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全玻璃真空集热管镀膜设备的发展
来源:http://www.hongyu119.com | 作者:pro782345b3 | 发布时间: 2019-11-16 | 121 次浏览 | 分享到:
本文主要介绍了全玻璃真空集热管镀膜设备的发展历程,重点描述了集热管镀膜设备发展过程中的重大改进,以及镀膜设备提高生产效率和节能降耗的方法,对其他行业镀膜设备的发展和改有
一定的借鉴意义。
    从 1985 年初,全玻璃真空集热管的核心技术—渐变型 Al /AlN-Al/AlN 太阳能选择性吸收膜层取得实验成果 [1,2],进入生产实用阶段,到今天干涉型 Cu/SS-AlN/AlN 选择性吸收膜层[3]实现大规模工业化生产,全玻璃真空集热管经过三十多年的发展,从一个实验室的研究成果发展到大规模生产,走进千家万户,为人们提供生活热水和其他形式的热应用。在全玻璃真空集热管从实验室到大规模工业化生产的发展过程中,制备太阳能选择性吸收膜层的镀膜设备也经历了单靶磁控溅射镀膜机、三靶磁控溅射镀膜机、自动连续集热管镀膜线三个主要阶段,实现了从初期一炉一炉单体间歇式生产模式升级到现代化的自动连续生产模式,成为一个科研成果从实验室到大规模生产产业化非常成功的产业,为人们更好的利用太阳能提供了便利。
    太阳能选择性吸收膜层由三部分组成,由内到外分别是金属层 / 吸收层 / 减反层,其中根据吸收层膜层结构的不同分为渐变集热膜和干涉集热膜,渐变集热膜吸收层由三层组成,由内向膜层的金属成分逐渐降低;干涉集热膜吸收层由两层组成,靠近金属层的吸收层金属成分含量高,另一个吸收层膜层金属成分含量低。
1 单靶磁控溅射镀膜机
    在太阳能选择性吸收膜层的发展中,最先实现大规模生产的是渐变集热膜[4],它由单靶磁控溅射镀膜机制备。单靶磁控溅射镀膜机于 1991年首次出现在市场上,由北京仪器厂李云松高工、殷志强教授等人设计,北京凯华全玻璃真空集热管厂首次采用[5]。单靶磁控溅射镀膜机是一种立式圆形罐体前开门结构的设备,设备内径Ф700mm,一根直径 Ф70mm 磁控溅射铝靶安装在罐体的圆心位置,镀膜过程中支杆围绕着中心的柱状靶进行公转,支杆公转的同时进行自转。单 靶 磁 控 溅 射 镀 膜 机 的 真 空 系 统 由 一 台K500 扩散真空泵和一台 2X-70 型机械真空泵组成。K500 扩散真空泵是真空系统的主泵,2X-70型机械真空泵既是整个真空系统的预抽泵,又是扩散真空泵的前级泵,可以通过电磁阀进行切换。磁控溅射靶是转靶芯的 360 度溅射靶,该靶靶芯安装三条磁铁,形成三组各自独立的辉光跑道。单靶磁控溅射镀膜机的镀膜玻璃管直径是Ф37mm,每炉可生产 30 支。
    单靶镀膜机使用的工艺是渐变集热膜工艺,膜层结构是 Al/AlN-1/ AlN-2/ AlN-3/AlN,金属层是金属 Al,吸收层 AlN-1、AlN-2 和 AlN-3 是金属含量逐渐降低的铝氮铝陶瓷,减反层是 AlN 陶瓷。其中金属层用磁控溅射的金属态溅射模式制备,吸收层和减反层是用反应溅射模式制备。单靶镀膜机的优点是仅用一支靶就可以完成整个太阳能选择性吸收涂层的制备[6]。
2 三靶磁控溅射镀膜机
2.1 850 型三靶磁控溅射镀膜机
    渐变集热膜在实际应用中,由于它的膜层反射曲线不陡峭,随着温度的升高,膜层发射比急剧上升,导致集热管热损升高,不能为人们提供高品质生活热水。针对渐变集热膜存在的缺陷,悉尼大学的章其初博士[7]将自己发明的干涉集热膜带到了国内,并迅速推广开来。干涉集热膜工艺又分为单靶干涉集热膜工艺和三靶干涉集热膜工艺,单靶干涉集热膜工艺与单靶渐变集热膜工艺相比,虽然膜层的性能有了大的提升,但铝金属不耐高温,排气过程中易变色,产生大量废品,给企业造成损失,所以单靶的干涉集热膜工艺也逐渐退出市场。三靶干涉膜工艺中,使用了Cu 靶、Al 靶和 SS 靶三种靶材,其中 Cu 做金属底层,SS+AlN 做吸收层,AlN 做减反层,膜层的结构是 Cu/SS+AlN(高金属含量)/SS+AlN(低金属含量)/AlN。三靶干涉集热膜吸收层中使用了耐高温的不锈钢做金属陶瓷中的金属,提高了膜层的耐温性,排气过程中不会出现膜层变色的废品;同时三靶干涉集热膜层用 Cu 做金属底层,不仅膜层的发射比比较低,而且从集热管管口看,集热管内部是铜金属层的颜色,在市场上比较容易被顾客辨识,市场认可度较高。
