十多年前開始在真空電子技術(shù)相關(guān)工藝設(shè)備中應(yīng)用低溫泵、干泵無(wú)油系統(tǒng)來(lái)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(dú)特優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到真空爐中。將低溫泵并入真空系統(tǒng)中，達(dá)到清潔的超高真空環(huán)境。本文以實(shí)例介紹了低溫泵在超高真空爐中的應(yīng)用； 重點(diǎn)介紹了低溫泵真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，真空系統(tǒng)的主要配置和注意事項(xiàng)，低溫泵的選型計(jì)算，并用圖示方法詳細(xì)介紹了低溫泵系統(tǒng)的安裝、使用和維護(hù)等環(huán)節(jié)。對(duì)同類真空爐的研發(fā)和低溫泵的應(yīng)用都有參考價(jià)值。通過(guò)嚴(yán)格把關(guān)各研發(fā)環(huán)節(jié)，按照超高真空規(guī)范進(jìn)行清洗，除氣和烘烤，最后真空爐的極限壓力達(dá)到了2 × 10^-7 Pa，將常規(guī)的真空爐極限壓力延伸了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。近年來(lái)無(wú)油真空泵在半導(dǎo)體行業(yè)為代表的領(lǐng)域被引進(jìn)并廣泛應(yīng)用。從而低溫泵+ 干泵為代表的無(wú)油超高真空獲得系統(tǒng)在半導(dǎo)體電子技術(shù)、光學(xué)鍍膜系統(tǒng)和航空航天領(lǐng)域得到了廣泛推廣。

　　通過(guò)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(diǎn)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(jī)。現(xiàn)在得到廣泛應(yīng)用的都是制冷機(jī)式低溫泵，其核心是低溫制冷機(jī)。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(guò)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(shì)有：

　　①潔凈，純無(wú)油，抽氣范圍寬，可快速獲得理想的超高真空環(huán)境；

　　②與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；

　　③對(duì)被抽氣體無(wú)選擇，雜質(zhì)顆粒而不影響系統(tǒng)工作；

　　④可以任意角度安裝，沒有運(yùn)動(dòng)部件，不需要前級(jí)泵，運(yùn)行和維護(hù)成本低；

　　⑤暴露大氣對(duì)系統(tǒng)影響小，壓縮機(jī)斷水后可以自保護(hù)，所以可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。

真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　真空爐選用低溫泵系統(tǒng)，最大的問題就是解決熱負(fù)載。真空爐中的熱負(fù)載主要來(lái)自于三方面：

　　①來(lái)自爐體側(cè)的熱輻射；

　　②粘滯流狀態(tài)下，氣體分子攜帶走熱量；

　　③來(lái)自泵口管道的熱傳導(dǎo)和輻射熱量。

　　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(guò)增加水冷結(jié)構(gòu)消除。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮來(lái)自爐體的熱負(fù)載對(duì)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(shè)計(jì)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(guò)輻射到達(dá)容器壁的溫度約200℃，溫度隨著時(shí)間會(huì)慢慢升高。多數(shù)情形，低溫泵可裝個(gè)90°彎頭，以避免與真空室直通，這就進(jìn)一步減少了傳給泵的熱負(fù)載，這也是減少熱輻射最簡(jiǎn)單有效的方法。在分子流狀態(tài)下，彎頭對(duì)流導(dǎo)的影響可忽略，對(duì)超高真空系統(tǒng)而言比擋板更有效。為了進(jìn)一步減少泵口管道熱傳導(dǎo)熱和輻射對(duì)低溫泵的影響，在彎頭管道上設(shè)計(jì)了水冷結(jié)構(gòu)。真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　為了獲得理想的超高真空，同時(shí)運(yùn)用冗余技術(shù)，我們?cè)O(shè)計(jì)了分子泵機(jī)組和低溫泵并聯(lián)的真空系統(tǒng)。分子泵機(jī)組可以作為系統(tǒng)的預(yù)抽，這樣當(dāng)?shù)蜏乇媒禍睾罂梢灾苯釉诜肿恿鳡顟B(tài)下工作。

　　另外當(dāng)真空室放氣量比較大時(shí)，可以及時(shí)切換到分子泵抽氣，這樣既可以延長(zhǎng)低溫泵的抽氣飽和時(shí)間，也可以節(jié)約再生時(shí)間。分子泵、低溫泵都通過(guò)氣動(dòng)超高真空閘板閥和真空室連接。為保證系統(tǒng)潔凈無(wú)油，同時(shí)最大程度發(fā)揮低溫泵的抽氣優(yōu)勢(shì)，選擇了純無(wú)油磁懸浮分子泵，前級(jí)泵選擇了渦旋式干泵，低溫泵再生時(shí)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(dāng)分子泵機(jī)組和壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，大約120 min后低溫泵二級(jí)冷頭從室溫降到15 K 以下（可以開啟低溫泵閥門），此時(shí)真空爐系統(tǒng)的真空度可以達(dá)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(jié)論

　　本套設(shè)備是一套典型的中型真空爐，應(yīng)用于超高真空條件下的擴(kuò)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(dòng)化程度較高，配置低溫泵更能發(fā)揮其顯著優(yōu)勢(shì)。真空爐最終測(cè)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(biāo)優(yōu)于常用高真空爐。目前國(guó)內(nèi)低溫泵的應(yīng)用大多還依賴進(jìn)口，和相同口徑的其它泵相比，價(jià)格也比較昂貴。但在高潔凈工藝環(huán)境、純無(wú)油真空和超高真空領(lǐng)域仍然有很大的優(yōu)勢(shì)，并且從使用成本和壽命上比較，低溫泵并不比其它泵差。國(guó)內(nèi)低溫泵的研發(fā)目前還待成熟，尤其是壓縮機(jī)技術(shù)，期待國(guó)內(nèi)潔凈真空泵行業(yè)的興起。