超低能耗雙室卷繞蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的真空機(jī)組

超低能耗雙室卷繞蒸發(fā)鍍膜設(shè)備的真空機(jī)組在不同的真空鍍膜應(yīng)用中，真空機(jī)組有不同的配置，以及不同的抽氣工藝。例如大型蒸發(fā)鍍膜設(shè)備通常配置有效抽速達(dá)上萬(wàn)升的油擴(kuò)散泵抽氣機(jī)組，強(qiáng)勁的抽速可使系統(tǒng)在10—15分鐘內(nèi)壓力低于5x10-2Pa，以滿足蒸發(fā)沉積的物理?xiàng)l件。此處所突出的是盡量高的效率。當(dāng)然，如果在過(guò)短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到沉積壓力，工件表面吸附的氣體不能有效釋放，也達(dá)不到理想的沉積效果。而對(duì)于磁控濺射鍍膜設(shè)備，一般配置的為油擴(kuò)散泵高真空機(jī)組或渦輪分子泵高真空機(jī)組，但機(jī)組并非需要在較短的時(shí)間達(dá)到較高的真空，此處強(qiáng)調(diào)的是在一個(gè)合理的時(shí)間內(nèi)能使真空室內(nèi)壁及工件比較徹底的除氣，從而在后續(xù)的較長(zhǎng)時(shí)間的沉積過(guò)程中，把活性氣體對(duì)膜層的不利影響控制在所允許的程度，否則不能保證膜層的質(zhì)量。雖然配置了高真空泵，但對(duì)沉積而言極限真空度并不是最重要的，進(jìn)入高真空也僅僅是有利于放氣。眾所周知，典型的磁控濺射沉積壓力并不在高真空范圍。在有機(jī)薄膜基材上連續(xù)蒸發(fā)沉積金屬或介質(zhì)膜是真空鍍膜的又一重要的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。對(duì)于大型連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜設(shè)備，其真空機(jī)組的配置及抽氣工藝與上述的鍍膜應(yīng)用設(shè)備又有不同。由于基材即有機(jī)薄膜數(shù)量大，故放氣量大；又因?yàn)楸∧ぞ砝@在一起，不易放氣，僅是在卷繞的過(guò)程中不斷地放氣。因此先除氣再蒸鍍的方法顯然不行，只能邊除氣邊蒸鍍。如此，所配置的真空機(jī)組必須非常強(qiáng)大方能保證蒸鍍所需的臨界壓力。由于氣體主要是有機(jī)基材放出，如把基材的卷繞部分與蒸發(fā)鍍膜部分分開(kāi)為兩個(gè)獨(dú)立的室體，讓氣體集中在卷繞室放出并被抽除，而鍍膜室由于放氣量小，更易獲得蒸發(fā)鍍膜所必須的高真空，從而保證鍍膜的質(zhì)量。所以對(duì)于連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜而言，雙室結(jié)構(gòu)是最為合理的。而所謂雙室，是兩室之間的泄漏或流導(dǎo)必須得到嚴(yán)格的控制。此處提及的雙室結(jié)構(gòu)并非什么高明的設(shè)想，早年由德國(guó)萊寶光學(xué)引進(jìn)的連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜設(shè)備就是雙室結(jié)構(gòu)，而隨后國(guó)內(nèi)仿造的類似設(shè)備也是按雙室設(shè)計(jì)的，只是前者可能是嚴(yán)格意義上的雙室，而后者普遍達(dá)不到雙室隔離的要求，僅能算是效果不佳的差分抽氣系統(tǒng)。在實(shí)際的工作中，兩室的工作壓強(qiáng)非常接近。就雙室的功能而言，鍍膜室的壓力應(yīng)越低越好，可以提高膜層質(zhì)量，但也應(yīng)適可而止，否則鍍膜室機(jī)組配置會(huì)過(guò)于臃腫。反之，除氣室的壓力應(yīng)越高越好，這樣，在除氣量一定的情況下，機(jī)組的配置可以盡量減小，但也存在一個(gè)適可而止的問(wèn)題。