本文通過介紹CTI 400 冷凝泵工作原理，常見的故障與產生這些故障可能存在的原因，為解決這些常見問題提供了理論指導。

　　隨著真空技術的發展，冷凝泵在真空方面的應用越來越廣泛，由于它在使用過程中比較潔凈，性能穩定，在半導體、太陽能制造等方面具有明顯優勢，因此在這些領域里大都采用冷凝泵作為真空發生裝置，但是由于我們在這方面缺少專業的知識和零備件，冷凝泵的維護維修一般只能在跨國公司的辦事處或者少數專業維修公司那里進行相關的維修工作，價格非常昂貴。下面以CTI 400 冷凝泵為例將我們在日常遇到問題與大家一起討論一下。

1、冷凝泵的結構原理

　　CTI 400 冷凝泵又叫低溫泵或冷泵。一般情況下它和CTI 9600型壓縮機配對使用，作為一個獨立的結構單元，采用外部冷卻循環水實現熱交換。CTI 400 冷泵的核心部件包括80K 冷阱、15K 冷阱、15K吸附矩陣、防輻射罩及冷泵驅動組件等組成。冷泵驅動組件包括馬達、傳動機構、冷頭、活塞環等零件。這種冷凝泵在壓縮機的作用下產生兩個溫度制冷區，即一級制冷區和二級制冷區，它們制冷部位表面的溫度是不一樣的。一級制冷區通常溫度范圍在80K 左右，其主要作用是用來冷卻輻射罩和冷阱，輻射罩的主要功能是防止熱交換，冷阱主要是用來吸附真空腔體內的水氣、N2、O2 等氣體及雜質；二級制冷區的溫度通常在10K～20K 之間，一般情況下為10K，溫度超過15K時冷凝泵的抽速下降。它主要是用來冷卻吸附矩陣、15K 冷阱，因為部分氣體如N2、O2進入腔體內部后沒有被冷阱吸附，而惰性氣體Ne、H2、He 等氣體不能被低溫冷凝在光的表面上，所以需要采用一種吸附劑來吸附這些氣體，而活性炭這種材料具有吸附能力強、較大的吸附表面積，并且活性炭在室溫下很容易釋放吸附的氣體，達到自身清潔再生，因此被選作為冷泵的吸附材料。雖然活性炭的吸附能力強，但總會有飽和的時候，因此冷泵需要定期再生。

2、常見的故障及分析

　　冷泵在使用過程中隨著時間的增加，各種問題就相繼出現。常見的問題有：冷頭發出“咔嚓、咔嚓”的異常聲音；冷泵溫度達不到正常的工作溫度10K；冷泵抽真空速度慢。

　　2.1、冷頭發出異常聲音的處理及調試這種情況常見于冷泵使用一段時間后出現，主要原因是冷頭部分受到污染，因為正常情況下冷頭部位是清潔且無雜質，運行過程中聲音節奏感強，人體感覺比較舒適。而出現“咔嚓”異常聲音的說明冷頭里面含有水氣、空氣等，在較低溫度下結冰產生摩擦所致。當這種問題出現時，首先查看冷泵工作情況，如果冷泵是再生后運行了很長的時間，一般來說通過對冷泵進行再生可以消除這種故障，否則需要對冷頭進行維護。

　　對冷頭進行維護時，為了防止壓縮機的氦氣不受到污染和壓力降低，首先需要將冷泵與壓縮機連接的氦氣管道拆開，然后才能對冷泵驅動組件清潔。清潔時需先對氦氣進行釋放，松動螺釘，取出冷頭，如圖1 示。從圖1 中可以看出，一、二級冷頭及驅動機構受到了嚴重的污染，這就需要用酒精對兩級冷頭等部位進行全面的清理，然后放在烘箱烘干，以防空氣、酒精中的水氣進入冷頭影響維護效果。為了保證維護后的效果，還需要對冷頭中的活塞環進行查看和分析，如果認為它們的狀態不影響后面的使用效果則應保留，否則需要進行更換。冷頭的溫度零下200 多度，冷頭內的任何物質都會凝聚成固態微粒進而影響冷頭的工作狀態，甚至發出刺耳聲音，因此需要使用無塵紙和酒精對馬達驅動內各零件進行清潔，不能留下任何可能存在影響冷頭工作狀態的物質，同時需要分析腔體內的零件狀態是否可繼續使用。

圖1 驅動組件中的冷頭

　　冷頭的安裝需要在凈化級別較高的環境下進行，否則很難保證冷頭清潔后的效果。在對冷頭清潔、安裝等工作過程中，由于無法消除里面存在的空氣、水氣及雜質等，因此需要對其提純，對它的提純要有專用工具才能進行，否則達不到預期效果。我們常用的提純方法有兩種：①抽真空法，即先用真空泵對其抽真空，然后沖入高純氦氣，反復數次即可達到提純的目的；②連續排氣法，即讓冷泵馬達在工作狀態下，從冷泵進氣口充入高純氦氣，從排氣口排放出來，連續運轉數后分鐘即可達到提純目的。

