超低能耗雙室卷繞蒸發(fā)鍍膜設備的真空機組

超低能耗雙室卷繞蒸發(fā)鍍膜設備的真空機組在不同的真空鍍膜應用中，真空機組有不同的配置，以及不同的抽氣工藝。例如大型蒸發(fā)鍍膜設備通常配置有效抽速達上萬升的油擴散泵抽氣機組，強勁的抽速可使系統(tǒng)在10—15分鐘內壓力低于5x10-2Pa，以滿足蒸發(fā)沉積的物理條件。此處所突出的是盡量高的效率。當然，如果在過短的時間內達到沉積壓力，工件表面吸附的氣體不能有效釋放，也達不到理想的沉積效果。而對于磁控濺射鍍膜設備，一般配置的為油擴散泵高真空機組或渦輪分子泵高真空機組，但機組并非需要在較短的時間達到較高的真空，此處強調的是在一個合理的時間內能使真空室內壁及工件比較徹底的除氣，從而在后續(xù)的較長時間的沉積過程中，把活性氣體對膜層的不利影響控制在所允許的程度，否則不能保證膜層的質量。雖然配置了高真空泵，但對沉積而言極限真空度并不是最重要的，進入高真空也僅僅是有利于放氣。眾所周知，典型的磁控濺射沉積壓力并不在高真空范圍。在有機薄膜基材上連續(xù)蒸發(fā)沉積金屬或介質膜是真空鍍膜的又一重要的產業(yè)化應用。對于大型連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜設備，其真空機組的配置及抽氣工藝與上述的鍍膜應用設備又有不同。由于基材即有機薄膜數量大，故放氣量大；又因為薄膜卷繞在一起，不易放氣，僅是在卷繞的過程中不斷地放氣。因此先除氣再蒸鍍的方法顯然不行，只能邊除氣邊蒸鍍。如此，所配置的真空機組必須非常強大方能保證蒸鍍所需的臨界壓力。由于氣體主要是有機基材放出，如把基材的卷繞部分與蒸發(fā)鍍膜部分分開為兩個獨立的室體，讓氣體集中在卷繞室放出并被抽除，而鍍膜室由于放氣量小，更易獲得蒸發(fā)鍍膜所必須的高真空，從而保證鍍膜的質量。所以對于連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜而言，雙室結構是最為合理的。而所謂雙室，是兩室之間的泄漏或流導必須得到嚴格的控制。此處提及的雙室結構并非什么高明的設想，早年由德國萊寶光學引進的連續(xù)卷繞蒸發(fā)鍍膜設備就是雙室結構，而隨后國內仿造的類似設備也是按雙室設計的，只是前者可能是嚴格意義上的雙室，而后者普遍達不到雙室隔離的要求，僅能算是效果不佳的差分抽氣系統(tǒng)。在實際的工作中，兩室的工作壓強非常接近。就雙室的功能而言，鍍膜室的壓力應越低越好，可以提高膜層質量，但也應適可而止，否則鍍膜室機組配置會過于臃腫。反之，除氣室的壓力應越高越好，這樣，在除氣量一定的情況下，機組的配置可以盡量減小，但也存在一個適可而止的問題。如果壓力過高，則對雙室之間的流導限制要求更嚴，否則泄漏的氣體又要明顯地影響鍍膜室的壓力。在隔離合適時，兩室的壓力起碼要相差一個數量級以上。關于卷繞室提高除氣壓力的道理亦可通過一個并非十分確切的例子來說明。比如有一口5米深的水井，出水量為每分鐘一桶，若要連續(xù)不斷地將井中的水取出可有兩種辦法。一是以較快的速率將井內的水全取出，然后在隨后的每分鐘內，由井底將滲出的一桶水取至井外；另一種辦法是等到水位接近井口（假定含水層壓力可以達到此水頭），然后每分鐘內，由井口取出一捅水。顯然后一種辦法要輕松得多，然而效果都一樣?？梢詮囊陨系呐e例中，籠統(tǒng)地悟出卷繞室除氣的原理。因此，對于嚴格意義上的雙室卷繞鍍膜機兩室配置的真空機組是不同的，顯然鍍膜室應配置高真空機組，而卷繞室（即除氣室）應配置中真空機組。引進的萊寶光學卷繞真空鍍膜設備即是如此，分別配置的是油擴散泵為主泵的高真空機組和羅茨泵為主泵的中真空機組。然而國內仿制的同類設備，除鍍膜室皆配置油擴散泵高真空機組外，卷繞室配置的真空機組除羅茨真空機組外，還有油增壓泵—羅茨真空機組，甚至配置與鍍膜室一樣的油擴散泵高真空機組。至所以如此，皆是因為雙室之間的隔離滿足不了要求，所以盡量提高卷繞室的真空度以降低兩室之間的壓差，減少泄漏。更有甚者，干脆增大雙室之間的通導，卷繞室亦配置高真空機組，而使形式上的雙室結構變?yōu)閷嵸|上的單室結構。即使如此，亦達不到理想的沉積壓力。其直接后果是，既影響了沉積膜層質量，又增加了真空機組的能耗。受傳統(tǒng)泵種的限制，連續(xù)卷繞鍍膜設備的真空機組的能耗是很高的，再加上雙室的隔離不到位，機組的能耗進一步增加，且同時沉積質量下降。這便是目前國內卷繞鍍膜行業(yè)所面對的

