Время откачки многих вакуумных производственных камер часто составляет от 1 до 2 часов при откачке до 10^-7 торр. Например, установка системы CTI Polycold со встроенным внутрикамерным криозмеевиком часто сокращает это время на 75% (до 15 минут). Время напыления довольно мало в большинстве процессов металлизации, поэтому время откачки составляет большую долю всего процесса цикла, а значит и производительности системы. Общий эффект от внедрения таких систем – это рост производительности и сокращение себестоимости производства. Более низкие парциальные давления водяного пара также улучшают качество тонких пленок и увеличивают их выход.

В других процессах применение крионасосов (помимо сокращения времени откачки) предотвращает миграцию водяного пара в камеру напыления, где возможна его реакция с рабочими газами.

В целом, системы откачки водяного пара дают следующие преимущества при производстве ДПП:

• улучшенные свойства тонких пленок, благодаря низкому парциальному давлению водяного пара в процессе создания тонких пленок;

• более высокий вакуум (достигнутый в ходе фиксированного времени откачки);

• высокоскоростная селективная откачка водяного пара в ходе отложения;

• уменьшенная миграция воды в рабочую камеру (при использовании криоповерхностей, применяемых в переходных/буферных камерах);

• возросшая производительность/пропускная способность благодаря сокращению времени откачки, значительно уменьшенному времени восстановления основного вакуума после смены мишени или в ходе работы камеры;

• снижение капитальных затрат на оборудование благодаря низкой стоимости откачки водяного пара и уменьшению необходимости использования дорогих высоковакуумных насосов;

• экономия средств пользователя на оборудование благодаря более высокой производительности существующей аппаратуры.

4.Разработка и модернизация вакуумных криогенных насосов

Вакуумные крионасосы обеспечивают получение сверхвысокого вакуума, свободного от органических загрязнений и используются в качестве безмасляных средств откачки в различных технологических комплексах.

В настоящее время в эксплуатации находятся сотни крионасосов различных моделей. Наиболее широкое применение они получили в электронной, электротехнической, оптической промышленностях, в установках нанесения многослойных селективных, солнцезащитных теплоотражающих покрытий на рулонные материалы, при испытаниях и доводке ионных двигателей, на ускорительных комплексах.

Одним из наиболее важных параметров, определяющих степень эффективности криогенного вакуумного насоса является его внутренняя геометрическая структура – взаимное расположение различных компонентов, конденсационных криопанелей, панелей с нанесенным сорбентом и т. д.

Данная часть посвящена изучению влияния изменения геометрических характеристик криопанелей защитного экрана крионасосов серии НВК на его эффективность и выработке рекомендаций по возможной модернизации конструкции защитного экрана с целью увеличения эффективности его работы.

4.1.Конструкция и описание крионасосов

За период с 1980 года разработаны и освоены в производстве НВК различных модификаций с одно- и двухступенчатыми микроохладителями (МО) с быстротой действия по воздуху от 0,4 до 20 м³/с в диапазоне рабочих давлений от
5·10^-4 до 1·10^-1 Па и диаметрами входных патрубков от 100 до 900 мм. Общий вид НВК с Д_у от 160 до 400 мм приведен на рис. 4.1.

Рис. 4.28. Общий вид блока криооткачки вакуумного криогенного насоса.

Конструктивно крионасос представляет собой устройство, содержащее блок криооткачки с микроохладителем, компрессорную установку с блоком управления и соединяющие их кабели и трубопроводы. Наличие гибкой связи между компрессорной установкой и блоком криооткачки позволяет монтировать блок криооткачки на расстоянии до 100 м от компрессорной установки в любом положении в пространстве.

Контроль температуры криостатирования на фланце микроохладителя обеспечивается с помощью Pt термометров сопротивления, а наличие автоматических блокировок и возможность дистанционного контроля и управления НВК позволяет полностью автоматизировать процесс откачки.

Для решения ряда прикладных задач, характеризующихся необходимостью откачки больших потоков газов (порядка 1,0 м³·Па/с) в течение длительного времени (например, при откачке камер имитации космического пространства более 1000 ч), потребовалось создание крионасосов для откачки газов, конденсирующихся в молекулярном режиме течения при Т>35 К (ксенон, криптон и др.). Использование конденсационных и попеременно работающих универсальных крионасосов (откачивающих все компоненты воздуха, включая водород, неон и гелий) обеспечивает время непрерывной работы вакуумной установки до 1000 и более часов без разгерметизации. Одним из перспективных направлений является создание комбинированных крионасосов с охлаждением теплозащитных экранов жидким азотом.

Важным преимуществом этих насосов является способность работать в условиях больших тепловых нагрузок, в том числе и переменных во времени. По такой схеме могут быть созданы как конденсационные, так и универсальные крионасосы.

Для многокамерных установок нашли применение крионасосы с двумя блоками криооткачки с Д_у от 100 до 200 мм, работающими от одной компрессорной установки.

