超高真空炉における極低温ポンプの適用例

- Apr 08, 2019-

超高真空炉における極低温ポンプの適用例

 

10年以上前に、我々は満足のいく効果で超高真空を得るために真空電子技術関連のプロセス機器に極低温ポンプとドライポンプオイルフリーシステムを適用し始めました。 この試みは、高速で清潔で信頼できる極低温ポンプのユニークな利点を真空炉に適用します。 低温ポンプは真空システムに組み込まれ、クリーンな超高真空環境を実現します。 本論文は超高真空炉における極低温ポンプの応用を紹介した。 極低温ポンプ真空システムの設計思想、主な構成と真空システムの注意を必要とする事項、極低温ポンプの選択と計算を強調して紹介した。 それは同様の真空炉の研究開発と極低温ポンプの応用のための参考値を持っています。 超高真空仕様に従ってすべての研究開発リンク、洗浄、脱ガスおよびベーキングを厳密に制御することにより、真空炉の到達圧力は2 10 -7 Paに達し、従来の真空炉の限界圧力を約1桁延長した。マグニチュード 近年、オイルフリーの真空ポンプが導入され、半導体産業の分野で広く使用されています。 したがって、極低温ポンプおよびドライポンプに代表されるオイルフリー超高真空取得システムは、半導体電子技術、光学コーティングシステム、および航空宇宙分野において広く推進されてきた。

 

低温媒体を介してポンピング表面の温度を20K未満に下げることによって、より低い沸点を有するガスをポンピング表面上に凝縮させることができ、大量のガスを抽出することができる。 低温ポンピング面の使用は、極低温ポンプと呼ばれる凝縮ガスポンプ、または凝縮ポンプになります。 低温媒体を使用した後にガスを凝縮、吸着または凝縮+吸着させて表面温度を低下させることにより、ポンピングされた空間の圧力を低下させ、真空状態を達成または維持する装置である。

 

完全なポンプシステムとして、極低温ポンプは2つの部分から構成され、本体は真空ポンプ本体、そして2番目の部分はコンプレッサーです。 今広く使用されている極低温ポンプ冷蔵庫は、そのコアは極低温冷凍機です。 基本的な流れは次のとおりです。まず、ヘリウムを高温高圧に圧縮します。 それはそれから熱交換器によって室温のヘリウムに冷却される。 精製された高純度ヘリウムは、シリンダー内で断熱膨張して低温ヘリウムになります。 サイクルが続くにつれて、ヘリウムは冷却され、冷媒 - 極低温ヘリウムになります。
低温ポンプを選択する利点は次のとおりです。
(1)清潔で、オイルを含まない純粋な、広いポンプ範囲で、素早く理想的な超高真空環境を得ることができます。
(2)同じ直径の他の真空ポンプと比較して、極低温ポンプはより大きな排気速度、特に水蒸気を抽出する能力を有する。
(3)排気ガス、不純物粒子であり、システムの作業に影響を与えないことを選択できません。
(4)任意の角度、可動部品なしでインストールすることができ、フロントポンプを必要としない、運用とメンテナンスのコストが低いです。
圧縮機の水は自己防衛することができますので、大気への露出は、システムに小さな影響を与えるので、無人を実現することができます。

 

真空システム設計

 

真空炉用極低温ポンプシステムを選択することの最大の問題は熱負荷を解決することです。 真空炉の熱負荷は主に3つの側面から来ています。
(1)炉側からの放熱。
(2)粘性流、ガス分子は熱を運ぶ。
(3)ポンプ吸込管からの熱伝導および輻射熱。

クライオポンプは分子流状態で作動し、熱源iiは無視することができる。 熱源()は、水冷構造を追加することによって排除することができます。 極低温ポンプに対する炉体からの熱負荷の影響が設計において考慮されている。 真空炉では多層金属反射板が選択されます。 真空炉の加熱温度は1300 、反射スクリーンの最高の総設計6層、モリブデンドレッシングスクリーン3層、残りの層はステンレス鋼反射板を選択した。 理論的には約200 ℃の 輻射温度で容器の壁にヒーターを つける と、温度は時間の経過とともにゆっくり上昇します。 ほとんどの場合、低温ポンプは 真空チャンバーを避けるために 90 ° エルボを 含むことができ 、それはさらに熱放射を減らすことであるポンプの熱負荷に減らされ、これは最も簡単で効果的な方法です。 分子流状態では、対流ガイドに対するエルボの影響は無視することができ、これは超高真空システム用のバッフルよりも効果的です。 極低温ポンプに対する熱伝導および放射の影響をさらに減らすために、水冷構造がエルボ管に設計された。 真空システムの構造を図1に示します。

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イチジク。 1真空システム構成図

 

理想的な超高真空を得るために、そして同時に冗長技術を使うために、我々は分子ポンプユニットと極低温ポンプの真空システムを並行して設計した。 分子ポンプユニットはシステムの予備ポンピングとして使用することができるので、極低温ポンプが冷却されると、それは分子流状態で直接作動することができる。

 

 

さらに、真空チャンバが大量の空気を有するとき、空気抽出のために適時に分子ポンプに切り替えることができ、それは極低温ポンプのポンピング飽和時間を延ばすことができるだけでなく、再生時間も節約することができる。 分子ポンプと極低温ポンプは空気式超高真空ゲートバルブと真空チャンバーで接続されています。 システムがオイルなしでクリーンであることを確実にし、極低温ポンプのポンピングの利点を十分に発揮するために、純粋なオイルフリー磁気浮上分子ポンプが選択され、ボルテックスドライポンプがフロントポンプに選択され、極低温ポンプの再生中の空気の抽出にも使用されます。 真空システムの概略図を図2に示します。

 

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イチジク。 真空システムの2つの概略図

 

分子ポンプユニットとコンプレッサーを同時に起動すると、約120分後、極低温ポンプの2次コールドヘッドが室温から15 K未満に下がります(極低温ポンプバルブのドアを開くことができます)。 このとき、真空炉システムの真空度は10 -5 paに達することができるので、極低温ポンプは直接高真空から始動することができる。

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表1真空システムの主な構成の結論

 

この一連の装置は、超高真空の条件下で拡散溶接プロセスに適用される中型の真空炉の典型的なセットである。 熱容量と表面積は、同じ仕様の熱処理炉よりも大きく、自動化も進んでいます。 極低温ポンプの構成はその顕著な利点を十分に発揮することができます。 真空炉の最終試験圧力は2×10 -7 Pa(低温および空)であり、圧力上昇速度は0.002Pa / hである。 指数は一般的な高真空炉よりも優れています。 現時点では、国内の低温ポンプの用途は主に輸入、および同じ口径の他のポンプに依存している、価格も比較的高価です。 しかし、それは、高清浄プロセス環境、純粋なオイルフリー真空および超高真空の分野において依然として大きな利点を有しており、そして極低温ポンプは、サービスコストおよび耐用年数に関して他のポンプよりも悪くない。 国内の極低温ポンプの研究開発、特に国内のクリーン真空ポンプ業界の台頭を期待して、コンプレッサー技術はまだ成熟していません。