CN113106428A - 一种真空感应化学气相沉积炉 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空感应化学气相沉积炉，涉及化工设备技术领域，包括炉体、真空系统和充气系统，所述炉体内设置有加热室，所述加热室外侧设置有感应加热装置，所述加热室内设置有沉积室，所述沉积室与所述充气系统连通，所述加热室与所述炉体之间为真空室，所述加热室和所述真空室分别通过管路与所述真空系统连通。本发明将真空室和沉积室设置成两个相互独立的结构，真空室和沉积室不相通，沉积气体仅通入沉积室，不仅减少了沉积气体的浪费，还便于控制沉积室内沉积气体的压力和密度；真空系统分别对真空室和沉积室进行抽真空，沉积室内排出的污染性废气可以直接排出炉体之外，避免了对真空室的污染和损坏。

Description

一种真空感应化学气相沉积炉

技术领域

本发明涉及化工设备技术领域，特别是涉及一种真空感应化学气相沉积炉。

背景技术

真空感应化学气相沉积炉是一种真空状态下，利用感应加热的方式对工件进行加热，并在沉积区充入特定组成与密度的气体，在工件表面沉积形成特殊的沉积层，或在胎具表面沉积形成需要的沉积件的一种特殊真空加工装置。当前国内采用的第一代真空感应化学气相沉积炉，采用真空室与沉积室相通(沉积室顶部设有直通真空室的排气口)，沉积尾气直排进入真空室；不同的沉积气体通过炉外的集气排汇集到设在沉积室底部直通沉积室的进气管直接充入沉积室进行沉积的结构。

第一代真空感应化学气相沉积炉，真空室与沉积室相通的结构造成沉积尾气弥漫在整个真空室内，对整套装置造成严重污染，导致设备使用寿命大幅缩短；对设备安全带来不确定的隐患；真空室与沉积室相相通的结构，不能独立控制沉积室的沉积气体，造成气体使用效率低下，大量浪费；采用直通式充气，气体在进入沉积室后有一个升温过程，而沉积室又是开放式的，造成生产效率和气体利用率低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空感应化学气相沉积炉，以解决上述现有技术存在的问题，使真空室和沉积室相互独立，避免炉体内尾气污染，减少沉积气体浪费。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种真空感应化学气相沉积炉，包括炉体、真空系统和充气系统，所述炉体内设置有加热室，所述加热室外侧设置有感应加热装置，所述加热室内设置有沉积室，所述沉积室与所述充气系统连通，所述加热室与所述炉体之间为真空室，所述加热室和所述真空室分别通过管路与所述真空系统连通。

优选的，所述加热室包括发热体，所述发热体包括发热筒、设置在所述发热筒上端的发热盖和发热管，所述发热盖呈锥形，所述发热盖通过所述发热管与所述真空系统连通，所述发热管位于所述真空室中，所述发热筒的下端设置有料盘结构。

优选的，所述发热筒、所述发热盖和所述料盘结构的外侧均设置有保温结构，所述发热筒和所述发热盖外侧的所述保温结构为保温碳毡，所述料盘结构外侧的所述保温结构为保温碳毡和高铝砖；所述保温结构的外侧设置有所述感应加热装置，所述感应加热装置为感应线圈。

优选的，所述发热体内设置有料筒，所述料筒的上端设置有盖板，所述盖板与所述料筒之间设置有间隙，所述料盘结构设置在所述料筒的下端，所述料筒、所述盖板和所述料盘结构形成所述沉积室。

优选的，所述料盘结构包括自上而下依次设置的载料盘和若干垫板，所述载料盘用于承载炉料，所述载料盘与所述垫板之间、相邻的所述垫板之间均设置有间隙，所述载料盘上设置有若干通孔，各所述垫板上开设有若干进气孔，相邻的所述垫板上的所述进气孔错位设置，所述通孔、所述进气孔、所述载料盘与所述垫板之间的间隙及相邻的所述垫板之间的间隙形成进气通道，所述充气系统与最下端的所述垫板上的所述进气孔连通。

优选的，所述真空感应化学气相沉积炉还包括进出料机构，所述料盘结构设置在所述进出料机构上，所述进出料机构包括底盘车，所述底盘车通过导向块与竖向设置的丝杠连接，所述丝杠与电机传动连接，所述导向块与所述底盘车沿水平方向滑动连接，所述底盘车的底部设置有滚轮，所述滚轮与底架底部的导轨相匹配。

