机械真空泵抽气系统（2）
4 用油封机械泵抽除含腐蚀性和磨蚀性气体
1 被抽危险气体的种类
目前在很多工业应用领域，采用油封式机械泵（旋片泵和滑阀泵）真空系统抽除大量的含有化学活性、腐蚀性及磨蚀性的气体，其中以微电子及半导体工业较多。在半导体晶片加工工艺中需要抽除的气体可能是腐蚀性的、易燃的、磨蚀性的、有毒的、或与普通真空泵油不相容的，要求真空泵在运转中振动噪音小并具有高度的可靠性。
表5-4中所列为一些典型的被抽除的危险气体，腐蚀性气体和反应生成物，当它们达到一定浓度时是危险的，在处理和抽除时必须特别小心。
▲ 表5-4 真空系统中被抽的危险气体种类
2 机械真空泵油的选择
机械真空泵和真空泵油（工作介质）必须能耐得住半导体工业生产中的活性气体，这些气体一般常为氯或氟基，能生成氯化氢和氟化氢酸，这种酸能降低矿物油的性能并对泵产生腐蚀。此外，被氯化的化合物能够促进烃油的迅速聚合，这种烃油与被抽气体中的悬浮粒子和腐蚀性有机物残渣相结合可对机械真空泵造成很大的危害。
用于半导体工业的油封式机械真空泵（例如，旋片泵和滑阀泵），在泵的工作循环和被抽蒸汽被压缩的过程中，被抽气体中的磨蚀性粒子可能被挤进泵转子与泵体或泵体与旋片、旋片与转子之间的间隙中，并使被抽蒸汽在泵腔内冷凝与油混合。一旦蒸汽与油混合就难以清洗，将导致一定程度的化学破坏作用。
采用普通机械真空泵油与任何腐蚀性废气发生反应，油必须不断地过滤和清洗，或是经过一定使用时间即废弃不用，这是降低真空泵腐蚀的一种慎重的方法。但是更换泵油和过滤器的成本是很高昂的。
抽除如氧等某些有易爆危险的气体时，最好使用惰性真空泵油。常用的惰性真空泵油有过氟聚醚（Fomblin）和三氟化氯乙烯的聚合物（Halocarbon）等。
由于惰性的泵工作液的成本高，所以希望泵的注油量要尽量地小。这与对普通机械真空泵油的要求相反，普通机械真空泵油的较大注油量意味着工作液的不常更换。如果具有从泵底部附近进行供油的 方便条件，就能满足上述两种要求。
3 真空泵油的处理
泵在腐蚀环境中抽除腐蚀蒸汽时必须除掉腐蚀蒸汽与惰性工作液形成的乳化酸，否则当泵空转的时候，这种酸能浮在惰性工作液的上面，从而腐蚀机械泵，造成重新起动的困难，或者可能卡住泵的旋片。要除掉乳化酸，则必须对真空泵油进行有效的过滤。当泵油能满足泵的正常运转时，必须不断地过滤以使污染降到最小。
为了油封机械真空泵中得到最好的工作条件，最好过滤除去被抽气体中的磨蚀性粒子。因为在多数场合，在腐蚀性气氛下引起真空泵工作困难的是泵油裂解和污染的结果，因此在半导体工艺中除了过滤被抽气体中的粒子以外，还必须除去酸和裂解油。
当使用普通机械真空泵油抽除腐蚀性气体时，泵应该采用大油箱，以便增加换油周期，这样也必须采用大容量的过滤器。对像二氧化硅这样的微粒，可用额定2～0.5μ的过滤器。当出现大量的溶剂和酸时，就要求使用活性碳过滤器。活性碳可以清除酸和由裂解油生成的油渣等微粒物质。
当使用惰性真空泵油时，为了减少过滤器的频繁更换和附带的泵油损失，要求采用大容量的小型物理过滤器。实际应用表明，纤维素过滤介质在减少酸性污染方面是有效的，而且大部分工作液易于回收。还可以采用活性碳过滤器从惰性真空泵油中清除腐蚀性酸。
4 用惰性气体清洗
