文章詳情

分子增壓泵在真空技術中的應用

日期:2021-01-17 02:13
瀏覽次數:603
摘要:

分子增壓泵是一種新型的高真空泵,它*大的優點是清潔、節能,中真空具有超強的抽氣能力。首先了解一下該泵為什麽會具有以上的優點。

清潔真空。各種類型的真空泵由於工作機理和結構的不同所獲得的真空質量是不一樣的,可以分為無油真空,清潔真空和普通真空。無油真空即無任何油蒸汽汙染的真空,是真空質量的*高境界,低溫泵、離子泵以及各類幹式泵可以實現無油真空。清潔真空不是優良無油,而是真空中的油蒸汽分壓可以降到極低的水平,從而使真空質量得到很大的提升。渦輪分子泵以及某些泵配合使用低溫冷阱,可以實現清潔真空。而普通真空則含有較高的油蒸汽分壓。油蒸汽作為高分子的碳水化合物,是一種主要的汙染源。各種傳統機械類型的真空泵以及以高速定向油蒸汽流抽氣的真空泵,在獲取真空的同時,不可避免地會產生油蒸汽對真空的汙染。而不同的真空應用對真空的質量是有不同的要求的。各種類型的真空泵在抽除氣體的同時,往往伴隨著發生一些其他的過程,油蒸汽的返流即是一種,所謂返流就是油蒸汽分子沿著與抽氣方向相反的方向逆向擴散運動,其後果造成了真空的油汙染。低溫泵、離子泵、幹式泵等因無油汙染源,所以也無油蒸汽的返流,故能獲得無油真空。各類機械原理的傳統真空泵,在抽氣通道中存在用於潤滑、密封等作用的泵油,所以會由於油蒸汽的擴散運動而造成顯著的汙染。高速定向的油蒸汽射流具有明顯的方向性,但這僅是氣體動力學決定的宏觀運動,而作為組成射流的一個個油蒸汽分子還存在一種本質的無規的熱運動,兩種運動的疊加可使油分子折向真空一方而造成返流,當然還有其他原因。渦輪分子泵是一種高速旋轉的機械類型的真空泵,其高速轉動的軸承需用油潤滑,故存在油汙染源,但該位置處於整個抽氣通道的前方,低真空一側,而其與泵的進氣口即高真空一側之間,由於高速旋轉的渦輪葉片組合存在巨大的壓縮比,這一壓縮比是隨氣體分子的質量而成指數增加的。因為油分子是高分子,比一般的氣體分子具有更大的分子量,故而渦輪分子泵能對它產生比其他分子更大的壓縮比,這一態勢使得油分子返流明顯地減弱,表現在被抽空間中的油蒸汽分壓大大降低,從而實現所謂的清潔真空,當然這是在泵的工作狀態下。分子增壓泵雖然工作機理與渦輪分子泵不一樣,但同樣具有極高的壓縮比,其大小與分子的質量亦成指數關係,所以同樣可以實現清潔真空。從某種意義上講,分子增壓泵比渦輪分子泵具有更高的壓縮比。通過質譜分析對比,渦輪分子泵譜圖上可以發現44質量數的CO2峰,而分子增壓泵譜圖 28N2峰)以後就不存在可以觀察到的譜峰。

 

1分子/增壓泵的殘氣質譜圖(中科院近代物理研究所提供)

分子增壓泵的抽氣機理是基於全拖動的原理。氣體分子在與其他分子或物體碰撞時,可以發生動量交換,若氣體分子能始終獲得定向動量,便能實現抽氣作用。當氣體分子與高速定向運動的蒸汽流碰撞時,氣體分子是與單個油蒸汽分子之間發生動量交換。而氣體分子與高速運動的物體發生碰撞時,則是氣體分子與剛性表麵之間發生動量交換。分子增壓泵就是屬於後者。該泵的抽氣單元為圓盤上分割出的從邊緣指向中心的螺旋通道,吸氣級具有兩個平行的拖動麵,而壓縮級僅有一個拖動麵,且壓縮級是由多個拖動麵串接而成,氣體沿著螺旋通道依次由中心流向外緣,再由外緣流向中心,多級迂回後*終流向排氣口。高速旋轉的圓盤平麵傳遞給碰撞其上的氣體分子的動量應沿著切線方向,由於分割出的螺旋通道與半徑方向有一夾角,故氣體分子所獲得的切向動量沿著螺旋通道方向有一分量,該分量迫使氣體分子沿著通道從圓盤的外緣向中心運動(壓縮),同樣改變螺旋方向,也能迫使氣體分子從中心向外緣運動(壓縮)。正是多級的壓縮通道串接起來,使得分子增壓泵可以形成巨大的壓縮比(對N2而言可達108)。這樣巨大的壓縮比可以保證處於泵的前級部分潤滑裝置產生的油蒸汽難於返流至高真空一側,這就是分子增壓泵能夠獲得清潔真空的關鍵所在。作為完整的真空機組,分子增壓泵隻需上等前級低真空泵即可組成高真空機組。對於機組,分子增壓泵不僅能抑製自身的返流,其壓縮比還能有效的抑製前級泵的返油,而對於羅茨泵機組便做不到這一點。由於羅茨泵壓縮比很低(約幾十),所以除自身的返油外,該機組係統的返油中還包含了前級泵的油蒸汽。除了以上所述,結合抽氣工藝,由分子增壓泵的抽氣特性可在諸多應用場合實現清潔真空,在後麵涉及的該泵的應用中會進一步討論。

