Исследование и разработка комплекса безмасляных средств форвакуумной откачки для оборудования высоких вакуумных технологий электронной техники

Анализ тенденций развития современной вакуумной техники как в отечественной, так и в мировой практике свидетельствует о растущих потребностях создания особо «чистых» вакуумных условий для технологических и научных целей, а также о непрерывном расширении масштабов применения высоких вакуумных технологий в ведущих отраслях промышленности, среди которых одно из первых мест занимает электронная техника.

Аналогичная потребность возникает в приборостроительной, аэрокосмической технике, в прецизионной металлургии, в уникальных процессах атомной и термоядерной энергетики, физике элементарных частиц, в набирающих темпы процессах развития высоковакуумной нанотехнологии.

В числе задач, направленных на формирование «чистого» вакуума с регламентированным составом остаточной газовой среды весьма актуальной становится проблема создания надежных и экономичных безмасляных средств создания предварительного разрежения в высоковакуумных системах.

Чистота технологической вакуумной среды, при этом, определяется отсутствием в составе остаточных газов углеводородных соединений и химически активных газов, а также других загрязнений, генерируемых исполнительными системами оборудования, в том числе абразивной пыли, которая может привести к повреждению самого насоса.

Стремление удовлетворить комплекс перечисленных требований стимулировало проведение работ в этом направлении.

Достаточно отметить, что в настоящее время более 20 зарубежных фирм разрабатывают и выпускают на мировой рынок около 40 моделей безмасляных форвакуумных насосов [1].

Заслуженной репутацией пользуются безмасляные форвакуумные насосы фирмы Alcatel (Франция), представляющие собой сочетание молекулярного и мембранного насосов [2].

Хорошо зарекомендовали себя форвакуумные насосы, выпускаемые фирмой Leybold Vacuum GmbH (Германия), а также безмасляные насосы фирмы Edwards (Англия) [4], Hitachi (Япония) и Varian (США) [5] и др. Безмасляный форвакуумный насос выпускается в ОАО «Вакууммаш» (Казань) [7].

Однако широкому распространению насосов, выпускаемых зарубежными фирмами, препятствуют высокие цены и сложность технического обслуживания [6].

В то же время конкурентная борьба за рынки сбыта безмасляных форвакуумных насосов вынуждают фирмы, занятые их выпуском, непрерывно совершенствовать существующие и создавать новые модели современных средств откачки.

Несмотря на интенсивные поиски новых технических решений в наиболее развитых странах мира по созданию безмасляных форвакуумных насосов, возможные варианты создания новых конструкций, удовлетворяющих требованиям по эксплуатационным характеристикам и стоимости, еще не исчерпаны [3].

В связи с этим в настоящей работе была поставлена задача создания нового поколения экономичных, безмасляных форвакуумных насосов, гарантирующих получение «чистого» вакуума, свободного от углеводородных соединений с массовыми числами свыше 44 и исключения жидкой смазки и какой-либо рабочей жидкости. В соответствии с этими требованиями возникла необходимость поиска принципиально новых технических решений, в числе которых автором было предложено несколько конструктивных вариантов, использующих в качестве рабочей камеры герметичную полость переменного объема в виде высокочувствительных мембран и сварных складывающихся сильфонов.

Для получения вакуума на уровне 30−50 Па была предложена серия двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных насосов.

Решение поставленной задачи с доведением ее до создания действующих образцов перечисленных вариантов насосов, потребовало проведения комплекса поисковых, конструкторских работ, теоретических и экспериментальных исследований для обеспечения возможности широкого использования форвакуумных насосов этого типа в современном высоковакуумном технологическом оборудовании.

В соответствии с поставленной задачей на защиту выносятся следующие вопросы:

1. Систематизированная классификация современных форвакуумных насосов с учетом последних достижений отечественной и мировой практики, в том числе предложенного в работе нового подкласса деформационных насосов сильфонного типа.

2. Комплекс впервые предложенных в диссертационной работе новых технических решений и созданный на их основе ряд безмасляных форвакуумных насосов с использованием герметичных упругодеформируемых рабочих камер переменного объема, образованных мембранными сварными складывающимися сильфонами высокой чувствительности из высокопрочных конструкционных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных безмасляных форвакуумных насосов, в том числе:

— исследование откачных характеристик.

— оценка ресурса работы сильфонных камер по величине возникающих в сильфоне напряжений с использованием метода рентгеновской дифрактометрии.

— исследование характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов методом сканирующей зондовой микроскопии с целью выбора оптимальных конструкционных материалов и покрытий по критерию износостойкости.

