十多年前開始在真空電子技術相關工藝設備中應用低溫泵、干泵無油系統(tǒng)來獲得超高真空，效果滿意。這次嘗試將低溫泵快速、潔凈和可靠的獨特優(yōu)勢應用到真空爐中。將低溫泵并入真空系統(tǒng)中，達到清潔的超高真空環(huán)境。本文以實例介紹了低溫泵在超高真空爐中的應用； 重點介紹了低溫泵真空系統(tǒng)的設計思路，真空系統(tǒng)的主要配置和注意事項，低溫泵的選型計算，并用圖示方法詳細介紹了低溫泵系統(tǒng)的安裝、使用和維護等環(huán)節(jié)。對同類真空爐的研發(fā)和低溫泵的應用都有參考價值。通過嚴格把關各研發(fā)環(huán)節(jié)，按照超高真空規(guī)范進行清洗，除氣和烘烤，最后真空爐的極限壓力達到了2 × 10-7Pa，將常規(guī)的真空爐極限壓力延伸了近一個數(shù)量級。近年來無油真空泵在半導體行業(yè)為代表的領域被引進并廣泛應用。從而低溫泵+ 干泵為代表的無油超高真空獲得系統(tǒng)在半導體電子技術、光學鍍膜系統(tǒng)和航空航天領域得到了廣泛推廣。
通過低溫介質(zhì)將抽氣面溫度降低到20 K 以下，抽氣面就可以冷凝沸點溫度較低的氣體，從而抽出大量的氣體。這種利用低溫抽氣面將氣體冷凝的抽氣泵叫低溫泵，或冷凝泵。是利用低溫介質(zhì)降低表面溫度后將氣體冷凝、吸附或是冷凝+ 吸附，將被抽空間的壓力降低，而獲得真空或維持真空狀態(tài)的裝置。
作為完整的抽氣系統(tǒng)，低溫泵由兩部分組成，主體為真空泵體，第二部分為壓縮機?，F(xiàn)在得到廣泛應用的都是制冷機式低溫泵，其核心是低溫制冷機。工作基本流程為：氦氣首先被壓縮到高溫高壓狀態(tài)；再通過熱交換器被冷卻為常溫氦氣；經(jīng)純化后的高純氦氣最后經(jīng)汽缸完成絕熱膨脹，變成低溫氦氣。如此不斷循環(huán)，氦氣被不斷降溫，成為制冷介質(zhì)—低溫氦氣。
選擇低溫泵的優(yōu)勢有：
?、贊崈?，純無油，抽氣范圍寬，可快速獲得理想的超高真空環(huán)境；
?、谂c口徑相同的其它真空泵相比，低溫泵有更大的抽速，尤其抽出水蒸汽的能力；
?、蹖Ρ怀闅怏w無選擇，雜質(zhì)顆粒而不影響系統(tǒng)工作；
?、芸梢匀我饨嵌劝惭b，沒有運動部件，不需要前級泵，運行和維護成本低；
⑤暴露大氣對系統(tǒng)影響小，壓縮機斷水后可以自保護，所以可以實現(xiàn)無人值守。
真空系統(tǒng)的設計
真空爐選用低溫泵系統(tǒng)，最大的問題就是解決熱負載。真空爐中的熱負載主要來自于三方面：
?、賮碜誀t體側的熱輻射；
?、谡硿鳡顟B(tài)下，氣體分子攜帶走熱量；
?、蹃碜员每诠艿赖臒醾鲗Ш洼椛錈崃?。
低溫泵工作在分子流狀態(tài)下，熱源②可忽略。熱源③可以通過增加水冷結構消除。設計時主要考慮來自爐體的熱負載對低溫泵的影響。真空爐內(nèi)選擇多層金屬反射屏。真空爐最高加熱溫度為1300℃，共設計6 層反射屏，內(nèi)3 層選鉬屏，其余各層選不銹鋼反射屏。理論上加熱器通過輻射到達容器壁的溫度約200℃，溫度隨著時間會慢慢升高。多數(shù)情形，低溫泵可裝個90°彎頭，以避免與真空室直通，這就進一步減少了傳給泵的熱負載，這也是減少熱輻射最簡單有效的方法。在分子流狀態(tài)下，彎頭對流導的影響可忽略，對超高真空系統(tǒng)而言比擋板更有效。為了進一步減少泵口管道熱傳導熱和輻射對低溫泵的影響，在彎頭管道上設計了水冷結構。真空系統(tǒng)結構圖如圖1。
圖1 真空系統(tǒng)結構圖
為了獲得理想的超高真空，同時運用冗余技術，我們設計了分子泵機組和低溫泵并聯(lián)的真空系統(tǒng)。分子泵機組可以作為系統(tǒng)的預抽，這樣當?shù)蜏乇媒禍睾罂梢灾苯釉诜肿恿鳡顟B(tài)下工作。
另外當真空室放氣量比較大時，可以及時切換到分子泵抽氣，這樣既可以延長低溫泵的抽氣飽和時間，也可以節(jié)約再生時間。分子泵、低溫泵都通過氣動超高真空閘板閥和真空室連接。為保證系統(tǒng)潔凈無油，同時最大程度發(fā)揮低溫泵的抽氣優(yōu)勢，選擇了純無油磁懸浮分子泵，前級泵選擇了渦旋式干泵，低溫泵再生時也用干泵抽氣。真空系統(tǒng)原理圖如圖2 真空系統(tǒng)主要配置。
圖2 真空系統(tǒng)原理圖
當分子泵機組和壓縮機同時啟動，大約120 min后低溫泵二級冷頭從室溫降到15 K 以下（可以開啟低溫泵閥門），此時真空爐系統(tǒng)的真空度可以達到10-5Pa，這樣低溫泵可以直接從高真空開始抽氣。
表1 真空系統(tǒng)主要配置
結論
本套設備是一套典型的中型真空爐，應用于超高真空條件下的擴散焊工藝，熱容量和表面積都大于同規(guī)格的熱處理爐，自動化程度較高，配置低溫泵更能發(fā)揮其顯著優(yōu)勢。真空爐最終測試的極限壓力為2 × 10-7 Pa( 冷態(tài)、空爐) ，壓升率為0.002 Pa /h。指標優(yōu)于常用高真空爐。目前國內(nèi) 低溫泵的應用大多還依賴進口，和相同口徑的其它泵相比，價格也比較昂貴。但在高潔凈工藝環(huán)境、純無油真空和超高真空領域仍然有很大的優(yōu)勢，并且從使用成本和壽命上比較，低溫泵并不比其它泵差。國內(nèi)低溫泵的研發(fā)目前還待成熟，尤其是壓縮機技術， 期待國內(nèi)潔凈真空泵行業(yè)的興起。