節能。真空泵在工作過程中要產生能耗,這能耗主要來自兩方麵的原因。對於機械類的泵來講,泵的組件在運行過程中會產生摩擦損耗,在抽氣的過程中需要對氣體壓縮做功。而對於靠蒸汽流工作的泵而言,除了蒸汽流在抽氣過程中壓縮氣體需要做功外,在油從液態形成蒸汽的過程中還需要消耗大量的熱能。工作在低真空的傳統機械類泵,由於摩擦阻力較大,壓縮氣體的壓力較高,故消耗的能量較大,不同種類、不同型號的泵能量消耗與其抽氣能力的當量關係基本相同。而同種類型的真空泵由於製造工藝水平的差異,其能耗可能會有不同,但應都在同一數量級內。分子增壓泵雖然屬於機械類泵,但由於工作轉速極高,其運動部件的平衡精度也非常高,所以工作時摩擦力極小,該泵從工作狀態下斷電,其自然停機過程需要2小時以上,足以說明這一點。分子增壓泵和油蒸汽射流泵抽氣原理雖然都是通過動量傳遞,但從動量傳遞效率而言,前者遠遠大於後者,這可從兩方麵來理解。其一,即使蒸汽射流和拖動圓盤具有相同的宏觀速度,但前者是氣態,後者是固態,兩者密度相差甚大,蒸汽射流的濃度僅相當幾十托的壓力。故運動的圓盤比運動的蒸汽具有大得多的動量,並且氣體分子在與圓盤剛體相碰中獲得的動量應比氣體分子在與單個蒸汽分子碰撞中獲得的動量要大得多。其二,蒸汽射流要獲得所需的動量(或能量),是基於氣體動力學的方法消耗大量熱能來實現的,而剛性的拖動圓盤要獲得所需的轉速(即動量),是通過機械驅動來實現的,由於泵的平衡精度高,隻需少量的機械能便可。例如:抽速1000L/s的泵,對於油擴散泵,所需功率約2000W,而對於分子增壓泵還不到200W,這是數量級的差別。從以上分析可以看出,分子增壓泵是一種極低能耗的真空泵,下麵例舉的應用實例中更能生動地說明這一點。曾將抽速600L/s的分子增壓泵應用於稀土永磁材料的熔煉爐上,原設備主泵是2300L/s的油增壓泵,使用分子增壓泵,抽氣時間從40分鍾縮短至18分鍾。特別是材料在預熔過程中大量的放氣,必須數次停止加熱,否則油增壓泵不能正常工作,而分子增壓泵排氣流量大,能及時抽除釋放的大量氣體,可持續加熱。從能耗上看,油增壓泵9KW,分子增壓泵卻不到0.2KW。與渦輪分子泵相比,分子增壓泵的能耗也低於前者,由於渦輪分子泵也是低能耗泵,所以節能的意義不大。但作為高真空機組,渦輪分子泵一般需要3級機組,而分子增壓泵隻需要兩級機組,因此還是有明顯的節能效果。這完全是因為分子增壓泵的抽氣特性所決定的。對於分子增壓泵的能耗低於渦輪分子泵可以從以下兩點受到啟發,一是渦輪分子泵轉動方向和抽氣方向是相互垂直的,而分子增壓泵轉動方向和抽氣方向基本一致,因此能量的利用效率高。二是渦輪分子泵的葉輪的葉片是有一定角度的,就像風扇一樣,所以旋轉起來會產生阻力,而分子增壓泵的拖動圓盤是一平麵,相比之下旋轉時幾乎不產生阻力。