4. Универсальный метод и алгоритм расчета проводимости внутренних каналов сильфонных камер с изменяющейся в процессе цикла геометрией, позволяющий расширить область применения расчетов для широкого круга задач, связанных с определением проводимости элементов вакуумных систем и каналов произвольной формы для режимов течения газа от молекулярного до вязкостного.

5. Конструкции сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов линейной и коаксиальной структуры.

6. Перспективные технические решения по созданию новых моделей экономичных сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.

Работа состоит из 5-ти глав, в которых последовательно излагаются вынесенные на защиту вопросы.

В первой главе анализируются технологические требования к составу остаточной газовой среды, необходимой для выполнения базовых вакуумных технологий электронной техники, в том числе использующих методы обработки, основанные на физических явлениях взаимодействия высокоэнергетических, электронных, ионных, оптических, рентгеновских лучей и газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела. Сформулированы требования к вакуумным системам оборудования этого класса.

Рассмотрены также требования к созданию вакуумных условий для процессов осаждения тонких пленок современными методами ионного легирования, молекулярно-лучевой эпитаксии и др.

Обращено внимание на необходимость формирования остаточной газовой среды строго регламентированного состава в приборах вакуумной электроники, требующего отсутствия углеводородных соединений, которые приводят к нарушению стабильности работы катода и, в конечном счете, к его «отравлению».

Наряду с этим рассмотрены методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования электронной техники, приведен краткий обзор работ, посвященных этой проблеме и изложенных в работах Кеменова В. Н., Минайчева В. Е., Пипко А. И., Розанова JI.H., Александровой и др.

Отмечено, что наиболее полно вопрос проектирования оптимальных вакуумных систем отражен в работах Кеменова В. Н., в которых приводятся рекомендованный им перечень основных показателей параметров средств откачки и варианты оптимальных базовых вакуумных систем. Подробно анализируются пути развития и создания вариантов безмасляных форвакуумных насосов в отечественной и мировой практике.

Вторая глава посвящена вопросам создания безмасляных двухступенчатых и трехступенчатых форвакуумных насосов на основе высокочувствительных сварных сильфонов и мембран, рассмотрены функциональные схемы каждого из них и последовательность процессов откачки мембранным, сильфонно-поршневым и двухкамерным сильфонным насосом.

Приводятся конструкции насосов и их подробное описание. Обращено внимание на отсутствие жидкой смазки в поршневой ступени сильфонно-поршневого насоса за счет покрытия контактных поясков поршня алмазоподобной пленкой. Высказывается целесообразность создания сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.

В главе 3 на основе известного метода статистических испытаний предложен универсальный метод и алгоритм расчета проводимости элементов вакуумных систем от вязкостного до молекулярного режима течения газа и выполнен комплекс исследований, необходимых для оценки эксплуатационных характеристик форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных сильфонов.

В главе 4 приведены теоретические исследования вакуумных характеристик двухступенчатых форвакуумных насосов сильфонно-поршневого и сильфонного типов.

Выполнен анализ геометрических параметров сильфонов, образующих герметичную рабочую полость насосов и комплекс теоретических исследований откачных характеристик насосов. Установлена достигаемая быстрота действия насосов в зависимости от геометрических параметров сильфонных и поршневых ступеней, частоты циклов, а также уровня предельного остаточного давления в зависимости от величины совокупного «мертвого» объема в рабочей камере.

Показано, что разработанные конструкции насосов позволяют получить разрежение порядка 30−50 Па, а при условии создания во второй ступени разрежения не хуже 10 Па можно получить в Iй ступени насоса Ю-1 Па.

Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям, целью которых явлылось:

— оценка максимального значения ресурса работы сильфонной камеры насоса в условиях знакопеременных осевых нагрузок.

— выбор оптимального покрытия контактной поверхности поршня второй ступени сильфонно-поршневых насосов по критерию износостойкости с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии.

— определение откачных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов.

Рассмотрены перспективы дальнейшего развития предложенных конструкций в направлении разгрузки сильфонов от воздействия на сильфонную рабочую камеру насосов перепада давления, равного 0,1 МПа и снижения связанного с этим энергопотребления. При этом одним из наиболее простых конструктивных решений является использование синхронных магнитных механизмов для передачи движения вытеснителям, перемещающимся внутри сильфона и в пространстве между его наружным диаметром и внутренним диаметром «охранной» камеры.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунок, 7 таблиц и список литературы из 104 наименований.

Гпава 1. Формирование остаточной газовой среды в современном оборудовании высоких вакуумных технологий.