Крионасосы выпускаются во фланцевом и встраиваемом исполнениях, а также с присоединительными размерами фланцев в различных стандартах по требованиям потребителей.

4.2.Анализ влияния геометрии экрана на его эффективность

Общий вид блока криооткачки показан на рис. 4.1. Блок криооткачки конструктивно состоит из двух частей – панелей защитного экрана и криопанелей второй ступени с нанесенным на них сорбентом. Одной из основных функцией защитного экрана является изоляция панелей второй ступени от воздействия легкоконденсируемых газов, таких как пары воды, масел, и т. п. и от теплопритоков излучением из теплой откачиваемой зоны.

Таким образом, эффективный экран – это структура, обеспечивающая, с одной стороны, максимальную проводимость по откачиваемому газу и, с другой стороны, предотвращающая перенос тепла излучением из теплой зоны на криопанели второй ступени.

Для анализа теплопритоков излучением ко второй ступени крионасоса и расчета его быстроты действия использовался разработанный программный комплекс для анализа сложных вакуумных систем [⁵⁴], построенный на базе метода пробной частицы [Error: Reference source not found].

Расчетная схема крионасоса показана на рис. 4.2. Нужно отметить, что в расчетах использовалась упрощенная структура панелей второй ступени. Звездообразная оригинальная структура была заменена парой соосных непроницаемый цилиндров. На рис. 4.3 показана суть изменений при виде сверху. Пунктирной линией показа реальная структура, сплошной – упрощенная расчетная схема.

Рис. 4.29. Расчетная схема блока криооткачки с Ду 200 мм.

При расчете теплопритоков излучением учитывалась часть, падающая на панели второй ступени непосредственно из теплой зоны. Теплопритоки, переотраженные от других компонентов крионасоса не принимались в рассмотрение ввиду их относительной незначительности – они составляют около 20-30% от суммарного теплопритока.

При расчетах быстроты действия предполагалось, что газ захватывается только панелями второй ступени. Коэффициент прилипания принимался одинаковым для всех компонентов второй ступени.

Рис. 4.30. Упрощенная расчетная схема второй ступени.

В качестве варьируемого параметра был выбран угол наклона конических панелей экрана. В оригинальной конструкции этот угол равен 35°.

Для оригинальной конструкции с упрощенной структурой второй панели были рассчитаны значения быстроты действия по аргону. Результаты расчетов для насосов с Д_у 200 и 400 мм показаны в табл. 4.1.

Таблица 4.11. Сравнение результатов расчетов быстроты действия по аргону с экспериментальными данными.

Относительно большие значения отклонения результатов расчетов от экспериментальных данных объясняются тем, что для расчета было проведено упрощение структуры второй ступени.

На рис. 4.4 и 4.5 показаны зависимости относительного теплопритока излучением и относительной быстроты действия от угла наклона панелей защитного экрана для насосов с Д_у 200 и 400 мм соответственно. В качестве отправной точки для расчета относительных значений была выбрана точка, характеризующая значения быстроты действия и теплопритоков для конструкции с углом наклона в 35°, то есть оригинальной.

Рис. 4.31. Зависимость относительного теплопритока излучением и относительной быстроты действия от угла наклона панелей защитного экрана для насоса с Д_у 200.

Результаты показывают, что при уменьшении угла наклона конических панелей защитного экрана резко растет значение теплопритока излучением ко второй ступени. При этом рост относительной быстроты действия по сравнению с ним невелик.

В то же время при увеличении угла уже до 45° наблюдается незначительное (около 10-15%) снижение относительной быстроты действия и гораздо более сильное (до 40-50%) снижение относительного теплопритока.

На рис. 4.6 показано каким образом изменяется зависимость относительной быстроты действия от угла наклона конических панелей с изменением значения коэффициента прилипания на второй панели крионасоса. Из результатов видно, что при уменьшении коэффициента прилипания зависимость относительной быстроты действия от угла наклона конических панелей становится более слабовыраженной.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что для увеличения ресурса работы крионасоса при откачке плохо откачиваемых газов целесообразно увеличить угол наклона конических панелей защитного.

Это повлечет существенное уменьшение значения теплопритока излучением из теплой зоны, что, в свою очередь, увеличит ресурс работы насоса. При этом снижение значения быстроты действия будет незначительным.

Рис. 4.32. Зависимость относительного теплопритока излучением и относительной быстроты действия от угла наклона панелей защитного экрана для насоса с Д_у 400.

Рис. 4.33. Зависимость относительной быстроты действия от значения коэффициента прилипания на второй ступени.

Разработаны и освоены в производстве криогенные вакуумные насосы нового поколения с быстротой действия по воздуху от 0,8 до 20 м³/с в диапазоне рабочих давлений от 5·10^-4 до 1·10^-1 Па и диаметрами входных патрубков от 160 до 900 мм, в которых применены автономные, экологически безопасные микрокриогенные системы Гиффорда-МакМагона с одно- и двухступенчатыми микроохладителями.