真空获得设备的发展与应用

真空获得设备的发展与应用

1国内真空技术司法保障现状真空设备是一种大规模的产品。产量很大,单台产值并不高,但它确实是一个直接影响到真空成套设备性能质量的必不可少的基础产品。真空获得设备简称真空泵,按其原理来划分,基本上可以分为气体输送型和气体捕集型两大类。见表1。由于各种真空泵的工作原理和抽气特性各不相同,因而它可以适用于各种不同的应用领域。见表2。近年来,随着我国真空技术应用领域的不断扩大,各种真空获得设备的发展非常迅速。目前我国生产的各种真空获得产品其型号、规格、性能参数基本上能满足我国真空应用发展的需要,特别是老产品都在不断改进,新产品亦在不断开发,并取得了可喜的成果。表3列出了我国真空获得产品生产概况。从上述情况可以看出,我国生产的真空获得产品,极大多数是属于传统的真空获得设备。高真空泵是以油扩散泵为主,中低真空泵仍然以水环泵、旋片泵、滑阀泵、罗茨泵为主。我国真空技术的应用90%左右都是集中在传统的工业领域,如真空冶金、真空热处理、真空镀膜、真空浸渍干燥、真空蒸馏、浓缩以及真空排气、真空包装、制冷等行业。近年来,国外的真空技术应用已从传统的工业领域转向半导体、平板显示(LCD,PDP,OLED)、太阳能光伏电池、化学工业、生物制药等高端产业领域,真空系统已经出现更新换代的局面,有油的真空系统已被清洁无油、耐腐蚀的真空系统所代替。所以国外各种类型的干式真空泵、复合分子泵、磁悬浮轴承分子泵和低温泵发展很快,市场上均有商品出售。而国内,这一类产品基本上处于空白,无法适应时代发展的需要。2根据不同应用领域的真空解决方案2.1水环真空机组抽除水蒸汽系统基于kt-b在许多化工、制药等行业的真空蒸馏、浓缩、脱水、干燥的工艺过程,不但要求真空系统具有抽水蒸汽和可凝性气体的能力,还要求真空系统能维持在某一压强下运行。通常有下列两种解决方案:(1)罗茨水环真空机组:这种罗茨水环真空机组在化工行业应用十分普遍。图1表示JZJS-600×150×75型罗茨泵水环泵真空机组示意图。表四列出了各种罗茨水环真空机组达到的极限压力。这种罗茨水环真空机组在化工行业亦可用于抽除腐蚀性气体和溶剂。当抽除腐蚀性气体时,罗茨泵的泵体和转子以及水环泵的泵体和叶轮都必须由316L不锈钢制成,或采用化学表面处理技术在接触工艺气体部位涂上一层美多斯(NEDOX)。这种涂层的特点是耐磨性好、不粘、不剥落,经过热处理后表面硬度可达HV750～1000,涂层厚度为10～15μm。当这种罗茨水环真空机组需要抽除溶剂时,水环泵的工作液必须与被抽溶剂相兼容,并采用工作液闭式循环系统。在设计或选用这类罗茨水环真空机组时,应考虑下列几点:·确定真空机组主泵的抽速SS=83.14×TGPA(QM)[m3/h]S=83.14×ΤGΡA(QΜ)[m3/h]83.14:气体常数[hPa×m3kmol×k][hΡa×m3kmol×k]TG:气体入口温度,[K]PA:工作压力,[hPa]Q:被抽除的水蒸汽/可凝性气体的气体量,[kg/h]M:水蒸汽/可凝性气体分子量,[kg/kmol]·合理选择罗茨泵与前级泵之间的级比因为罗茨泵的抽速效率由下式决定:η=1−KKoη=1-ΚΚoKo:罗茨泵零流量最大压缩比,一般Ko在35～50。K:罗茨泵与前级泵级比。假使Ko=40K=2η=0.95K=4η=0.9K=10η=0.75一般取罗茨泵与前级泵之间级比为K=2或K=4。·水环泵实际抽速的换算因为样本上给出的额定抽速是指水环泵采用15℃水作为工作液的值。工作液温度的变化将会严重影响泵的实际抽速。如果泵的工作液温度不在15℃时,则泵的实际抽速按下述公式换算:S=S15×(P1−PC)(P1−1770)S=S15×(Ρ1-ΡC)(Ρ1-1770)式中S——在P1压力时泵的实际抽速S15——泵采用15℃水作为工作液,在P1压力时抽速P1——入口压力,PaPC——水在实际温度时的饱和蒸汽压,Pa水在15℃温度时的饱和蒸汽压为1770。(2)抽除水蒸汽的真空系统在电工产品如变压器、互感器、电机、电缆的真空浸渍干燥的工艺过程中,要求真空系统在某一特定压力下能抽除一定量的水蒸汽和溶剂。如一台中型变压器,其中绝缘材料的含水量高达400～500kg,整个干燥周期为70h。