中真空的抽氣能力超強。所謂中真空是指10帕至0.1帕的壓力範圍,而分子增壓泵的抽氣能力可以延伸到數百帕的低真空區域。中真空區域在真空應用中是非常值得關注的一個區域,例如基於低氣壓放電的物**相沉積往往在0.1Pa的範圍;而分子蒸餾、稀土永磁材料熔煉則在數帕的範圍。分子增壓泵的中真空抽氣能力主要是與作為高真空泵的油擴散泵和渦輪分子泵,以及作為中真空泵的羅茨真空泵和油增壓泵來比較。0.1Pa的壓力對於油擴散泵和渦輪分子泵而言略高了一些,泵可以工作,但並不是很穩定,而1Pa的壓力下幾乎不能工作。較高的壓力會破壞油蒸汽的射流,射流一旦紊亂便失去抽氣能力。同樣這一壓力下,對於一般尺寸入口的渦輪分子泵來講還達不到完全的分子流狀態,渦輪分子泵的抽氣作用是對氣體作相對運動的葉輪兩側傳輸幾率的差異產生的,而這一差異必須是以氣體處於分子流狀態為前提的,如偏離分子流,則抽氣能力要受到明顯的影響,所以0.1Pa的壓力對於油擴散泵和渦輪分子泵不僅抽氣能力受到影響,抽氣的穩定性也得不到保證,而工作壓力的穩定往往對真空的應用是至關重要的。還有就是在幾帕的範圍內渦輪分子泵的工作是存在風險的。對於作為中真空泵的羅茨泵和油噴射泵而言,要實現這一壓力範圍內的抽氣亦有一定的難度。羅茨泵在0.1Pa壓力下實際抽速要比標稱抽速下降很多,故抽氣能力大大受到影響。油噴射泵在數帕的範圍內也是其油蒸汽射流不穩定的壓力,一旦射流破壞便失去抽氣作用,而分子增壓泵在中真空的壓力範圍的抽氣作用不存在以上例舉的各類真空泵的局限,顯示了獨特的能力,這一能力還需從分子增壓泵的抽氣特性來展示,從分子增壓泵的抽速曲線可以看出,在幾百帕的壓力時泵就具有了抽氣能力(以有效抽速達到前級泵抽速的兩倍起算),而後隨著壓力的降低抽速線性增大,約在1Pa左右達到*大值,當壓力再降低時抽速略有下降,隨後在高真空範圍內保持一恒定值,極限真空在無烘烤的條件下可以達到好的10-5帕數量級,而烘烤後可以進入10-6Pa或更低。所以在0.1-1Pa範圍內分子增壓泵可以工作在額定抽速,在10Pa時抽速也可達到額定抽速的6成。分子增壓泵在1Pa左右抽速會出現一個峰值,這是與渦輪分子泵抽速特性的一個顯著的區別。造成這一小的極值的原因是由於泵此時工作在過渡流狀態,而泵入口的流導比分子流狀態下的流導要大。除了抽速曲線顯示出分子增壓泵在中真空範圍具有強勁的抽速外,更需要強調的是分子增壓泵與前級泵組成的真空機組實際抽氣的動態過程中所表現出的高效率。當前級泵預抽達到100Pa時,分子增壓泵開始切入抽氣,盡管此時的實際抽速較小,但隨著壓力的降低抽速逐漸增大,從100Pa到達*大抽速的1Pa的壓力這一動態過程所曆經的時間很短,類似一雪崩的過程,而這一過程歸結於分子增壓泵從進入抽氣狀態到抽速達到*大值遵循的是所謂的恒流量工作模式,即這一階段的抽氣發展過程任一時刻氣體流量是相同的。流量可用壓力和抽速的乘積來表示,即PS,如流量恒定,則這階段泵的抽速將隨壓力的降低反比增大。為什麽會恒流量抽氣,可以從物理上說明。粘滯流到分子流的過渡階段,氣體分子的密度較高,與分子態不同,此狀態下並非所有的分子都能與拖動麵碰撞,而是靠近拖動麵的分子才能與其碰撞並獲得定向動量。其後在與相鄰近的分子的碰撞中再傳遞所獲得的定向動量,這種分子之間的相互碰撞作用可以視為相互間的一種約束,這樣就可以把一定量的離散的氣體分子看做是一個質元,其有一個質心,從而可用質點動力學的方法來處**體分子與拖動麵之間的相互作用。在討論氣體的粘滯性流動時,就曾采用過這種經典動力學的方法。這樣運動的表麵對氣體的拖動作用就變為與一個個質量確定的質點之間的作用,是通過質心與拖動麵之間的碰撞來實現的。在拖動的過程中由於氣體壓力在降低,質元的體積在增大,但其質心位置不變,質元的質量不變,所以這一階段(過渡流)的抽氣過程中,抽除的氣體質量是恒定的。而等溫條件下,流量正比於質量。這便是分子增壓泵所謂恒流量工作模式的原由。

