分子泵：應用精析與故障妙修全攻略
日期：2025-02-28 13:51:38
分子真空泵（簡稱分子泵）的抽氣機制有別于傳統(tǒng)機械泵依靠泵腔容積變化抽氣，它以動量傳遞原理為基石，驅(qū)動氣體分子定向流動實現(xiàn)抽氣。憑借工作的穩(wěn)定可靠與分子流態(tài)下卓越的抽氣效率，分子泵已成為清潔高真空和超高真空領域獲取真空的關鍵設備，廣泛應用于科學儀器及工業(yè)生產(chǎn)設備。
分子泵剖面圖
從結(jié)構(gòu)與原理看，分子泵分為渦輪分子泵、牽引分子泵和復合分子泵三類。
牽引分子泵基于分子牽引現(xiàn)象。借助高速剛體表面攜帶并定向移動氣體分子。其優(yōu)勢在于啟動快、分子流態(tài)下壓縮比高，能抽除多種氣體與蒸氣，對重氣體抽除尤佳。但因抽速小、密封間隙窄，工作可靠性差，易出故障且制造困難，實際應用較少。
渦輪分子泵是在牽引分子泵基礎上改進而來。其內(nèi)部有交替排列的動輪葉與定輪葉，輪葉上有眾多特定角度傾斜的葉片，多級葉列串聯(lián)，排列為動片、定片交替循環(huán)。動葉片轉(zhuǎn)動時類似電扇葉片，將氣體從一側(cè)送至另一側(cè)。它屬于機械式真空泵，靠高速旋轉(zhuǎn)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片與靜止葉片配合抽氣，在分子流區(qū)域?qū)Ρ怀闅怏w產(chǎn)生高壓縮比，極限真空度優(yōu)于擴散泵，可達 10?? Pa。正常工作需一定前級真空度（1 - 200 Pa，因泵而異），常用機械泵作前級泵。
渦輪分子泵剖面圖
復合分子泵由渦輪分子泵與牽引分子泵串聯(lián)組合而成。融合二者優(yōu)點，在 10?? - 1 Pa 寬壓力范圍有較大抽速與高壓縮比，提升了泵的出口壓力，在復雜真空應用場景適應性更強。
分子泵在眾多領域有著廣泛應用，包括但不限于以下方面：
如質(zhì)譜分析、電子顯微鏡等，為高精度的物質(zhì)分析提供高真空環(huán)境，確保分析過程的準確性與可靠性。
在電子組件、集成電路、柔性太陽能電池等制造過程中，滿足其對高真空環(huán)境的嚴格要求，保障產(chǎn)品質(zhì)量與性能。
用于熱保護、增透、反射、光學濾光膜等工藝，有助于提升光學元件的光學性能與穩(wěn)定性。
在表面保護、裝飾涂料、顯示器、屏幕等鍍膜工藝中，保證鍍膜的均勻性與附著力。
如真空爐、真空釬焊、真空燒結(jié)、真空合金等工藝，促進金屬材料的精煉與特殊性能合金的制備。
針對真空系統(tǒng)、車輛的油箱、安全氣囊等進行泄漏檢測，確保系統(tǒng)的密封性與安全性。
在醫(yī)學核磁共振成像、核粒子物理、核聚變研究、激光應用等研究實驗中，為實驗提供特定的真空條件，保障實驗的順利進行。
為節(jié)能燈生產(chǎn)過程中的某些工藝環(huán)節(jié)提供必要的真空環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率。
在半導體產(chǎn)業(yè)中，涉及多種反應氣體的工藝條件，如離子注入、反應蒸發(fā)離子噴鍍、反應濺射、反應離子刻蝕、P 刻蝕、等離子體化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積等，分子泵在這些工藝中均起著關鍵作用。
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定期巡檢
應定期對分子泵進行巡檢，重點檢查泵體溫度、噪聲、振動等參數(shù)，以便及時察覺設備故障。對于接近或達到保養(yǎng)周期的分子泵，需及時與廠家取得聯(lián)系，確保設備維護的及時性與規(guī)范性。
