低溫泵在超高真空爐中的應(yīng)用實(shí)例 十多年前開始在真空電子技術(shù)相關(guān)工藝設(shè)備中應(yīng)用低溫泵、干泵無(wú)油系統(tǒng)來(lái)獲得超高真空,效果滿意。這次嘗試將低溫泵快速、潔凈和可靠的*優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到真空爐中。將低溫泵并入真空系統(tǒng)中,達(dá)到清潔的超高真空環(huán)境。本文以實(shí)例介紹了低溫泵在超高真空爐中的應(yīng)用; 重點(diǎn)介紹了低溫泵真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路,真空系統(tǒng)的主要配置和注意事項(xiàng),低溫泵的選型計(jì)算,并用圖示方法詳細(xì)介紹了低溫泵系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)。對(duì)同類真空爐的研發(fā)和低溫泵的應(yīng)用都有參考價(jià)值。通過(guò)嚴(yán)格把關(guān)各研發(fā)環(huán)節(jié),按照超高真空規(guī)范進(jìn)行清洗,除氣和烘烤,zui后真空爐的極限壓力達(dá)到了2 × 10-7Pa,將常規(guī)的真空爐極限壓力延伸了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。近年來(lái)無(wú)油真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)為代表的領(lǐng)域被引進(jìn)并廣泛應(yīng)用。從而低溫泵+ 干泵為代表的無(wú)油超高真空獲得系統(tǒng)在半導(dǎo)體電子技術(shù)、光學(xué)鍍膜系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域得到了廣泛推廣。 通過(guò)低溫介質(zhì)將抽氣面溫度降低到20 K 以下,抽氣面就可以冷凝沸點(diǎn)溫度較低的氣體,從而抽出大量的氣體。這種利用低溫抽氣面將氣體冷凝的抽氣泵叫低溫泵,或冷凝泵。是利用低溫介質(zhì)降低表面溫度后將氣體冷凝、吸附或是冷凝+ 吸附,將被抽空間的壓力降低,而獲得真空或維持真空狀態(tài)的裝置。 作為完整的抽氣系統(tǒng),低溫泵由兩部分組成,主體為真空泵體,第二部分為壓縮機(jī)。現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的都是制冷機(jī)式低溫泵,其核心是低溫制冷機(jī)。工作基本流程為:氦氣首先被壓縮到高溫高壓狀態(tài);再通過(guò)熱交換器被冷卻為常溫氦氣;經(jīng)純化后的高純氦氣zui后經(jīng)汽缸完成絕熱膨脹,變成低溫氦氣。如此不斷循環(huán),氦氣被不斷降溫,成為制冷介質(zhì)—低溫氦氣。 選擇低溫泵的優(yōu)勢(shì)有: ①潔凈,純無(wú)油,抽氣范圍寬,可快速獲得理想的超高真空環(huán)境; ②與口徑相同的其它真空泵相比,低溫泵有更大的抽速,尤其抽出水蒸汽的能力; ③對(duì)被抽氣體無(wú)選擇,雜質(zhì)顆粒而不影響系統(tǒng)工作; ④可以任意角度安裝,沒有運(yùn)動(dòng)部件,不需要前級(jí)泵,運(yùn)行和維護(hù)成本低; ⑤暴露大氣對(duì)系統(tǒng)影響小,壓縮機(jī)斷水后可以自保護(hù),所以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。 真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 真空爐選用低溫泵系統(tǒng),zui大的問(wèn)題就是解決熱負(fù)載。真空爐中的熱負(fù)載主要來(lái)自于三方面: ①來(lái)自爐體側(cè)的熱輻射; ②粘滯流狀態(tài)下,氣體分子攜帶走熱量; ③來(lái)自泵口管道的熱傳導(dǎo)和輻射熱量。 低溫泵工作在分子流狀態(tài)下,熱源②可忽略。熱源③可以通過(guò)增加水冷結(jié)構(gòu)消除。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮來(lái)自爐體的熱負(fù)載對(duì)低溫泵的影響。真空爐內(nèi)選擇多層金屬反射屏。真空爐zui高加熱溫度為1300℃,共設(shè)計(jì)6 層反射屏,內(nèi)3 層選鉬屏,其余各層選不銹鋼反射屏。理論上加熱器通過(guò)輻射到達(dá)容器壁的溫度約200℃,溫度隨著時(shí)間會(huì)慢慢升高。多數(shù)情形,低溫泵可裝個(gè)90°彎頭,以避免與真空室直通,這就進(jìn)一步減少了傳給泵的熱負(fù)載,這也是減少熱輻射zui簡(jiǎn)單有效的方法。在分子流狀態(tài)下,彎頭對(duì)流導(dǎo)的影響可忽略,對(duì)超高真空系統(tǒng)而言比擋板更有效。為了進(jìn)一步減少泵口管道熱傳導(dǎo)熱和輻射對(duì)低溫泵的影響,在彎頭管道上設(shè)計(jì)了水冷結(jié)構(gòu)。真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。 圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 為了獲得理想的超高真空,同時(shí)運(yùn)用冗余技術(shù),我們?cè)O(shè)計(jì)了分子泵機(jī)組和低溫泵并聯(lián)的真空系統(tǒng)。分子泵機(jī)組可以作為系統(tǒng)的預(yù)抽,這樣當(dāng)?shù)蜏乇媒禍睾罂梢灾苯釉诜肿恿鳡顟B(tài)下工作。 另外當(dāng)真空室放氣量比較大時(shí),可以及時(shí)切換到分子泵抽氣,這樣既可以延長(zhǎng)低溫泵的抽氣飽和時(shí)間,也可以節(jié)約再生時(shí)間。分子泵、低溫泵都通過(guò)氣動(dòng)超高真空閘板閥和真空室連接。為保證系統(tǒng)潔凈無(wú)油,同時(shí)zui大程度發(fā)揮低溫泵的抽氣優(yōu)勢(shì),選擇了純無(wú)油磁懸浮分子泵,前級(jí)泵選擇了渦旋式干泵,低溫泵再生時(shí)也用干泵抽氣。真空系統(tǒng)原理圖如圖2 真空系統(tǒng)主要配置。 |