Предисловие: Возникновение сухих вакуумных насосов

За последнее десятилетие растущий спрос на чистые вакуумные среды в высокотехнологичных производственных секторах, таких как полупроводниковая промышленность, фармацевтика и микроэлектроника, вывел сухие вакуумные насосы на передний план. Их основное преимущество заключается в отсутствии необходимости в смазочном масле в камере сжатия, что исключает риск загрязнения маслом и значительно снижает затраты на техническое обслуживание по сравнению с традиционными насосами с масляным уплотнением.

Эта эволюция привела к разработке и серийному производству различных типов сухих насосов. Их можно разделить на четыре основные группы в зависимости от механической конструкции и принципа работы: лопастные, когтеобразные, комбинированные (Рутс + когтеобразные) и винтовые. Первые три, использующие многоступенчатую последовательную компрессионную конструкцию, в совокупности известны как многоступенчатые сухие вакуумные насосы. Винтовой насос, использующий однокамерную компрессионную конструкцию, классифицируется как одноступенчатый сухой вакуумный насос.

Принципы их работы существенно различаются. Многоступенчатые насосы достигают высокого вакуума путем пошагового сжатия газа в ряде камер. В отличие от них, винтовые насосы выполняют весь процесс всасывания, сжатия и нагнетания в одной камере. В следующих разделах будут подробно описаны физические характеристики, преимущества, недостатки и идеальные сценарии применения каждого типа.

1. Многоступенчатые сухие вакуумные насосы: подробный обзор

Многоступенчатые насосы основаны на общем принципе достижения вакуума за счет пошагового сжатия в последовательно соединенных камерах. Такая конструкция неизбежно приводит к более сложному пути потока газа и более длительному времени пребывания внутри насоса.

1.1 Двухлепестковые и трехлепестковые типы

Основная конструкция: Основная конструкция в значительной степени аналогична вакуумному насосу Рутса. По сути, это многоступенчатое наложение роторных камер типа Рутса, соединенных последовательно для повышения предельной степени вакуума.

Производительность:

• Высокий вакуум: Можно достичь предельного вакуума 10⁻² ~ 10⁻³ Па.
• Энергоэффективность: Высокая степень сжатия, достигаемая за счет многоступенчатого наложения, может привести к снижению энергопотребления на 15-25% по сравнению с одноступенчатыми насосами при той же скорости откачки.

Внутренние проблемы:

• Сложный путь потока: Многоступенчатая конструкция создает многоугольный путь потока газа, увеличивая время пребывания газа в корпусе насоса.
• Высокое потребление азота:Для разбавления технологических газов, предотвращения перекрестного загрязнения между ступенями и предотвращения полимеризации или конденсации необходимо подавать в каждую камеру большой поток азота (обычно 5-10% от номинальной скорости насоса).
• Требуется высокая точность: Зазоры между роторами и камерами на всех уровнях должны строго контролироваться в пределах 0,05-0,1 мм; в противном случае эффективность сжатия резко снижается из-за утечек.
• Улучшение трехлопастной структуры: Трехлопастная конструкция с тремя лопастями ротора разделяет газ на три части за один оборот. Это приводит к меньшей пульсации газа, более низкому уровню шума при работе (на 3-5 дБ ниже, чем у двухлопастной конструкции) и лучшей стабильности потока при той же скорости. Однако она сталкивается с теми же проблемами, связанными со сложной траекторией потока и высокой потребностью в азоте.

1.2 Комбинированный тип (корни + коготь)

• Философия дизайна: Это оптимизированная конструкция для широкого диапазона давлений. Она сочетает в себе "ступень Рутса" для высокой скорости откачки в диапазоне средне-низкого вакуума с "когтеобразной ступенью" для высокой эффективности сжатия в диапазоне средне-высокого вакуума.
• Оптимизация производительности: Некоторые производители модифицируют заключительную ступень захвата, придавая ей звездообразную конструкцию для еще меньшей пульсации и более стабильного процесса сжатия, подходящего для прецизионных процессов.
• Внутренние характеристики: В нем продолжается многоступенчатая последовательная логика, унаследовавшая проблемы, связанные с длительным временем пребывания газа и необходимостью обеспечения существенной защиты азотом во всех камерах.

2. Одноступенчатые сухие вакуумные насосы (винтового типа)

Вакуумные насосы винтового типа используют пару винтовых роторов, вращающихся в противоположных направлениях, для линейного перемещения газа от впускного до выпускного отверстия. Такая конструкция обеспечивает кратчайший и простой путь потока газа среди сухих насосов. Ключевое отличие заключается в конструкции ротора, которая делит их на две категории.

