縮機漏氣

氦壓縮機漏氣時，通常要先將氦壓縮機與氦管斷開，以免發生誤判斷。當確定為氦壓縮機漏氣時，應使用氦質譜檢漏儀對其檢漏，利用檢漏儀的吸槍對漏點進行定位，確定漏點后再制定維修方案。因氦壓縮機內壓力一般高于1.5 MPa，所以維修時一定要先將氦壓縮機內氦氣排出。如果氦壓縮機漏氣緩慢，也可以通過不斷補氣的方式維持運行。在使用過程中應注意，氦壓縮機要采取隔振措施。氦壓縮機內通常具有減振彈簧，使用過程中應確保其發揮作用。例如CTI-8500 氦壓縮機，使用前應檢查壓縮機的運輸螺釘是否拆下[6]，否則減振彈簧不起作用。

3.5 氦壓縮機過熱保護

氦壓縮機過熱保護通常由循環水引起。當發生此類故障時，首先要檢查氦壓縮機的循環水系統是否正常工作。若為循環水系統的原因，則應停止循環水系統工作并排查原因后再恢復工作。否則可能原因為氦壓縮機內的換熱器管路的結垢而導致水流不暢。綜上，氦壓縮機在使用過程中應保證所使用循環水的水質滿足要求。另外，還應根據使用情況不定期對循環水系統進行維護維修。

3.6 溢流閥損壞

溢流閥的損壞多發生在氦壓縮機充氣時，由充氣壓力過高所致，若損壞時應更換同型號的溢流閥。因此，氦壓縮機充氣時應格外注意不能過充。

3.7 泵腔內真空度不能滿足使用要求

當泵腔內真空度不能滿足使用要求或者是使用過程中低溫泵泵殼“出汗”甚至結霜時，應立即停機。若有液氮制冷的屏蔽，則同時停止液氮的供應。因為液氮一旦泄漏到泵腔內，液氮的汽化會造成泵腔內溫度的降低以及壓力的升高。此時應打開低溫泵的某個法蘭，避免泵腔內壓力高于大氣壓。低溫泵回到常溫后應采用氦質譜真空法或充壓法對低溫泵進行檢漏。

為避免低溫泵使用過程中出現泄漏，應注意以下事項：1）對于需要定期拆卸的法蘭在每次安裝時應注意確保密封良好；2）對于泵腔內含有液氮冷屏的低溫泵，在進行冷屏預冷時應盡量延長冷卻時間，避免驟冷驟熱導致焊縫疲勞開裂。

4 低溫泵使用及維護建議

上述都是在低溫泵使用過程中常發生的比較典型的問題。從統計規律上看，盡管低溫泵的工作可靠性比較高，但也有必要加強其在使用過程中的維護保養，這將有助于延長使用壽命，降低故障發生的頻度。維護保養工作應側重于以下幾方面：

1）應根據說明書規定的周期更換吸附器；

2）綜合低溫泵各個運行參數判斷是否要更換活塞組件；

3）加強泵腔內的維護，包括清潔、除油、測溫點檢查以及活性炭粘接等；

4）盡量使用加熱再生的方式進行低溫泵再生；

5）為氦壓縮機配備的冷卻循環水系統應定期除垢；

6）保證為氦壓縮機補充的氦氣純度不低于99.999%；

7）備份一些氦壓縮機保險管、氦管和吸附器等關鍵備件及冷頭充放氣接頭等；

8）制定合理可行的操作規程及維護保養程序。

5 結束語

本文結合多年的使用經驗分析總結了低溫泵在使用過程中所發生的各類典型故障，并提出了有效的解決措施。低溫泵是環模設備重要的清潔高真空獲得設備，應用廣泛。只有掌握低溫泵自身的運行規律及一些典型的故障處理措施，才能確保其穩定運行。當然，制定合理可行的操作規程，及時進行維護保養也是保證低溫泵長期可靠運行的基礎。

（References）

[1]任衛祥, 任家生.制冷機低溫泵的故障及排除[J].真空, 2001, 38(6)∶45-49 Ren Weixiang, Ren Jiasheng.Trouble of refrigerator cryopump and its elimination[J].Vacuum, 2001, 38(6)∶45-49

[2]茹曉勤, 祁妍, 吳樹迎.用制冷機低溫泵獲得清潔無油高真空[J].航天器環境工程, 2006, 23(2)∶119-121 Ru Xiaoqin, Qi Yan, Wu Shuying.Production of dry- clean high-vacuum with refrigerator’s cryopumps[J].Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(2)∶119-121

[3]德國萊寶公司.COOLVAC 低溫泵使用說明書[G].2008∶11

[4]達道安.真空設計手冊[M].3 版.北京∶國防工業出版社, 2007∶428

[5]陳濤, 許忠旭, 李玉忠.KM6 低溫泵新型測溫系統研制[J].航天器環境工程, 2008, 25(6)∶591-593 Chen Tao, Xu Zhongxu, Li Yuzhong.A new temperature measurement system for cryopumps in KM6[J].Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(6)∶591-593

[6]張建明, 汪政富.G-M 低溫泵系統的故障診斷與分析[J].真空, 2008, 45(3)∶70-74 Zhang Jianming, Wang Zhengfu.Fault diagnosis/analysis of G-M cryogenic pump system[J].Vacuum, 2008, 45(3)∶70-74