对于 HCl 、HF、BF3和SiF4等工艺反应放出的气体，当它们与空气和水混合后，能够生成低蒸汽压的酸，或生成微粒物质。在这种抽气过程中所使用的真空泵应该经常采用氮气清洗系统，将有毒的或危险的气体稀释到较安全的浓度，就能获得较好的抽气效果。在某些过程中，由于被抽蒸汽的流量较大必须直接把氮气导入到抽气管路中，但是此时要求真空泵的抽气量足够大，能够及时处理放进去的氮气，使真空室达到一个满意的压力才可操作。当真空处理室要求高真空时，可使用以旋片泵作为前级泵的罗茨泵抽气系统，把氮充进两泵之间。在许多过程中，要求的充氮量较小，把氮导入泵的气镇装置中以处理放出的气体。然而用氮气镇泵处理蒸汽的量在很大程度上取决于泵的温度，水冷真空泵采用恒温控制水阀控制泵温，风冷真空泵用改变空气流量的办法来控制泵的温度。
也可在真空泵的进气口采用冷阱或吸附阱来冷凝或过滤被抽气体，在吸附阱中常采用活性碳、氧化铝、13X型分子筛等吸附剂。活性碳的特殊优点以及它抽除大量水蒸汽时较高的吸附能力，使它成为用于这种型式冷阱的最合适的材料。
5 真空泵的检修
在某些抽气过程中排除易爆和有毒的气体需要采用精心的预防措施。一部份气体可能留在真空泵里，连同酸污染危害维护人员的健康，在维修期间不应忽视。
在真空泵换油或维修开始之前，要用氮气把危险气体从真空系统中清除。既使用氮气清洗过了，也必须采取足够的防护措施，因为危险气体可能留在泵的沟槽里或与泵油混合。
真空泵换油要在通风良好的地方进行，操作者应有必要的防护措施。在拆卸泵时，也将采取同样的防护措施，在检查与重装前要对零件进行彻底清洗。
5 油封机械真空泵排气油雾的防治
1 机械真空泵喷油污染现象分析
油封机械泵是真空设备中常用的真空泵，在油封机械泵的排气过程中，悬浮在被抽气体中的油滴随气体一起被排出，在泵的出口形成油雾，由此产生了油封机械泵的排气喷油现象。随着油封机械泵进气压力的升高，油雾的生成量也随之上升，喷油现象也越来越严重。随排气而排出的大量油滴由于扩散及吸附作用，会在极大范围内附着在物体表面形成油附着层，此附着层形成的速度取决于排出气体的油滴含量、排气方法以及被附着材料的表面性质。该附着层会对周围环境构成严重的污染，并妨碍操作人员的身体健康，浪费泵油。
为了有效地分离及过滤排出气体中的油滴，首先对含有油滴气体的性质进行分析。如图5-28所示，油封机械泵排出的油雾为多种物质的混合物，一般由油滴、被排出气体和少量的其他组分构成。一般来说，油滴为烃类分子的聚合体，分子量较大，被排出气体的分子量要远小于油滴的分子量，并且二者之间一般不发生化学反应。当对排出气体中的少量的其他组分忽略不计时，油滴与被排出气体的混合物为液体微粒分散在气体介质中所形成的液一气分散体系，其中被排出气体为分散介质，油滴为分散相，并且油滴在被排出气体中能保持相对的稳定性，油滴遵循流体运动规律，受布朗运动的支配并借助布朗运动在被排出的气体中实现扩散过程。
▲ 图5-28 排出混合气体的组分示意图：1－油滴；2－排出的气体；3－其他组分
在油封机械泵排出气体中的油滴直径大约在0.01～0.8μm之间，这样小的油滴不能用一般的编织网或油气分离装置完全消除，需要另外附加各种各样的专用过滤器或捕集器。
由于油滴的布朗运动，在机械分离系统中，油滴可以通过两种物理途径被清除：一种是彼此之间发生碰撞而合并凝结，形成足够大的颗粒而发生重力沉降；另一种是向各种表面迁移而粘附在物体表面发生扩散沉积而被清除。这两种途径的实现基础在于降低被排出气体的运动能量即降低被排出气体的流动速度，因此为达到良好的清除效果，应当尽量在油雾分离过滤系统内建立粘滞流的流态环境，并给予油滴尽量长的沉降时间来实现油滴的合并凝结与扩散沉积。但是要完全实现被排出气体的流动速度为零也是不现实的，为此在设计时要做到使被排出气体的流动速度尽可能低，在系统中采用高分离效率的机械分离系统。
