真空獲得設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用

真空獲得設(shè)備的發(fā)展與應(yīng)用

1國(guó)內(nèi)真空技術(shù)司法保障現(xiàn)狀真空設(shè)備是一種大規(guī)模的產(chǎn)品。產(chǎn)量很大,單臺(tái)產(chǎn)值并不高,但它確實(shí)是一個(gè)直接影響到真空成套設(shè)備性能質(zhì)量的必不可少的基礎(chǔ)產(chǎn)品。真空獲得設(shè)備簡(jiǎn)稱真空泵,按其原理來(lái)劃分,基本上可以分為氣體輸送型和氣體捕集型兩大類。見表1。由于各種真空泵的工作原理和抽氣特性各不相同,因而它可以適用于各種不同的應(yīng)用領(lǐng)域。見表2。近年來(lái),隨著我國(guó)真空技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,各種真空獲得設(shè)備的發(fā)展非常迅速。目前我國(guó)生產(chǎn)的各種真空獲得產(chǎn)品其型號(hào)、規(guī)格、性能參數(shù)基本上能滿足我國(guó)真空應(yīng)用發(fā)展的需要,特別是老產(chǎn)品都在不斷改進(jìn),新產(chǎn)品亦在不斷開發(fā),并取得了可喜的成果。表3列出了我國(guó)真空獲得產(chǎn)品生產(chǎn)概況。從上述情況可以看出,我國(guó)生產(chǎn)的真空獲得產(chǎn)品,極大多數(shù)是屬于傳統(tǒng)的真空獲得設(shè)備。高真空泵是以油擴(kuò)散泵為主,中低真空泵仍然以水環(huán)泵、旋片泵、滑閥泵、羅茨泵為主。我國(guó)真空技術(shù)的應(yīng)用90%左右都是集中在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域,如真空冶金、真空熱處理、真空鍍膜、真空浸漬干燥、真空蒸餾、濃縮以及真空排氣、真空包裝、制冷等行業(yè)。近年來(lái),國(guó)外的真空技術(shù)應(yīng)用已從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體、平板顯示(LCD,PDP,OLED)、太陽(yáng)能光伏電池、化學(xué)工業(yè)、生物制藥等高端產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域,真空系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)更新?lián)Q代的局面,有油的真空系統(tǒng)已被清潔無(wú)油、耐腐蝕的真空系統(tǒng)所代替。所以國(guó)外各種類型的干式真空泵、復(fù)合分子泵、磁懸浮軸承分子泵和低溫泵發(fā)展很快,市場(chǎng)上均有商品出售。而國(guó)內(nèi),這一類產(chǎn)品基本上處于空白,無(wú)法適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的需要。2根據(jù)不同應(yīng)用領(lǐng)域的真空解決方案2.1水環(huán)真空機(jī)組抽除水蒸汽系統(tǒng)基于kt-b在許多化工、制藥等行業(yè)的真空蒸餾、濃縮、脫水、干燥的工藝過(guò)程,不但要求真空系統(tǒng)具有抽水蒸汽和可凝性氣體的能力,還要求真空系統(tǒng)能維持在某一壓強(qiáng)下運(yùn)行。通常有下列兩種解決方案:(1)羅茨水環(huán)真空機(jī)組:這種羅茨水環(huán)真空機(jī)組在化工行業(yè)應(yīng)用十分普遍。圖1表示JZJS-600×150×75型羅茨泵水環(huán)泵真空機(jī)組示意圖。表四列出了各種羅茨水環(huán)真空機(jī)組達(dá)到的極限壓力。這種羅茨水環(huán)真空機(jī)組在化工行業(yè)亦可用于抽除腐蝕性氣體和溶劑。