事實。從某一典型的卷繞鍍膜機的真空機組配置便能說明。卷繞室機組：Z630油增壓泵+ZJ1200羅茨泵+2x2H150滑閥泵；鍍膜室機組：KT-800油擴散泵+ZJ1200羅茨泵+2x2H150滑閥泵。真空機組總能耗達115KW。并且，近幾年來，大多數這類設備都配置低溫冷凝器（或稱水汽泵），由于工作壓強偏高，該泵容易飽和而失去捕集水蒸汽的作用,因此往往效果不佳卻要多耗費十幾千瓦的功率。其實該措施只有在把蒸發(fā)壓力降低后用于鍍膜室才能取得最佳效果，可以使蒸發(fā)壓強再降低一個數量級。面對如此高的能耗，在當前強調節(jié)能減排、發(fā)展低碳經濟的嚴峻形勢下，如何大幅降低卷繞鍍膜的能耗、提升鍍膜質量己是刻不容緩的問題。下面針對將分子增壓泵用于連續(xù)卷繞鍍膜設備真空機組的方案的可行性作一淺略的分析。在介紹分子增壓泵于一些相關領域的應用時，都一再強調該泵超強的中高真空抽氣能力。目前200口徑的分子增壓泵在10Pa壓力時抽速接近500升/秒（中科院近代所測試），進一步改進后,有望在10Pa壓力下達到滿抽速（1000升/秒）.在如此寬的壓力范圍都能保持強勁的抽速,使分子增壓泵可以同時作為卷繞鍍膜機雙室主泵的最佳選擇.具體的配置根據兩室不同的放氣量和工作壓力而有所不同.毫無疑問該配置及相應的抽氣方案的先決條件是必須把雙室間的隔離控制在一定的要求內,而其具體的定量要求則需根據假定的技術條件通過計算確定.圖1為卷繞鍍膜機的簡圖。1室為卷繞室，2室為鍍膜室。P]、P2分別為兩室的壓力，S]S2分別為兩室的抽速,Q]Q2分別為兩室的放氣量。設兩室之間的流導為U,從卷繞室向鍍膜室泄漏的氣體量為Q。,而雙室的總放氣量用Q表示,兩室的放氣量之比為n。根據以上的假定，可以得到如下5個方程：Q1+Q2=Q(1)Q1/Q2=n(2)P1=(Q1-Q0)/S1(3)P2=(Q2+Q0)/S2(4)Q0=U(P1-P2)(5)由以上5個方程可以導出下列關于PfP2的方程組:(S1+U+nU)P1-(nS2+U+nU)P2=0SP+SP=Q1122并解出其結果為P1=[nS2+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]P2=[S1+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]上述結論中,Q、U、n由技術條件確定，其中Q可通過測試確定;U決定于隔離效果;而n決定于總放氣量在兩室的分配。關于真空機組的配置，參考目前市埸流行設備真空機組的配置，兩室共采用10臺MB-200D型分子增壓泵(每臺有效抽速10001/s)。由于該泵泵口可以全方位安裝,并由泵的性能可省去高閥,故能大大提高抽氣效率。至于泵在兩室間的分配，原則上鍍膜室抽速配置要強，可以提高真空度，有利于膜層沉積。但若卷繞室抽速偏小，則壓力過高，在一定的隔離條件下泄漏增大，則又將影響鍍膜室的真空度。因此泵于兩室間的分配也存在一個優(yōu)選的問題。保持泵的總數不變，在兩室間作不同的分配時，考查兩室的壓力。方程計算的結果由表1給出。其中，總放氣量Q取1000Pa.l/s;兩室間的流導U取100l/s;并假定卷繞室放氣量占總放氣量的95%,即n取19。由表中可以看出,隨著鍍膜室泵的抽速增加,真空度增高,而隨后真空度又開始降低,因而可視為S]=2000I/s;S2=8000I/s即最佳配置，這與物理上的分析一致。