低温泵培训课件

低温泵培训课件第一章低温泵概述与重要性低温泵是真空技术领域的关键设备，通过极低温条件实现高效气体捕获在现代工业和科研领域具有不可替代的作用，其性能直接影响相关工艺的质量和效率什么是低温泵？工作原理技术优势性能特点利用极低温表面凝缩或吸附气体分子，实机械可动部件少，大大降低故障率和维护现高真空排气通过冷冻技术将泵体冷却需求无油污染，保证洁净的真空环境，至极低温度（通常为），使气体分特别适合对污染敏感的超高真空应用场景10-20K子在低温面上凝结或被吸附低温泵的应用领域半导体制造真空镀膜用于晶圆制造过程中的刻蚀、沉积等工艺环节，确保超净高真空在光学镀膜、显示面板制造、硬质涂层等领域提供稳定高效的真环境，提高芯片良率在光刻、离子注入等关键工艺中发挥重要空环境，确保镀膜质量和均匀性支持大规模生产工艺中的高要作用求真空条件粒子加速器航天科研为粒子加速器提供所需的超高真空环境，减少粒子束传输过程中的散射和损失在大型科学装置中用于维持极高真空度低温泵在半导体生产线中的应用在半导体制造过程中，低温泵为关键工艺提供无油、高洁净度的真空环境，直接影响芯片制造质量和良率图示为现代半导体生产线上的低温泵系统及其安装位置第二章低温泵的工作原理低温泵的工作基于热力学和气体动力学原理，通过创造极低温环境捕获气体分子本章将详细探讨低温泵的核心工作机制、气体在不同温度下的行为特性以及低温泵实现高真空的物理过程理解这些基本原理对于正确操作和维护低温泵至关重要，也是解决实际问题的理论基础低温泵的核心机制冷却降温分子凝缩通过氦气闭式循环制冷机将泵体冷却至气体分子与低温表面碰撞后失去能量，在表面10-（℃至℃），形成极低温表面凝结成固态或液态不同气体在不同温度下凝20K-263-253这一温度足以让大多数气体分子失去动能结，形成多层捕获机制真空形成分子吸附随着气体分子被持续捕获，腔体中的气体密度对于氢气、氦气等凝结温度极低的气体，通过显著降低，形成高真空或超高真空状态，满足活性炭等吸附剂在低温条件下实现物理吸附，工艺需求增强气体捕获能力这一过程不依赖机械运动部件，而是利用气体热力学性质，实现高效、无污染的真空抽取气体蒸气压与温度关系常见气体凝结温度蒸气压特性气体蒸气压随温度下降而急剧降低当温度降至某临界值，蒸气压可低气体种类凝结温度（）K至工艺所需真空度以下，实现有效抽气水蒸气＜130以氮气为例，在时，其蒸气压低于，足以满足超高真空需求20K10-10Pa二氧化碳＜80氢气在时蒸气压仍较高，需通过吸附剂进行额外捕获活性炭在低温20K氮气＜20下对氢气有极强的吸附能力，每克活性炭可吸附数百毫升氢气氧气＜18氩气＜16氢气需吸附剂氦气需吸附剂各种气体蒸气压曲线图中展示了不同气体的蒸气压与温度的关系曲线注意氮气、氧气等在以下蒸气压极低，而氢气、氦气即使在极低温下仍保持较高蒸气压，需要特20K殊处理这一关系是低温泵分级捕获气体的物理基础第三章低温泵结构详解（以为例）CRYO-U8H本章将以型号低温泵为例，详细介绍低温泵的内部结构与各CRYO-U8H组成部分的功能了解低温泵的结构设计有助于理解其工作原理，也是正确操作和维护设备的基础采用两级温区设计，结合了凝缩和吸附两种捕获机制，能高CRYO-U8H效处理各类气体，适用于多种应用场景主要组成部分12两级冷冻机80K屏蔽和挡板采用（）循环制冷机，具有（第一级）和连接在冷冻机第一级，用于GM