2 降低喷油量与油气分离捕集装置
降低油封机械泵的喷油量是解决问题的根本途径，降低喷油量就要尽量降低从排气阀排出的含油气体的流动速度及含油气体冲击油箱内油面的速度，尽量降低从排气阀排出的含油气体的油滴含量，为了降低喷油量就要求对真空泵设计制造的各个环节进行严格的过程控制，尽量减少各种不利的影响因素。
随着环保要求的提高，新型旋片泵一般都在泵的出口设置油气分离装置。防止油雾污染工作环境有两种方法：
1）在机械泵的排气口接上管道，并通向室外的油气分离装置。小型泵可用橡胶管，大型泵用金属管道。这种方法适用于大型真空设备，以及机械泵有固定安装位置的情况。
2）在机械泵的排气口上，安装分离油雾的捕集器。油雾分离捕集器可以把真空泵油从被抽气体中分离出来，使泵油重新返回到机械真空泵的油箱中。油雾捕集器的挡油体是用多孔材料制成的，有一定的消声作用，可以减小机械真空泵的排气噪声。
油封机械泵的油气分离捕集系统可如图5-29所示，典型的机械式油气分离捕集装置可采用多级配置，首先在真空泵内配有内置油气分离器，有伞型、S型、单罩型、双罩型及反击式双旋风型等等，可以将排出气体中的大油滴与气体分离。其次是泵外部油气分离器，可以是旋风式分离器或者碰撞罩填料组合结构等等，旋风式分离器一般能够制成大型装置，而碰撞罩填料组合结构一般仅用于小抽速的机械真空泵，碰撞罩可以除去较大的油滴，填料用于收集小油滴。第三级可设置油雾捕集器，可以由烧结的多微孔材料制成，用于捕集剩余的微小油滴。为了回收利用排出的油滴，一般都会设置回油管将分离收集的真空泵油回流至真空泵内循环使用。
▲ 图5-29 油气分离捕集系统示意图
▲ 图5-30 油雾捕集器简：（a）1－进气口；2－排气口；3－过滤元件；4－观察窗；5－放油口；6－安全阀；（b）1－过滤元件；2－单向阀；3－贮油盘
图5-30给出了两种油雾分离捕集器的结构简图。这两种油雾分离捕集器均采用过滤分离原理制成的，其主要部件挡油体（过滤元件）是用多孔材科制成的。
其中图5-30（a）所示结构适用于小型机械真空泵，可过滤的油滴直径大约为0.01～0.8μm，这样小的液滴不能用一般的编织网过滤，而是采用特殊纤维制成过滤装置来实现油气分离，其中要有足够小的微孔吸收油雾。过滤元件3是用多孔树脂与玻璃纤维压成片，然后卷成圆筒制成的，置于圆筒形油雾分离器之中，排出的气体由泵出口进入分离器，气体经过过滤元件后，到达过滤器出口时已经得到净化。油在分离器中被收集，收集的油量可由观察窗看到。当过滤元件被堵时，压力将增加。当压力达到 1.5×105Pa时，分离器的安全阀打开，此时必须清洗或更换过滤元件。
图5-30（b）所示结构适于大型机械泵，其主要部件有：挡油过滤元件、单向阀及贮油盘。其挡油过滤元件是由玻璃毡及金属网构成的。油封机械真空泵工作时，含有油雾的气流经过挡油体过滤后，气体被排到大气中去；而油雾被过滤元件分离出来变成油，并集聚在贮油盘中。贮油盘下面装有单向阀，此阀由阀片及弹簧构成，弹簧支撑阀片。弹簧弹力很弱，当泵停止排气时，由于阀片的自重或贮油盘的油压力均可以使单向阀打开，油经过单向阀流回到油箱中。泵排气时，由于排气口处的压力大于大气压，因而使单向阀处于关闭状态中，气流只有经过挡油过滤元件才能到大气中去，这样便达到了分离油雾的目的。