根據表1的結果，如泵總數為10臺，則卷繞室配置2臺，鍍膜室配置8臺是一個合理的選擇。在此前提下，對總放氣量分別取1000Pa.l/s、1500Pa.l/s、2000Pa.l/s;對泄漏流導分別取100l/s、500l/s、1000l/s;對卷繞室放氣量占總放氣量比例分別取95%、90%、85%、(對應的n分別為19、9、5.7、)等各種情況計算分析。其結果如表2所示。縱觀表2的結果，如以5x10-2Pa為鍍膜室臨界壓力，則可以有以下幾點結論。其一，在所有有關因素中，兩室間的泄漏流導是最重要的，如果控制在100l/s以下，則在所討論的各種條件下,鍍膜室的壓力幾乎皆滿足沉積條件。其二，如果總放氣量在1000Pa.l/s以下，則在其它所涉及的條件下,鍍膜室壓力均符合要求。其三，如果卷繞室放氣量能占總放氣量90%以上，則鍍膜室壓力在絕大部分條件下均能達標。而以上三條中最具積極意義的應為第一條，因為它可以通過主觀能動而實現，而其它因素多受客觀條件限制，但實際情況與本文假設范圍不會有太大出入。下面著重討論一下兩室隔離效果與兩室間流導的關系，亦即p1/p2與U的關系。由上述計算結果，有P1/P2=[nS2+(1+n)U]/[S1+(1+n)U]即兩室壓差與總放氣量無關。當U>>S2 (S1=2000l/s;S2=8000l/s)則P1/P2=(1+n)U/[(1+n)U]=1 即雙室可視為單室,無壓差。當U=S2同時有(1+n)U>>S1貝I」P]/P2=[nS2+(1+n)U]/[(1+n)U]=2 (此處n=19，可認為n=1+n)當U=S2/2 同樣(1+n)U>>S1則P1/P2=3當U=S2/4 同樣(1+n)U>>S1則P1/P2=5特別地，當S2?U 同時(1+n)U?S] (此時U=500-1000l/s)則P1/P2=nS2/[(1+n)U]=S2/U (此處可認為n=1+n)上式具有特別重要的意義，即雙室間的隔離效果能使流導控制在500l/s至10001/s時，流導減小一倍可以等同鍍膜室抽速增大一倍的效果。當(1+n)U<<S1 (比如U=20l/s)則P1/P2=nS2/S1=80 這相當于兩室完全獨立時的物理結果,此時可稱為絕對隔離,當然,這是不可能做到的。另外當U=100l/s則P1/P2=nS2/2S1=40當U=300l/s則P1/P2=nS2/4S1=20當U=700l/s則P1/P2=nS2/8S1=10 所以在該抽氣機組配置下,兩室壓差要達到一個數量級,則雙室的隔離流導不得大于700l/s。根據以上的討論可知隔離在雙室鍍膜設備中的重要，然而兩室的壓差并非是追求的終極目標，最大限度地降低鍍膜室的壓力、改善沉積條件才是最根本的。當雙室間的流導礙于技術條件無法繼續(xù)減小時，還可通過增大二、降低P],從而進一步降低p2。由于P1=[nS2+(1+n)U]Q/[(1+n)(S1S2+S1U+S2U)]當U適當小時P1=nS2Q/[(1+n)S1S2]=Q/S1 (此處認為n=1+n)由上式可知，如果S]增大一倍，則P]將減小一倍，如同樣的抽速加到鍍膜室是絕對達不到如此的效果。此處需要強調的是，兩室間的隔離盡管非常重要，但并不需要什么高科技手段，只要嚴格按照一定的物理模型去做，是可以達到理想的效果的。關鍵在于薄膜進入鍍膜室和離開鍍膜室的狹縫部位。如果就是一條簡單的縫，則對幅寬1m的薄膜，即使縫寬僅為1mm,兩條縫的泄漏流導就要超過2001/s。但若按圖2所示，把窄縫沿著薄膜的曲率伸展成一狹長的通道,則會大大增強隔離的效果。如通道能有10cm長，當縫寬為5mm時，該流導模型的傳輸幾率小于0.1，從而使其流導小于100l/s。而且可以把狹縫做成可沿水平方向移動，當按放卷繞薄膜時向兩側移開，裝好之后再回復到應該的位置。上述便是一種全新的卷繞鍍膜設備真空機組的構思和分析，雖存在若干不確定因素有待

