低温泵常见故障分析及其解决措施

许忠旭，杜春林，武 越

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

0 引言

低温泵是20世纪70年代末发展起来的一种新型抽气设备，其利用低温表面对被抽气体分子进行冷凝、吸附和捕集，可以获得高真空和超高真空[1]，具有无污染、抽速较大、运行平稳、操作简单等优点[2]，是目前空间环境模拟设备的主要真空获得设备。本文结合各口径低温泵的使用经验，总结了冷头和氦压缩机所发生的各类典型故障，并提出了解决措施。

1 低温泵组成及工作原理

低温泵通常由氦压缩机、泵的壳体（泵腔）、冷头（含一级及二级冷头）、冷屏（一级冷板口径大于500 mm的一级冷板通常使用液氮冷屏代替）、二级冷板、障板、冷头测温传感器、真空规、安全阀等组成，如图1所示。低温泵的抽气口径为160～1320 mm不等。口径小于等于500 mm的低温泵，其一级冷板及障板由一级冷头提供冷量；大于500 mm的低温泵，通常不使用一级冷板，而由外界输入的 液氮给冷屏及障板提供冷量。

图1 莱宝COOLVAC低温泵组成[3]Fig.1 The makeup of Leybold COOLVAC cyropump

低温泵通常采用G-M两级制冷循环。其制冷工作原理可以简述为：氦压缩机将来自于冷头的低压低温氦气压缩为高压高温的氦气后，经冷却、油分离，变成高压常温的纯净氦气进入冷头，在冷头的一、二级气缸内绝热膨胀制冷，变成低压低温的氦气后再返回压缩机。如此反复循环，使各级冷板冷却。

2 典型故障及可能原因分析

2.1 冷头典型故障及原因分析

2.1.1 冷头组成及功能简介

低温泵冷头的内部结构如图2所示[4]，主要由气缸、活塞组成。活塞通过密封环与气缸密封连接，形成一、二级冷头，分别包含一级蓄冷器及二级蓄冷器。一、二级冷板对应安装在一、二级冷头上。活塞由电机或配气盘来驱动，在气缸内做往复运动，确保进入到冷头内的高压氦气在一、二级冷头（布置有测温传感器）内进行绝热膨胀制冷，逐渐降低一、二级冷头温度。

图2 制冷机低温泵冷头内部结构Fig.2 The internal structure of refrigerator cryopump

2.1.2 二级冷板活性炭脱落的问题

二级冷板安装在泵腔内，因此与二级冷板有关的故障不易发现，其中最容易发生的问题是活性炭的脱落，如图3所示。活性炭脱落有两种情况：一是完全脱落，活性炭颗粒或粘结在一起的活性炭块掉落在屏蔽板上；二是虚脱，表面上看活性炭颗粒还是粘接在二级冷板上，但是稍用外力触碰就会脱落。活性炭脱落会影响低温泵对氢气、氦气的抽速，严重时，脱落的活性炭因振动等原因运动到屏蔽板与泵壳之间，在其间搭起一座“热桥”，导致一、二级冷板的温度降不下来或泵壳外表结霜严重。

图3 低温泵二级冷板活性炭脱落Fig.3 The active carbon desquamation instance of cryopump second cold plate

2.1.3 冷头运行时声音异常

低温泵在正常运行过程中会发出有规律的声音。当发出不规律的、分贝偏高的运行声音时，表明冷头出了问题，此类声音多由冷头活塞变形导致与气缸的摩擦增大、间隙改变所致。图4为某型号低温泵在使用过程中出现运行声音异常后，打开冷头发现活塞开裂。当冷头内含油或氦气不纯时也可能导致冷头运行声音异常。

图4 低温泵冷头内活塞开裂变形Fig.4 The crack in the piston of the cryopump cold head

2.1.4 一、二级冷板温度无法降到要求值

低温泵正常工作过程中，一级冷板温度可以降低到65 K 以下，二级冷板温度降低到15 K 以下。当出现故障时，会发生一、二级冷板的温度同时或单独降不到要求值的情况。图5所示为某型号低温泵的一级、二级冷板温度变化。

图5 低温泵异常后的一、二级冷头温度曲线Fig.5 The temperature curves of the first and second cold heads of abnormal cryopump

出现一、二级冷板温度降不到要求值的主要原因有：1）冷头活塞上的密封环磨损严重，导致一、二级冷头之间串气；2）氦压缩机、氦管漏气等原因导致氦气压力不足；3）氦压缩机内部的油气分离器、吸附器等失效导致冷头活塞内部进油。