    850 型三靶磁控溅射镀膜机于 2001 年首次出现在市场上,由皇明太阳能集团有限公司的章其初博士设计,沈阳百乐真空技术有限公司制造,这种镀膜机在市场上累计销售了约 1000 台。型三靶磁控溅射镀膜机仍然采用单靶镀膜机的立式圆型罐体前开门结构,设备内径 Ф850mm,三根直径 Ф70mm 磁控溅射靶布置在真空罐体中,为了避免靶之间的相互溅射污染,在镀膜室中用溅射挡板将镀膜机内腔分为三个区,每个区中有一根靶,工艺过程中支杆围绕着罐体圆心进行公转,在公转的同时进行自转。
    三 靶 磁 控 溅 射 镀 膜 机 的 真 空 系 统 由 一 台K600 型扩散真空泵、两台 2X-70 型机械真空泵和一台 2X-25 型机械真空泵组成;K600 型扩散真空泵是整个真空系统的主泵,两台 2X-70 型机械真空泵既是真空系统的预抽泵,又是扩散真空泵的前级泵,2X-25 型机械真空泵作为维持泵,其作用是在镀膜机开关机期间和每次镀膜完成开门期间代替两台 2X-70 型机械泵作为扩散泵的前级泵,可以降低能耗。
    在镀膜机发展到三靶镀膜机的同时,为了适应三靶的溅射工艺和提高靶材利用率,磁控溅射靶进行了两项主要改进:
1) 转靶芯 360 度溅射靶改为转靶管的定向溅射靶[8]在三靶镀膜机中,为了防止一种靶材溅射时对其他靶材的溅射沉积污染,镀膜室中设置了一个三叶溅射挡板进行相互隔离, 如果继续用转靶芯的 360 度溅射靶,会使大量膜层成分溅射到挡板上,造成浪费;同时溅射在挡板上的积膜,会在每次开门期间吸附气体,在镀膜过程中因溅射使挡板温度升高,释放出吸附的气体,造成溅射电压的不稳定,从而影响膜层的质量,所以将溅射靶由三条磁铁转靶芯的 360 度溅射改为单条磁铁转靶管的定向溅射,用配重块替代靶芯轭铁上的两条磁铁,该靶溅射时只有一个辉光跑道,这样磁控溅射靶溅射出来的靶材成分绝大部分都会沉积玻璃管上,只有少部分沉积在衬板上,提升了真空室的真空环境;同时溅射靶电源功率集中在一个辉光跑道上,靶的功率密度是 360 度溅射靶的 3 倍,提高了膜层的沉积速度,从而可以有效缩短工艺时间,提高生产效率。
2) 消除磁控溅射靶两端的凹槽
    磁控溅射靶的靶管在使用过程中逐渐被溅射刻蚀,当靶管的最薄处小于 3mm 时,靶材达到使用寿命,需要更换新的靶管。由于溅射靶靶芯的磁场两端较强,靶管溅射后的形状如下图 7 中a 图所示,由于两端凹槽的存在,导致靶材的利用率非常低,为此在靶芯的两端用磁场强度 1800高斯的铁氧体弱磁铁代替磁场强度 4500 高斯的铁硼强磁铁,降低靶芯端部的磁场,从而降低靶管端部的溅射速率,避免端部凹槽出现,提高靶材的利用率。靶芯轭铁两端加弱磁铁靶管溅射后的示意图如图 7 中 b 图所示。
2.2 1050 型三靶磁控溅射镀膜机
    随着真空集热管大规模生产的进行,厂家对镀膜机的产能有了更高的需求,2009 年沈阳百乐真空技术有限公司推出了由王光华高工设计的1050 型三靶磁控溅射镀膜机[9 ],这种镀膜机在市场上累计销售了将近 300 台。1050 型三靶磁控溅射镀膜机罐体的直径为 1050mm,磁控溅射靶的布置与 850 型三靶镀膜机相同;此种镀膜机的转架借鉴工具硬质膜镀膜机工件的装载方式,每根主支杆上带动 6 根支杆,每炉的装载量由原来的 32支增加到 72 支,提高了单位时间内单台镀膜机的产能,进一步提升了镀膜机的生产效率。
3 自动连续集热管镀膜线
