8-812-740-66-02
8
-812-989-04-49
info@vactron.org

сухой вакуумный насосВыбор безмасляного (сухого) насоса для форвакуума и высокого вакуума

Направления развития безмасляных средств вакуумной откачки

авторы: Ю. К. Васильев, С. Б. Нестеров
ФГУП «Научно-исследовательский институт вакуумной техники им. С. А. Векшинского»

Полупроводниковая промышленность на протяжении последних лет была главным локомотивом развития вакуумной техники. Однако, активное наполнение в настоящее время современным технологическим оборудованием таких отраслей, как металлургия, химическая промышленность и др. также использующих вакуумное оборудование, позволяет им оказывать все большее влияние на его развитие. Кроме того, активно стали развиваться области полупроводниковой промышленности, не относящиеся напрямую к процессу изготовления микро- и наноэлектронной техники — например, фотоэлектротехника (photovoltaics) и все, что связано с изготовлением и использованием фотоэлементной аппаратуры для солнечной энергетики, плоскопанельные дисплеи и т. п.

Эти относительно новые области применения вакуумной техники формируют собственные требования к оборудованию — повышенный уровень надежности при длительной непрерывной работе и повышенной газовой нагрузке, толерантность к пыли и твердым частицам, обеспечение высокой производительности в диапазоне давлений от 1000 до 0,0001 мбар. Эти и ряд других факторов, оказывающих существенное влияние на развитие вакуумной техники несколько развернули устремления разработчиков от высоковакуумных к форвакуумным и системам, обеспечивающим средний вакуум — как правило, до 0,0001 мбар.


Форвакуумные средства откачки


Как отмечалось в [1] основной особенностью развития средств вакуумной откачки на протяжении последних лет является стремление избавиться от вакуумных масел и других рабочих жидкостей. Эта тенденция настолько сильна, что получает развитие даже в таких областях применения вакуумной техники, где этим вопросам до последнего времени не уделяли много внимания — прежде всего, в вакуумной металлургии. В [2] показаны основные особенности и преимущества замены паромасляных и традиционных механических насосов с масляным уплотнением на безмасляные откачные системы на базе сухих механических насосов: существенное энергосбережение и простота эксплуатации, отсутствие необходимости утилизации рабочих жидкостей и, наконец, другой качественный уровень получаемой продукции. В табл. 1 показаны основные типы безмасляных механических форвакуумных насосов для промышленного использования, их типичные характеристики и производители.


Табл. 1. Основные характеристики механических безмасляных форвакуумных насосов.


Принцип действия

Основные производители

Предельный вакуум, мбар

Диапазон быстроты действия, м3/ч

Когтевой (со ступенью Рутса)

Busch, Edwards, PG Pedro Gil

0,05

80-600

Винтовой

Busch, Ebara, Edwards, Hanbell, Kashiyama, Leybold (LOT Vacuum), Pfeiffer, Shinko Seiki, Sterling SIHI, Toyota, Ulvac, SVC ScrewStar

0,001

75-1300

Многоступенчатый Рутса

Adixen (Alcatel), Kashiyama, PG Pedro Gil

0,01

90-220

Спиральный безмысляный насос

 Geowell (Вактрон)

0,01

7-60

Многие производители устанавливают на форвакуумный насос дополнительный насос Рутса, в результате чего примерно на порядок вырастает предельный вакуум, и до нескольких раз — производительность. Так, характерная производительность таких систем обычно 600-2500 м3/ч, а предельный вакуум — 0,005-0,0001 мбар. Кроме того, существуют специальные решения для откачки камер больших объемов или для работы с высокими газовыми нагрузками с производительностью в десятки тысяч м3/ч.
Также существенной частью рынка безмасляных механических форвакуумных систем являются установки роста различных кристаллических структур — поли- и монокристаллического кремния для изготовления подложек микроэлектронной техники, солнечных батарей и плоскопанельных дисплеев, сапфира для разнообразных промышленных применений и т. п. Данные приложения предъявляют повышенные требования к надежной безостановочной работе откачных средств в условиях высоких газовых нагрузок и при наличии твердых примесей в откачиваемом газе.


Лидирующими технологиями в данной области являются когтевые, винтовые и многоступенчатые насосы Рутса. Это полностью бесконтактные насосы, откачка в которых обеспечивается вращением роторов специальной формы, зазоры между которыми очень малы — до микрометров, поэтому уровень обратного потока газа также крайне мал. Форма роторов когтевого насоса показана на рис. 1, винтового — на рис. 2, а многоступенчатого Рутса — на рис. 3.


Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1102.jpg
Рис. 1. Когтевой форвакуумный насос
Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1103.jpg
Рис. 2. Роторы винтового насоса
Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1104.jpg
Рис. 3. Многоступенчатый насос Рутса


Когтевой насос выполняется в виде многоступенчатой (обычно состоящей из 3 или 4 ступеней) машины, где одной из ступеней является двухроторная ступень Рутса, остальные — когтевые. Главным игроком и обладателем патента на данную конструкцию является компания Edwards.
Винтовые насосы имеют несколько вариантов конструкции — с переменным и постоянным шагом, с напуском газа в торце и в центре роторов, вертикальные и горизонтальные. Такое многообразие конструкций обусловлено тем, что данная технология развивалась наиболее бурно, так как развитие когтевой конструкции было ограничено патентом Edwards. В настоящий момент винтовые насосы обеспечивают, пожалуй, наилучшие технические и эксплуатационные характеристики среди всех безмасляных конструкций (табл. 1), что косвенно признает и главный апологет когтевой конструкции Edwards, поскольку он начал выпуск и винтовых насосов. Наиболее заметными игроками в данной области являются японские Ebara и Ulvac, имеющие хорошие позиции в Японии и Азии, корейский LOT Vacuum, распространенный в Южной Корее и Европе (под брендом Leybold), а также тайваньский «азиатский тигр» Hanbell, стремительно занимающий лидирующие позиции в Тайване, где сконцентрировано сейчас основное производство полупроводников, кремниевых пластин и плоскопанельных дисплеев, Китае, где активно развиваются данные отрасли, а также выходит на рынки Европы и США. В вакуумной металлургии активные позиции имеют винтовые насосы SIHI.


 Еще одной технологией безмасляных форвакуумных насосов для промышленного использования является конструкция, объединяющая несколько ступеней Рутса. Основными игроками здесь являются японская Kashiyama и французский Adixen (Alcatel). Данная технология не получила такого активного, как винтовая, развития в силу своей наибольшей среди других конструкций «чувствительности» к грязным и тяжелым, с эксплуатационной точки зрения, технологическим процессам. Данная конструкция предполагает достаточно сложную и длинную конструкцию вакуумных трактов между ступенями, где могут накапливаться нежелательный конденсат и чужеродные частицы, откачиваемые вместе с рабочим газом. Указанные типы насосов широко применяются в промышленных приложениях таких отраслей как металлургия, химическая промышленность, полупроводники, установки роста кристаллов, плоскопанельные дисплеи и др.


Для лабораторных и «чистых» приложений используются безмасляные форвакуумные спиральные насосы (рис. 4). Поскольку их развитие ограничивается в основном лабораторными системами, характерный диапазон быстроты действия составляет от 3 до 35 м3/ч. Предельный вакуум, обеспечиваемый такими насосами обычно составляет 0,01 мбар. Наиболее заметными игроками в данном сегменте являются компании Anest Iwata, родоначальник данной конструкции насосов, имеющая самую широкую линейку с производительностью до 60 м3/ч, Varian, Edwards, Busch, также занимающие заметную долю этого рынка. Надо сказать, что многие компании предлагают насосы Anest Iwata под собственными брендами — такие как, например, Leybold (Oerlikon) и Ulvac.


Спиральный насос                                        Описание: xds2
Рис. 4. Безмасляный форвакуумный спиральный насос.

Обзор безмасляных спиральных форвакуумных насосов: 150-1000 л/мин, 1 Па.

Конкурирующие решения для лабораторных и «чистых» приложений предлагают компании Adixen — многоступенчатые насосы Рутса малой производительности от 14 до 38 м3/ч, Pfeiffer и Leybold (Oerlikon) — поршневые безмасляные насосы с быстротой действия от 15 до 40 м3/ч.


В приложениях, где необходимо достигать вакуум уровня 1 мбар и хуже используют диафрагменные (мембранные) безмасляные насосы — для «чистых» и химико-технологических лабораторных применений; пластинчато-роторные безмасляные насосы для промышленных установок средней производительности — до 200-300 м3/ч; двухроторные (Рутса) и вихревые газодувки для больших промышленных систем нефтехимической, энергетической и других областей, где необходима откачка больших объемов газа до давлений уровня 100-500 мбар с производительностью в десятки тысяч м3/ч.


