低温泵系统的故障分析与排除

蔡阿宁（西安空间电子信息技术研究院，西安　710000）

低温泵系统的故障分析与排除

蔡阿宁
（西安空间电子信息技术研究院，西安710000）

低温泵主要用于核工业、航空、航天工业，尤其在载人航天、运载火箭、大型加速器、空间有效载荷等重大科技工程中得到广泛的应用，提供所需的真空环境。在长期使用低温泵的过程中，认真总结低温泵在使用过程中出现的故障，并分析加以排除。对低温泵在运行中的故障分析和排除以及设备的维护提供参考。

低温泵系统；故障；原因；排除

0　引言

低温泵是采用低温介质将抽气面冷却到20 K以下，低温抽气面就能大量冷凝气体分子，形成很大的抽气作用。低温泵广泛的应用于核工业、电子工业、航空航天工业，尤其在载人航天、运载火箭、大型加速器、空间有效载荷等重大科技工程中得到应用，提供所需的真空环境。低温泵的优点是抽速大，对被抽气体没有选择性，极限真空度可达10-13Pa，从而获得清洁的超高真空环境。在长期使用低温泵的过程中，认真总结低温泵在使用过程中出现的故障，并分析加以排除。为低温泵获得清洁超高真空环境的实验设备出现故障和排除故障时提供参考。

1　低温泵的结构与工作原理

低温泵系统主要包括低温泵、氦气压缩机、氦气管路和电源电路等部分组成［1］。低温泵的工作原理是通过低温表面把真空室气体分子冷凝、吸附和捕集气体分子，从而达到抽真空的目的。是由制冷机及冷凝低温泵腔体、粗抽阀门、排气阀门、吹气阀门、温度传感器和再生加热器组成，如图1所示。

目前，低温泵广泛采用的是闭循环氦气膨胀制冷机，如斯特林循环制冷机、索尔文循环制冷机和G-M循环制冷机等，其中G-M循环制冷机应用比较广泛。

在低温泵内设有氦气制冷机冷却，由一级挡板和辐射屏组成的一级冷阵与一级冷头相连接，温度通常在45～100 K范围内。二级冷阵和二级冷头相连接，由一定数量的铜质碟形盘片或是铜质圆锥体组成，外表面镀镍，内表面粘有活性炭颗粒形成一种特殊的吸附层，温度通常在10～20 K范围内。

在低温泵中一级和二级冷头上分别安装有加热器。在一级冷头加热器上施加几瓦热能，以保障一级冷头温度为65 K左右的理想工作温度，同时保障了二级冷头在温度10～14 K的最佳工作温度。在低温泵再生的时候，两个加热器同时工作，加热冷头的热量伴随着吹入的氮气对流和传导使得低温泵各部分在几分钟内达到和保持40～60℃，保障不会点燃可燃性气体。

图1　低温泵的结构示意图

2　低温泵系统在运行中的故障分析

2.1压缩机故障对抽气性能的影响

2.1.1压缩机氦气压差对抽气性能的影响

压缩机供给制冷机的氦气压力与制冷机的压力之差为压差。这个压差的变化会导致制冷温度的相应变化［2］，如图2所示。通常制冷机故障会导致压差减小、制冷能力降底和运行温度的升高都会使低温泵的抽气性能变差。由压缩机的故障引起的压差变化，原因有三个方面：一是压缩机的进出气阀门的密封损坏以及压缩机的活塞环漏气；二是油气分离器的回油孔发生了堵塞；其次是除了压缩机的故障以外还有四种可能性：（1）制冷机中的压力和温度的变化并且包括超负荷；（2）真空度被破坏；（3）环境温度较高会使平衡压力在启动前超过正常值，初始供压差就会低；（4）环境温度较低则使平衡压力在启动前低于正常值。该情况无需向压缩机系统补充氦气，过多的氦气会引起压缩机内部温度过高，因而对压缩机阀门的寿命产生不利影响。

2.1.2压缩机的超温运行对抽气性能的影响

在压缩机中工作的氦气、润滑油及各部位机械零件的任何一项发生过热都会发生连锁反应引起其余部件过热，其过程是累积的，有可能引发全系统的故障。发生此情况时，压缩机产生的润滑油裂解物质将严重污染制冷机，导致低温泵系统的工作寿命减少，甚至损坏。

