离线Low-E镀膜生产线真空系统设计

罗松松,张超群

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

离线Low-E镀膜生产线真空系统设计

罗松松,张超群

(中国建材国际工程集团有限公司,蚌埠 233018)

真空系统是离线Low-E镀膜生产线的基础,其设计的优劣直接影响镀膜质量。该文通过对离线Low-E镀膜生产线真空系统的分析,得出相关真空系统最佳配置方案及设计方法。

Low-E镀膜; 真空系统; 真空设计

Low-E镀膜玻璃由于其具有优良的光学性能和节能效果,加之在国家绿色节能政策的引导下,近年来得到大力的发展,广泛地用于建筑及汽车的挡风玻璃,但更多的与普通玻璃组合成中空玻璃使用,既保护膜层又增加隔热效果,低辐射镀膜中空玻璃是目前公认的节能效果最佳的建筑用玻璃[1]。Low-E镀膜玻璃性能的优劣取决于镀膜生产线的好坏,离线镀膜生产线相比在线镀膜生产线具有生产的镀膜玻璃质量稳定可靠、成品率高以及膜系多样化的优点[2],占有国内Low-E镀膜的绝大部分市场。离线Low-E镀膜是通过磁控溅射原理,在真空环境中用荷能粒子去轰击靶材,从而引起靶材表面原子沉积在玻璃表面的镀膜工艺[3]。其中,真空环境是磁控溅射镀膜的基础,同时影响着镀膜质量。所以,想要生产出性能优良的镀膜玻璃产品的基础是性能稳定可靠的真空系统。

1 离线Low-E镀膜生产线真空系统分析

1.1 设备结构

离线Low-E镀膜生产线一般采用7段式,即进片锁室(C1)、进片缓冲室(C2)、进片过渡室(C3)、镀膜室(C4)、出片过渡室(C5)、出片缓冲室(C6)和出片锁室(C7)。

进/出片室(C1/C7):位于镀膜腔体的两端,两端分别和大气与缓冲室相连,起进片和出片的作用。气压在每个生产节拍内在大气和真空状态之间不断交换,本底真空度可达1×10-2mbar,工作压强为0.4 mbar,属于低真空范围。

缓冲室(C2/C6):两端分别和进/出片室和过渡室相连,主要起进/出片室和工艺镀膜室之间的过渡连接作用。其气压介于进/出片室和过渡室之间,本底真空度可达1×10-5mbar,工作压强为2×10-3mbar,属于中高真空范围。

过渡室(C3/C5):主要起玻璃从高速到低速进入镀膜室和玻璃从低速到高速离开镀膜室的过渡衔接作用,与镀膜室(C4)相通,且过渡室内部由于隔板的作用,使得气压成阶梯状降低。

镀膜室(C4):工艺镀膜的腔室,其本底真空度可达＜5×10-6mbar,工作压强为3×10-3mbar,属于高真空范围。

大气与进/出片锁室(C1/C7)之间,进/出片锁室(C1/C7)与缓冲室(C2/C6)之间、缓冲室(C2/C6)与过渡室(C3/C5)之间均设置有真空阀板将不同功能的腔室的真空度分开,并配备有独立的抽真空系统。由于过渡室和镀膜段之间无真空阀板,故可共用一套真空系统。Low-E镀膜玻璃表面是由5层以上不同材料的膜层组成,玻璃基板在镀膜段需经过多种靶材的溅射沉积,各磁控溅射室由于靶材和气氛都不相同,为避免相邻溅射镀膜井位气氛互串,采用在不同靶材溅射镀膜井位之间加装气体隔离装置且配有相应的分子泵能很好的起到气体隔离的作用。

1.2 真空系统的组成

真空系统是用来获得具有一定真空度要求的抽气系统。离线Low-E镀膜生产线真空系统由以下几部分组成:

1)真空获得设备:用来获得一定真空度的各种真空泵,如旋片泵、罗茨泵、干式螺杆泵、磁悬浮分子泵等。

2)真空阀门:用来改变气流方向以及隔断或者接通真空管路的真空系统元件,包括角阀、蝶阀等。

3)真空管路:抽真空的通道,多采用不锈钢无缝钢管。

4)真空测量元件:用来测量各级精度真空度的真空元件,同时测量信号用来参与系统控制,包括皮拉尼规、电离规、电容薄膜规、真空开关等。

5)真空密封元件:采用O型圈和双层密封条的静密封形式以及磁流体的动密封形式。

6)真空捕集器:用以捕集腔室内部的水分子和油分子,利用低温(-135℃)使之凝结在冷凝盘管表面。

7)控制系统:主要由控制柜、控制系统、电源柜、PLC与工控机、上位监控机以及光电开关等组成;控制系统采用可编程控制器进行现场整体控制。工业控制计算机对镀膜生产线的工艺过程进行系统控制。

8)外围附件:如冷却水、压缩空气、真空检漏设备等,用于为真空系统提供服务。真空系统具体组成结构如图1所示。

由图1可见,除C3、C4、C5三段腔室共用一套真空系统外,其余各段腔室都有独立的真空系统。每套真空系统都有独立的控制程序,可通过终端控制设备进行单独的控制。同时,终端控制电脑可实时显示真空系统运行状态,且具有报警和联锁保护功能。

2 真空系统设计

离线Low-E镀膜玻璃生产线真空系统包括低真空系统(进/出片室)、中高真空系统(缓冲室)以及高真空系统(镀膜室)。一般低真空系统采用机械泵或者机械前级泵+罗茨泵组成的串联系统给真空室排气,中真空系统采用机械前级泵+罗茨泵组成的串联系统进行抽真空,中高真空系统和高真空系统一般主泵选用分子泵、串联罗茨泵+机械泵组成的真空泵抽系统进行抽气。

2.1 设计流程和注意事项

离线Low-E镀膜生产线真空系统的设计按照以下程序进行[4]:

1)真空室已知参数的确定和放气总量的计算。

2)确定真空室的有效抽速。

3)选泵和配泵。

4)真空系统的结构设计:包括选择合适的真空阀门、管道和测量元件等。

5)绘制真空系统装配图。

以上几条是真空系统设计中不可缺少的,但在真空系统设计的过程中还应注意以下几个问题:

1)真空泵抽设备和真空腔室之间以及各级真空泵之间的连接管道应尽量做到抽气管路短、管道流导大,且管道直径不小于泵口直径;同时需要考虑安装和检修的方便。

2)防止泵的震动对真空系统的影响,需在相应的管道和泵以及和腔体连接处加装波纹管,同时需注意真空泵支脚的固定,以防振动引起真空泵的偏移。

3)便于检修和检漏,实际的生产过程中会经常检漏,为快速准确的找到漏点,应避免真空接头的密集布置并尽量减少接头的数量。

4)真空系统应尽量避开水源,防止溅水造成的损坏,尤其注意真空测量元件应远离水源。5)真空系统的设计在保证排气可靠稳定的前提下,需做到拆卸维修容易、操作方便以及较高的互换性。6)从泵排出的气体应尽量引出车间,尤其是镀膜段排出的气体中含有金属粉尘,对人体有一定的危害。7)电气控制要做到系统内的联锁保护,一旦出现故障要求能够尽量保护设备,尤其对贵重件的保护,如分子泵。

8)外围配套装置的稳定可靠,尤其是真空泵冷却系统以及压缩空气系统稳定可靠的服务。一旦停水、停气将直接造成真空泵的停机或者真空阀门的关闭,最终导致整个真空系统的停机故障,给生产带来较大的麻烦和损失。

2.2 设计计算举例

现以进/出片室真空系统的设计进行举例说明,其余类同。

2.2.1 进出片室已知参数

真空室容积:2 m3,真空室及内置物表面积:100 m2,预计抽空时间:60 s,起始压强:1 013 mbar,终止压强:0.4 mbar,本底压强:4×10-2mbar。真空室内表面放气率与结构材料、温度、压强和抽气时间有关,一般采用经验数值:5×10-7mbar·s-1·cm-2。

2.2.2 主泵的选型计算

由于进/出片室工作压强从大气压到0.4 mbar循环变化,极限真空为4×10-2mbar,属于低真空抽气阶段,同时要求该主泵具有耐大气冲击的能力,此阶段抽气通常用罗茨泵来完成。