Несмотря на вышеизложенное, во всем мире продолжается использование и классических форвакуумных откачных средств с масляным уплотнением, однако оно сокращается, а в таких отраслях, как полупроводниковая промышленность и ряде других высокотехнологичных областей практически полностью прекращено. Главным ограничителем повсеместного перехода на безмасляные средства откачки, как правило, является их более высокая стоимость. Однако, как показывает практика, за счет более низких издержек на обслуживание и утилизацию рабочих жидкостей, особенно в промышленных приложениях, стоимость владения безмасляных систем оказывается ниже, чем масляных.


Высоковакуумные средства откачки


В данной области также прослеживается четкое стремление избавиться от масел и рабочих жидкостей. Например, несмотря на дешевизну диффузионных насосов, их использование пытаются максимально сократить во многих областях, до последнего времени считавшихся нечувствительными к остаточным парам рабочих жидкостей в вакуумной камере — электротермическое оборудование, вакуумные печи и т. п. Там, где полный отказ невозможен или слишком дорог используются различные ловушки, снижающие количество масляных паров в рабочей области [3].


Наиболее активно развивающимися высоковакуумными безмасляными откачными средствами являются турбомолекулярные и криовакуумные насосы. Магниторазрядные насосы в последние годы развивались не столь сильно, в силу специфичности приложений их использования и ограниченности их производительности в 1000-1200 л/с. Однако, нужно отметить, что данный тип насосов активно используется в приложениях, где необходимо получать высокий и сверхвысокий вакуум (до 10-10 торр) и удерживать его длительное время (например, несколько месяцев) — ускорительно-накопительные системы, физика элементарных частиц и т. п.


В области турбомолекулярных насосов можно отметить сразу несколько тенденций:

  • активное распространение так называемых гибридных конструкций, объединяющих турбомолекулярную и молекулярную ступени. Это позволяет лучше откачивать легкие газы, такие как гелий и водород, и увеличивать максимально допустимое давление в форлинии. В настоящий момент доступны модели насосов, имеющие штатное постоянное давление в форлинии до 10-12 мбар;
  • доминирование насосов на магнитном подвесе ротора (рис. 5). Данная технология позволяет существенно увеличить наработку на отказ подшипников ротора, поскольку он вращается, левитируя в вакууме в магнитном поле, и трение полностью отсутствует. Эти насосы полностью гарантируют технологический процесс от попадания даже единичных молекул смазки, поскольку она совершенно отсутствует, в отличие от насосов с жидкой или консистентной смазкой, которая хоть и находится внутри закрытых керамических подшипников и обладает крайне малым давлением насыщенных паров — обычно уровня 10-14 мбар, все же допускает теоретическое попадание одиночных молекул в откачиваемый объем. Хотя, нужно сказать, что и данные турбомолекулярные насосы обычно называют безмасляными, поскольку при их работе крайне низка вероятность попадания даже одиночных молекул смазки в откачиваемый объем. Насосы с магнитным подвесом ротора более чувствительны к резкому росту давления в вакуумной камере («прорыву атмосферы»), поскольку их роторы испытывают в том числе и ударную нагрузку при посадке на полной скорости на резервные подшипники. Обычно производители оговаривают характерное количество таких аварийных посадок до необходимости технического обслуживания — оно может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен.

В данном сегменте свою долю имеют все ведущие производители вакуумного оборудования — Alcatel, Busch, Edwards, Leybold, Pfeiffer, Osaka Vacuum, Shimadzu, Ulvac, Varian.
Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1106.jpg
Рис. 5. Турбомолекулярный насос на магнитном подвесе.


В сегменте криовакуумных насосов развитие сказывается, прежде всего на увеличении надежности работы криоголовки и компрессора, а также, к созданию «ударных» моделей и, соответственно, завоевание того или иного сектора рынка. Например, компания Suzuki Shokan разработала и производит крионасос с Ду 320 мм, производительность которого в 1,5 раза выше, чем у конкурентов. Это позволило в относительно короткий срок занять доминирующее положение на полупроводниковом рынке Японии и Юго-восточной Азии в области обработки 300 мм подложек, а наличие одних из лучших по производительности и надежности компрессоров и криоголовок и для насосов других размеров дает возможность компании на равных соперничать с таким признанным грандом японской вакуумной техники как Ulvac, которой подобный подход в свое время позволил завоевать лидирующие позиции в области 200 мм подложек. На рынках США и Европы лидером является компания CTI Cryogenics, заметные позиции также имеют Austin Scientific и SHI Cryogenics.
В области крионасосов большой производительности с Ду более 500 мм (рис. 6) свои решения предлагают такие компании, как HSR, Leybold, PHPK, Suzuki Shokan, Ulvac.


Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1108.jpg
Рис. 6. Крионасос Ду 600 мм с двумя рефрижераторами Гиффорда-МакМагона.


Тенденции развития потребителей безмасляного вакуумного оборудования


В [1] была показана основанная тенденция развития приложений, в которых применяется вакуумное оборудование. Например, один из наиболее емких рынков в мире — Японский — показывает следующее распределение потребителей — рис. 7.


>Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1017.gif
Рис. 7. Распределение рынка вакуумного оборудования по основным потребителям (Япония) в 1997-2001 гг.


Как видно из диаграммы, по состоянию на 2001 год, основным потребителем являлась полупроводниковая промышленность. В настоящий момент она заметно потеряла свои позиции, при этом доля плоскопанельных дисплеев существенно выросла — до примерно 2 млрд долларов США в 2008 году, причем только в Японии. Кроме того, активное развитие получила отрасль, связанная с выращиванием кристаллов и созданием на их основе фотоэлектрических панелей. Например, компания Sharp строит в Японии самый большой в мире завод по выращиванию монокристаллического кремния для создания фотопанелей для солнечной энергетики.


Описание: http://images.allexpo.ru/209/file1107.jpg
Рис. 8. Совокупный оборот крупнейших поставщиков вакуумного оборудования по регионам.


Рис. 8 показывает относительное распределение совокупного оборота крупнейших поставщиков по регионам. Он иллюстрирует доминирующее положение Азии, как потребителя вакуумной техники. Это неудивительно, так как именно там сконцентрирована большая часть мирового производства полупроводников, а в последнее время активно развиваются и другие сегменты — фотоэлетротехника, производство плоскопанельных дисплеев и пр.

Литература

  • Ю. К. Васильев, С. Б. Нестеров, Т. С. Васильева, Анализ современного состояния рынка оборудования систем создания и поддержания вакуума, ВТТ, 2006, т. 16, №1, с. 55-62.
  • Перспективные технологии вакуумирования, НМ-оборудование № 2, 2004.
  • Ю. К. Васильев, С. Б. Нестеров, Современные пути оптимизации откачных вакуумных систем на базе диффузионных насосов, Материалы IV Международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология», 2009, с. 81-84.

Если у вас появились вопросы по созданию безмасляной вакуумной откачной системы для вашего производства, мы будем рады ответить вам по телефону 8-929-111-08-13.

 
 
 
 

Дополнительная профессиональная образовательная программа «Основы течеискания и вакуумной техники» 20 – 22 марта 2018

ООО «ВАКТРОН» и Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» имени В. И. Ульянова приглашают сотрудников предприятий принять участие в программе повышения квалификации «Основы течеискания и вакуумной техники» 20 – 22 марта 2018 года. Лекторы курса:

  1. Школа течеискания в ПетербургеПреподаватели университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» — расчетные и исследовательские задачи
  2. Сотрудники компании ВАКТРОН — разработка систем течеискания и вакуумирования
  3. Представители завода «Измеритель» — сервис и запчасти для течеискателей ТИ
  4. Специалисты метрологической организации — поверка и калибровка в течеискании
  5. Представители аттестационного центра — аттестация персонала и лаборатории NDT
  6. Инженеры по сервису ULVAC, NOLEK и PedroGil — модернизация и обслуживание вакуумных насосов и аналитических систем

Базовые темы обучения:

  • Вакуумная техника и контроль герметичности в авиационной и космической отрасли
  • Герметичность объектов военного назначения
  • Выбор вакуумных насосов и течеискателей для металлургии, научных исследований и коммерческих задач
  • Ремонт вакуумных печей и напылительных установок
  • Автоматические линии контроля герметичности».

После прохождения итогового тестирования специалист получает методические материалы, видеозапись занятий и удостоверение о повышении квалификации государственного образца по университетской программе дополнительного профессионального образования. Занятия будут проходить в Санкт-Петербурге в аудиториях университета СПбГЭТУ «ЛЭТИ» с посещением сервисного участка ВАКТРОН. Для направления на обучение необходима предварительная регистрация. Регистрация участников: 8 (812) 740-66-02, Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

Скачать приглашение и программу курса (DOC)


8-812-740-66-02
8-812-989-04-49
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.