3 电子油雾净化系统
A 净化原理及流程
电子油雾净化系统是一种对机械真空泵排气油雾进行净化处理的高效油雾净化设备。电子油雾净化系统的技术关键在于利用了常气压电晕放电技术对油雾进行处理。其基本方法是根据气溶胶的分化原理，采用两步法来净化油雾，首先利用冷却装置减低含有油滴气体的体积及运动能量，从而增加分子间的吸引力，再利用机械分离系统分离出较大油滴，然后利用高电压形成高压静电场，在大气压力下通过高电压电晕放电作用将气流中的较小油滴颗粒加以炭化捕集。
系统的净化流程如图5-31所示，一般来说电子油雾净化系统的本体压力损失不会大于200 Pa，因此并不是所有的系统内必须配置抽风机，只有在某些排气阻力太大的系统上才需要设置。
油雾被排出油封机械泵后，首先经过机械分离系统产生分化，此过程为物理作用过程，油雾中的油滴不发生化学变化。机械分离系统的核心在于迷宫分离系统，有时也辅助以吸附过滤系统。分离系统根据其每阶段构成的运动状态，采用多种形状、多层分离板进行拦截处理。在减弱油滴的运动能量后将其拦截在分离板的表面。由于油滴的运动为布朗运动，油滴会自动扩散至整个机械分离系统表面，在通过分离系统的不等规则的间隙后，较大的油滴就会从气流中脱离出来，吸附在分离板表面上产生沉积。
▲ 图5-31 油雾净化系统流程图
经过机械分离系统处理过的油雾被转入高压静电场多级发生器中，多级发生器在28～30 kV的电压作用下产生高压静电场（在工作时静电场产生紫光，由于紫光中含有紫外线，用户尽量不要长时间注视紫光）。通过脉冲、监控、自动保护电路产生强有力的瞬间吸放及高电压电晕放电，空气中的氧气（O2）经过静电场时被荷电，从而被碰撞分离后产生臭氧（O3），在电场力的作用下臭氧及油雾朝集尘极运动，当经过静电场的尖端放电处时，油雾中的油滴就被臭氧的极强氧化作用所裂解而产生炭化，同时在整个静电场中炭化的粉末也带有电荷，在电场力的作用下使炭化粉末朝下一级的静电场的集尘极运动，进行进一步的催化、氧化并彻底分解，从而被吸附、收集，在此过程中，油雾中的油滴被裂解炭化，油滴的化学性质发生了根本变化。
其次，空气中的氧气被高压电晕放电氧化而产生的臭氧本身具有杀菌、消毒的作用，因此在一定程度上经过油雾净化系统处理的气体会被杀菌消毒，在一定程度上这种消毒作用会给用户带来工作环境上的净化，用户使用时最终会得到干净清洁的空气。
对于液滴气溶胶，当液滴上的电荷数增加而使得电荷相互排斥的力大于液滴的表面张力时，液滴在此作用下则会破裂，形成更小的液滴。因此一般来说，在油雾净化系统电场内的油滴直径要小于0.1μm。对于小于0.1μm的粒子，由于单极性离子扩散而产生的油滴及炭化粉末扩散带电为荷电的主要形式。因此如何使带电油滴及炭化粉末与系统产生的臭氧发生充分混合后产生充分碳化就成为了关键因素。提高系统的后级净化效率的关键也在于此，因此在设计上应保证能产生足够浓度的臭氧并保证带电油滴及炭化粉末与臭氧的混合比。
B 电子油雾净化系统的应用特点
1）由于电子油雾净化系统的原理为常气压电晕放电技术，所以当设计结构定型后，净化系统在一定时间段内只能对一定量的油雾进行处理，也就是说在一定时间段内，净化系统并不能无限制地进行净化处理，因此在实际使用时为达到良好的效果，系统应当配合以重力油气分离装置，如旋风分离器等，尽量不要单独使用电子油雾净化系统来处理油雾（参见图5-31）。这时重力油气分离装置起油气分离预处理的作用，电子油雾净化系统仅仅当作油雾捕集器使用，在实际应用过程中二者配合使用后对油雾的去除效率可以达到令人满意的水平。
