渦輪分子泵運轉時值得注意的幾個問題
1、返流
渦輪分子泵具有提供超清潔、無碳氫化合物的真空環(huán)境的能力，故常被用戶選用。然而，用戶也偶爾會發(fā)現(xiàn)渦輪分子泵提供不了不含碳氫化合物的真空環(huán)境。經(jīng)調查發(fā)現(xiàn)碳氫化合物的來源，50%是操作失誤所帶來的問題，如渦輪分子泵的前級泵為油封式旋片泵時，沒有控制返流的安全閥，不合理的放氣程序都會引起油蒸汽的返流，不合要求的安全閥也會引起油污染。
為了在系統(tǒng)中實現(xiàn)無碳氫化合物這一要求，在前級泵不是干式泵的情況下，有必要了解渦輪分子泵的壓縮比及如何給泵充氣的一些基本知識。
2、壓縮比
渦輪分子泵的壓縮比是指前級管道（排氣口處）的壓力與進氣口處的壓力之比。由于被抽氣體的分子量不同，泵對各種氣體的壓縮比也不同。氣體分子量M 的平方根與壓縮比K 的關系如圖6所示，泵對氫的壓縮比很小，一般為1000 左右，這樣一來如果前級管道中氫的壓力為1×10- 7 Torr（13.33 μPa），那么進氣口處氫的壓力則小1000倍，即為1×10- 10 Torr（13.33 nPa）。由于氫是超高真空系統(tǒng)中主要的殘余氣體，所以氫的壓縮比是決定渦輪分子泵的極限壓力的關鍵因素。
渦輪分子泵對于大分子量的氣體，如對那些碳氫化合物分子的壓縮比是相當大的，一般高于1012。這個比值根據(jù)不同泵，以及不同分子量而不同，由于前級泵的不同和其它因素，渦輪分子泵的前級管道中的碳氫化合物的分壓力在10- 4 Torr（13.33 mPa）～10- 6 Torr（133.3 μPa）之間，在這種條件下，在泵的入口處碳氫化合物的分壓力將低了1012 倍，即為10- 16 Torr（13.33 fPa）或更低。這樣幾乎是無限小的壓力，已超出了可測量的范圍，即使最靈敏的質譜儀也難以測出。
圖6 不同分子量M 的平方根與壓縮比的關系曲線
3、充氣措施
(1)為什么要充氣
當渦輪分子泵關閉或運轉極慢時，泵將不再有足夠大的壓縮比（泵內壓力梯度）來阻止前級側存在的碳氫化合物通過渦輪葉片向真空室進行返流。這種現(xiàn)象稱作反擴散或分子返流。在靜態(tài)條件下，整個系統(tǒng)的壓力均衡時，在前級管道側， 油的分壓力通常為10- 4 ～10- 6 Torr （ 或13.33mPa～133.3μPa）最后也會波及到泵的入口處。當泵關閉時，適當?shù)亟o泵內充氣是控制油分子返流，保持真空室內無碳氫化合物的一種有效的措施。
當停泵后，碳氫化合物返流很快通過泵進入真空室內，如果系統(tǒng)仍保持在真空狀態(tài)下，碳氫化合物將會粘在清潔的葉片和真空室的表面上。在隨后再運轉該系統(tǒng)時，將極難抽除粘著的碳氫化合物。另一方面，在渦輪分子泵停止運轉時，如果給泵充入干燥氮氣或干燥空氣，則該干燥氣體將給暴露的表面提供一層氣體保護層，而且在系統(tǒng)充氣后，返流的碳氫化合物由于與充入的氣體混合起來，從而它的粘著能力很弱，在混合氣體中碳氫化合物所占比例極小，在下一次抽空時也很快就能被抽走。
(2)延遲充氣