要求真空系统在4.5hPa的入口压力下,在48h内抽除90%～95%的含水量,即每小时抽水蒸汽的能力平均要在15kg左右,而且在干燥结束后仍然恢复到原有的极限压力10-2Pa。美国Kinney公司开发了一种KT滑阀泵与水环泵串联的蒸汽处理真空系统,其结构、原理见图2所示。抽水蒸汽的真空系统的技术要点:·KT滑阀泵必须能在60℃～75℃的高温下长期运行;·油箱内要保持15000Pa的真空状态,确保水蒸汽不被冷凝;·油泵在真空状态下能正常工作,连续供油。2.2气冷罗茨泵机组虽然目前罗茨泵的最大抽速可以高达20,000L/s,但是罗茨泵的最大允许压差,均在3～5×103Pa,不能直排大气。为了缩短大容器的抽空时间,减少预真空泵的台数,或者确保罗茨泵能在高压差下长期运行,气体循环冷却式罗茨泵的出现无疑是一重大突破。这种气冷式罗茨泵的热平衡机理见图3所示。当转子封闭进气口后泵腔先接通返冷气口,待返入冷气在进排气口压差的作用下自动充满泵腔后(泵腔内压力由P进升至P排)再接通排气口,冷气由安装于排气口下方的换热器提供。这一设计使压缩所产生的热量被冷气所平衡,而不会导致泵过热过载,从而使罗茨泵允许在高压差(8.7×104Pa)下运行,可以直排大气。气冷罗茨泵既可以作为单泵使用,亦可以与其他泵组成机组。在粗抽阶段由气冷罗茨泵直接向大气排气,这一特性使气冷罗茨泵机组的抽速从大气压开始即取决于气冷罗茨泵,而不受前级机械泵或水环泵的抽速所限制。这对于大负载抽气以及需要缩短抽气时间以提高工作效率具有特殊意义。表5列出气冷罗茨泵及其机组的压力范围。近年来,由于气冷罗茨泵技术已日趋成熟,因而在大型空间模拟装置、汽轮机动平衡装置以及化工等领域得到广泛应用。图4表示即为用于抽大型空间模拟装置KM-6真空机组的实例。KM-6容积为3000M3,采用了四套ZJ-5000罗茨泵为主泵,ZJB-1200带溢流阀罗茨泵为中间泵,ZJL-600气冷罗茨泵、H-150滑阀泵为前级泵的四级抽气机组,该机组极限压力为0.01Pa(用麦氏计测得的分压)、0.1Pa(用热偶计测得的全压)。运行程序:(1)首先启动ZJL-600气冷罗茨泵;(2)当容器压力达到2.5×104Pa左右,再启动H-150滑阀泵;(3)当容器压力达到6.5×103Pa左右,启动ZJB-2500罗茨泵;(4)当容器压力达到6.5×102Pa左右,启动ZJ-5000罗茨泵;直到所需真空度。图5为用于80吨级气轮机转子高速动平衡装置的气冷罗茨泵机组的实例。高速动平衡装置其容积达600M3,要求在30min抽至133Pa。如采用普通罗茨泵机组或普通机械泵,则需要多台泵,占地面积大,功耗亦大。现采用二套由LQ-1200、LQ-600气冷罗茨泵和H-150滑阀泵所组成的三级机组。运行程序:(1)首先启动LQ-1200气冷罗茨泵,当容器压力高于6.5×104Pa时,气体直接通过旁通阀A、B,经消声器再排入大气。(2)当容器压力低于6.5×104Pa,此时LQ-600气冷罗茨泵启动,气体经LQ-600气冷罗茨泵、旁通阀B和消声器,再直排大气。(3)当容器压力低于2.5×104Pa时,此时H-150滑阀泵启动,气体经分离器排入大气。实测结果:二套机组将600M3容器从大气抽到1托(133Pa)时间为22分钟。图6表示用于化工行业的气冷罗茨泵与水环泵组合的真空机组的实例。在某些化工工艺流程中,要求极限真空达几百Pa,但工作压强高达2000Pa。如果中间的一台泵采用普通型的ZJ-300罗茨泵,由于压差远远超过5×103Pa,结果造成泵过载、发热而卡死,因而在这种应用场合,必须采用能够经受高压差的气冷罗茨泵,以确保在高压差下长期运行。2.3有机气体及颗粒目前半导体、平板显示、太阳能光伏电池以及化学工业的发展极为迅速,对真空获得技术提出了新的十分苛刻的要求。·要求抽除有害气体,即有毒、易燃、易爆及腐蚀性气体。在抽气过程中,这些气体会与泵油相混合,而导致泵油变质劣化。另外在工艺过程中,其化学反应所产生的生成物及颗粒副产品,也会给泵的正常工作带来不利影响。所以要求真空行业提供能顺利抽除有害气体和颗粒的无油干式的真空系统。·在半导体、平板显示等领域,传统的有油真空系统已经不允许使用,因为这种系统所产生的碳氢化合物会严重影响产品最终的性能质量,所以要求真空行业能提供可获得清洁无油的真空产品。