2）同大多数机电一体化设备一样，电子油雾净化装置同样需要进行周期性的清洗维护，否则油雾净化的效果会大大降低。一般来说净化装置应当每二个月清洗一次，主要为检查器件及清洗油污；另一方面，如果用户使用油气分离装置预先去除大部分的油滴，则进入电子油雾净化系统的油滴可相应减少，净化系统的处理负荷也大大减轻，显而易见在这种情况下，维护的时间间隔可以大大延长。
3）电子油雾净化装置也有它的适用范围与适用场合。在高压静电场内存在电晕放电过程，在某些情况（例如绝缘失效）下极有可能会转化产生火花放电，此时如果被排出气体为易燃易爆气体，则火花放电极有可能会导致易燃易爆气体产生起燃或爆炸，因此此系统不适合在存在易燃易爆气体的场合应用，用户在选型时应当特别注意到这一点。
6 机械真空泵油的过滤与更换
机械真空泵如果在运行中遇到如下情况，则造会成泵的损坏：
1）在泵的运行过程中油中混入大量的水，使泵的润滑和密封性能变坏，入口真空度上不去。如果继续运行会使泵温升得很高，拉伤泵腔及泵腔内的转动元件，甚至卡死。
2）一些粉尘状杂质进入真空泵内混入油中，这些杂质逐渐沉积在油箱底部，使油路系统堵塞，使泵出现缺油运行，也使泵的润滑和密封性能变坏，极限真空度变差，这时泵会发出“嘎嘎”清脆的声音。如果此时泵停止运转一会儿，让油返流回泵腔少许再重新启动泵，则在短时间内泵的极限真空会很好，但运行几分钟后又会有同样的现象出现，泵的极限真空又变差。如果继续运行，也会损坏泵腔及转动件。
3）有较大的颗粒状杂质进入泵内，使泵腔直接拉伤。
用于真空干燥设备的真空系统经常会出现上述引起机械真空泵损坏的现象。因为真空干燥处理的目的就是为了排除水蒸气。另外，被干燥的材料或产品在干燥前的储运及制造过程中以及真空罐本身在敞口期间，难免带进不少粉尘和颗粒状杂质。在真空系统处于高压力抽气阶段时，这些杂质有可能被湍流状气流带进真空泵的泵腔内。
为了避免出现由于上述原因而导致机械真空泵损坏，除了要求在工艺过程中尽量使真空系统清洁外，可在真空泵的进气口安装过滤网，阻挡从进气口可能进入到泵腔的杂质污物。在泵的进气口处设置捕污腔，防止万一泵进气口的网破坏或别的原因使污物进入进气口，也只能落在捕污腔中，而不会进入到真空泵腔内。
为防止泵油中的粉尘、颗粒物质随泵油一起进入泵腔，对某些工艺过程，在泵运转过程中应设有连续泵油过滤装置。灰尘、杂质及被污染的油沉入主油箱底部后，通过回油管流入副油箱经过分离、沉淀，乳化后的油、水、灰尘和杂质沉入副油箱底部由排放阀定期放出，而相对干净的油则由设于副油箱中上部的过滤器过滤后经进油管进入分油腔后供给端盖和泵腔工作。
过滤器内的过滤芯在油经过时挡住了机械污染物，净化了泵油。在过滤器上常常设置压力表以显示过滤器是否堵塞。当压力增加，油不能正常流动时，即为过滤器堵塞，应更换或清洗过滤芯。
旋片泵一般每周检查一下油量。换油的时间间隔依工作条件而定。一般因油润滑不良、油分解或污染物太多使泵极限压力上升时，就需要更换油了。
*未完待续，下一讲：《机械真空泵抽气系统（3）》
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