2 故障處理流程
01.當分子泵出現(xiàn)故障時，應立即關閉分子泵進氣口處的擋板閥或者插板閥，迅速切斷分子泵與真空腔室的連接，防止故障進一步惡化或?qū)ζ渌考斐捎绊憽?/p>
02. 通過控制系統(tǒng)或分子泵控制器上的 “停止” 鍵，停止分子泵運轉(zhuǎn)，并密切觀察分子泵的運轉(zhuǎn)頻率。當顯示為 “0” 后，關閉電源，并斷開主電纜，確保設備完全停止運行且斷電。
03. 切斷分子泵前級與預抽泵的連接，使整個分子泵與真空系統(tǒng)隔離，避免系統(tǒng)內(nèi)其他部分對故障分子泵產(chǎn)生干擾或受到其影響。
3 充氣操作
若分子泵設有氣體吹掃接口或充氣口等，在分子泵破壞真空后應斷開相關連接管路。若無此類充氣口，則需在保證分子泵進氣口處閥門、前級接口與預抽泵隔斷閥門無泄漏的前提下，緩慢打開前級接口，往分子泵內(nèi)充氣，使分子泵內(nèi)、外壓力保持一致。
當系統(tǒng)有多臺分子泵并聯(lián)使用時，務必在充氣前確認充氣動作對其他分子泵無不良影響；若無法確定，則應在工藝過程完成、整機停機后再進行充氣操作，以保障整個真空系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性。
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后續(xù)拆卸步驟
01. 斷開分子泵前級接口與前級泵的連接后，切斷冷卻水路，為分子泵的拆卸做好準備。
02. 將分子泵與高真空閥門或真空腔室的連接件卸下，小心取下分子泵。對于油潤滑型分子泵，需將泵靜止半小時后，拆下油池，卸下潤滑油后，再進行包裝發(fā)運；其他分子泵可直接進行打包發(fā)運，打包時盡量采用原包裝，以保護分子泵在運輸過程中不受損壞。
原因：
冷卻不良或負載過大可能導致分子泵油發(fā)黑。冷卻不良會使泵體溫度升高，影響油的性能；負載過大則可能使泵在工作過程中產(chǎn)生過多熱量或受到異常應力，進而影響油的品質(zhì)。
解決方法：
檢查冷卻系統(tǒng)，確保冷卻介質(zhì)的流量、溫度等參數(shù)符合要求，檢查冷卻管路是否暢通、冷卻設備是否正常運行；同時檢查真空系統(tǒng)，查看是否存在漏氣、氣體負載異常等情況，排除可能導致負載過大的因素。
原因：
負載過大以及系統(tǒng)真空度不足可能致使分子泵在運轉(zhuǎn)過程中頻率出現(xiàn)波動。負載過大使泵的運轉(zhuǎn)阻力增加，而系統(tǒng)真空度不夠則會影響泵的抽氣性能與正常工作狀態(tài)，導致頻率不穩(wěn)定。
解決方法：
對系統(tǒng)進行全面檢查，包括檢查被抽容器是否有泄漏、前級泵工作是否正常、氣體負載是否超出設計范圍等，找出導致負載過大與真空度不足的原因并加以解決。
原因：
1. 缺乏定期維護，導致軸承磨損加劇、潤滑不良等問題逐漸積累，最終引發(fā)燒毀。
2. 冷卻不良使軸承過熱，超出其正常工作溫度范圍，影響軸承的機械性能與壽命。
3. 沒有及時換油，油質(zhì)變差，無法有效潤滑與散熱，增加軸承的摩擦與熱量產(chǎn)生。
4. 抽除的氣體中含有大量粉塵，粉塵進入軸承內(nèi)部，加劇磨損與摩擦，破壞軸承結(jié)構(gòu)。
解決方法：
1. 建立定期維護制度，按照規(guī)定的時間間隔對分子泵進行維護保養(yǎng)，包括檢查軸承狀態(tài)、清洗軸承、補充或更換潤滑油等。
2. 檢查冷卻系統(tǒng)，確保冷卻效果良好，使軸承溫度維持在正常范圍內(nèi)。
3. 及時換油，根據(jù)分子泵的使用情況與油的品質(zhì)變化周期，定期更換潤滑油，保證油的潤滑與散熱性能。