Gifford-McMahon80K（第二级）两个温区15K拦截热辐射，保护凝缩面•15K第一级（）用于捕获水蒸气等易凝结气体•80K初步捕获水蒸气等易凝结气体•第二级（）用于捕获氮气、氧气等气体•15K形成温度梯度，减少热负荷•3415K凝缩面和吸附面吸附剂连接在冷冻机第二级，是主要气体捕获区域安装于凝缩面内侧15K凝缩面捕获氮气、氧气、氩气等气体主要用于捕获氢气、氦气等难凝结气体••表面积大化设计，增加捕获效率采用活性炭等高效吸附材料••采用高热导率材料，确保均匀温度分布特殊安装位置防止表面覆盖，保持高效吸附能力••结构示意图与功能说明冷冻机两级温度分布•第一级约70-80K•第二级约10-20K•温度传感器监测各点温度热流路径及保护机制•多层热屏蔽减少热辐射•低热导率支架减少热传导•80K屏蔽保护15K区域•真空隔热减少对流换热第四章低温泵的气体排除过程低温泵通过在不同温区捕获不同种类的气体分子，实现高效真空抽取本章将详细介绍各类气体在低温泵中的排除过程，包括不同气体的处理方式、温度要求以及捕获效率等关键信息了解这些过程有助于优化低温泵的操作参数，提高排气效率，延长设备使用寿命，同时也是故障诊断的重要理论基础主要排除气体种类空气组分放出气体工艺导入气体主要包括氮气（）、氧气（）和少量稀来自腔体和工件表面的水蒸气、氢气、一氧化工艺过程中特意导入的氩气、氧气、氢气等特N2O2有气体（如氩气）这些气体在的温碳（）、甲烷（）等气体种气体15-20K COCH4度下能够有效凝结这些气体主要通过材料表面脱附产生，随时间不同工艺气体需要不同的捕获策略，部分难凝空气是最常见的气体负荷，约占泵气体负荷的逐渐减少水蒸气在区就能有效捕获结气体如氢气需要通过吸附剂处理80K60-70%低温泵的优势在于能够同时处理多种气体，且无选择性排气现象，适应复杂的工艺环境气体排除温度要求气体捕获温区分布温区（第一级）•80K水蒸气（）•H2O二氧化碳（）•CO2部分有机物•温区（第二级）•15K氮气、氧气、氩气等•一氧化碳（）•CO甲烷（）•CH4吸附剂区域•氢气（）•H2氦气（）•He氖气（）•Ne第五章低温泵系统组成与启动流程低温泵并非独立工作的设备，而是需要配合多个辅助系统共同构成完整的真空抽取系统本章将详细介绍低温泵系统的组成部分及其功能，以及正确的启动流程和操作步骤掌握系统组成与启动流程是保证低温泵安全高效运行的基础，对于设备管理和日常操作至关重要系统主要部件低温泵单元压缩机单元包含冷冻机、冷凝面和吸附面，是系统的核心部分安装在真空腔体为冷冻机提供高压氦气，实现制冷循环通常为独立装置，包含氦压上，负责实际的气体捕获过程配备温度传感器监测工作状态，并带缩机、散热系统、过滤装置和控制电路配备压力表和过滤器状态指有安全阀防止超压示器，需定期维护连接软管粗抽泵连接压缩机和冷冻机，形成闭式氦气循环回路包括高压供气管和低用于启动前预抽真空和再生过程排气通常采用机械泵或涡轮分子泵压回气管，要求高气密性和耐压性避免过度弯曲或拉伸，定期检查需确保排气能力匹配低温泵规格，避免排气管路过长或弯曲，影响密封性效率启动流程0102系统检查粗抽预真空确认各连接管路正确安装，阀门状态正常，电源连接良好检查压缩机氦打开粗抽阀门，使用粗抽泵将系统抽至适合启动压力（通常要求低于气压力是否在规定范围（通常为），冷却水温度和流量是否满）这一步骤避免冷冻机在高压环境下启动，防止过大热负荷损