當(dāng)抽除腐蝕性氣體時(shí),羅茨泵的泵體和轉(zhuǎn)子以及水環(huán)泵的泵體和葉輪都必須由316L不銹鋼制成,或采用化學(xué)表面處理技術(shù)在接觸工藝氣體部位涂上一層美多斯(NEDOX)。這種涂層的特點(diǎn)是耐磨性好、不粘、不剝落,經(jīng)過(guò)熱處理后表面硬度可達(dá)HV750～1000,涂層厚度為10～15μm。當(dāng)這種羅茨水環(huán)真空機(jī)組需要抽除溶劑時(shí),水環(huán)泵的工作液必須與被抽溶劑相兼容,并采用工作液閉式循環(huán)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)或選用這類羅茨水環(huán)真空機(jī)組時(shí),應(yīng)考慮下列幾點(diǎn):·確定真空機(jī)組主泵的抽速SS=83.14×TGPA(QM)[m3/h]S=83.14×ΤGΡA(QΜ)[m3/h]83.14:氣體常數(shù)[hPa×m3kmol×k][hΡa×m3kmol×k]TG:氣體入口溫度,[K]PA:工作壓力,[hPa]Q:被抽除的水蒸汽/可凝性氣體的氣體量,[kg/h]M:水蒸汽/可凝性氣體分子量,[kg/kmol]·合理選擇羅茨泵與前級(jí)泵之間的級(jí)比因?yàn)榱_茨泵的抽速效率由下式?jīng)Q定:η=1?KKoη=1-ΚΚoKo:羅茨泵零流量最大壓縮比,一般Ko在35～50。K:羅茨泵與前級(jí)泵級(jí)比。假使Ko=40K=2η=0.95K=4η=0.9K=10η=0.75一般取羅茨泵與前級(jí)泵之間級(jí)比為K=2或K=4?！にh(huán)泵實(shí)際抽速的換算因?yàn)闃颖旧辖o出的額定抽速是指水環(huán)泵采用15℃水作為工作液的值。工作液溫度的變化將會(huì)嚴(yán)重影響泵的實(shí)際抽速。如果泵的工作液溫度不在15℃時(shí),則泵的實(shí)際抽速按下述公式換算:S=S15×(P1?PC)(P1?1770)S=S15×(Ρ1-ΡC)(Ρ1-1770)式中S——在P1壓力時(shí)泵的實(shí)際抽速S15——泵采用15℃水作為工作液,在P1壓力時(shí)抽速P1——入口壓力,PaPC——水在實(shí)際溫度時(shí)的飽和蒸汽壓,Pa水在15℃溫度時(shí)的飽和蒸汽壓為1770。(2)抽除水蒸汽的真空系統(tǒng)在電工產(chǎn)品如變壓器、互感器、電機(jī)、電纜的真空浸漬干燥的工藝過(guò)程中,要求真空系統(tǒng)在某一特定壓力下能抽除一定量的水蒸汽和溶劑。如一臺(tái)中型變壓器,其中絕緣材料的含水量高達(dá)400～500kg,整個(gè)干燥周期為70h。要求真空系統(tǒng)在4.5hPa的入口壓力下,在48h內(nèi)抽除90%～95%的含水量,即每小時(shí)抽水蒸汽的能力平均要在15kg左右,而且在干燥結(jié)束后仍然恢復(fù)到原有的極限壓力10-2Pa。美國(guó)Kinney公司開發(fā)了一種KT滑閥泵與水環(huán)泵串聯(lián)的蒸汽處理真空系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)、原理見圖2所示。抽水蒸汽的真空系統(tǒng)的技術(shù)要點(diǎn):·KT滑閥泵必須能在60℃～75℃的高溫下長(zhǎng)期運(yùn)行;·油箱內(nèi)要保持15000Pa的真空狀態(tài),確保水蒸汽不被冷凝;·油泵在真空狀態(tài)下能正常工作,連續(xù)供油。2.2氣冷羅茨泵機(jī)組雖然目前羅茨泵的最大抽速可以高達(dá)20,000L/s,但是羅茨泵的最大允許壓差,均在3～5×103Pa,不能直排大氣。為了縮短大容器的抽空時(shí)間,減少預(yù)真空泵的臺(tái)數(shù),或者確保羅茨泵能在高壓差下長(zhǎng)期運(yùn)行,氣體循環(huán)冷卻式羅茨泵的出現(xiàn)無(wú)疑是一重大突破。