4. 對抽除氣體進行預處理，如設置過濾器等，隔離粉塵，防止其進入泵內(nèi)尤其是軸承部位。
原因：
防護網(wǎng)破裂或前級管道破裂可能導致大塊碎玻璃等異物掉入泵內(nèi)。防護網(wǎng)若存在質(zhì)量缺陷、受到外力沖擊或長期使用老化等情況可能破裂；前級管道因壓力波動、腐蝕、機械損傷等原因也可能發(fā)生破裂，使異物進入分子泵。
解決方法：
優(yōu)化系統(tǒng)設計，提高防護網(wǎng)的強度與可靠性，定期檢查防護網(wǎng)的完整性；加強前級管道的設計、選材與維護管理，確保管道的穩(wěn)定性與密封性，防止破裂事件發(fā)生。
原因：
油池破裂或密封不良是導致分子泵油返到前級管道的主要原因。油池可能因材料缺陷、加工工藝問題、受到外力或高溫等因素影響而破裂；密封不良可能是由于密封件老化、安裝不當或密封面受損等導致。
解決方法：
檢查油池，查看是否有破裂跡象，如有破裂需及時修復或更換油池；對密封部位進行檢查與維護，更換老化或損壞的密封件，確保密封良好。
原因：
過熱與負載大是造成分子泵油池出現(xiàn)裂紋或者變形的常見因素。過熱可能源于冷卻系統(tǒng)故障、泵長時間高負荷運轉(zhuǎn)等；負載大則使泵體承受較大壓力與應力，傳遞至油池導致其結(jié)構(gòu)受損。
解決措施：
檢查冷卻系統(tǒng)，排除冷卻故障，確保冷卻效果；分析負載過大的原因，如檢查真空系統(tǒng)是否存在異常氣體負載、泵的工作參數(shù)是否合理等，并進行相應調(diào)整。
原因：
分子泵中偶爾掉出頂絲、螺釘?shù)任矬w，可能是在平衡過程中遺漏的平衡釘。這種情況通常是偶然發(fā)生的，但仍需引起重視。
影響及解決方法：
一般情況下，少量此類部件掉落對分子泵的使用影響較小，但如果頻繁發(fā)生或掉落部件較多，則可能影響泵的動平衡與正常運轉(zhuǎn)。若發(fā)現(xiàn)此類問題，應檢查泵的平衡情況，必要時進行重新平衡調(diào)試，并確保在裝配過程中嚴格把控質(zhì)量，避免類似部件遺漏。
要求：
對于膠圈口分子泵，卡鉗數(shù)量不作特殊限定，但至少使用 3 個?？筛鶕?jù)法蘭大小選擇 3、6、12、24 等不同數(shù)量的卡鉗，以確保連接的安全性與穩(wěn)定性。在實際應用中，應根據(jù)具體的法蘭尺寸、工作壓力、密封要求等因素綜合確定卡鉗數(shù)量與安裝方式，保證分子泵的密封性能與機械連接可靠性。
程序丟失或錯亂原因：
1. 電壓不穩(wěn)可能導致變頻器電源內(nèi)部電路工作異常，使程序存儲或運行受到干擾，從而造成程序丟失或錯亂。
2. 強干擾，如電磁干擾、射頻干擾等，可能影響變頻器電源的控制信號與數(shù)據(jù)傳輸，破壞程序的正常執(zhí)行。
3. 高壓打火可能產(chǎn)生瞬間的高能量脈沖，對電源電路與程序存儲芯片造成沖擊，導致程序損壞或錯亂。
4. 人為解密等非法操作也可能破壞變頻器電源的程序完整性與安全性，使其無法正常工作。
預防措施：
為避免此類問題，應確保供電電源的穩(wěn)定性，可采用穩(wěn)壓設備、濾波裝置等改善電源質(zhì)量；對變頻器電源進行電磁屏蔽，減少外界干擾的影響；加強設備的安全管理，防止人為非法操作；定期對變頻器電源進行維護與檢查，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在問題。
界定與標準：
分子泵噪音小于 72 dB 為合格。然而，噪音的大小界定較為復雜，需要使用專用儀器并在特定的測試環(huán)境下進行測量。在實際應用中，可通過定期監(jiān)測分子泵的噪音水平，對比正常工作時的噪音數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)噪音異常變化，判斷泵是否存在故障或潛在問題。如噪音突然增大，可能預示著泵的軸承磨損、部件松動、氣流異常等情況，需及時進行檢查與維修。
