鍍膜設備真空系統主泵的配置
真空系統是真空鍍膜設備的主要組成部分，其主泵的選擇對真空性能影響很大，真空鍍膜設備的發(fā)展要求真空性能清潔無(wú)油，動(dòng)態(tài)抽速大.傳統的以油擴散泵為主泵的設備不能滿(mǎn)足要求,本文敘述了油擴散泵、分子泵及低溫泵的特點(diǎn)及北京北儀創(chuàng )新真空技術(shù)有限責任公司開(kāi)發(fā)以分子泵及低溫泵為真空系統主泵的鍍膜設備情況。
真空系統是真空鍍膜設備不可缺少的重要組成部分。常用的高真空系統結構形式, 一般由主泵及前級泵串聯(lián), 加上閥門(mén)、管道及真空測量?jì)x表組成. 按所選的主泵不同分為有油真空系統和無(wú)油真空系統。
1、有油真空系統
有油高真空系統一般以油擴散泵為主泵。前級泵為機械泵或機械泵＋羅茨泵。
眾所周知, 油擴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(wàn)升。在(10- 2～10- 4) Pa 范圍具有穩定的抽速,結構簡(jiǎn)單,無(wú)機械傳動(dòng),無(wú)摩擦,工作可靠,無(wú)振動(dòng),無(wú)噪音。壽命長(cháng),維護簡(jiǎn)單,投資費用低。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。此外油擴散泵使用時(shí)能耗大,運行費用高。啟動(dòng)慢,停泵時(shí)間長(cháng),特別是大規格泵。
2、無(wú)油真空系統
當前以分子泵和低溫泵作主泵的無(wú)油真空系統在真空鍍膜設備中廣泛使用。
2.1、以分子泵為主泵的真空系統的特點(diǎn)
分子泵是靠高速運動(dòng)的剛體表面來(lái)攜帶氣體分子實(shí)現抽氣的真空泵. 能連續大量抽氣�？梢垣@得清潔無(wú)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,但當氣體大量流過(guò)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, 這對使用不利。將渦輪分子泵的高壓強側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。高壓強范圍有較大抽速。彌補了渦輪分子泵的不足。
2.2、以低溫泵為主泵的真空系統的特點(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(lái)獲得和保持真空的設備。正常工作時(shí)不需前級泵.起始壓力高,工作壓力范圍寬(1～10- 8 ）Pa�？梢猿槌鞣N氣體。但不能連續抽氣, 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, 特別是對水蒸汽有很高的抽速, 相當于同口徑分子泵的四倍。所以使被抽容器內水蒸汽分壓低, 從而獲得清潔的無(wú)碳氫化合物的高真空和超高真空。泵內無(wú)運動(dòng)部件, 無(wú)振動(dòng),無(wú)噪音,可以任意位置安裝。占地面積小,運行費用比油擴散泵低。操作簡(jiǎn)單。
3、北京北儀創(chuàng )新真空技術(shù)有限責任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)北儀創(chuàng )新公司)生產(chǎn)真空鍍膜設備情況
真空鍍膜設備是北儀創(chuàng )新公司主導產(chǎn)品之一, 自1961 年開(kāi)發(fā)第一臺真空鍍膜設備以來(lái),累計已設計生產(chǎn)了不同品種、規格型號的高真空鍍膜設備六千臺以上。應用于各個(gè)領(lǐng)域. 其中大多數設備的真空系統是配備著(zhù)油擴散泵作主泵的。
二十世紀八十年代以來(lái)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對真空鍍膜設備的清潔度要求日益提高,設備所鍍膜層的質(zhì)量與所用材料、鍍膜工藝及真空系統內所含有的水蒸汽及油污染的程度有很大關(guān)系. 傳統的以油擴散泵為主泵的真空系統由于有油蒸汽的污染,已不能滿(mǎn)足使用要求,國外工業(yè)發(fā)達國家紛紛推出以分子泵和低溫泵作主泵的半無(wú)油和全無(wú)油真空系統的全自動(dòng)鍍膜設備. 新型的無(wú)油泵如分子泵和低溫泵, 已成為無(wú)油系統的主流。不少單位花費大量外匯購買(mǎi)國外先進(jìn)的以分子泵和低溫泵作主泵的無(wú)油系統鍍膜設備.這不但價(jià)格昂貴, 而且售后服務(wù)及零備件供應很不方便, 作為真空鍍膜設備專(zhuān)業(yè)制造廠(chǎng)，研發(fā)生產(chǎn)真空性能良好的設備,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備情況