1.4-

1.5MPa5×10-1Pa足要求伤设备0304启动冷冻机监测工作状态达到所需预真空度后，关闭粗抽阀门，启动压缩机和冷冻机此时冷头开观察温度和真空度变化，确认系统正常工作当低温面达到工作温度后，始降温，温度会逐渐下降至工作温度第一级（）通常在分钟内达真空度将迅速提高记录稳定工作时的各项参数，作为日后参考80K30到，第二级（）需要约小时15K2第六章低温泵的再生与安全措施低温泵长期工作后，冷凝面和吸附剂会逐渐饱和，需要通过再生过程恢复其捕获能力同时，低温泵操作涉及极低温和高压环境，需要严格的安全措施保障人员和设备安全本章将详细介绍低温泵的再生流程、周期确定方法以及关键安全装置的原理和使用注意事项，帮助操作人员安全高效地进行设备维护再生原理1再生时机判断当出现以下情况时，需要进行再生真空度不能达到工艺要求•2关闭隔离阀排气速率明显下降•压力回升速度加快首先关闭低温泵与真空腔体间的隔离阀，防止再生过程中的气体污染•工艺腔室确保隔离阀密封良好，防止泄漏累计运行时间达到推荐再生周期（通常为小时）•300-5003停止冷冻机关闭压缩机和冷冻机电源，停止制冷过程此时泵体温度将开始自然回升，冷凝气体开始蒸发，吸附气体开始释放4辅助加热（可选）为加速再生过程，可使用专用加热装置辅助加热泵体，加速温度升高注意控制加热温度和速率，避免过快升温造成压力剧增5排出释放气体打开粗抽阀门，使用粗抽泵排出蒸发和释放的气体确保排气系统能力足够，防止泵内压力过高安全阀功能安全阀基本参数设定压力（表压）•20kPa安装位置泵体顶部或侧面•动作方式弹簧压力平衡•重要安全注意事项严禁堵塞或改装安全阀，确保安全阀出口畅通无阻定期检查安全阀弹簧和密封件状况•安全阀动作后需查明原因并解决•确保安全阀排气口方向安全，避免朝向操作人员•第七章低温泵的维护与故障排查低温泵作为精密设备，需要定期维护和及时的故障排查以保证其高效可靠运行本章将系统介绍低温泵常见故障类型、诊断方法和维护策略通过掌握这些知识，操作人员能够快速识别问题，采取适当措施，减少设备停机时间，延长设备使用寿命，确保生产工艺的稳定进行常见故障类型冷冻机温度异常吸附剂饱和失效表现为表现为降温速度慢于正常值排氢能力下降••无法达到设定温度系统中氢分压升高••温度波动大真空度无法达到设定值••两级温差异常再生后效果不明显••可能原因冷冻机机械故障、氦气不足、热负荷过大、温度传感器故障可能原因吸附剂饱和、污染、老化、结构破坏安全阀误动作系统泄漏表现为表现为正常工作时安全阀开启真空度无法达到目标值••系统真空度突然下降压力回升速度快••异常噪音氦气压力持续下降••泵体振动异常声音或气流••可能原因安全阀弹簧松动、密封面污染、再生不当导致压力过高可能原因密封件老化、连接处松动、管道破损、焊接点缺陷故障诊断步骤检查温度传感器读数监测真空度变化第一级温度应在范围内，第二级温度应在范围内记录使用离子规或其他真空计记录系统真空度观察在固定时间内的压力回70-80K10-20K温度变化趋势，分析是否存在异常波动或突变比对历史数据，判断温升率，判断系统泄漏或气体释放情况检查不同工况下的抽气性能，评度变化是否在正常范围估低温泵工作状态检查安全阀和阀门状态进行系统泄漏测试确认各阀门开关状态正确检查安全阀是否有泄漏迹象验证阀门控制使用氦质谱检漏仪对系统进行全面检查重点检查法兰连接处、焊接点系统工作正常必要时更换磨损或老化的密封件、管道接头等易泄漏位置根据检测结果修复泄漏点维护建议定期再生和清洁传感器校验根据工艺要求和气体负荷确定再生周期，通常为工作小时每年至少校验一次温度传感器•300-500•再生过程需完全按照操作规程执行，确保彻底清除捕获气体确保真空计定期校准，保证读数准确性••对于重度污染情况，可能需要特殊清洁程序校准压力传感器和流量计，确保系统监测可靠••记录每次再生情况，建立历史数据库•记录与分析冷冻机维护建立详细的设备运行日志•按照制造商建议的时间间隔（通常为小时）更换冷头记录关键参数变化趋势•10,000-20,000•定期检查压缩机油位和油质分析性能下降规律，优化维护计划••确保冷却水系统清洁，水质符合要求保存维修记录，建立设备档案••检查电气连接和控制系统可靠性•第八章低温泵操作安全须知低温泵操作涉及极低温和高压环境，存在多种安全风险，包括冻伤、高压气体危害、氦气泄漏等安全操作是保障人员健康和设备正常运行的基础本章将详细介绍低温泵操作中的安全注意事项、个人防护要求、紧急情况处理流程等内容，帮助操作人员建立安全意识，掌握必要的安全技能关键安全注意事项禁止用明火加热泵体防止液态制冷剂接触皮肤无论是在再生过程中加速升温，还是处理结冰情况，严禁使用明火液氮等低温制冷剂可能在某些情况下使用，接触皮肤会立即导致严直接加热泵体或管路明火可能引发气体燃烧或爆炸，造成严重后重冻伤冷冻机表面温度极低，也可能造成接触性冻伤操作低温果应使用专用电加热带或热风装置，并控制加热温度不超过部件时必须佩戴专用防冻手套，避免皮肤直接接触低温表面60°C个人防护装备安全阀保护操作低温泵时必须佩戴合适的个人防护装备（）安全阀是防止系统超压的最后保护措施，必须保持良好工作状态PPE防冻手套（适合环境）严禁堵塞或改装安全阀•-200°C•防护眼镜（防止冷气或碎片伤害）定期检查安全阀功能••面罩（再生或维修时）确保安全阀排气口方向安全••长袖工作服（防止意外接触低温表面）发现安全阀故障立即停机检修••紧急处理流程设备异常联系气体泄漏应对遇到无法处理的设备异常情况安全阀动作时处理发现氦气或其他气体泄漏时立即停机，确保现场安全