 圖二分子增壓泵、高壓強分子泵和羅茨泵的抽速與入口壓強的關係

以上對分子增壓泵的主要特性做了簡單的討論,正是由於這些特性使得分子增壓泵適用於各種真空技術的應用中,並展示出其優越性。下麵主要就分子增壓泵在物**相沉積技術中的應用作一些介紹。物**象沉積技術又稱真空鍍膜技術,是真空應用於材料改性的重要內容。真空鍍膜的形式豐富多樣,但主要可以分為蒸發鍍膜、濺射鍍膜以及離子鍍膜。蒸發鍍膜由於沉積速率高,蒸發時間短,鍍膜周期亦短,所以一般配置的真空機組抽速強勁,能在數分鍾內將真空室抽至高真空(≤10-2Pa),由於鍍膜時間短,所以不考慮此時的放氣量,亦不考慮真空室內的油汙染,如此往往機組的抽速要達到上萬升/秒,主要采用大型的油擴散泵。由於目前開發出並推向市場的分子增壓泵主要是200mm口徑,抽速1000L/s,難於適應工業生產中蒸發鍍膜對大抽速的要求,所以此處暫不涉及在蒸發鍍膜中的應用,而當數千升/秒乃至上萬升/秒的大口徑分子增壓泵開發出來後,必將在蒸發鍍膜領域顯示出超過傳統機組的優異性能。濺射鍍膜和離子鍍膜廣泛用於裝飾塗層及刀具的硬質塗層,沉積的厚度往往在微米量級,所以沉積時間也相對較長,因此沉積過程中抑製真空室內殘餘活性氣體(主要是水蒸氣)的影響也格外重要,尤其是在反應沉積中。沉積環境中的活性氣體主要來自真空室內的放氣,要降低活性氣體的分壓就要降低室內的放氣量或內表麵的放氣率,由於降低放氣率是一個緩慢的過程,即使采用烘烤等強化措施亦是如此,這就決定了在濺射鍍膜和離子鍍膜技術中,合理的工藝必須經過較長時間的抽氣過程(所謂精抽),目的是使真空室內的放氣率降低到合理的程度,以至於不會對隨後的沉積過程產生不能容許的影響。所以一般此類的鍍膜設備配置的真空機組的抽速沒有蒸發鍍膜設備那麽強勁,以1000L/s的分子增壓泵為例,從1台到2台、3台、4台的並聯使用能夠滿足0.3m3-1.5m3真空室大小的鍍膜設備的抽氣要求,抽速的大小並不是由被抽負載的體積決定的,而是決定於表麵積。因此1000L/s分子增壓泵目前也能較廣泛地滿足濺射鍍膜和離子鍍膜設備的要求,並得以在實踐中展現其優勢。工業生產規模的濺射鍍膜和離子鍍膜設備大體可以分為連續鍍膜的生產線和周期式鍍膜的分體式設備。而連續鍍膜生產線較為典型的亦有兩類,一類是大型平麵磁控濺射生產線,主要用於沉積陽光控製膜、低輻射膜、高反射膜等,臥式居多。另一類是透明導電膜(ITO膜)生產線,一般是立式的。

 

 連續鍍膜生產線

一、 大型真空鍍膜生產線

① 進片室

所謂進片室就是被鍍基片的輸入端,它的特點主要是頻繁進行大氣——真空的轉換,使基片實現從大氣狀態進入真空狀態的過程,而這一功能是依靠裝在該室兩端的閥門配合真空機組來完成的。早期國產設備進片室後直接就是與濺射室相連的過渡室,而進口設備在進片室後設置一緩衝室,緩衝室通過又一閥門與過渡室連接,因此可按有無緩衝室的兩類不同進片室分別加以討論。

ⅰ 無緩衝室

圖三 無緩衝室進片室示意圖

無緩衝室的進片室一般配置抽速較大的羅茨滑閥機組或羅茨旋片機組。要求在較短的時間內(<3分鍾)完成大氣——真空的轉換,這一時間隨