Выводы к главе 5.

Наиболее важные эксплуатационные характеристики, полученные расчетным путем, в процессе создания впервые предложенных безмасляных форвакуумных насосов, уточнены в результате выполненного комплекса экспериментальных исследований на специально-разработанных стендах, укомплектованных универсальным и специальном научно-исследовательским оборудованием.

В результате выполненного комплекса исследований установлено:

— быстрота действия сильфонно-поршневых и сильфонных насосов в зависимости от объема рабочей камеры от 0,1 до 16 л/спредельное остаточное давление сильфонно-поршневых и сильфонных двухступенчатых форвакуумных насосов 30−50 Па;

— ресурс работы сильфонных камер, установленный экспериментально по уровню напряжений в гофрах сильфона, определенных с использованием метода рентгеновской дифрактометрии и последующей обработки результатов по методике, принятой в теории прочности, составил более 108 циклов;

— для обеспечения плотности контакта поршня с внутренней поверхностью цилиндра-вытеснителя в сильфонно-поршневых насосах исследован ряд покрытий, обладающих низким коэффициентом трения. По результатам исследований методом сканирующей зондовой микроскопии рекомендовано использование для нанесения на контактные пояски износостойкого алмазоподобного покрытия и покрытия фторопластом, а также подтверждена возможность использования поршня из латуни J1C-59 без покрытия;

— с целью разгрузки сильфонов в сильфонно-поршневых и сильфонных форвакуумных насосах от перепада давления 0,1 МПа и снижения, в соответствии с этим, энергопотребления предложены конструкции насосов с «охранным» вакуумом.

Заключение

.

Современный уровень развития высоких вакуумных технологий, в отечественной и мировой практике, основным потребителем которых является электронная техника, не снижает на данном этапе актуальности проблемы создания эффективных безмасляных вакуумных систем технологического оборудования. Особенно остро ощущается необходимость появления нового поколения простых, экономичных и надежных в эксплуатации форвакуумных безмасляных насосов, варианты которых предложены в настоящей работе.

В соответствии с этим основные выводы по комплексу теоретических, научно-технических, практических и экспериментальных результатов представленной работы сводятся к следующему.

1. С учетом достижений отечественной и мировой практики предложена классификация безмасляных форвакуумных насосов. Обращено внимание на необходимость создания принципиально новых, экономичных и надежных в эксплуатации насосов при одновременном снижении их стоимости.

2. Впервые предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод получения безмасляного вакуума путем создания форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов, выполненных из высокопрочных конструкционных материалов.

3. Впервые разработаны, изготовлены и исследованы двухступенчатые безмасляные форвакуумные насосы различных конструкций на основе сварных складывающихся сильфонов высокой чувствительности, в том числе:

— сильфонно-поршневые,.

— сильфонные линейной структуры,.

— сильфонные коаксиальной структуры.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований макетов насосов установлены их характеристики:

— быстрота действия в зависимости от объема рабочей сильфонной камеры в диапазоне от 0,1 до 16 л/с,.

— предельное остаточное давление 30−50 Па,.

— ресурс > 108 циклов,.

— уровень шума < 20 дб.

5. Получены аналитические зависимости для расчета быстроты действия и предельного остаточного давления с учетом геометрических параметров и конструктивных особенностей сильфонных рабочих камер.

6. В применении к рабочим камерам сильфонных форвакуумных насосов со сложной формой внутренних каналов впервые предложена универсальная математическая модель и алгоритм расчета проводимости каналов произвольных геометрических форм и размеров при режиме течения газа от молекулярного до вязкостного. Компьютерная обработка математической модели для предложенных сильфонных насосов позволила установить реальную быстроту действия с учетом быстроизменяющихся размеров каналов в процессе работы насоса в вязкостном режиме течения газа.

7. На основе ряда новых технических решений с целью разгрузки сильфона от воздействия перепада давления 0,1 МПа и снижения энергопотребления предложены простые и надежные конструкции двухступенчатых сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом, образующимся вокруг наружной поверхности сильфона в процессе выполнения основного цикла.

9. В результате проведения ресурсных испытаний с использованием метода рентгеновской дифрактометрии определены напряжения, возникающие в гофрах циклически деформируемых сильфонов, используемые для оценки ресурса, принятого в теории прочности, который о составил более 10 циклов.

10. По результатам исследования методом сканирующей зондовой микроскопии характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов в условиях имитирующих реальные условия эксплуатации, получены рекомендации по выбору параметров и состава покрытий.