鍍膜設(shè)備真空系統(tǒng)主泵的配置
真空系統(tǒng)是真空鍍膜設(shè)備的主要組成部分，其主泵的選擇對(duì)真空性能影響很大，真空鍍膜設(shè)備的發(fā)展要求真空性能清潔無油，動(dòng)態(tài)抽速大.傳統(tǒng)的以油擴(kuò)散泵為主泵的設(shè)備不能滿足要求,本文敘述了油擴(kuò)散泵、分子泵及低溫泵的特點(diǎn)及北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司開發(fā)以分子泵及低溫泵為真空系統(tǒng)主泵的鍍膜設(shè)備情況。
真空系統(tǒng)是真空鍍膜設(shè)備不可缺少的重要組成部分。常用的高真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式, 一般由主泵及前級(jí)泵串聯(lián), 加上閥門、管道及真空測(cè)量?jī)x表組成. 按所選的主泵不同分為有油真空系統(tǒng)和無油真空系統(tǒng)。
1、有油真空系統(tǒng)
有油高真空系統(tǒng)一般以油擴(kuò)散泵為主泵。前級(jí)泵為機(jī)械泵或機(jī)械泵＋羅茨泵。
眾所周知, 油擴(kuò)散泵的工作壓力范圍為(10- 1～10- 6) Pa。抽氣速率大,可從每秒幾升到每秒十幾萬升。在(10- 2～10- 4) Pa 范圍具有穩(wěn)定的抽速,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,無機(jī)械傳動(dòng),無摩擦,工作可靠,無振動(dòng),無噪音。壽命長(zhǎng),維護(hù)簡(jiǎn)單,投資費(fèi)用低。主要缺點(diǎn)是油蒸汽易返流到真空室中, 形成污染源。采用擋油帽和障板及冷阱等措施可以降低返油率,但不能根除。仍會(huì)有一部分油蒸氣返流,而且也降低了泵的抽氣速率。此外油擴(kuò)散泵使用時(shí)能耗大,運(yùn)行費(fèi)用高。啟動(dòng)慢,停泵時(shí)間長(zhǎng),特別是大規(guī)格泵。
2、無油真空系統(tǒng)
當(dāng)前以分子泵和低溫泵作主泵的無油真空系統(tǒng)在真空鍍膜設(shè)備中廣泛使用。
2.1、以分子泵為主泵的真空系統(tǒng)的特點(diǎn)
分子泵是靠高速運(yùn)動(dòng)的剛體表面來攜帶氣體分子實(shí)現(xiàn)抽氣的真空泵. 能連續(xù)大量抽氣�？梢垣@得清潔無油的高真空和超高真空。啟動(dòng)、停泵時(shí)間短,但抽重氣體比抽輕氣體快,對(duì)水蒸汽抽速慢,渦輪分子泵在分子流領(lǐng)域抽氣效率高,但當(dāng)氣體大量流過泵時(shí),抽速就下降。在1 Pa 以上壓力范圍工作抽速降低很多, 這對(duì)使用不利。將渦輪分子泵的高壓強(qiáng)側(cè)配置了螺旋槽式牽引分子泵, 使兩種泵的抽氣單元串聯(lián)組成一整體。形成的寬域型復(fù)合分子泵, 這種泵在壓力低于10 Pa以下抽速保持不變。高壓強(qiáng)范圍有較大抽速。彌補(bǔ)了渦輪分子泵的不足。
2.2、以低溫泵為主泵的真空系統(tǒng)的特點(diǎn)
低溫泵是氣體捕集型泵.是利用低溫表面冷凝、吸附和捕集氣體來獲得和保持真空的設(shè)備。正常工作時(shí)不需前級(jí)泵.起始?jí)毫Ω?工作壓力范圍寬(1～10- 8 ）Pa�？梢猿槌鞣N氣體。但不能連續(xù)抽氣, 每隔一定時(shí)間需進(jìn)行再生。與同口徑其他泵比較, 抽速大, 特別是對(duì)水蒸汽有很高的抽速, 相當(dāng)于同口徑分子泵的四倍。所以使被抽容器內(nèi)水蒸汽分壓低, 從而獲得清潔的無碳?xì)浠衔锏母哒婵蘸统哒婵�。泵�?nèi)無運(yùn)動(dòng)部件, 無振動(dòng),無噪音,可以任意位置安裝。占地面積小,運(yùn)行費(fèi)用比油擴(kuò)散泵低。操作簡(jiǎn)單。