這種氣冷式羅茨泵的熱平衡機(jī)理見圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子封閉進(jìn)氣口后泵腔先接通返冷氣口,待返入冷氣在進(jìn)排氣口壓差的作用下自動(dòng)充滿泵腔后(泵腔內(nèi)壓力由P進(jìn)升至P排)再接通排氣口,冷氣由安裝于排氣口下方的換熱器提供。這一設(shè)計(jì)使壓縮所產(chǎn)生的熱量被冷氣所平衡,而不會(huì)導(dǎo)致泵過(guò)熱過(guò)載,從而使羅茨泵允許在高壓差(8.7×104Pa)下運(yùn)行,可以直排大氣。氣冷羅茨泵既可以作為單泵使用,亦可以與其他泵組成機(jī)組。在粗抽階段由氣冷羅茨泵直接向大氣排氣,這一特性使氣冷羅茨泵機(jī)組的抽速?gòu)拇髿鈮洪_始即取決于氣冷羅茨泵,而不受前級(jí)機(jī)械泵或水環(huán)泵的抽速所限制。這對(duì)于大負(fù)載抽氣以及需要縮短抽氣時(shí)間以提高工作效率具有特殊意義。表5列出氣冷羅茨泵及其機(jī)組的壓力范圍。近年來(lái),由于氣冷羅茨泵技術(shù)已日趨成熟,因而在大型空間模擬裝置、汽輪機(jī)動(dòng)平衡裝置以及化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。圖4表示即為用于抽大型空間模擬裝置KM-6真空機(jī)組的實(shí)例。KM-6容積為3000M3,采用了四套ZJ-5000羅茨泵為主泵,ZJB-1200帶溢流閥羅茨泵為中間泵,ZJL-600氣冷羅茨泵、H-150滑閥泵為前級(jí)泵的四級(jí)抽氣機(jī)組,該機(jī)組極限壓力為0.01Pa(用麥?zhǔn)嫌?jì)測(cè)得的分壓)、0.1Pa(用熱偶計(jì)測(cè)得的全壓)。運(yùn)行程序:(1)首先啟動(dòng)ZJL-600氣冷羅茨泵;(2)當(dāng)容器壓力達(dá)到2.5×104Pa左右,再啟動(dòng)H-150滑閥泵;(3)當(dāng)容器壓力達(dá)到6.5×103Pa左右,啟動(dòng)ZJB-2500羅茨泵;(4)當(dāng)容器壓力達(dá)到6.5×102Pa左右,啟動(dòng)ZJ-5000羅茨泵;直到所需真空度。圖5為用于80噸級(jí)氣輪機(jī)轉(zhuǎn)子高速動(dòng)平衡裝置的氣冷羅茨泵機(jī)組的實(shí)例。高速動(dòng)平衡裝置其容積達(dá)600M3,要求在30min抽至133Pa。如采用普通羅茨泵機(jī)組或普通機(jī)械泵,則需要多臺(tái)泵,占地面積大,功耗亦大?，F(xiàn)采用二套由LQ-1200、LQ-600氣冷羅茨泵和H-150滑閥泵所組成的三級(jí)機(jī)組。運(yùn)行程序:(1)首先啟動(dòng)LQ-1200氣冷羅茨泵,當(dāng)容器壓力高于6.5×104Pa時(shí),氣體直接通過(guò)旁通閥A、B,經(jīng)消聲器再排入大氣。(2)當(dāng)容器壓力低于6.5×104Pa,此時(shí)LQ-600氣冷羅茨泵啟動(dòng),氣體經(jīng)LQ-600氣冷羅茨泵、旁通閥B和消聲器,再直排大氣。(3)當(dāng)容器壓力低于2.5×104Pa時(shí),此時(shí)H-150滑閥泵啟動(dòng),氣體經(jīng)分離器排入大氣。實(shí)測(cè)結(jié)果:二套機(jī)組將600M3容器從大氣抽到1托(133Pa)時(shí)間為22分鐘。圖6表示用于化工行業(yè)的氣冷羅茨泵與水環(huán)泵組合的真空機(jī)組的實(shí)例。在某些化工工藝流程中,要求極限真空達(dá)幾百Pa,但工作壓強(qiáng)高達(dá)2000Pa。如果中間的一臺(tái)泵采用普通型的ZJ-300羅茨泵,由于壓差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)5×103Pa,結(jié)果造成泵過(guò)載、發(fā)熱而卡死,因而在這種應(yīng)用場(chǎng)合,必須采用能夠經(jīng)受高壓差的氣冷羅茨泵,以確保在高壓差下長(zhǎng)期運(yùn)行。