風冷要求：
對于風冷分子泵，外界溫度需控制在適宜范圍內(nèi)。一般來說，應避免在高溫環(huán)境下長時間運行，過高的外界溫度會降低風冷效果，導致泵體溫度升高，影響泵的性能與壽命。
具體的適宜外界溫度范圍因分子泵的型號、規(guī)格與設計參數(shù)而異，通常應參考設備制造商提供的技術資料與使用說明書。
水冷要求：
水冷分子泵對水有特定要求，包括水溫、水流量等。水溫應控制在一定范圍內(nèi)，一般不宜過高或過低，過高可能導致冷卻效果不佳，過低則可能引起結(jié)露等問題。水流量需滿足泵的散熱需求，確保有足夠的冷卻介質(zhì)帶走泵在工作過程中產(chǎn)生的熱量。若未達到水冷要求，可能出現(xiàn)無故停機、泵體損壞（如碎泵）、油變黑等嚴重后果。
因此，應配備水溫監(jiān)測與調(diào)節(jié)裝置、水流量監(jiān)測設備，定期檢查與維護水冷系統(tǒng)，保證其正常運行。
接地要求：
分子泵電源本身設有接地線，在安裝與使用過程中，只需保證有良好接地即可。良好的接地可有效防止漏電事故，保障操作人員安全，同時減少電磁干擾對設備的影響。接地電阻應符合相關電氣安全標準，一般要求接地電阻值較小，可通過接地電阻測試儀進行測量與檢查。
屏蔽要求：
屏蔽主要是針對強磁場和強輻射的防護。在分子泵周圍存在強磁場或強輻射源時，如其他電氣設備、電磁輻射裝置等，應采取適當?shù)钠帘未胧?，如使用屏蔽罩、屏蔽電纜等，減少外界磁場與輻射對分子泵電源及內(nèi)部電路的干擾，確保分子泵的正常工作與測量精度。
原因：
變頻器電源在轉(zhuǎn)速上升過程中自動關機并顯示 “Poff”，通常是由于電壓低所致。電壓低可能是供電電源本身電壓不足、線路壓降過大、電源故障等原因引起。當電壓低于變頻器電源的最低工作電壓要求時，電源會自動保護關機，以防止設備因低電壓運行而損壞。
解決方法：
檢查供電電源電壓是否正常，可使用電壓表進行測量；檢查供電線路是否存在接觸不良、電阻過大等問題，如有問題及時修復；若供電電源本身存在故障，應進行維修或更換，確保電壓穩(wěn)定在變頻器電源的正常工作范圍內(nèi)。
原因：
1.誤操作是導致分子泵葉片破碎的常見原因之一，例如突然的破真空操作。由于轉(zhuǎn)子與定子葉片之間的間隙極小，如果葉片材質(zhì)較薄或較軟，突然的空氣阻力會使葉片發(fā)生變形，進而可能造成轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦，最終導致葉片破碎。
3. 電壓的不穩(wěn)定對磁浮類分子泵損傷較大。電壓波動可能導致泵的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、磁場變化異常，使葉片受到不均勻的力，從而增加葉片破碎的可能性。
4. 前級泵的效率差會影響分子泵的工作狀態(tài)。因為腔體內(nèi)大部分氣體首先由前級泵抽出，若前級泵效率低下，分子泵工作時會較為吃力，啟動速度慢、抽氣時間長、電流高、溫度升高等，這些因素都可能間接導致葉片破碎。
5. 分子泵保養(yǎng)時的動平衡未做好。動平衡不佳會使泵在運轉(zhuǎn)過程中振動過大，降低抽氣效率，同時也容易造成軸承過度磨損，進而影響葉片的穩(wěn)定性，增加葉片破碎的風險。
6.軸承部分未使用原廠標準軸承。非原廠標準軸承可能在效果和尺寸上存在偏差，影響泵的整體機械性能，導致葉片受力不均，容易引發(fā)葉片破碎。