實踐檢驗，但前景樂觀。全套真空機組：10XMB-200D分子增壓泵+2X30旋片泵+2X15旋片泵，總能耗不到10kW。如考慮到縮短前級泵預抽時間，可增加1-2臺2X70旋片泵預抽，但每周期僅需工作數分鐘，其能耗完全可以忽略。因此，該項目的節(jié)能效果是應該能獲得業(yè)內人士矚目的。表1S]S2QnUKPiP25000l/s5000l/s1000Pa?l/s19100l/s13.91.87X10-1Pa1.35X10-2Pa4000l/s6000l/s1000Pa?l/s19100l/s19.32.32X10-iPa1.20X10-2Pa3000l/s7000l/s1000Pa?l/s19100l/s27.03.07X10-1Pa1.14X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s19100l/s38.54.53X10-1Pa1.18X10-2Pa1000l/s9000l/s1000Pa?l/s19100l/s57.78.65X10-1Pa1.50X10-2Pa表2S1S2QnUKP1P22000l/s8000l/s1000Pa?l/s19100l/s38.54.53X10-1Pa1.18X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s19500l/s13.53.86X10-1Pa2.86X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s191000l/s7.83.31X10-iPa4.23X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s19100l/s38.56.79X10-1Pa1.76X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s19500l/s13.55.79X10-iPa4.29X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s191000l/s7.84.96X10-1Pa6.35X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s19100l/s38.59.06X10-1Pa2.35X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s19500l/s13.57.71X10-1Pa5.71X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s191000l/s7.86.62X10-1Pa8.46X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s9100l/s24.34.29X10-1Pa1.76X10-2Pa

2000l/s8000l/s1000Pa?l/s9500l/s11.03.67X10-1Pa3.33X10-2Pa2000l/s8000l/s1000Pa?l/s91000l/s6.83.15X10-1Pa4.62X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s9100l/s24.36.44X10-1Pa2.65X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s9500l/s11.05.50X10-1Pa5.00X10-2Pa2000l/s8000l/s1500Pa?l/s91000l/s6.84.73X10-1Pa6.92X10-2Pa2000l/s8000l/s2000Pa?l/s9100l/s24.38.59X