如果壓力過(guò)高，則對(duì)雙室之間的流導(dǎo)限制要求更嚴(yán)，否則泄漏的氣體又要明顯地影響鍍膜室的壓力。在隔離合適時(shí)，兩室的壓力起碼要相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。關(guān)于卷繞室提高除氣壓力的道理亦可通過(guò)一個(gè)并非十分確切的例子來(lái)說(shuō)明。比如有一口5米深的水井，出水量為每分鐘一桶，若要連續(xù)不斷地將井中的水取出可有兩種辦法。一是以較快的速率將井內(nèi)的水全取出，然后在隨后的每分鐘內(nèi)，由井底將滲出的一桶水取至井外；另一種辦法是等到水位接近井口（假定含水層壓力可以達(dá)到此水頭），然后每分鐘內(nèi)，由井口取出一捅水。顯然后一種辦法要輕松得多，然而效果都一樣?？梢詮囊陨系呐e例中，籠統(tǒng)地悟出卷繞室除氣的原理。因此，對(duì)于嚴(yán)格意義上的雙室卷繞鍍膜機(jī)兩室配置的真空機(jī)組是不同的，顯然鍍膜室應(yīng)配置高真空機(jī)組，而卷繞室（即除氣室）應(yīng)配置中真空機(jī)組。引進(jìn)的萊寶光學(xué)卷繞真空鍍膜設(shè)備即是如此，分別配置的是油擴(kuò)散泵為主泵的高真空機(jī)組和羅茨泵為主泵的中真空機(jī)組。然而國(guó)內(nèi)仿制的同類設(shè)備，除鍍膜室皆配置油擴(kuò)散泵高真空機(jī)組外，卷繞室配置的真空機(jī)組除羅茨真空機(jī)組外，還有油增壓泵—羅茨真空機(jī)組，甚至配置與鍍膜室一樣的油擴(kuò)散泵高真空機(jī)組。至所以如此，皆是因?yàn)殡p室之間的隔離滿足不了要求，所以盡量提高卷繞室的真空度以降低兩室之間的壓差，減少泄漏。更有甚者，干脆增大雙室之間的通導(dǎo)，卷繞室亦配置高真空機(jī)組，而使形式上的雙室結(jié)構(gòu)變?yōu)閷?shí)質(zhì)上的單室結(jié)構(gòu)。即使如此，亦達(dá)不到理想的沉積壓力。其直接后果是，既影響了沉積膜層質(zhì)量，又增加了真空機(jī)組的能耗。受傳統(tǒng)泵種的限制，連續(xù)卷繞鍍膜設(shè)備的真空機(jī)組的能耗是很高的，再加上雙室的隔離不到位，機(jī)組的能耗進(jìn)一步增加，且同時(shí)沉積質(zhì)量下降。這便是目前國(guó)內(nèi)卷繞鍍膜行業(yè)所面對(duì)的

事實(shí)。從某一典型的卷繞鍍膜機(jī)的真空機(jī)組配置便能說(shuō)明。卷繞室機(jī)組：Z630油增壓泵+ZJ1200羅茨泵+2x2H150滑閥泵；鍍膜室機(jī)組：KT-800油擴(kuò)散泵+ZJ1200羅茨泵+2x2H150滑閥泵。真空機(jī)組總能耗達(dá)115KW。并且，近幾年來(lái)，大多數(shù)這類設(shè)備都配置低溫冷凝器（或稱水汽泵），由于工作壓強(qiáng)偏高，該泵容易飽和而失去捕集水蒸汽的作用,因此往往效果不佳卻要多耗費(fèi)十幾千瓦的功率。其實(shí)該措施只有在把蒸發(fā)壓力降低后用于鍍膜室才能取得最佳效果，可以使蒸發(fā)壓強(qiáng)再降低一個(gè)數(shù)量級(jí)。面對(duì)如此高的能耗，在當(dāng)前強(qiáng)調(diào)節(jié)能減排、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)峻形勢(shì)下，如何大幅降低卷繞鍍膜的能耗、提升鍍膜質(zhì)量己是刻不容緩的問(wèn)題。下面針對(duì)將分子增壓泵用于連續(xù)卷繞鍍膜設(shè)備真空機(jī)組的方案的可行性作一淺略的分析。在介紹分子增壓泵于一些相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用時(shí)，都一再?gòu)?qiáng)調(diào)該泵超強(qiáng)的中高真空抽氣能力。目前200口徑的分子增壓泵在10Pa壓力時(shí)抽速接近500升/秒（中科院近代所測(cè)試），進(jìn)一步改進(jìn)后,有望在10Pa壓力下達(dá)到滿抽速（1000升/秒）.