新一代分子增压泵—深冷水气泵组合抽气机組(1)

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)深圳大学物理科学与技术学院 作者:储继国

  最近,我们采用4台抽速1,000L/s的分子增压泵+1台0.4m2 深冷水汽泵组成高真空抽气机組,成功取代了为Φ1600×1900大型蒸发镀膜设备配套的2台K-800扩散泵和1台ZJ-1200罗茨泵抽气机組,取得了下列优异成果:

  ■ 抽气能耗:2.5 度/炉,比原设备节省80%,年节电30~40万度/台,相当于每台设备减排CO2200~300吨/年。

  ■ 镀膜周期(粗抽时间相同):12分钟,与原设备相同。

  ■ 真空质量:明显优于原设备。

  ■ 镀膜产品质量:优于原设备产品的质量,消除了膜层色泽泛黄现象。

  ■ 设备费用:比双扩散泵机组节省5 万元;比单扩散泵机组增加13万元,6个月节省的电费可收回增加的设备费。

  本项技术原则上还可以用于其它大型高真空设备,2台K-800扩散泵的抽速总和已超过目前最大的KT-1000油扩散泵。因此,本项成果已表明:大型扩散泵+罗茨泵机组退出历史舞台的日子已经不远了。

一、大型蒸发镀膜目前存在的问题

1.油蒸汽污染

  大型蒸发镀膜设备容积大,气体负载重,目前普遍采用大型扩散泵、罗茨泵和滑阀泵机组抽气,存在油蒸汽污染严重,膜层结合力差,表面色泽泛黄,镀膜产品质量低等缺点。

  油蒸汽污染的来源:

  ■ 蒸发镀膜低真空采用滑阀泵,或旋片泵抽气,这二种泵的本底油蒸汽压为10-1Pa。

  ■ 中真空区段通常采用罗茨泵抽气。罗茨泵的最大压缩比不超过50,而且与气体种类几乎无关,因此,该泵只能将滑阀泵的油蒸汽污染降低1 个数量级。加上该泵采用有油轴承,轴承与镀膜室之间存在直通通道,因此,本身也是一个污染源,本底油蒸汽压为10-2~10-3Pa量级,其污染不能忽略。

  ■ 以油蒸汽为工作质的扩散泵是污染的主要源头。扩散泵高阀处存在大量液态泵油,镀膜室抽气口常见的褐色、粘稠状物质就是明证。扩散泵的油蒸汽本底在10-4~10-6Pa,该油蒸汽压看起来很低,但造成的污染很难清除,加上分子量大,对镀膜产生的不利影响以一抵十,是真空镀膜的头号大敌。镀膜设备使用一段时间后,抽气时间变长也是油蒸汽污染的直接结果。

2.能耗高

  大型蒸发镀膜设备的抽气能耗很高。Φ1600×1900 大型蒸发镀膜设备常用的配置主要有如下两种:单扩散泵机组和双扩散泵机组。两种设备的具体配置、标称抽气能耗和实际抽气能耗如表1所示。

表1 Φ1600×1900蒸发镀膜设备的真空泵配置、标称抽气能耗和实际抽气能耗

标称抽气能耗和实际抽气能耗

  单扩散泵机组和双扩散泵机组的实际抽气能耗分别为35kW 和52kW,年耗电28万度和40万度/台。

3.活性气体分压强高

  除了油蒸汽之外,活性气体是影响镀膜质量的最重要的因数。蒸发镀膜设备频繁暴露大气,镀膜室会吸附大量可凝性气体(H2O 为主)。实测结果表明,蒸发镀膜的精抽本底中,H2O占总气体总量的80~90%。

  因此,蒸发镀膜设备的升级换代,需要应对上述三大难题。

  近年来,部分蒸发镀膜设备开始采用深冷水汽泵(-120℃)与扩散泵一起工作(例如珠三角地区比较流行的双扩散泵机组),抽气时间明显缩短,油蒸汽污染也有所降低(未能消除),但能耗和费用却进一步增加,因此,未能在大范围内推广应用。

二、升级换代的新路—分子增压泵+深冷水汽泵

  最近,深圳大学的原创性科技成果“分子增压泵”实现了产业化,该泵的结构和性能分别如图1、2所示,具有结构简单,转子全部由平圆盘构成,兼有中、高真空泵双重性能,而且能耗低,抽速1,000L/s的MB200D分子增压泵能耗0.25kW,仅为同抽速罗茨泵的15%,扩散泵的20%,分子泵的60%,还能获得十分清洁的中、高真空。此外,该泵转子全部由平圆盘构成,消除了分子泵易发生打片损坏的一大缺陷。

 MB200D 分子增压泵的平圆盘转

图1 MB200D分子增压泵的平圆盘转

  近年来,深冷水汽泵(POLYCOLD,-120℃)开始获得推广应用,该泵能耗低、无油蒸汽污染、对水蒸汽的抽速高达20,000~200,000L/s。目前,我国已有多家厂商生产深冷水气泵(阱),部分产品质量已接近进口水平,售价不到进口产品的50%。我们采用的是上海協元低温真空设备有限公司生产的制冷面积为0.4M2的深冷水气泵,深冷温度低于-130℃。

  上述二种新型的抽气装备,为攻克大型蒸发镀膜设备的三大难题提供了新的路子:

1.油蒸汽的对策

  ■ 中、高真空采用能获得清洁中、高真空的分子增压泵+深冷水气泵,取代扩散泵和罗茨泵。

  ■ 粗真空采用独特抽气工艺,粗抽压强从几Pa 提高到几十Pa,将油蒸汽污染降至可检测值之下。

2.高能耗的对策

  ■ 采用低能耗的分子增压泵和深冷水汽泵,取代高能耗扩散泵和罗茨泵,节省精抽能耗80%以上。

  ■ 粗抽压强从几Pa 提高到50~100Pa,粗抽泵(滑阀泵,或旋片泵)运行时间降至3~4分钟,节省粗抽能耗70%。

  3.活性可凝性气体的对策

  采用深冷水气泵作辅助抽气,对水蒸汽的抽速可提高至40,000L/s 以上。

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