2.3.1全氟醚泵油尽管过去国外的油封机械泵曾经用惰性的PFPE(全氟醚)泵油来代替矿物油,并配以吸收、过滤等装置,但由于PFPE油价格昂贵,运转费用高,所以最有应用前景的仍然是干泵。目前常用的干泵有下列几种:(1)容积变化来压缩其抽气机构是由旋转的涡旋体和固定的涡旋体组成。旋转的涡旋体绕固定的涡旋体做四连杆机构的平动。由形成的月牙腔的容积变化来实现吸气、压缩和排气。气体从周边吸入向中心压缩由中间排气。这种泵压缩平稳,驱动力距变化小,振动小,噪声低。这种泵除在半导体工业中应用外,完全可以代替旋片泵而获得无油清洁的真空。涡旋式干泵可以从大气抽至极限压力1～10-1Pa,泵的油封式抽速一般4～10L/s较多,为小型干式泵。(2)氮气循环装置罗茨型干泵是属于较大型的干式泵,在化学工业有着广泛应用。该泵是由三级三叶型气冷式罗茨泵组成,它是在一根轴上装有三级罗茨转子,各级转子之间由中隔板隔开,形成各级泵腔,上一级排气口连到下一级进气口,各级串联进行抽气。各级转子的直径和形状是相同的,各级转子的宽度向高压侧方向变窄。为了增加压缩比,采用了图9所示的冷气循环装置。这种泵可从大气压到100Pa范围工作,抽速从36～360L/s。(3)基于授权的贸易泵英国生产的是一级罗茨转子加三级爪形转子的干泵。罗茨转子为高真空吸气级,爪形转子为压缩排气级,这种设计可以在20Pa下具有最大的抽速。德国生产的是四级全爪型的干泵,德国泵是在300Pa时具有最大抽速。当这种干泵应用于半导体的溅射、刻蚀、离子注入及PCVD薄膜制备等领域时,由于在工艺过程中会生成大量微粒或反应生成的腐蚀性气体,则可以通过向泵口引入清洗气体(通常为惰性气体N2)来解决,以防止微粒在泵腔内沉积,并降低腐蚀性气体的浓度。利用上述掺气原理,爪型泵亦可在化学工业的蒸发、蒸馏、干燥、浓缩等领域应用,通过引入惰性气体将反应过程中出现的有害气体降低到限制值以下。当用爪型泵抽除化学溶剂蒸汽或气体液体混合时,可在泵的排气口设置冷凝器,使化学溶剂或液体被冷凝回收,冷却后的气体被排出。这种爪型泵的极限压力为1～10Pa,抽速从25～140L/s,在国内外市场已有2～4级串联的系列产品出售。(4)非接触耦合加工它是根据螺杆式压缩机工作原理制作而成,它是由同步齿轮带动一对右螺旋和左螺旋转子而实现非接触的啮合。为了减少泄漏,要求转子加工精度很高,这种泵可以处理含液体、含冷凝液以及含有微小颗粒的工艺气体。非常适合于半导体、化工领域应用,这种泵可以从大气抽到1Pa,抽速从27～620L/s。2.3.2齿轮和同步齿轮均会出现污染在半导体和化工行业都是采用罗茨泵与干泵组成的抽气机组,一方面可以减少干泵的尺寸,另一方面可以在中真空范围内获得较大的抽速。由于罗茨泵的轴承和同步齿轮都需要润滑,这润滑油会对真空工艺造成污染。解决的办法是在齿轮箱的端盖上外接一段真空管路,并用另一台辅助真空泵将齿轮箱内的压力抽到低于罗茨泵的入口压力,见图12所示。这样,在这个压力梯度下,齿轮箱内油蒸汽就不会通过迷宫式轴封而进入泵腔造成污染。另外当罗茨泵抽除有害气体时,要求电机传动轴的密封绝对不能泄漏,因而出现了屏蔽电机罗茨泵,确实做到了零泄漏。2.3.3高真空(1)主泵pcvd在国外半导体、平板显示和光学镀膜装置等方面,都采用分子泵来代替油扩散泵。近年来,由涡轮级叶片与牵引级螺旋槽组成的复合分子泵发展很快,见图13。这种泵在中真空→高真空范围均有很高抽速,因而在溅射、刻蚀和等离子体增强化学气相沉积(PCVD)、低压化学气相沉积(LPCVD)等装置中均作为主泵。另外,为了提高转速,真正做到全无油,国外涡轮分子泵均采用磁悬浮轴承,见图14所示。目前最大的是俄罗斯的TMPH-40000型磁悬浮轴承涡轮分子泵,极限真空为2×10-6Pa,对N2的抽速为32,000L/s,对H2抽速为40,000L/s。(2)酶制薄膜在国外半导体及光学薄膜领域,大多采用低温泵为主泵。因为低温泵工作压强范围宽,可以从10-1～10-8Pa,抽速大、清洁无油、无运动部件,并能抽除有害气体,特别是对水蒸汽又有很高的抽气能力,对于制备高质量的薄膜非常有利。在美国大规模集成电路生产几乎全部采用低温泵,所以在国外生产低温泵厂很多,抽速从750～28000L/s(对