2.1.5 冷头测温传感器失效

低温泵的一、二级冷板通常都布置有1～2 个测温传感器，是最重要的测温点，用以检测压缩机冷头的工作状态[5]。当低温泵的一级或二级冷板的温度显示不正常后，首先应根据测得的低温泵内真空度等指标排除低温泵冷头或氦压缩机的可能故障。只有排除了这些部位的故障后，才能判定为测温传感器的失效故障。

可能的原因为：1）测温传感器安装不牢固；2）传感器自身损坏或信号传输线路断路。

2.2 氦压缩机典型故障及可能原因分析

2.2.1 氦压缩机组成及功能简介

氦压缩机通常由压缩机、换热器、油气分离器、吸附器、配套的阀门以及控制电路组成。其功能是将来自于冷头的低压氦气压缩为高压氦气，并经过换热器、油气分离器及吸附器的过滤作用，将氦气纯化。

2.2.2 氦压缩机漏气

氦压缩机漏气的典型现象是其压力表示值低于要求值。氦压缩机与氦管、冷头连接在一起，若要判断是否为氦压缩机单独漏气，需要将氦管从氦压缩机上拆下后，往氦压缩机内充入氦气至要求的静态压力值，观察压力的变化。发生漏气的部位多为压缩机内部油气分离器、吸附器等连接部位以及压缩机内部的工艺孔。漏气与氦压缩机运行过程中的周期性振动、工艺孔处的密封失效等有关。

2.2.3 氦压缩机过热保护

氦压缩机在运行中突然停止，二级冷板的温度迅速上升；一段时间以后，重新启动氦压缩机后又能正常运行，且二级冷板的温度等指标均恢复到正常范围。此情况称为氦压缩机过热保护。可能原因有：1）氦压缩机的循环水系统运行中断；2）氦压缩机内部的冷却水管道或换热器结垢严重，无法进行正常换热。

2.2.4 溢流阀损坏

当发现低温泵的二级冷头存在降温困难、运行声音异常等情况时，可能原因为氦压缩机内的溢流阀损坏。溢流阀损坏后，氦压缩机内的压缩机油就会穿过吸附器进入到冷头内，引起冷头运行不正常。

2.3 其他典型故障

低温泵运转过程中泵腔内真空度不能满足使用要求也是常见的故障情况，究其原因，除上述冷头及氦压缩机故障引起的原因外，还应重点考虑泵腔本身是否存在泄漏，包括泵腔本体、泵腔与阀门连接处、泵腔内液氮冷屏（口径大于500 mm 的低温泵）、与泵腔连接的阀门等都是重点检测的对象。图6为某型号低温泵使用过程中泵壳外表面结霜，原因为泵腔内的液氮冷屏汇总管泄漏。

图6 某型号低温泵泵腔内液氮冷屏汇总管泄漏 （白色为肥皂泡）Fig.6 The leakage of liquid nitrogen pipe in certain type cryopump shell (the white bubbles is soap bubbles)

3 解决措施及使用注意事项

3.1 二级冷板活性炭脱落

将二级冷板表面原有的活性炭清除干净后重新粘接活性炭（一般选用椰子壳活性炭）。关键在低温胶的选用，其性能的好坏直接决定了活性炭的粘接牢固性及使用寿命。二级冷板重新投入使用后，应注意以下事项：1）低温泵抽气过程中要避免抽除含有油蒸气的气体；2）低温泵使用后应及时再生，避免二级冷板长期处于泵腔内高水分的状态。

3.2 冷头运行声音异常

冷头运行声音异常时应及时关闭氦压缩机。首先在冷头及氦压缩机均处于常温状态下对冷头及氦压缩机进行氦气置换，以判断是否为氦气不纯引起的冷头声音异常；其次可以检测氦压缩机出气口的气体是否含油。如果检测到油，则可以肯定是由此原因引起。否则直接拆开冷头，检查活塞是否变形等情况，确定具体故障部位及原因后进行针对性的维修。

3.3 一、二级冷板温度降不到要求值

如果是氦压缩机压力不足，应对其进行补气至规定值。否则拆开冷头进行检查。冷头内一、二级之间的活塞环磨损严重甚至破裂是导致一、二级冷板温度降不到要求值的常见原因，应及时对磨损严重或破裂的活塞环进行更换。如果拆开冷头发现活塞环完好，但是冷头内有油，除了对冷头进行除油处理外，还应寻根溯源，对氦压缩机进行检查。若经分析，冷头内的油确定来自于氦压缩机，则可根据氦压缩机漏油的部位采取针对性的维修措施。图7为氦压缩机出气口出油检测装置及用于吸油的纸张与毛毡检测前后对比。