优选的，所述底盘车上穿设有进气导管，所述进气导管的一端与所述沉积室连通，所述进气导管的另一端与所述充气系统连通，所述进气导管内设置有直通管，所述直通管的一端伸入所述沉积室中，所述直通管的另一端与所述充气系统连通。

优选的，所述充气系统包括混气罐，所述混气罐内设置有混气装置，所述混气罐上连接有若干进气管路和压力表，所述压力表用于测量所述混气罐内的压力，各所述进气管路上均设置有质量流量计和进气阀门，所述混气罐通过出气管路与所述沉积室连通，所述出气管路上设置有加热装置和第一阀门；

所述出气管路上并联有旁路，所述旁路的两端与所述第一阀门两端的所述出气管路连通，所述旁路上设置有第二阀门。

优选的，所述真空系统包括真空泵、第一管路和第二管路，所述第一管路和所述第二管路上均设置有真空阀门，所述真空泵通过所述第一管路与所述真空室连通，所述真空泵通过所述第二管路与所述沉积室连通，所述第二管路上还设置有过滤器，所述过滤器位于所述真空阀门与所述沉积室之间，所述过滤器包括双层异目数的过滤网。

优选的，所述真空感应化学气相沉积炉还包括冷却系统，所述冷却系统分别与所述炉体的第一冷却结构、所述感应加热装置的第二冷却结构和所述真空系统的第三冷却结构连通。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明将真空室和沉积室设置成两个相互独立的结构，真空室和沉积室不相通，沉积气体仅通入沉积室，不仅减少了沉积气体的浪费，还便于控制沉积室内沉积气体的压力和密度；真空系统分别对真空室和沉积室进行抽真空，沉积室内排出的污染性废气可以直接排出炉体之外，避免了对真空室的污染和损坏。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的真空感应化学气相沉积炉内部结构示意图；

图2为本发明的真空感应化学气相沉积炉外部结构侧视图；

图3为本发明的真空感应化学气相沉积炉内部结构侧视图；

图4为本发明的加热室、沉积室及料盘结构示意图；

图5为本发明的充气系统内部结构示意图；

图6为本发明的充气系统外部结构示意图；

其中：100-真空感应化学气相沉积炉，1-炉体，2-真空系统，3-充气系统，4-加热室，5-感应加热装置，6-沉积室，7-真空室，8-发热体，9-发热筒，10-发热盖，11-发热管，12-料盘结构，13-保温结构，14-保温碳毡，15-高铝砖，16-料筒，17-盖板，18-载料盘，19-垫板，20-通孔，21-进气孔，22-进出料机构，23-底盘车，24-丝杠，25-导向块，26-滚轮，27-导轨，28-进气导管，29-直通管，30-混气罐，31-进气管路，32-压力表接口，33-进气阀门，34-质量流量计，35-加热装置，36-第一阀门，37-混气装置，38-出气管路，39-旁路，40-第二阀门，41-真空泵，42-第一管路，43-第二管路，44-真空阀门，45-过滤器，46-冷却系统，47-电源，48-控制系统，49-工作台，50-质量流量显示，51-混气罐内气体压力显示，52-充气柜，53-进气通道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种真空感应化学气相沉积炉，以解决上述现有技术存在的问题，使真空室和沉积室相互独立，避免炉体内尾气污染，减少沉积气体浪费。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图6所示：本实施例提供了一种真空感应化学气相沉积炉100，包括炉体1、真空系统2和充气系统3，炉体1内设置有加热室4，加热室4外侧设置有感应加热装置5，加热室4内设置有沉积室6，沉积室6与充气系统3连通，加热室4与炉体1之间为真空室7，加热室4和真空室7分别通过管路与真空系统2连通。本实施例将真空室7和沉积室6设置成两个相互独立的结构，真空室7和沉积室6不相通，沉积气体仅通入沉积室6，不仅减少了沉积气体的浪费，还便于控制沉积室6内沉积气体的压力和密度；真空系统2分别对真空室7和沉积室6进行抽真空，实现独立的抽真空操作，沉积室6内排出的污染性废气可以直接排出炉体1之外，无需经过真空室7，避免了对真空室7的污染和损坏。

具体地，本实施例中，真空感应化学气相沉积炉100还包括冷却系统46，冷却系统46分别与炉体1的第一冷却结构、感应加热装置5的第二冷却结构和真空系统2的第三冷却结构连通。