3、北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱北儀創(chuàng)新公司)生產(chǎn)真空鍍膜設(shè)備情況
真空鍍膜設(shè)備是北儀創(chuàng)新公司主導(dǎo)產(chǎn)品之一, 自1961 年開發(fā)第一臺(tái)真空鍍膜設(shè)備以來,累計(jì)已設(shè)計(jì)生產(chǎn)了不同品種、規(guī)格型號(hào)的高真空鍍膜設(shè)備六千臺(tái)以上。應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域. 其中大多數(shù)設(shè)備的真空系統(tǒng)是配備著油擴(kuò)散泵作主泵的。
二十世紀(jì)八十年代以來科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)真空鍍膜設(shè)備的清潔度要求日益提高,設(shè)備所鍍膜層的質(zhì)量與所用材料、鍍膜工藝及真空系統(tǒng)內(nèi)所含有的水蒸汽及油污染的程度有很大關(guān)系. 傳統(tǒng)的以油擴(kuò)散泵為主泵的真空系統(tǒng)由于有油蒸汽的污染,已不能滿足使用要求,國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛推出以分子泵和低溫泵作主泵的半無油和全無油真空系統(tǒng)的全自動(dòng)鍍膜設(shè)備. 新型的無油泵如分子泵和低溫泵, 已成為無油系統(tǒng)的主流。不少單位花費(fèi)大量外匯購(gòu)買國(guó)外先進(jìn)的以分子泵和低溫泵作主泵的無油系統(tǒng)鍍膜設(shè)備.這不但價(jià)格昂貴, 而且售后服務(wù)及零備件供應(yīng)很不方便, 作為真空鍍膜設(shè)備專業(yè)制造廠，研發(fā)生產(chǎn)真空性能良好的設(shè)備,義不容辭。
4、北儀創(chuàng)新公司發(fā)展了以分子泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備情況
針對(duì)國(guó)產(chǎn)分子泵F- 100、FF- 160、FF- 200、FF- 250 及F- 400 五種規(guī)格渦輪分子泵和復(fù)合分子泵及電源已批量生產(chǎn), 性能穩(wěn)定可靠。我們北儀創(chuàng)新公司也是分子泵生產(chǎn)單位之一, 因此很快就開發(fā)和生產(chǎn)了以分子泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備。如ZZSX 系列電子束鍍膜機(jī)， JPGF 系列磁控濺射設(shè)備，LDHF 系列多弧離子鍍及HFD 系列化學(xué)汽相沉積設(shè)備。同時(shí)也接受本公司常規(guī)產(chǎn)品以分子泵取代油擴(kuò)散泵的改造工作, 如DM系列蒸發(fā)鍍膜機(jī)。
由實(shí)踐,在配置不變情況下,僅以同規(guī)格的分子泵取代油擴(kuò)散泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備, 到達(dá)的極限壓力有所改善,而從大氣抽至10- 3 Pa 的時(shí)間往往比油擴(kuò)散泵系統(tǒng)要長(zhǎng)些, 但當(dāng)真空室壓力抽至<10- 4 Pa 以后, 則分子泵系統(tǒng)抽速比油擴(kuò)散泵要快,而真空室內(nèi)的潔凈度則明顯改善。
5、北儀創(chuàng)新公司發(fā)展以低溫泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備過程