雖然在泵斷開電源后就應給泵充氣已被大家所接受，且很平常，但是，渦輪分子泵在切斷電源后，泵要漸漸地減速，若延遲幾秒或幾分鐘再充氣會更好一些。在泵減速到它平時速度的30%～50%期間，此時泵仍能起到抽氣和壓縮作用。能有效地使真空室處在真空狀態(tài)下且能防止碳氫化合物的返流。延遲充氣也能使閥門有足夠的時間關閉，在經(jīng)常停電的情況下，延遲充氣是很有用的。為了延遲充氣， 前級真空必須維持在1 ～1000 μmHg （1 ×10- 3 mmHg ~1 mmHg 或133.3 mPa～133.3 Pa）范圍之內，所以在渦輪分子泵與前級泵之間必須有一個真空閥，或者在前級泵內部裝一個控制閥，該閥應在電源中斷時，使渦輪分子泵與前級泵隔離開來。否則，通過前級泵、前級管道被充氣，并導致了油的污染。
(3)在何處充氣
在渦輪分子泵的前級側充氣，能強制使碳氫化合物立刻通過渦輪分子泵流入真空室。另一方面，若在渦輪分子泵吸入側充氣，能達到以清潔氣體覆蓋表面的目的。并使氣流流向渦輪分子泵（自上而下），能暫時阻止、延遲碳氫化合物的返流，也有些渦輪分子泵在壓縮級之間進行中間充氣，它和在吸入側充氣控制碳氫化合物返流幾乎同樣有效。在超高真空系統(tǒng)中，在壓縮級充氣尤其優(yōu)越。因為中間充氣不需要價格昂貴的金屬密封的可烘烤的充氣閥。
(4)怎樣充氣
如果渦輪分子泵置于一個清潔、干燥的周圍環(huán)境中，就可以充室內的空氣。然而充氣入口的位置必須仔細選擇。如果充氣入口位置靠近油封式旋片泵的排氣口位置之上，則充入的氣體中會含有油蒸汽勢必會對真空系統(tǒng)造成污染，而且如果空氣是濕的，為了減少以后再抽氣的時間，于是要充入干燥氮氣或經(jīng)過干燥器過濾的空氣。另外也不一定總是充入大氣壓力下的氣體，若充入氣體的壓力為幾Torr（幾hpa）的干燥氣體就足以能控制碳氫化合物的返流。
4、前級管道設安全閥
如果不采用一個操作合理的前級管道安全閥，就有可能即污染渦輪分子泵又污染真空室。當前級泵斷電停車時，前級泵就會給自己充氣反向通到渦輪分子泵的排氣口。這種前級泵充氣會輸送前級管道返流的泵油，之后通過渦輪分子泵進入真空室，這種現(xiàn)象稱為油污染，被污染后渦輪分子泵的葉片就必須在廠家的指導下用氟利昂來清洗。
在渦輪分子泵與前級泵之間裝上一個真空閥，可以防止反向充氣，當停電時立刻關上此閥。理想的情況是，它即能對前級泵入口充氣又不致于使泵油返流浸入安全閥。另外，只有當它的壓力基本均衡時才能打開安全閥，否則就有可能出現(xiàn)壓力沖擊前級管道的問題，例如，在斷電瞬間前級泵壓力將為大氣壓力，然而前級管道仍可能處于真空狀態(tài)下。若閥門的兩側壓力差很大，一旦通電閥門會立刻打開，含污染油的大氣壓下的氣體將由前級泵沖向前級管道，從而會污染系統(tǒng)。所以安全閥需要一定的延遲開啟的時間，以便讓前級泵將閥門后的管道內抽成真空，閥前后的壓差均衡時才可打開安全閥，總之采取辦法來控制閥門的兩側的壓力差，不使氣流返沖。現(xiàn)在許多直聯(lián)式旋片泵，在泵內裝有安全閥，但閥門密封性能一定要保證，一旦閥門關不上后果相當嚴重，渦輪分子泵系統(tǒng)就會被油污染，這種問題是可能通過檢測事先發(fā)現(xiàn)的。在運轉的前級泵上安裝一個前級真空規(guī)管，將泵關閉如果前級壓力增加值在10～1000 μmHg （1×10- 2～1 torr 或1.333～133.3Pa）之間并不再增加，則閥門有效如果壓力繼續(xù)上升很快，直接達到大氣壓力說明閥門失效。如果閥門的密封良好，檢查閥門是否立即開啟還是等壓力均衡后再開啟，觀察規(guī)管并開前級泵，如果規(guī)管馬上就跳到幾乎是大氣壓力，說明有返流的蒸汽的沖擊。