2.1 Винтовой тип с наружным сжатием

• Основная структура: Используется пара винтовых роторов с постоянным шагом. Зазоры зацепления между роторами, а также между роторами и стенками цилиндра равномерны (обычно 0,1-0,2 мм), что обеспечивает минимальную обратную утечку.
• Принцип работы: Его отличительной чертой является «отсутствие внутреннего сжатия». Газ транспортируется преимущественно через насосную камеру, а сжатие происходит за счет противодавления во внешнем выхлопном трубопроводе. Это минимизирует эффект внутреннего сжатия.

Основные преимущества:

• Короткое время пребывания газа в газовой фазе: Линейная схема потока сокращает время нахождения газа внутри насоса до 1/3-1/5 от времени, необходимого в многоступенчатых насосах, что значительно снижает риск физических или химических изменений в газе.
• Высокая стабильность: Отлично подходит для сложных процессов, таких как травление и осаждение тонких пленок, эффективно предотвращая распространенные многоступенчатые отказы насосов, такие как засорение камеры и приваривание ротора.
• Низкая зависимость от азота: Благодаря короткому времени пребывания и простому пути, азот требуется лишь в небольших количествах в выпускном отверстии (потоке). <(1% от номинальной скорости) для предотвращения обратного потока. В чистых процессах возможна работа без азота, что значительно снижает эксплуатационные расходы.
• Главный недостаток: Конструкция без внутреннего сжатия приводит к более низкой степени сжатия, что влечет за собой увеличение энергопотребления на 20-30% по сравнению с многоступенчатыми насосами при той же скорости перекачки.

2.2 Винтовой тип с внутренним сжатием

• Основная структура: Используется пара винтовых роторов с изменяемым шагом. Закрытый объем, образующийся в процессе зацепления, постепенно уменьшается, сжимая газ внутри насосной камеры.
• Характеристики производительности: Конструкция с внутренним сжатием обеспечивает высокое соотношение сжатия, снижая энергопотребление до уровня, сопоставимого с многоступенчатыми насосами.
• Основная проблема: Изменения температуры и давления сосредоточены внутри камеры насоса. Подобно многоступенчатым насосам, это делает его восприимчивым к сжижению, затвердеванию или полимеризации при работе с конденсируемыми или полимеризующимися газами, что приводит к заклиниванию ротора и закупорке камеры. Поэтому его пригодность для различных технологических газов ограничена.

3. Ключевые факторы отбора: помимо брошюры

При выборе сухого вакуумного насоса следует учитывать следующие важные факторы, влияющие на общую стоимость владения и надежность процесса.

Операционная стабильность против стоимости: Хотя традиционные основные факторы — это эксплуатационные расходы (энергия + азот + техническое обслуживание), в высокотехнологичном производстве сегодня столь же важна стабильность работы. Незапланированные отказы насосов могут остановить целые производственные линии, что приводит к потерям дорогостоящей продукции (например, кремниевых пластин) и повреждению оборудования. Одноступенчатая конструкция винтовых насосов, особенно с внешним сжатием, обеспечивает превосходную стабильность благодаря уменьшению количества основных компонентов на 40-60% и значительно более низкой частоте отказов по сравнению с многоступенчатыми насосами.

Потребление азота и экологические издержки: Высокое потребление азота в многоступенчатых насосах — это не только эксплуатационные расходы, но и экологическая проблема, поскольку оно приводит к образованию больших объемов отработавших газов, требующих очистки. С ужесточением экологических норм стоимость утилизации этих газов растет. Чрезвычайно низкое потребление азота винтовым насосом с внешним сжатием представляет собой значительное долгосрочное преимущество.

Тенденция «малые размеры против высоких скоростей»: Стремление к миниатюризации оборудования противоречит необходимости высокой скорости перекачки (которая пропорциональна объему насоса). Решение, предлагаемое в промышленности, заключается в увеличении скорости вращения ротора для компенсации уменьшения размеров. Это достигается либо с помощью частотно-регулируемых приводов (обеспечивающих точное управление, но с более высокими затратами и потенциальной потерей крутящего момента), либо путем оптимизации передаточных чисел редуктора (более дешевый и надежный метод, обеспечивающий только фиксированную скорость).

4. Заключение и рекомендации по выбору

Для контроля энергопотребления и в случаях, когда технологические газы чистые и нереактивные, подходящим выбором является вакуумный насос с внутренним компрессионным шнеком.

Для обеспечения высочайшей стабильности работы, минимального расхода азота и адаптивности к различным полупроводниковым процессам, вакуумный насос с внешним компрессионным шнеком является оптимальным вариантом. Его широкая адаптивность и простота позволяют одному устройству быстро переключаться между различными процессами (травление, осаждение, упаковка), сокращая складские запасы и время простоя.

С точки зрения отраслевых тенденций, переход к экологической устойчивости и снижению эксплуатационных расходов расширяет возможности применения вакуумных насосов с внешним сжатием и винтовым механизмом.

Предупреждение: Данный веб-сайт уважает права интеллектуальной собственности. В случае обнаружения каких-либо нарушений, пожалуйста, своевременно свяжитесь с администрацией сайта для принятия соответствующих мер.