針對國產(chǎn)分子泵F- 100、FF- 160、FF- 200、FF- 250 及F- 400 五種規格渦輪分子泵和復合分子泵及電源已批量生產(chǎn), 性能穩定可靠。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(kāi)發(fā)和生產(chǎn)了以分子泵為主泵的真空鍍膜設備。如ZZSX 系列電子束鍍膜機， JPGF 系列磁控濺射設備，LDHF 系列多弧離子鍍及HFD 系列化學(xué)汽相沉積設備。同時(shí)也接受本公司常規產(chǎn)品以分子泵取代油擴散泵的改造工作, 如DM系列蒸發(fā)鍍膜機。
由實(shí)踐,在配置不變情況下,僅以同規格的分子泵取代油擴散泵為主泵的真空鍍膜設備, 到達的極限壓力有所改善,而從大氣抽至10- 3 Pa 的時(shí)間往往比油擴散泵系統要長(cháng)些, 但當真空室壓力抽至<10- 4 Pa 以后, 則分子泵系統抽速比油擴散泵要快,而真空室內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備過(guò)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.靠氦壓縮機提供冷源,當泵吸氣已到達排氣容量時(shí), 或二級冷頭的溫度在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載所限.所以減少熱負載十分重要。
二十世紀末,我們就打算開(kāi)發(fā)以低溫泵為主泵的真空鍍膜設備, 當時(shí)對低溫泵尚無(wú)感性認識。不掌握其使用性能和故障率等. 又如真空蒸發(fā)鍍膜設備使用中，經(jīng)常是在一定溫度下(如300℃)鍍膜,當采用電子束蒸發(fā),電子束轟擊蒸發(fā)材料時(shí),動(dòng)能轉為熱能，對低溫泵來(lái)說(shuō),這二者是真空室主要熱負載, 這將對低溫泵使用性能有多大影響?在設計中該如何考慮，以及泵的性能及質(zhì)量可靠性等問(wèn)題都是開(kāi)發(fā)鍍膜設備前必須了解的內容,于是我們開(kāi)展了調研和實(shí)驗工作。
2003 年8 月,我們有機會(huì )對日本真空技術(shù)株式會(huì )社出產(chǎn)的一臺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(kāi)門(mén)電子束鍍膜設備上, 取代原設備的主泵KA- 800 型油擴散泵及復合冷阱(水與氟里昂復合阱)進(jìn)行了鍍膜室內常溫、高溫(350℃)抽氣性能和電子束蒸發(fā)工作時(shí)室內保持壓力的試驗測試。泵的安裝和操作是在寺島充級先生指導下進(jìn)行的。累計試用了近140 h。在試用中,這臺低溫泵及其附件沒(méi)有出現過(guò)任何故障。工作情況表明,與油擴散泵相比,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散泵大，特別是抽水蒸汽能力,遠高于油擴散泵。這對于相對濕度較高的使用環(huán)境提高工作效率, 效果顯著(zhù)。
�。�2）設備極限壓力優(yōu)于油擴散泵. 測試中用CRYO- U20H 型低溫泵作主泵, 從大氣開(kāi)始抽，用了453 min (7小時(shí)33 分) 達到9×10- 5 Pa。而用KA- 800 型油擴散泵加復合冷阱抽, 用了255 min(4 小時(shí)15 分)達到1.4×10- 4 Pa，繼續抽,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. 測試了鍍膜室為室溫和350℃時(shí)高真空段性能的時(shí)間。測試數據如表1 和表2。
注:ZZSX - 1200 真空鍍膜設備鍍膜室容積及室內主要配置:
�、� 內腔尺寸(內徑×高度)/mm:φ1250×1300
�、� 室內主要配置
QE 型e 型10 kW 270°磁偏轉電子槍二套。電阻加熱蒸發(fā)電極一對,離子轟擊電極一套,蒸發(fā)源擋板三套,旋轉拱形工件架一套,工件架烘烤用管狀加熱器及測溫傳感器一套, 光學(xué)膜厚監控儀光路一套,石英晶體探頭一套,室壁可拆卸屏蔽板一套。
測試時(shí)間:2003- 08- 04。室溫32℃相對濕度50%。
表1 低溫泵與油擴散泵抽氣時(shí)間比較（室溫） 表2 低溫泵與油擴散泵抽氣時(shí)間比較（350℃）
鍍膜室抽氣過(guò)程室內加溫至350℃, 并保溫140 min, 低溫泵冷頭溫度由開(kāi)機時(shí)的12.2 K 升溫至14 K。