    单靶磁控溅射镀膜机和三靶磁控溅射镀膜机都是一炉一炉间歇式进行镀膜,每炉玻璃管镀膜工艺完成后,真空室必须放大气,装卸玻璃管,在镀膜设备的开门期间,真空室内部件会吸附气体,在抽真空和镀膜期间再放气脱附,在镀膜过程中镀膜工艺受到放出气体的影响,各炉镀膜玻璃管之间膜层的光学性能重复性较差;同时随着真空室室壁溅射积膜的增加,吸附的气体也越多,导致镀膜机的抽速下降,进而影响镀膜的生产效率。为进一步提高生产效率和提高真空集热管的质量,2007 年皇明太阳能集团有限公司首次建成了由章其初博士、孙治民高工等人共同设计制作的全自动连续集热管镀膜线[10],后又连续建设了四条全自动连续集热管镀膜线,淘汰了本公司使用的三靶磁控溅射镀膜机。该镀膜线由进管室、进管过渡室、镀膜室、出管过渡室和出管室共计五个真空室组成,相邻两真空室之间装有隔离阀。自动连续集热管镀膜线真空腔室组成示意图如下:沉积 Cu/SS- AlN/AlN 选择性吸收膜层的镀膜室靶位示意图如下图 11 所示。镀膜室中共装有14 组孪生靶,合计 28 支圆柱靶,其中金属层布置两组孪生 Cu 靶;高金属吸收层布置四组孪生Al 靶和四组孪生 SS 靶,Al 靶和 SS 靶相对布置;低金属吸收层靶位的布置与高吸收层靶位的布置相同;减反层布置四对孪生 Al 靶。玻璃管架通过镀膜区时除了管架平移运动外,每支玻璃管还进行自 转,这 样在 玻 璃管 外 表 面上 均 匀 沉积Cu/SS- AlN/AlN 选择性吸收膜层。管架的行进速度和玻璃管的自转速度以及磁控溅射靶应用的功率要保证金属陶瓷吸收层中金属亚层和陶瓷亚层二者均匀掺杂,同时金属亚层或陶瓷亚层的厚度小于 2nm。
    镀膜线每天 24h 连续运行,镀膜区连续不间断镀膜,只需人工把清洗干净的玻璃管在上管区装在玻璃管架上,镀完膜后人工在下管区把玻璃从管架上卸下即可。管架在镀膜线内部和镀膜线外部都有自动的传输系统,可以保证管架循环流转;一名技术员在控制室监控整个镀膜线系统的运行,整个镀膜线运转只需要 3~5 个人。镀膜线每天的产量可以达到 2.0 万支左右,年产能约500 万支,相当于约 30 台三靶镀膜机的产能。自动连续镀膜线有如下主要优点:(1) 镀膜区始终在真空状态下,没有真空腔室吸气放气的干扰,反应溅射电压容易控制,工艺稳定,各管架之间的镀膜重复性好;(2) 镀膜区始终在真空状态下工作,可以获得高质量金属底层,从而降低膜层发射比,制备的膜层性能优良[11];(3)镀膜线生产效率高,所需人工少,降低了企业人工成本。
4 总结
    全玻璃真空集热管的镀膜设备经历了单靶磁控溅射镀膜机、三靶磁控溅射镀膜机、自动连续集热管镀膜线三个阶段,从初期的单体间歇式镀膜设备发展到全自动连续式镀膜线,在整个镀膜设备的发展期间,本行业工程技术人员对镀膜设备进行了一系列创新性设计改进,如磁控溅射靶溅射速率的提升、靶材端部凹槽消除、转架装载量的提升等优化改进,这些改进都有效地提高生产效率和产品质量,降低能源消耗,为集热管的大规模生产奠定了基础,同时这些改进也可以为其他行业镀膜设备的发展提供借鉴。
参考文献:
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[2] 殷志强.渐变 Al-N / Al 太阳选择性吸收表面[J].真空科学与技术, 1988,8(3):141-150.
[3] 章其初. 太阳能选择性吸收表面涂层:CN 1159553A[P].1997-09-17.
[4] 李德坚. 全玻璃真空集热管及其太阳热水器在中国发展回顾[J].太阳能, 2013(4):27-29,37.
[5] 郑世民. 铝—氮/铝选择性吸收涂层溅射镀膜机的诞生与发展[J].太阳能,1997(2):27-28.
[6] 殷志强. 溅射光谱选择性吸收表面 的进一步 改善[J]. 太阳能学报,1986(3):27-35.
[7] 章其初. 全玻璃 SS- AlN 金属陶瓷真空太阳集热管[J].真空, 2010,47(4):27-31.
[8] 陈志涛. 通过防护处理的磁控溅射圆柱靶:200820123702.9.[P].2009-09-16.
[9] 王光华. 三靶多支太阳能集热管镀膜机:ZL200920012190.3.[P].
[10] 章其初. 太阳能集热管真空磁控溅射连续镀膜线系统:CN101086059A[P].2007-12-12.
[11] 池华敬. 高性能 SS-AlN 金属陶瓷真空太阳集热管的制备[J].真空, 2012,49(2):56-60.
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