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| 低溫泵在超高真空爐中的應用實(shí)例 |
| 發(fā)布時(shí)間：2017-09-27 瀏覽：4122 次 |
十多年前開(kāi)始在真空電子技術(shù)相關(guān)工藝設備中應用低溫泵、干泵無(wú)油系統來(lái)獲得超高真空，效果滿(mǎn)意。這次嘗試將低溫泵快速、潔凈和可靠的獨特優(yōu)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(huán)境。本文以實(shí)例介紹了低溫泵在超高真空爐中的應用; 重點(diǎn)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(huán)節。 對同類(lèi)真空爐的研發(fā)和低溫泵的應用都有參考價(jià)值。通過(guò)嚴格把關(guān)各研發(fā)環(huán)節，按照超高真空規范進(jìn)行清洗，除氣和烘烤，最后真空爐的極限壓力達到了2 × 10-7Pa，將常規的真空爐極限壓力延伸了近一個(gè)數量級。 近年來(lái)無(wú)油真空泵在半導體行業(yè)為代表的領(lǐng)域被引進(jìn)并廣泛應用。從而低溫泵+ 干泵為代表的無(wú)油超高真空獲得系統在半導體電子技術(shù)、光學(xué)鍍膜系統和航空航天領(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，低溫泵由兩部分組成，主體為真空泵體，第二部分為壓縮機?，F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(tài);再通過(guò)熱交換器被冷卻為常溫氦氣;經(jīng)純化后的高純氦氣最后經(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)勢有： ?、贊崈?，純無(wú)油，抽氣范圍寬，可快速獲得理想的超高真空環(huán)境; ?、谂c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; ?、蹖Ρ怀闅怏w無(wú)選擇，雜質(zhì)顆粒而不影響系統工作; ?、芸梢匀我饨嵌劝惭b，沒(méi)有運動(dòng)部件，不需要前級泵，運行和維護成本低; ?、荼┞洞髿鈱ο到y影響小，壓縮機斷水后可以自保護，所以可以實(shí)現無(wú)人值守。 真空系統的設計 真空爐選用低溫泵系統，最大的問(wèn)題就是解決熱負載。真空爐中的熱負載主要來(lái)自于三方面： ?、賮?lái)自爐體側的熱輻射; ?、谡硿鳡顟B(tài)下，氣體分子攜帶走熱量; ?、蹃?lái)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(tài)下，熱源②可忽略。熱源③可以通過(guò)增加水冷結構消除。設計時(shí)主要考慮來(lái)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(guò)輻射到達容器壁的溫度約200℃，溫度隨著(zhù)時(shí)間會(huì )慢慢升高。 多數情形，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載，這也是減少熱輻射最簡(jiǎn)單有效的方法。在分子流狀態(tài)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(jìn)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。  圖1 真空系統結構圖 為了獲得理想的超高真空，同時(shí)運用冗余技術(shù)，我們設計了分子泵機組和低溫泵并聯(lián)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(tài)下工作。 另外當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(cháng)低溫泵的抽氣飽和時(shí)間，也可以節約再生時(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。 為保證系統潔凈無(wú)油，同時(shí)最大程度發(fā)揮低溫泵的抽氣優(yōu)勢，選擇了純無(wú)油磁懸浮分子泵，前級泵選擇了渦旋式干泵，低溫泵再生時(shí)也用干泵抽氣。真空系統原理圖如圖2 真空系統主要配置。  圖2 真空系統原理圖 當分子泵機組和壓縮機同時(shí)啟動(dòng)，大約120 min后低溫泵二級冷頭從室溫降到15 K 以下(可以開(kāi)啟低溫泵閥門(mén))，此時(shí)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(kāi)始抽氣。 表1 真空系統主要配置  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(dòng)化程度較高，配置低溫泵更能發(fā)揮其顯著(zhù)優(yōu)勢。 真空爐最終測試的極限壓力為2 × 10-7 Pa( 冷態(tài)、空爐) ，壓升率為0.002 Pa /h。指標優(yōu)于常用高真空爐。目前國內低溫泵的應用大多還依賴(lài)進(jìn)口，和相同口徑的其它泵相比，價(jià)格也比較昂貴。 但在高潔凈工藝環(huán)境、純無(wú)油真空和超高真空領(lǐng)域仍然有很大的優(yōu)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(fā)目前還待成熟，尤其是壓縮機技術(shù)，期待國內潔凈真空泵行業(yè)的興起。 本文由真空鍍膜機廠(chǎng)家載自真空技術(shù)網(wǎng) |
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