在如此寬的壓力范圍都能保持強(qiáng)勁的抽速,使分子增壓泵可以同時(shí)作為卷繞鍍膜機(jī)雙室主泵的最佳選擇.具體的配置根據(jù)兩室不同的放氣量和工作壓力而有所不同.毫無(wú)疑問(wèn)該配置及相應(yīng)的抽氣方案的先決條件是必須把雙室間的隔離控制在一定的要求內(nèi),而其具體的定量要求則需根據(jù)假定的技術(shù)條件通過(guò)計(jì)算確定.圖1為卷繞鍍膜機(jī)的簡(jiǎn)圖。1室為卷繞室，2室為鍍膜室。P]、P2分別為兩室的壓力，S]S2分別為兩室的抽速,Q]Q2分別為兩室的放氣量。設(shè)兩室之間的流導(dǎo)為U,從卷繞室向鍍膜室泄漏的氣體量為Q。,而雙室的總放氣量用Q表示,兩室的放氣量之比為n。根據(jù)以上的假定，可以得到如下5個(gè)方程：Q1+Q2=Q(1)Q1/Q2=n(2)P1=(Q1-Q0)/S1(3)P2=(Q2+Q0)/S2(4)Q0=U(P1-P2)(5)由以上5個(gè)方程可以導(dǎo)出下列關(guān)于PfP2的方程組:(S1+U+nU)P1-(nS2+U+nU)P2=0SP+SP=Q1122并解出其結(jié)果為P1=[nS2+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]P2=[S1+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]上述結(jié)論中,Q、U、n由技術(shù)條件確定，其中Q可通過(guò)測(cè)試確定;U決定于隔離效果;而n決定于總放氣量在兩室的分配。關(guān)于真空機(jī)組的配置，參考目前市埸流行設(shè)備真空機(jī)組的配置，兩室共采用10臺(tái)MB-200D型分子增壓泵(每臺(tái)有效抽速10001/s)。由于該泵泵口可以全方位安裝,并由泵的性能可省去高閥,故能大大提高抽氣效率。至于泵在兩室間的分配，原則上鍍膜室抽速配置要強(qiáng)，可以提高真空度，有利于膜層沉積。但若卷繞室抽速偏小，則壓力過(guò)高，在一定的隔離條件下泄漏增大，則又將影響鍍膜室的真空度。因此泵于兩室間的分配也存在一個(gè)優(yōu)選的問(wèn)題。保持泵的總數(shù)不變，在兩室間作不同的分配時(shí)，考查兩室的壓力。方程計(jì)算的結(jié)果由表1給出。其中，總放氣量Q取1000Pa.l/s;兩室間的流導(dǎo)U取100l/s;并假定卷繞室放氣量占總放氣量的95%,即n取19。由表中可以看出,隨著鍍膜室泵的抽速增加,真空度增高,而隨后真空度又開(kāi)始降低,因而可視為S]=2000I/s;S2=8000I/s即最佳配置，這與物理上的分析一致。根據(jù)表1的結(jié)果，如泵總數(shù)為10臺(tái)，則卷繞室配置2臺(tái)，鍍膜室配置8臺(tái)是一個(gè)合理的選擇。在此前提下，對(duì)總放氣量分別取1000Pa.l/s、1500Pa.l/s、2000Pa.l/s;對(duì)泄漏流導(dǎo)分別取100l/s、500l/s、1000l/s;對(duì)卷繞室放氣量占總放氣量比例分別取95%、90%、85%、(對(duì)應(yīng)的n分別為19、9、5.7、)等各種情況計(jì)算分析。其結(jié)果如表2所示?？v觀表2的結(jié)果，如以5x10-2Pa為鍍膜室臨界壓力，則可以有以下幾點(diǎn)結(jié)論。其一，在所有有關(guān)因素中，兩室間的泄漏流導(dǎo)是最重要的，如果控制在100l/s以下，則在所討論的各種條件下,鍍膜室的壓力幾乎皆滿足沉積條件。其二，如果總放氣量在1000Pa.l/s以下，則在其它所涉及的條件下,鍍膜室壓力均符合要求。其三，如果卷繞室放氣量能占總放氣量90%以上，則鍍膜室壓力在絕大部分條件下均能達(dá)標(biāo)。