2.3有機(jī)氣體及顆粒目前半導(dǎo)體、平板顯示、太陽(yáng)能光伏電池以及化學(xué)工業(yè)的發(fā)展極為迅速,對(duì)真空獲得技術(shù)提出了新的十分苛刻的要求?！ひ蟪槌泻怏w,即有毒、易燃、易爆及腐蝕性氣體。在抽氣過(guò)程中,這些氣體會(huì)與泵油相混合,而導(dǎo)致泵油變質(zhì)劣化。另外在工藝過(guò)程中,其化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的生成物及顆粒副產(chǎn)品,也會(huì)給泵的正常工作帶來(lái)不利影響。所以要求真空行業(yè)提供能順利抽除有害氣體和顆粒的無(wú)油干式的真空系統(tǒng)。·在半導(dǎo)體、平板顯示等領(lǐng)域,傳統(tǒng)的有油真空系統(tǒng)已經(jīng)不允許使用,因?yàn)檫@種系統(tǒng)所產(chǎn)生的碳?xì)浠衔飼?huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品最終的性能質(zhì)量,所以要求真空行業(yè)能提供可獲得清潔無(wú)油的真空產(chǎn)品。2.3.1全氟醚泵油盡管過(guò)去國(guó)外的油封機(jī)械泵曾經(jīng)用惰性的PFPE(全氟醚)泵油來(lái)代替礦物油,并配以吸收、過(guò)濾等裝置,但由于PFPE油價(jià)格昂貴,運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用高,所以最有應(yīng)用前景的仍然是干泵。目前常用的干泵有下列幾種:(1)容積變化來(lái)壓縮其抽氣機(jī)構(gòu)是由旋轉(zhuǎn)的渦旋體和固定的渦旋體組成。旋轉(zhuǎn)的渦旋體繞固定的渦旋體做四連桿機(jī)構(gòu)的平動(dòng)。由形成的月牙腔的容積變化來(lái)實(shí)現(xiàn)吸氣、壓縮和排氣。氣體從周邊吸入向中心壓縮由中間排氣。這種泵壓縮平穩(wěn),驅(qū)動(dòng)力距變化小,振動(dòng)小,噪聲低。這種泵除在半導(dǎo)體工業(yè)中應(yīng)用外,完全可以代替旋片泵而獲得無(wú)油清潔的真空。渦旋式干泵可以從大氣抽至極限壓力1～10-1Pa,泵的油封式抽速一般4～10L/s較多,為小型干式泵。(2)氮?dú)庋h(huán)裝置羅茨型干泵是屬于較大型的干式泵,在化學(xué)工業(yè)有著廣泛應(yīng)用。該泵是由三級(jí)三葉型氣冷式羅茨泵組成,它是在一根軸上裝有三級(jí)羅茨轉(zhuǎn)子,各級(jí)轉(zhuǎn)子之間由中隔板隔開,形成各級(jí)泵腔,上一級(jí)排氣口連到下一級(jí)進(jìn)氣口,各級(jí)串聯(lián)進(jìn)行抽氣。各級(jí)轉(zhuǎn)子的直徑和形狀是相同的,各級(jí)轉(zhuǎn)子的寬度向高壓側(cè)方向變窄。為了增加壓縮比,采用了圖9所示的冷氣循環(huán)裝置。這種泵可從大氣壓到100Pa范圍工作,抽速?gòu)?6～360L/s。(3)基于授權(quán)的貿(mào)易泵英國(guó)生產(chǎn)的是一級(jí)羅茨轉(zhuǎn)子加三級(jí)爪形轉(zhuǎn)子的干泵。羅茨轉(zhuǎn)子為高真空吸氣級(jí),爪形轉(zhuǎn)子為壓縮排氣級(jí),這種設(shè)計(jì)可以在20Pa下具有最大的抽速。德國(guó)生產(chǎn)的是四級(jí)全爪型的干泵,德國(guó)泵是在300Pa時(shí)具有最大抽速。當(dāng)這種干泵應(yīng)用于半導(dǎo)體的濺射、刻蝕、離子注入及PCVD薄膜制備等領(lǐng)域時(shí),由于在工藝過(guò)程中會(huì)生成大量微?