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低溫泵在超高真空爐中的應用實例

來源:真空技術網(www.sakcw.tw)北京真空電子技術總公司 作者:盧少波

  十多年前開始在真空電子技術相關工藝設備中應用低溫泵干泵無油系統來獲得超高真空,效果滿意。這次嘗試將低溫泵快速、潔凈和可靠的獨特優勢應用到真空爐中。將低溫泵并入真空系統中,達到清潔的超高真空環境。本文以實例介紹了低溫泵在超高真空爐中的應用; 重點介紹了低溫泵真空系統的設計思路,真空系統的主要配置和注意事項,低溫泵的選型計算,并用圖示方法詳細介紹了低溫泵系統的安裝、使用和維護等環節。對同類真空爐的研發和低溫泵的應用都有參考價值。通過嚴格把關各研發環節,按照超高真空規范進行清洗,除氣和烘烤,最后真空爐的極限壓力達到了2 × 10-7 Pa,將常規的真空爐極限壓力延伸了近一個數量級。近年來無油真空泵在半導體行業為代表的領域被引進并廣泛應用。從而低溫泵+ 干泵為代表的無油超高真空獲得系統在半導體電子技術、光學鍍膜系統和航空航天領域得到了廣泛推廣。

  通過低溫介質將抽氣面溫度降低到20 K 以下,抽氣面就可以冷凝沸點溫度較低的氣體,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的裝置。

  作為完整的抽氣系統,低溫泵由兩部分組成,主體為真空泵體,第二部分為壓縮機。現在得到廣泛應用的都是制冷機式低溫泵,其核心是低溫制冷機。工作基本流程為:氦氣首先被壓縮到高溫高壓狀態;再通過熱交換器被冷卻為常溫氦氣;經純化后的高純氦氣最后經汽缸完成絕熱膨脹,變成低溫氦氣。如此不斷循環,氦氣被不斷降溫,成為制冷介質—低溫氦氣。

  選擇低溫泵的優勢有:

  ①潔凈,純無油,抽氣范圍寬,可快速獲得理想的超高真空環境;

  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對被抽氣體無選擇,雜質顆粒而不影響系統工作;

  ④可以任意角度安裝,沒有運動部件,不需要前級泵,運行和維護成本低;

  ⑤暴露大氣對系統影響小,壓縮機斷水后可以自保護,所以可以實現無人值守。

真空系統的設計

  真空爐選用低溫泵系統,最大的問題就是解決熱負載。真空爐中的熱負載主要來自于三方面:

  ①來自爐體側的熱輻射;

  ②粘滯流狀態下,氣體分子攜帶走熱量;

  ③來自泵口管道的熱傳導和輻射熱量。

  低溫泵工作在分子流狀態下,熱源②可忽略。熱源③可以通過增加水冷結構消除。設計時主要考慮來自爐體的熱負載對低溫泵的影響。真空爐內選擇多層金屬反射屏。真空爐最高加熱溫度為1300℃,共設計6 層反射屏,內3 層選鉬屏,其余各層選不銹鋼反射屏。理論上加熱器通過輻射到達容器壁的溫度約200℃,溫度隨著時間會慢慢升高。多數情形,低溫泵可裝個90°彎頭,以避免與真空室直通,這就進一步減少了傳給泵的熱負載,這也是減少熱輻射最簡單有效的方法。在分子流狀態下,彎頭對流導的影響可忽略,對超高真空系統而言比擋板更有效。為了進一步減少泵口管道熱傳導熱和輻射對低溫泵的影響,在彎頭管道上設計了水冷結構。真空系統結構圖如圖1。

低溫泵在超高真空爐中的應用實例

圖1 真空系統結構圖

  為了獲得理想的超高真空,同時運用冗余技術,我們設計了分子泵機組和低溫泵并聯的真空系統。分子泵機組可以作為系統的預抽,這樣當低溫泵降溫后可以直接在分子流狀態下工作。

  另外當真空室放氣量比較大時,可以及時切換到分子泵抽氣,這樣既可以延長低溫泵的抽氣飽和時間,也可以節約再生時間。分子泵、低溫泵都通過氣動超高真空閘板閥和真空室連接。為保證系統潔凈無油,同時最大程度發揮低溫泵的抽氣優勢,選擇了純無油磁懸浮分子泵,前級泵選擇了渦旋式干泵,低溫泵再生時也用干泵抽氣。真空系統原理圖如圖2 真空系統主要配置。

低溫泵在超高真空爐中的應用實例

圖2 真空系統原理圖

  當分子泵機組和壓縮機同時啟動,大約120 min后低溫泵二級冷頭從室溫降到15 K 以下(可以開啟低溫泵閥門),此時真空爐系統的真空度可以達到10-5Pa,這樣低溫泵可以直接從高真空開始抽氣。

表1 真空系統主要配置

低溫泵在超高真空爐中的應用實例

結論

  本套設備是一套典型的中型真空爐,應用于超高真空條件下的擴散焊工藝,熱容量和表面積都大于同規格的熱處理爐,自動化程度較高,配置低溫泵更能發揮其顯著優勢。真空爐最終測試的極限壓力為2 × 10-7 Pa( 冷態、空爐) ,壓升率為0.002 Pa /h。指標優于常用高真空爐。目前國內低溫泵的應用大多還依賴進口,和相同口徑的其它泵相比,價格也比較昂貴。但在高潔凈工藝環境、純無油真空和超高真空領域仍然有很大的優勢,并且從使用成本和壽命上比較,低溫泵并不比其它泵差。國內低溫泵的研發目前還待成熟,尤其是壓縮機技術,期待國內潔凈真空泵行業的興起。

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