而以上三條中最具積極意義的應(yīng)為第一條，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)主觀能動(dòng)而實(shí)現(xiàn)，而其它因素多受客觀條件限制，但實(shí)際情況與本文假設(shè)范圍不會(huì)有太大出入。下面著重討論一下兩室隔離效果與兩室間流導(dǎo)的關(guān)系，亦即p1/p2與U的關(guān)系。由上述計(jì)算結(jié)果，有P1/P2=[nS2+(1+n)U]/[S1+(1+n)U]即兩室壓差與總放氣量無(wú)關(guān)。當(dāng)U>>S2 (S1=2000l/s;S2=8000l/s)則P1/P2=(1+n)U/[(1+n)U]=1 即雙室可視為單室,無(wú)壓差。當(dāng)U=S2同時(shí)有(1+n)U>>S1貝I」P]/P2=[nS2+(1+n)U]/[(1+n)U]=2 (此處n=19，可認(rèn)為n=1+n)當(dāng)U=S2/2 同樣(1+n)U>>S1則P1/P2=3當(dāng)U=S2/4 同樣(1+n)U>>S1則P1/P2=5特別地，當(dāng)S2?U 同時(shí)(1+n)U?S] (此時(shí)U=500-1000l/s)則P1/P2=nS2/[(1+n)U]=S2/U (此處可認(rèn)為n=1+n)上式具有特別重要的意義，即雙室間的隔離效果能使流導(dǎo)控制在500l/s至10001/s時(shí)，流導(dǎo)減小一倍可以等同鍍膜室抽速增大一倍的效果。當(dāng)(1+n)U<<S1 (比如U=20l/s)則P1/P2=nS2/S1=80 這相當(dāng)于兩室完全獨(dú)立時(shí)的物理結(jié)果,此時(shí)可稱為絕對(duì)隔離,當(dāng)然,這是不可能做到的。另外當(dāng)U=100l/s則P1/P2=nS2/2S1=40當(dāng)U=300l/s則P1/P2=nS2/4S1=20當(dāng)U=700l/s則P1/P2=nS2/8S1=10 所以在該抽氣機(jī)組配置下,兩室壓差要達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí),則雙室的隔離流導(dǎo)不得大于700l/s。根據(jù)以上的討論可知隔離在雙室鍍膜設(shè)備中的重要，然而兩室的壓差并非是追求的終極目標(biāo)，最大限度地降低鍍膜室的壓力、改善沉積條件才是最根本的。當(dāng)雙室間的流導(dǎo)礙于技術(shù)條件無(wú)法繼續(xù)減小時(shí)，還可通過(guò)增大二、降低P],從而進(jìn)一步降低p2。由于P1=[nS2+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]當(dāng)U適當(dāng)小時(shí)P1=nS2Q/[(1+n)S1S2]=Q/S1 (此處認(rèn)為n=1+n)由上式可知，如果S]增大一倍，則P]將減小一倍，如同樣的抽速加到鍍膜室是絕對(duì)達(dá)不到如此的效果。此處需要強(qiáng)調(diào)的是，兩室間的隔離盡管非常重要，但并不需要什么高科技手段，只要嚴(yán)格按照一定的物理模型去做，是可以達(dá)到理想的效果的。關(guān)鍵在于薄膜進(jìn)入鍍膜室和離開(kāi)鍍膜室的狹縫部位。如果就是一條簡(jiǎn)單的縫，則對(duì)幅寬1m的薄膜，即使縫寬僅為1mm,兩條縫的泄漏流導(dǎo)就要超過(guò)2001/s。但若按圖2所示，把窄縫沿著薄膜的曲率伸展成一狹長(zhǎng)的通道,則會(huì)大大增強(qiáng)隔離的效果。如通道能有10cm長(zhǎng)，當(dāng)縫寬為5mm時(shí)，該流導(dǎo)模型的傳輸幾率小于0.1，從而使其流導(dǎo)小于100l/s。而且可以把狹縫做成可沿水平方向移動(dòng)，當(dāng)按放卷繞薄膜時(shí)向兩側(cè)移開(kāi)，裝好之后再回復(fù)到應(yīng)該的位置。上述便是一種全新的卷繞鍍膜設(shè)備真空機(jī)組的構(gòu)思和分析，雖存在若干不確定因素有待