　　冷泵是通過氦氣管道與壓縮機直接相連，里面的大部分污染物來自壓縮機，為了保證進入冷泵的氦氣是純凈的，從壓縮機出來的氦氣都經過一個吸附桶進行過濾，當冷頭較臟時則說明吸附桶存在失效的可能，此時則需要查看它投入使用的日期，如果使用時間較長則要考慮更換，一般來說它的使用壽命為2～3 年。

　　2.2、冷泵達不到正常溫度10K 冷泵正常工作時的溫度為10K，如果達不到這個數值，則說明冷泵、壓縮機存在問題，根據我們日常經驗，可能出現問題的地方有：

　　2.2.1、壓縮機的He 壓力減少壓縮機經過長期運轉后，由于各接頭之間的松動，導致部分氦氣泄漏，同時由于在對冷泵、壓縮機進行維護時拆卸管道導致的氦氣損失，均會產生壓力下降。我們可以查看壓縮機氦氣壓力表，一般情況下，在靜態時壓縮機的氦氣壓力為245psi 左右，動態時范圍在60～100psi 之間，如果壓力表的指針在上面兩個數值范圍內波動則認為正常，否則需要補充氦氣。為了避免氦氣的泄漏對壓縮機制冷能力的影響，應避免對He 管路進行頻繁拆裝和He 壓力的檢查。

　　2.2.2、壓縮機冷卻水的溫度和流量如果冷卻水的溫度較高，流量較小，則不能對壓縮機產生的熱量有效帶走。可以通過壓縮機冷卻水流量計查看冷卻水的流量，前級監控查看冷卻水的溫度，冷卻水的溫度一般在15℃，高于此值時則需要動力提供支持。從我們工作情況來看壓縮機冷水管的堵塞是導致冷泵溫度達不到10K 的主要原因之一。

　　2.2.3、吸附桶狀態從壓縮機出來的He 均要經過吸附桶進行過濾，來阻止He 中雜質及污染物進入冷泵驅動件中，使用時間長了He 就會產生堵塞，輕微堵塞時，冷泵溫度可以壓到20K 左右，重度堵塞時冷泵溫度只能壓到100K 左右，嚴重者將導致壓縮機開不起來，一般來說它的使用壽命2～3 年，因此要制定周期的維護計劃，消除因吸附桶而引起冷泵狀態差。

　　2.2.4、密封元件的狀態冷泵的制冷是靠He 膨脹吸熱來實現的，因此各個密封件的狀態就顯得尤為重要，根據日常維護的經驗知道，圖2 中標號為①、⑨、輥輳訛三個密封件對冷泵溫度和真空抽速的影響明顯，其中標號為輥輳訛的密封件直接影響冷泵最低溫度，當它受到損壞時，冷泵最低溫度只能到20K，①、⑨密封件一般是不會受到損壞，只是長時間運行后效果變差，因此需要定期進行維護和更換以便保證冷泵狀態。

　　2.3、冷泵抽真空速度慢判定

　　冷泵工作狀態主要參數有：工作溫度、極限真空、冷泵抽速等。根據日常經驗產生此問題的原因可能為壓縮機、冷泵或者動力供給。對于動力供給是最容易確認的，只要動力提供的冷卻循環水溫度、流量滿足要求動力方面就沒有問題。關于壓縮機的維護，實際上我們能夠維護的也就是吸附桶更換和He 的補充及提純，只要這兩樣做好了壓縮機的問題基本上是正常的。

　　從冷泵本身結構來看影響抽速的問題點就較多了，我們常見的原因主要有以下幾點：

　　1)15K 吸附矩陣使用時間久了，本身吸附能力變差，需要進行更換或者重新再生，一般來說吸附矩陣在蒸發等較干凈環境下工作，它的使用壽命可以達到3 年，環境較差的條件下它使用壽命在1 年左右，因此對它的檢查和更換需要作好記錄與維護；

　　2)15K、80K 冷阱表面保護層破壞，當冷阱上面的保護層被破壞后，其吸附水氣等能力變差，影響抽速效果；

　　3)冷泵驅動組件，它里面有很多元件影響冷泵抽速：如圖2 中的①、⑨、輥輳訛號密封件雖然影響冷泵的溫度，但是冷泵的溫度直接決定了冷泵抽速，因此它們的狀態好壞影響著冷泵的抽速；標號為③、⑧兩級冷頭影響著冷泵再生后的使用壽命，雖然它們對最低溫度沒有任何影響，但是如果兩級冷頭中的任一個狀態不好都將導致抽速慢的情況發生，且每次再生后使用的時間均很短，有的只有十幾爐的使用壽命就需要重新再生，因此對它們的保養和定期檢查是十分必要的。

圖2 CTI 400 冷泵驅動

3、總結

　　本文講述了CTI 400 型冷凝泵的結構原理及生產過程中常見的故障，如冷頭聲音異常、抽速慢及溫度壓不到10K 等，并對這些故障產生的原因進行分析和總結，為生產過程中冷凝泵系統故障診斷與維修維護提供實際的操作指導。