低温泵在超高真空炉中的应用实例

低温泵 卢少波 ?#26412;?#30495;空电子技术总公司

  十多年前开始在真空电子技术相关工艺设备中应用低温泵干泵无油?#20302;?#26469;获得超高真空,效果满意。这次尝试将低温泵快速、洁净和可靠的独特优势应用到真空炉中。将低温泵并入真空?#20302;?#20013;,达到清洁的超高真空环境。本文以实例介绍了低温泵在超高真空炉中的应用; 重点介绍了低温泵真空?#20302;?#30340;设计思路,真空?#20302;?#30340;主要配置和注意事项,低温泵的选型计算,并用图示方法详细介绍了低温泵?#20302;?#30340;安装、使用和维护等?#26041;凇?#23545;同类真空炉的研发和低温泵的应用都有参?#25216;?#20540;。通过?#32454;?#25226;关各研发?#26041;冢?#25353;照超高真空规范进行清洗,除气和烘烤,最后真空炉的极限压力达到了2 × 10-7 Pa,将常规的真空炉极限压力延伸了近一个数量级。近年来无油真空泵在半导体行业为代表的领域被引进并广泛应用。从而低温泵+ 干泵为代表的无油超高真空获得?#20302;?#22312;半导体电子技术、光学镀膜?#20302;?#21644;航空航天领域得到了广?#21644;?#24191;。

  通过低温介质将抽气面温度降低到20 K 以下,抽气面就可以冷凝沸点温度较低的气体,从而抽出大量的气体。这种利用低温抽气面将气体冷凝的抽气泵叫低温泵,或冷凝泵。是利用低温介质降低表面温度后将气体冷凝、吸附或是冷凝+ 吸附,将被抽空间的压力降低,而获得真空或维持真空状态的装置。

  作为完整的抽气?#20302;常?#20302;温泵由两部分组成,主体为真空泵体,第二部分为压缩机。现在得到广泛应用的都是制冷机式低温泵,其核心是低温制冷机。工作基本流程为:氦气首先被压缩到高温高压状态;再通过热?#25442;?#22120;被冷?#27425;?#24120;温氦气;经纯化后的高纯氦气最后经汽缸完成绝热膨胀,变成低温氦气。如此不断循环,氦气被不断降温,成为制冷介质—低温氦气。

  选择低温泵的优势有:

  ①洁净,纯无油,抽气范围宽,可快速获得理想的超高真空环境;

  ②与口径相同的其它真空泵相比,低温泵有更大的抽速,尤其抽出水蒸汽的能力;

  ③对被抽气体无选择,杂质颗粒而不影响?#20302;?#24037;作;

  ④可以任意角度安装,没有运动?#32771;?#19981;需要前级泵,运行和维护成本低;

  ⑤暴露大气对?#20302;?#24433;响小,压缩机断水后可以自保护,所以可以实现无人值守。

真空?#20302;?#30340;设计

  真空炉选用低温泵?#20302;常?#26368;大的问题就是解决热负载。真空炉中的热负载主要来?#26434;?#19977;方面:

  ①来自炉体侧的热辐射;

  ②?#25345;?#27969;状态下,气体分子携带走热量;

  ③来自泵口管道的热传导和辐射热量。

  低温泵工作在分子流状态下,热源②可忽略。热源③可以通过增加水冷结构消除。设计时主要考虑来自炉体的热负载对低温泵的影响。真空炉内选择多层金属反射屏。真空炉最高加热温度为1300℃,共设计6 层反射?#31890;?#20869;3 层选钼?#31890;?#20854;余各层选不锈钢反射屏。理论上加热器通过辐射到达容器壁的温度约200℃,温度随着时间会慢慢升高。多数情形,低温泵可装个90°弯头,以避免与真空室直通,这就进一步减少了传给泵的热负载,这也是减少热辐射最简单有效的方法。在分子流状态下,弯头对流导的影响可忽略,对超高真空?#20302;?#32780;言比挡板更有效。为了进一步减少泵口管道热传导热和辐射对低温泵的影响,在弯头管道上设计了水冷结构。真空?#20302;?/a>结构图如图1。

低温泵在超高真空炉中的应用实例

图1 真空?#20302;?#32467;构图

  为了获得理想的超高真空,同时运用冗余技术,我们设计了分子泵机组和低温泵并联的真空?#20302;场?#20998;子泵机组可以作为?#20302;?#30340;预抽,这样当低温泵降温后可以直接在分子流状态下工作。

  另外当真空室放气量比?#27927;笫保?#21487;以及时切换到分子泵抽气,这样既可以延长低温泵的抽气饱和时间,也可以节约再生时间。分子泵、低温泵都通过气动超高真空闸板阀和真空室连接。为保证?#20302;?#27905;净无油,同时最大程度发挥低温泵的抽气优势,选择了纯无油磁悬浮分子泵,前级泵选择了?#34892;?#24335;干泵,低温泵再生时也用干泵抽气。真空?#20302;?#21407;理图如图2 真空?#20302;?#20027;要配置。

低温泵在超高真空炉中的应用实例

图2 真空?#20302;?#21407;理图

  当分子泵机组和压缩机同时启动,大约120 min后低温泵二?#29420;?#22836;从室温降到15 K 以下(可以开启低温泵阀门),此时真空炉?#20302;?#30340;真空度可以达到10-5Pa,这样低温泵可以直接从高真空开始抽气。

表1 真空?#20302;?#20027;要配置

低温泵在超高真空炉中的应用实例

结论

  本套设备是一套典型的中型真空炉,应用于超高真空条件下的扩散焊工艺,热容量和表面积都大于同规格的热处理炉,自动化程度较高,配置低温泵更能发挥其显著优势。真空炉最终测试的极限压力为2 × 10-7 Pa( 冷态、空炉) ,压升率为0.002 Pa /h。指标优于常用高真空炉。目前国内低温泵的应用大多还依?#21040;?#21475;,和相同口径的其它泵相比,价格也比较昂贵。但在高洁净工艺环境、纯无油真空和超高真空领域仍然有很大的优势,并且从使用成本和寿命上比较,低温泵并不比其它泵差。国内低温泵的研发目前还待成熟,尤其是压缩机技术,期待国内洁净真空泵行业的兴起。