1.当发现安全阀开启排气时保持冷静，立即打开通风设备

1.联系专业维修人员或制造商技术支持

2.立即关闭隔离阀，防止气体回流

1.如可能，关闭泄漏源

2.提供详细的故障描述和已采取的措施

3.停止冷冻机和压缩机运行

2.疏散区域内人员

3.不要尝试自行修理复杂问题

4.打开粗抽阀门，降低泵内压力

3.使用合适的检测设备确定泄漏点

4.保持事故现场，等待专业人员到达

5.确认周围人员安全，疏散无关人员

4.小泄漏可临时密封，大泄漏需停机处理

5.如遇紧急情况，拨打应急电话

6.检查泵体温度，分析超压原因

5.氦气虽不毒性，但可导致缺氧，空间受

6.

6.记录事件，待泵体恢复常温后检查限区域尤其危险第九章低温泵未来发展趋势随着科技进步和应用需求的提升，低温泵技术也在不断发展和创新本章将探讨低温泵领域的最新研究成果和未来发展趋势，帮助技术人员了解行业前沿动态，为设备更新和技术升级提供参考低温泵作为高真空技术的重要组成部分，其发展与半导体、航天、基础科学研究等多个领域紧密相连，了解发展趋势有助于把握技术发展方向低温泵技术创新方向更高效的冷冻机设计新型吸附材料研发新一代脉管制冷机和斯特林制冷机研发，提高能石墨烯基吸附材料，提供更大比表面积金属有效比，降低振动微型化设计减小设备体积，适机框架（）材料，吸附容量更高表面功能MOF应空间受限场合使用新型热交换器材料，提高化处理，增强对特定气体选择性纳米多孔材料热传导效率研发磁制冷技术，替代传统气体压，优化吸附动力学性能缩制冷绿色环保与节能技术融合智能监控与远程诊断系统能源回收系统，利用排出热量减少氦气消耗和基于物联网技术的全参数实时监控辅助故障AI泄漏的设计改进与可再生能源系统集成，降低预测和诊断，提前识别潜在问题远程操作和维能源消耗更环保的制造工艺和材料选择，减少护功能，减少现场人力需求自学习算法优化运碳足迹行参数，提高能效随着这些技术发展，未来低温泵将更加高效、智能、环保，为高真空应用提供更优质的支持。