5、操作程序
由于渦輪分子泵的種類和型號是多種多樣的，每種泵的操作方式由制造廠家提供，渦輪分子泵的操作最簡單、最便宜的方法是同時啟動渦輪分子泵和前級泵，當渦輪分子泵加速到正常轉速時，同時也預抽完了該系統(tǒng)，在此初始高壓強預抽階段，油蒸汽的返流是不可能的。因為這時系統(tǒng)內氣體處于粘滯流或層流狀態(tài)，排出氣體的密度大，可阻擋任何碳氫化合物的分子向渦輪分子泵方向返流。當達到分子流態(tài)時，渦輪分子泵已進入正常速度運轉，在泵高壓縮比的情況下運轉時，就可防止了油蒸汽的返流。
渦輪分子泵的前級泵由一個電紐開關控制，兩泵可同時啟動和停車。
在某些快速循環(huán)的系統(tǒng)中，也沒有足夠的時間，使渦輪分子泵在每一個循環(huán)周期內，由于時間短來不及達到正常的運轉速度。在這種情況下，就不能隨工作循環(huán)去周期性地開啟渦輪分子泵。此時渦輪分子泵就不得不連續(xù)的運轉，前級泵粗抽真空室，很快就能達到渦輪分子泵的啟動壓力，就可以很快打開主閥，渦輪分子泵可以在相對高的壓力下工作（節(jié)約了時間）也可使粗抽管道返流降到最低程度。
如果系統(tǒng)需要有粗抽管道，操作不當也有可能出現(xiàn)返流問題，若是將系統(tǒng)粗抽到太低的壓力，粗抽管道內就會出現(xiàn)分子流態(tài)。則粗抽泵的油蒸汽就有可能返流到真空室。當壓力低于100～200 μmHg（13.33～26.66Pa）時，就會出現(xiàn)這種返流。
當真空室粗抽適度后就關閉粗抽閥門，而粗抽泵還在繼續(xù)運轉時，粗抽管道內的壓力降低了會出現(xiàn)分子流狀態(tài)。碳氫化合物會出現(xiàn)返流，并凝結在粗抽閥蓋上或閥的密封處。當粗抽閥再打開時，這些凝結物就有可能離開閥蓋或密封處而返流向真空室一側。在下一個高真空循環(huán)周期中這些油蒸汽就會遷移到真空室內而遭到污染。
為了解決粗抽造成的返流問題，主要是在前級管道中避免分子流態(tài)的發(fā)生，以防油蒸汽返流。當前級管道中達到前級壓力時，關閉粗抽閥對粗抽管道內充氣（用一個充氣閥和一個可控漏孔），然后關閉粗抽泵。因而粗抽管道內就不可能出現(xiàn)分子流態(tài)，防止了返流。
使用渦輪分子泵時，通�？刹挥么殖楣艿�。如在快速循環(huán)的系統(tǒng)中，不設粗抽管道，可以選用那些耐大氣沖擊的渦輪分子泵。能直接從大氣壓力下對真空室進行抽真空。
上述討論是渦輪分子泵選用有油的前級泵工作時應注意的事項。在當前研制成功的不同型的干式前級泵可作為渦輪分子泵的前級泵時就解決了有油系統(tǒng)的返流問題，實現(xiàn)清潔的真空獲得，如能選用當前出現(xiàn)的那種從大氣壓一直抽到高真空的新型分子泵工作就更好了。
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