實(shí)踐檢驗(yàn)，但前景樂(lè)觀。全套真空機(jī)組：10XMB-200D分子增壓泵+2X30旋片泵+2X15旋片泵，總能耗不到10kW。如考慮到縮短前級(jí)泵預(yù)抽時(shí)間，可增加1-2臺(tái)2X70旋片泵預(yù)抽，但每周期僅需工作數(shù)分鐘，其能耗完全可以忽略。因此，該項(xiàng)目的節(jié)能效果是應(yīng)該能獲得業(yè)內(nèi)人士矚目的。表1S]S2QnUKPiP25000l/s5000l/s1000Pa?l/s19100l/s13.91.87X10-1Pa1.35X10-2Pa4000l/s6000l/s1000Pa?l/s19100l/s19.32.32X10-iPa1.20X10-2Pa3000l/s7000l/s1000Pa?l/s19100l/s27.03.07X10-1Pa1.14X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s19100l/s38.54.53X10-1Pa1.18X10-2Pa1000l/s9000l/s1000Pa?l/s19100l/s57.78.65X10-1Pa1.50X10-2Pa表2S1S2QnUKP1P22000l/s8000l/s1000Pa?l/s19100l/s38.54.53X10-1Pa1.18X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s19500l/s13.53.86X10-1Pa2.86X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s191000l/s7.83.31X10-iPa4.23X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s19100l/s38.56.79X10-1Pa1.76X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s19500l/s13.55.79X10-iPa4.29X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s191000l/s7.84.96X10-1Pa6.35X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s19100l/s38.59.06X10-1Pa2.35X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s19500l/s13.57.71X10-1Pa5.71X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s191000l/s7.86.62X10-1Pa8.46X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s9100l/s24.34.29X10-1Pa1.76X10-2Pa

2000l/s8000l/s1000Pa?l/s9500l/s11.03.67X10-1Pa3.33X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s91000l/s6.83.15X10-1Pa4.62X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s9100l/s24.36.44X10-1Pa2.65X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s9500l/s11.05.50X10-1Pa5.00X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s91000l/s6.84.73X10-1Pa6.92X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s9100l/s24.38.59X