低溫泵是將氣體分子冷凝或吸附在極低溫度表面再排氣的真空泵.靠氦壓縮機(jī)提供冷源,當(dāng)泵吸氣已到達(dá)排氣容量時(shí), 或二級(jí)冷頭的溫度在20 K 以上, 或80 K 屏蔽筒、80 K 擋板的溫度在130 K 以上及泵內(nèi)壓力在1.3×10- 4 Pa 以上時(shí)就要再生.泵的冷面溫度受泵的熱負(fù)載所限.所以減少熱負(fù)載十分重要。
二十世紀(jì)末,我們就打算開發(fā)以低溫泵為主泵的真空鍍膜設(shè)備, 當(dāng)時(shí)對(duì)低溫泵尚無感性認(rèn)識(shí)。不掌握其使用性能和故障率等. 又如真空蒸發(fā)鍍膜設(shè)備使用中，經(jīng)常是在一定溫度下(如300℃)鍍膜,當(dāng)采用電子束蒸發(fā),電子束轟擊蒸發(fā)材料時(shí),動(dòng)能轉(zhuǎn)為熱能，對(duì)低溫泵來說,這二者是真空室主要熱負(fù)載, 這將對(duì)低溫泵使用性能有多大影響?在設(shè)計(jì)中該如何考慮，以及泵的性能及質(zhì)量可靠性等問題都是開發(fā)鍍膜設(shè)備前必須了解的內(nèi)容,于是我們開展了調(diào)研和實(shí)驗(yàn)工作。
2003 年8 月,我們有機(jī)會(huì)對(duì)日本真空技術(shù)株式會(huì)社出產(chǎn)的一臺(tái)CRYO- U20H 型低溫泵進(jìn)行了試用。該泵安裝在本公司產(chǎn)成品ZZSX- 1200 型箱式前開門電子束鍍膜設(shè)備上, 取代原設(shè)備的主泵KA- 800 型油擴(kuò)散泵及復(fù)合冷阱(水與氟里昂復(fù)合阱)進(jìn)行了鍍膜室內(nèi)常溫、高溫(350℃)抽氣性能和電子束蒸發(fā)工作時(shí)室內(nèi)保持壓力的試驗(yàn)測(cè)試。泵的安裝和操作是在寺島充級(jí)先生指導(dǎo)下進(jìn)行的。累計(jì)試用了近140 h。在試用中,這臺(tái)低溫泵及其附件沒有出現(xiàn)過任何故障。工作情況表明,與油擴(kuò)散泵相比,低溫泵作主泵有如下特點(diǎn):
�。�1） 同口徑的低溫泵抽氣速率比油擴(kuò)散泵大，特別是抽水蒸汽能力,遠(yuǎn)高于油擴(kuò)散泵。這對(duì)于相對(duì)濕度較高的使用環(huán)境提高工作效率, 效果顯著。
�。�2）設(shè)備極限壓力優(yōu)于油擴(kuò)散泵. 測(cè)試中用CRYO- U20H 型低溫泵作主泵, 從大氣開始抽，用了453 min (7小時(shí)33 分) 達(dá)到9×10- 5 Pa。而用KA- 800 型油擴(kuò)散泵加復(fù)合冷阱抽, 用了255 min(4 小時(shí)15 分)達(dá)到1.4×10- 4 Pa，繼續(xù)抽,效果不明顯。
�。�3） 抽氣時(shí)間: 這是指由大氣抽至一定壓力的時(shí)間. 測(cè)試了鍍膜室為室溫和350℃時(shí)高真空段性能的時(shí)間。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 和表2。
注:ZZSX - 1200 真空鍍膜設(shè)備鍍膜室容積及室內(nèi)主要配置:
�、� 內(nèi)腔尺寸(內(nèi)徑×高度)/mm:φ1250×1300
�、� 室內(nèi)主要配置
QE 型e 型10 kW 270°磁偏轉(zhuǎn)電子槍二套。電阻加熱蒸發(fā)電極一對(duì),離子轟擊電極一套,蒸發(fā)源擋板三套,旋轉(zhuǎn)拱形工件架一套,工件架烘烤用管狀加熱器及測(cè)溫傳感器一套, 光學(xué)膜厚監(jiān)控儀光路一套,石英晶體探頭一套,室壁可拆卸屏蔽板一套。
測(cè)試時(shí)間:2003- 08- 04。室溫32℃相對(duì)濕度50%。
表1 低溫泵與油擴(kuò)散泵抽氣時(shí)間比較（室溫） 表2 低溫泵與油擴(kuò)散泵抽氣時(shí)間比較（350℃）
鍍膜室抽氣過程室內(nèi)加溫至350℃, 并保溫140 min, 低溫泵冷頭溫度由開機(jī)時(shí)的12.2 K 升溫至14 K。