图2　制冷量与冷头温度的关系曲线图

压缩机的压缩热负载及低温泵的抽气热负载、真空室的辐射热负载、泵壁的热负载、气体分子的传导热负载、低速电机的摩擦热负载等一起进入氦气流中，由于冷却系统是闭合的，所以必须保障冷却系统维持正常，否则制冷系统能力下降，使得制冷温度升高。超温运行加速压缩机的磨损，增加润滑油的裂解，最终导致吸附器的饱和及制冷机被污染，引起低温泵不能工作。

2.1.3压缩机的泄漏对抽气性能的影响

压缩机的泄漏有漏气和漏油两种现象。对于漏油现象，通过认真细致的检查容易发现漏点。其表现为运行时供气压力和出气压力累进降低。随着制冷机的流量降低而造成制冷能力下降，制冷温度会逐步升高，从而引起低温泵的性能变坏。

2.2制冷机故障对抽气性能的影响

制冷机是利用高压、高纯氦气在冷头腔体内进行西蒙膨胀获得冷效应，达到制冷效果。造成制冷机的故障原因有机械部件的磨损、工作氦气泄漏、密封件老化、氦气被污染、超负荷运行。

2.2.1制冷机零件的磨损对性能的影响

在制冷机上安装1个低速电机或者气动装置，驱动1个被称为置换器的部件，在活塞腔体里面做上下往复运动。置换器的运动又促使了放气阀门和排气阀门运动。由于长时间的运行，阀门的传动轴承和传动器轴承会出现损坏，有可能引起传动轭及其衬套损坏。任何金属零件的损坏，碎片都会被吸入传动电机，引发恶性循环，电机磨损以致于损坏。另外进出气阀门的运动不正常能够导致阀门开关不到位，引起气路堵塞产生不正常的压差，从而使压缩机发生严重故障。另外，制冷机中的传动部分故障都会导致制冷能力的损失，使运行温度升高，造成低温泵不能正常工作。

2.2.2制冷机污染对抽气性能的影响

制冷机的污染主要来源：（1）充气时用了污染的氦气；（2）清洗技术不良；（3）从压缩机带来的油气或者液体油；（4）气缸与排出器密封环磨损的粉尘污染等。

根据多年的应用发现，有的低温泵1年补1次氦气，有的则需要半年补1次气或者次数更多一些，这样补气带进了空气或者用了不纯净的气体，就造成了直接污染。在压缩机和制冷机长期运行产生的震动中，可能使密封件老化及连接件松动而破坏了密封性，也造成了污染。

由于不正确的清洗方法都会引起水气、氮和氢的污染。维修后的低温泵一定要将各个部件抽真空到规定的真空度，并且保持一定的时间。但是系统的污染则大部分是由于清洁后抽真空时引起的。抽真空时间过长会引起机械泵油的返流，就必然造成污染。

压缩机的长期工作会加速压缩机的磨损，同时也加速了润滑油的裂解，当油的裂解速率可能超过活性炭吸附速率时，就被高压氦气带入到制冷单元的一二级蓄冷器中，伴随着一二级活塞的磨损粉尘一起堵塞蓄冷器，时间越长污染越严重。这样极大的减少了蓄冷器的交换面积，使气流进出不畅。GIFFORD研究表明，若蓄冷器的损失为2%，由此引起的制冷量损失可达到27%。

理想的蓄冷器要求热容量大，气流和填料之间的接触面接大，有良好的热交换，对气流的阻力小，填料的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使得蓄冷器的容积和压力降都发生了变化。GIFFORD实验测出容积和压力降损失的制冷量为总制冷量的41.3%。

2.2.3制冷机密封件的老化与损坏抽气性能的影响

制冷机中的密封件老化及损坏会引起排出器漏气而使制冷能力降低，引起工作温度上升［3］。密封件的故障分四种类型：（1）一级排出器的KAP密封环老化和磨损；（2）二级排出器的密封环的故障；（3）传动轭轴的KAP密封组合的损坏；（4）进、排气阀门的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，制冷量随之减小和温度上升，使得低温冷泵的抽气性能恶化。一二级活塞环的泄漏，从压缩机来的部分高压氦气不经过蓄冷器预冷而直接进入冷室，膨胀后的部分冷氦气直接通过排气阀门，造成制冷机制冷量损失，使得低温泵系统不能工作。

