使用渦輪分子泵時最常見問題及如何避免

2016-01-24 普發真空中國 普發真空中國

  本文對使用渦輪分子泵時出現的最常見問題為您一一介紹,并為您提供方案,避免這些問題的發生。

  渦輪分子泵是高或超高真空泵,主要由轉子和定子兩個部分組成。一個旋轉的轉子盤和一個靜止的定子盤組成了一個泵級,泵級產生一個特定的壓縮比。通過連續開啟增加壓縮效果的多個泵級,可以獲得高達1013的壓縮比。例如,現代真空泵在后側使用霍爾維克級(Holweck),減少了渦輪級的數量而不影響壓縮效果。與此同時,一些生產商可能將允許的前級管道壓力增加至30hPa 以上,極大減小了前級泵的尺寸,并可首次使用隔膜泵。

  無額外壓縮級的渦輪泵可用于易凝結、升華以及形成顆粒的過程,因為狹窄的縫隙可導致沉積、機械損傷或堵塞。

1、前級真空壓力

  對于帶有額外壓縮級的渦輪分子泵,其前真空壓力可以上升至30 hPa以上。對于帶有純渦輪級的分子泵,最大前真空壓力為2-3 hPa,但是這取決于抽送氣體的種類,如氮氣為2 hPa,氫氣為0.5 hPa。

  由于泵的過熱,超過生產商指定的最大壓力會導致軸承受損,情況嚴重的甚至會導致徹底失效。氣體摩擦上升過高,且額外產生的壓縮熱無法消散。對于軸承和轉子溫度未受監測的泵,這尤其重要,且在很多情況下,是不可避免的。通過使用最終壓力為 2-5 hPa 的隔膜泵,操作員就可這帶動設備的運行。除了隔膜泵,干式泵沒有任何出口閥門。如果前級泵發生故障,將從前級側對處理室進行排氣,而且,如果由此導致渦輪分子泵速度的下降并沒有因前級壓力的快速上升而引發自動排氣過程。由于外殼中所謂的直升飛機效應,大型處理室的突然排氣會導致渦輪分子泵轉子受損。

  為保護渦輪分子泵不受損傷,生產商還提供了一個安全閥,在前級泵或前級真空失效的情況下,安全閥就會立即關閉處理室的排氣裝置。

  關閉時間必須相對較短。如可進行前級壓力測量,真空技術網(http://www.bdfwqmh.cn/)認為可利用壓力上升或前級泵故障信號來對安全閥進行控制和操作。

2、標注排氣管道的尺寸

  建議至少按照泵的標稱尺寸安裝排氣管道和閥門,因為不良流導值會導致抽速顯著下降。以下是稍加夸大的案例,以說明在直徑為25 mm、長度為100 mm 的進氣管內電導值損失所造成的影響。渦輪分子泵有效抽速與標稱抽速:

  60 l/s:10 l/s

  5000 l/s:14 l/s

  由此可以看出,80 倍大的渦輪分子泵僅能產生40% 以上的抽速。

3、高真空和前真空連接

  如果分子泵的高真空法蘭連接至接受器,則有必要讓前級管道更為靈活。如果前級管道為固定連接,則泵殼受熱后無法膨脹,導致不當的材料應力。在該固定連接中,轉子無法自由移動,且遺留下來的細微不平衡隨著時間的推移會造成軸承故障,并會導致轉子受損。

  保持渦輪分子泵平衡性可以確保低振動運轉和最佳的軸承耐用性。在正常啟動過程中,根據轉子動力學,他們通過某種特定的共振頻率。如果這些共振頻率夠刺激真空室、框架或整個系統的固有頻率,他們就可以促進頻率振幅的顯著提升;在這種頻率下,泵開始劇烈振動并發出非常大的聲音。頻繁在這些共振頻率區域運行會導致轉子受損,且可能會導致設備或內置振動敏感元件損壞。即便是帶有磁軸承的渦輪分子泵也不例外。因此,最好確定系統的固有頻率,并就相關數值向制造商進行咨詢。通過加固、增加額外重量或變換設計方案等可以避免振動的發生。

4、安全連接高真空法蘭/真空室

  渦輪分子泵,尤其是抽速在1000 l/s 以上、帶有磁軸承和鐘形轉子的較大渦輪分子泵,在額定轉速下具有較高的扭矩,在轉子碰撞時,速度會以毫秒為單位降級。如果真空室布局不當且渦輪分子泵直接安裝在其上時,則會發生真空室變形的情況,情況最嚴重時還會造成渦輪分子泵扭曲,甚至會與真空室法蘭脫離。

  近年來,主要受到半導體工業的驅動,泵制造商已經通過碰撞實驗和控制分析對泵殼和入口法蘭上的力矩和受力進行了確定和測試。實驗發現,連接到真空室的法蘭原則上應該按ISO-F 執行。通過長圓孔及使用ISO-CF 與固定螺釘,防止帶ISO-F 法蘭的泵發生轉動。

  泵生產商會提供所謂的安裝套件,其中包含所需材料等級足夠數量的夾子和固定螺釘以及合適的定心環。只有這樣才能卻能確保在碰撞時連接保持完好、密封。必須嚴格遵守操作手冊上的生產商說明。