图7 氦压缩机出气口出油检测装置及用于吸油的纸张与 毛毡检测前后对比Fig.7 The oil measurement of the compressor exhaust and the contrast between the papers and the felts in absorbing oil

3.4 氦压缩机漏气

氦压缩机漏气时，通常要先将氦压缩机与氦管断开，以免发生误判断。当确定为氦压缩机漏气时，应使用氦质谱检漏仪对其检漏，利用检漏仪的吸枪对漏点进行定位，确定漏点后再制定维修方案。因氦压缩机内压力一般高于1.5 MPa，所以维修时一定要先将氦压缩机内氦气排出。如果氦压缩机漏气缓慢，也可以通过不断补气的方式维持运行。在使用过程中应注意，氦压缩机要采取隔振措施。氦压缩机内通常具有减振弹簧，使用过程中应确保其发挥作用。例如CTI-8500 氦压缩机，使用前应检查压缩机的运输螺钉是否拆下[6]，否则减振弹簧不起作用。

3.5 氦压缩机过热保护

氦压缩机过热保护通常由循环水引起。当发生此类故障时，首先要检查氦压缩机的循环水系统是否正常工作。若为循环水系统的原因，则应停止循环水系统工作并排查原因后再恢复工作。否则可能原因为氦压缩机内的换热器管路的结垢而导致水流不畅。综上，氦压缩机在使用过程中应保证所使用循环水的水质满足要求。另外，还应根据使用情况不定期对循环水系统进行维护维修。

3.6 溢流阀损坏

溢流阀的损坏多发生在氦压缩机充气时，由充气压力过高所致，若损坏时应更换同型号的溢流阀。因此，氦压缩机充气时应格外注意不能过充。

3.7 泵腔内真空度不能满足使用要求

当泵腔内真空度不能满足使用要求或者是使用过程中低温泵泵壳“出汗”甚至结霜时，应立即停机。若有液氮制冷的屏蔽，则同时停止液氮的供应。因为液氮一旦泄漏到泵腔内，液氮的汽化会造成泵腔内温度的降低以及压力的升高。此时应打开低温泵的某个法兰，避免泵腔内压力高于大气压。低温泵回到常温后应采用氦质谱真空法或充压法对低温泵进行检漏。

为避免低温泵使用过程中出现泄漏，应注意以下事项：1）对于需要定期拆卸的法兰在每次安装时应注意确保密封良好；2）对于泵腔内含有液氮冷屏的低温泵，在进行冷屏预冷时应尽量延长冷却时间，避免骤冷骤热导致焊缝疲劳开裂。

4 低温泵使用及维护建议

上述都是在低温泵使用过程中常发生的比较典型的问题。从统计规律上看，尽管低温泵的工作可靠性比较高，但也有必要加强其在使用过程中的维护保养，这将有助于延长使用寿命，降低故障发生的频度。维护保养工作应侧重于以下几方面：

1）应根据说明书规定的周期更换吸附器；

2）综合低温泵各个运行参数判断是否要更换活塞组件；

3）加强泵腔内的维护，包括清洁、除油、测温点检查以及活性炭粘接等；

4）尽量使用加热再生的方式进行低温泵再生；

5）为氦压缩机配备的冷却循环水系统应定期除垢；

6）保证为氦压缩机补充的氦气纯度不低于99.999%；

7）备份一些氦压缩机保险管、氦管和吸附器等关键备件及冷头充放气接头等；

8）制定合理可行的操作规程及维护保养程序。

5 结束语

本文结合多年的使用经验分析总结了低温泵在使用过程中所发生的各类典型故障，并提出了有效的解决措施。低温泵是环模设备重要的清洁高真空获得设备，应用广泛。只有掌握低温泵自身的运行规律及一些典型的故障处理措施，才能确保其稳定运行。当然，制定合理可行的操作规程，及时进行维护保养也是保证低温泵长期可靠运行的基础。

（References）

[1]任卫祥, 任家生.制冷机低温泵的故障及排除[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]茹晓勤, 祁妍, 吴树迎.用制冷机低温泵获得清洁无油高真空[J].航天器环境工程, 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]德国莱宝公司.COOLVAC 低温泵使用说明书[G].2008∶11

[4]达道安.真空设计手册[M].3 版.北京∶国防工业出版社, 2007∶428

[5]陈涛, 许忠旭, 李玉忠.KM6 低温泵新型测温系统研制[J].航天器环境工程, 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]张建明, 汪政富.G-M 低温泵系统的故障诊断与分析[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