；蚍磻?yīng)生成的腐蝕性氣體,則可以通過(guò)向泵口引入清洗氣體(通常為惰性氣體N2)來(lái)解決,以防止微粒在泵腔內(nèi)沉積,并降低腐蝕性氣體的濃度。利用上述摻氣原理,爪型泵亦可在化學(xué)工業(yè)的蒸發(fā)、蒸餾、干燥、濃縮等領(lǐng)域應(yīng)用,通過(guò)引入惰性氣體將反應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的有害氣體降低到限制值以下。當(dāng)用爪型泵抽除化學(xué)溶劑蒸汽或氣體液體混合時(shí),可在泵的排氣口設(shè)置冷凝器,使化學(xué)溶劑或液體被冷凝回收,冷卻后的氣體被排出。這種爪型泵的極限壓力為1～10Pa,抽速?gòu)?5～140L/s,在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)已有2～4級(jí)串聯(lián)的系列產(chǎn)品出售。(4)非接觸耦合加工它是根據(jù)螺桿式壓縮機(jī)工作原理制作而成,它是由同步齒輪帶動(dòng)一對(duì)右螺旋和左螺旋轉(zhuǎn)子而實(shí)現(xiàn)非接觸的嚙合。為了減少泄漏,要求轉(zhuǎn)子加工精度很高,這種泵可以處理含液體、含冷凝液以及含有微小顆粒的工藝氣體。非常適合于半導(dǎo)體、化工領(lǐng)域應(yīng)用,這種泵可以從大氣抽到1Pa,抽速?gòu)?7～620L/s。2.3.2齒輪和同步齒輪均會(huì)出現(xiàn)污染在半導(dǎo)體和化工行業(yè)都是采用羅茨泵與干泵組成的抽氣機(jī)組,一方面可以減少干泵的尺寸,另一方面可以在中真空范圍內(nèi)獲得較大的抽速。由于羅茨泵的軸承和同步齒輪都需要潤(rùn)滑,這潤(rùn)滑油會(huì)對(duì)真空工藝造成污染。解決的辦法是在齒輪箱的端蓋上外接一段真空管路,并用另一臺(tái)輔助真空泵將齒輪箱內(nèi)的壓力抽到低于羅茨泵的入口壓力,見圖12所示。這樣,在這個(gè)壓力梯度下,齒輪箱內(nèi)油蒸汽就不會(huì)通過(guò)迷宮式軸封而進(jìn)入泵腔造成污染。另外當(dāng)羅茨泵抽除有害氣體時(shí),要求電機(jī)傳動(dòng)軸的密封絕對(duì)不能泄漏,因而出現(xiàn)了屏蔽電機(jī)羅茨泵,確實(shí)做到了零泄漏。2.3.3高真空(1)主泵pcvd在國(guó)外半導(dǎo)體、平板顯示和光學(xué)鍍膜裝置等方面,都采用分子泵來(lái)代替油擴(kuò)散泵。近年來(lái),由渦輪級(jí)葉片與牽引級(jí)螺旋槽組成的復(fù)合分子泵發(fā)展很快,見圖13。這種泵在中真空→高真空范圍均有很高抽速,因而在濺射、刻蝕和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PCVD)、低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)等裝置中均作為主泵。另外,為了提高轉(zhuǎn)速,真正做到全無(wú)油,國(guó)外渦輪分子泵均采用磁懸浮軸承,見圖14所示。目前最大的是俄羅斯的TMPH-40000型磁懸浮軸承渦輪分子泵,極限真空為2×10-6Pa,對(duì)N2的抽速為32,000L/s,對(duì)H2抽速為40,000L/s。(2)酶制薄膜在國(guó)外半導(dǎo)體及光學(xué)薄膜領(lǐng)域,大多采用低溫泵為主泵。因?yàn)榈蜏乇霉ぷ鲏簭?qiáng)范圍寬,可以從10-1～10-8Pa,抽速大、清潔無(wú)油、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件,并能抽除有害氣體,特別是對(duì)水蒸汽又有很高的抽氣能力,對(duì)于制備高質(zhì)量的薄膜非常有利。在美國(guó)大規(guī)模集成電路生產(chǎn)幾乎全部采用低溫泵,所以在國(guó)外生產(chǎn)低溫泵廠很多,抽速?gòu)?50～28000L/s(對(duì)