5、碎片保護

  最后在渦輪分子泵的高真空法蘭上插入防護罩,以避免墜落碎片損壞轉子。根據電導損耗,抽速降低達30%,具體視氣體類型而定。如可能,渦輪分子泵應該在真空室內倒置放置,因為異物會因重力而掉落下來。確保泵可用于高空作業。

6、烘烤泵

  當烘烤泵時,務必遵守生產商規定的最大高真空法蘭溫度為120°C 的要求。超過允許的溫度會導致泵過熱,并會造成軸承或轉子受損。烘烤時,需要用水對泵進行冷卻。默認情況下,一些生產商為具有ISO-CF-F 法蘭的超高真空版本提供水冷卻。烘烤過程至少需要6 個小時。

7、為渦輪分子泵排氣

  如果旋片泵用作前級泵,當前真空至高真空之間壓力已經平衡時,沒有經過排氣的渦輪分子泵在停止轉動后會受到碳氫化合物的污染。如果高真空側尚未安裝閥門,那么污染物將會擴散到接收器或設備中。對于大型腔室來說,氣體吸入非常迅速,這可能會導致轉子受損。使用干燥的氣體,如氮氣或無油空氣,對泵進行排氣,既可以防止污染,還可以恰當地對前級泵進行充氣。

  以一定的速度使用排氣閥、利用渦輪分子泵控制器,可對泵進行安全的排氣。由于渦輪分子泵的壓縮比還取決于速度,因此最優初始排氣速度應該為額定速度的50%,且應該以最近速度的20% 開始。除了出廠設置以外,現代電子技術允許排氣速度具有一定的靈活性。在適當的排氣后,使用球軸承渦輪分子泵還能夠保護接收器免受污染。

  存在這樣一些過程,在其中,與泵無關的排氣要優先于控制系統。這將導致與泵速有關的重要連接受損。當對泵的控制器進行排氣時,無需對泵速進行額外監控。在排氣時,泵的內表面被干燥的氮氣覆蓋,這將顯著縮短排放時間,因為不存在難以去除的氣體或水聚集在表面。排氣氣體不可從前級側進入,因為凝結物、顆粒甚至是油可能會被帶入到高真空側。

  在頻繁出現停電現象的不穩定電網中,特別是在夏天因使用空調而出現超負荷時,最好使用所謂的斷電排氣閥,它在停電時可自動對泵進行排氣,并恰當地將其關閉。頻繁的排氣,尤其是在高真空側,將會導致泵過熱,造成機械壓力,且由于大量氣體摩擦還會縮短軸承的使用壽命。

8、磁場與輻射

  磁場會對運行中的渦輪分子泵的轉子上產生渦電流,這會加熱轉子并使其迅速過熱。所需能量來自電子設備,并導致電機中電流的顯著上升,這代表了轉子的直接加熱值。

  mT(毫特斯拉)中規定的最大允許磁場值在泵生廠商操作說明書中進行 了說明。如果這些值過高,則必須對泵進行屏蔽。如果已知磁場的分布情況,則必須對其進行重新部署。

  在粒子加速器附近存在著不同強度和持續時間的中子和伽馬輻射。這種輻射破壞安裝在泵上的電子驅動器和變頻器,兩者都具有非常敏感的功率晶體管和二極管。在這種情況下,必須使用連接電纜將電子驅動器安裝在遠離輻射的安全距離上。這同樣適用于測量設備。 必須避免有源傳感器,因為傳感器電子元件同樣會受到射線的破壞。

9、工藝適應性

  確保渦輪分子泵適合于工藝過程,這很重要。泵制造商的詳細建議和有關工藝過程與其特點的準確信息是操作員所必需的。目前這兩方面都有待改進。對于腐蝕過程,特別是在半導體行業中,有必要使用密封氣體操作泵,針對滾珠球軸承分子泵使用合成的PFPE油,以及使用抗腐蝕材料(如鎳或陶瓷涂料)制作轉子。

  密封的氣體,如干氮,能夠在這些與迷宮密封相連接的滾珠軸承外部形成一層非常好的防腐蝕和防塵保護膜。在估量前級泵大小時,該額外的氣體負載必須考慮在內。提供的密封氣閥能夠調節最優密封氣流。必須遵守操作說明書中規定的密封氣體壓力。

  當泵內的氧氣濃度高于大氣中的氧氣含量時,務必要確保礦物油不被氧氣氧化,從而失去其潤滑性能。真空技術網(http://www.bdfwqmh.cn/)認為這可通過使用氮氣作為密封氣體和/或PFPE油來避免。

  對于有形成沉積物趨向的工藝,如在CVD(化學氣相沉積)中,涂層工藝將在轉子和面向處理室的外殼部件上持續進行件。這將會引發不平衡和震動,致使轉子破碎。在此類工藝中,甚至在設計處理室時就要將這些預防措施和附加的監控方案考慮在內,這一點很重要。

  如有可能,應將渦輪分子泵倒置安裝,受重力影響,這些灰塵會自然掉落且不易在泵內沉積。建議安裝一個擋板,防止灰塵直接落到正在運轉的泵上。

  如果架空安裝無法實現,可以將其以90 度角安裝在T型架的側面。前級端口應該朝下。