2.3真空度的破坏对低温泵抽气性能的影响

真空系统中真空度的破坏归纳起来有三种类型：（1）低温泵在启动时未达到1 Pa左右的开启要求，或者是低温泵的过渡压力太高，使得低温泵在制冷时无法将大量的气体分子抽走，达不到要求的绝热真空，气体分子的热传导无法克服制冷机继续制冷。过渡真空压力过高不但破坏低温泵的正常工作，还带来对低温吸附剂的污染；（2）制冷机制冷能力下降，引起运行温度上升，使低温泵的抽气性能减弱，而使真空度进一步降低，破坏了制冷能力发生累进式的影响；（3）真空系统有空气或者氦气泄漏进入真空容器，而破坏绝热真空。

3　低温泵系统故障的排除

低温泵系统故障分为压缩机故障和真空抽气系统故障两部分。故障排查顺序一般是先检查氦气压缩机部分，再检查真空抽气系统，根据检查结果再进一步排除故障。

3.1压缩机故障的排除

压缩机的故障有润滑油泄漏、氦气泄漏、压缩机完全不能运转、压缩机开启后只能运转几分钟就停机、压缩机发出很大的噪声。根据多年的经验制成对照表1，便于使用中排除压缩机的故障。

3.2真空抽气系统故障的排除

真空抽气系统故障常见现象是被抽容器的压力升高，原因有真空系统漏气、低温泵出现故障。可以用氦质谱检漏仪分别对低温泵和真空容器进行检漏，若未发现异常可以按照表2对照逐一排除。

4　低温泵系统的维护

低温泵系统的维护可分为定期维护和不定期维护两类。定期维护是由压缩机排出的高压氦气流，实际上是油气混合物，经过热交换器和分油器后使油气分开，但是进入吸附器的氦气流仍然含有油分子和油的裂解物。当吸附器对油分子和油裂解物的吸附速率等于或小于压缩机排气流所含油分子或油裂解物时，吸附器就必须更换。要根据不同压缩机所要求的定期维护时间更换吸附器，对于CRYOTORR（R）8的低温泵来说，定期维护是运行10 000 h后更换压缩机吸附器。不定期维护是正常运转的低温泵通常很少需要补气。如果制冷系统的补气次数很多时，就必须要检查系统是否漏气。重复补气会造成制冷系统的污染，导致低温泵不能工作。另外，制冷机低温泵在长期运转的过程中，不断受到被抽容器中的灰尘、杂质、腐蚀性物质及油蒸气的污染，当低温泵吸附器中的吸附剂严重污染，使得低温泵对氦、氖、氢等不可凝气体的抽气能力下降，甚至无法工作时，此时必须更换二级冷阵的吸附器。

表1　压缩机故障列表及相应的排除方法

表2　低温泵故障排除表

5　总结

结合低温泵、制冷机和压缩机所构成的低温泵系统，分别对低温泵系统在运行状态下，可能出现的故障进行了分析。同时把压缩机和低温泵可能出现故障的原因和排除的方法列成表格。对于精密设备，使用时应更加小心认真，才能达到所需的技术指标。

［1］边少雄.小型低温制冷机［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［2］中强.低温泵冷凝泵的结构和维护［J］.电子工业专用设备，2002（4）：246-248。

［3］赵开涛.G-M制冷机性能研究［J］.低温工程，1989（4）：41-45.

DYSFUNCTION ANALYSISANDM ITIGATION SOLUTIONOFCRYOPUMPSYSTEM

CAI A-ning
（CAST-Xi’an Instituteof Space Radio Technology，Xi’an710000，China）

Cryopump system providesvacuum environmentneeded and ismainly used in nuclear industry，aviation industry and space industry，especially in national large science and technology projects such asmanned spaceflights，launch vehicles，large acceleraters and space payloads，etc..This paper summarize the failure causes and debuggingmethods of the cryopump system in operation，and w ill provide reference for failure analysis and elimination，equipmentmaintenance during cryopump system operations.

cryopump system；failure；cause；elimination

TB65

A

1006-7086（2016）04-0233-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.011

2016-06-14

蔡阿宁（1969-），男，陕西武功人，高级工程师，从事真空与低温设备的运行管理等工作。E-mail：caianing@126.com。