1)粗算主泵抽速 大多数真空泵的抽速都随其入口压强的变化而变化,尤其是机械真空泵,由于进/出口室属低真空室,且排气量大,可将泵的抽速看做近似常抽速。

根据经验公式可求得主泵对真空室出口所造成的有效抽速为

其中:Se为主泵对真空室出口所造成的有效抽速(L/s);V为真空室的容积(L);t为抽到终止压力所需的时间(s);P1′为抽气开始时真空室内的压强(Pa);P2″为抽气结束时真空室内的压强(Pa);Pu为真空室内的极限压强。

将进/出片室各参数代入式(1)计算

由于选泵前真空室出口到主泵入口间的管道未知,其流导也未知,故主泵的抽速无法计算。此时,可用经验公式计算其中:Ks为主泵到真空室出口的抽速损失系数。

当主泵到真空室之间不采用捕集器时,Ks=1.3～1.4。选取Ks=1.4,代入式(2)计算得:

由于随着压力的变化,实际罗茨泵的抽速会受到一定的影响,不可能以满抽速运行,故其最大抽速必定大于1 335.6 m3/h。据泵厂家选型样本,可定出主泵抽速在2 000 m3/h左右为宜。

2)验算抽气时间 进/出片室抽气时间可按低真空近似常抽速时计算

由于罗茨泵随着压力的变化,抽速在不断的变化,故实际抽空时间要稍大于40 s,但我们要求的抽空时间是60 s,所以存在15 s左右的余量可作为快速抽空储备。图2为通过软件分析计算得出的进/出口室泵抽速率曲线,从图2中可以看出配备主泵抽速在2 000 m3/h时,从大气状态抽到0.4 mbar的时间为45 s,这和我们上述计算结果一致。

3)前级泵的配置 罗茨泵作为主泵时,前级泵的抽速可根据以下经验公式选取

其中:S1为罗茨泵的抽速,m3/h;S2为机械泵作为前级泵的抽速,m3/h。

将罗茨泵的抽速S1代入式(4)计算,得:S2=(0.1～0.5)×2 000=200～1 000(m3/h)。

由于进出口室压强是从大气压到几十帕的范围,其排气量很大。前级泵在经过低真空管道时抽速要损失,且罗茨泵对气体的压缩比较小,故前级机械泵需要选择较大的抽速。

2.3 真空系统配置图

根据上述的步骤和方法,我们最终得出离线Low-E镀膜生产线真空系统布置图(60 s方案)如图3所示。

进出片室:750的旋片泵+2001的罗茨泵+真空规、阀门、管道等(各2组)。

缓冲室:300的旋片泵+1001的罗茨泵+2台2300的分子泵(并联)+真空规、阀门、管道等(各1组)。

镀膜段:630的干泵+2台2001的罗茨泵(并联)+若干台2300的分子泵(并联)+真空规、阀门、管道等。

3 结 语

真空系统设计的好坏是离线Low-E镀膜生产线能否生产出优质镀膜玻璃的重要影响因素。该文通过对离线Low-E镀膜生产线真空系统的分析和设计计算,得出一套完整的离线Low-E镀膜生产线真空系统配置方案(60 s方案),并找出一套真空系统设计方法,为后续真空系统的设计提供了参考。

[1] 张义武,刘志海.Low-E玻璃现状及趋势[J].玻璃,2012,39(3):38-40.

[2] 刘欣向.在线与离线Low-E玻璃的比较和选择[J].玻璃,2004,31(6):60-62.

[3] 汉斯·琼彻·格雷瑟.大面积玻璃镀膜[M].董 强,译.上海:上海交通大学出版社,2006.

[4] 张以忱.真空系统设计[M].北京:冶金工业出版社,2013.

Vacuum System Design of Off-line Low-E Coating Line

LUO Song-song,ZHANG Chɑo-qun
(China Triumph International Engineering Group Co,Ltd,Bengbu 233018,China)

Vacuum system is the basis of off-line Low-E coating line,its design directly affects the quality of coating.This paper finds the best configuration scheme and design method by the analysis of vacuum system of off-line Low-E coating line.

Low-E coating; vacuum system; vacuum design

2014-06-23.

罗松松(1983-),工程师.E-mail:luoss@ctiec.net

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.04.010