炉体1包括炉筒和蝶型炉盖，炉筒上设置有两个真空接口，两个真空接口分别与真空室7和加热室4连通，炉筒由内层和外层构成，内层为不锈钢，外层为Q235A材质，内层和外层之间为第一冷却结构，冷却系统46与第一冷却结构连通，真空接口也为双层水冷结构，与冷却系统46连通。真空系统2与真空室7和加热室4连通连通的管路上设置有真空规管，真空规管用于检测真空度，炉筒上还设置有绝压计，绝压计用于检测炉体1内的压力。蝶型炉盖上设有观察窗和红外测温装置，可对炉体1内情况和沉积室6温度进行监测。

本实施例中，加热室4包括发热体8和发热体8内的沉积室6，发热体8为独立结构，与真空室7不连通，使沉积气体的充填区域仅在加热室4内部，大幅度节约了沉积气体，降低了生产成本；发热体8采用石墨制成，发热体8包括发热筒9、设置在发热筒9上端的发热盖10和发热管11，发热盖10呈锥形，发热管11为弯管，发热盖10通过发热管11与真空系统2连通，排出沉积过程中产生的焦油及碳黑，避免了对炉体1内其它结构的污染，保证沉积过程所要求的真空度，发热管11位于真空室7中，发热筒9的下端设置有料盘结构12。

本实施例中，发热筒9、发热盖10和料盘结构12的外侧均设置有保温结构13，发热筒9和发热盖10外侧的保温结构13为保温碳毡14和/或硅酸铝纤维毡，料盘结构12外侧的保温结构13为保温碳毡14和高铝砖15，高铝砖15还可用来支承发热体8及炉料；保温结构13的外侧设置有感应加热装置5，感应加热装置5为感应线圈，感应线圈是用异形紫铜管绕制而成采用二组并联形式，异形紫铜管内通入冷却水以降低感应线圈的温升，异形紫铜管不仅作为感应线圈，还作为第二冷却结构。发热体8是通过感应线圈产生的交变磁场产生的感应电流而发热，通过辐射传给炉料，保温结构13起保温及隔热作用，以减少热损失。

本实施例中，发热体8内设置有料筒16，料筒16采用C-C复合材料制成，壁厚为10mm，料筒16的上端设置有盖板17，盖板17采用石墨制成，盖板17与料筒16之间设置有间隙，间隙为10mm，盖板17的设置可以有效的聚集充入的混合沉积气体。料盘结构12设置在料筒16的下端。，料筒16、盖板17和料盘结构12形成沉积室6。加热室4的结构提高了沉积气体的利用和沉积产品的质量。料筒16和盖板17的设置，对充入加热室4的沉积气体起到迂回缓冲的作用，延长了沉积气体在沉积室6停留的时间，保证了沉积过程的充分进行，避免了沉积气体进入加热室4后快速通过真空系统2排出炉外，有效提高了沉积气体材料的利用率。

本实施例中，料盘结构12包括自上而下依次设置的载料盘18和若干垫板19，载料盘18和若干垫板19均采用石墨制成，载料盘18用于承载炉料，载料盘18与垫板19之间、相邻的垫板19之间设置有间隙，载料盘18上设置有若干通孔20，各垫板19上开设有若干进气孔21，相邻的垫板19上的进气孔21错位设置，通孔20、进气孔21、载料盘18与垫板19之间的间隙、相邻的垫板19之间的间隙形成进气通道53，充气系统3与最下端的垫板19上的进气孔21连通。进气通道53可以使进入的混合沉积气体迂回进入沉积室6内腔，减慢沉积气体充入速度，使沉积气体可有效预热，提高沉积气体的活跃度，保证沉积气体进入沉积室6后更迅速的进行沉积过程，大幅提高了沉积气体利用率、生产效率和产品质量。

本实施例中，真空感应化学气相沉积炉100还包括进出料机构22，料盘结构12设置在进出料机构22上，进出料机构22包括底盘车23，底盘车23通过导向块25与竖向设置的丝杠24连接，导向块25与丝杠24螺纹连接，丝杠24与电机传动连接，丝杠24用于底盘车23在竖直方向运行进行导向，导向块25与底盘车23沿水平方向滑动连接，底盘车23的底部设置有滚轮26，滚轮26与底架底部的导轨27相匹配，导轨27用于底盘车23在水平方向运动进行导向。将炉料放置在料盘结构12上，在进出料机构22的作用下将料盘结构12与料筒16结合，沉积完成后，进出料机构22带动料盘结构12和炉料下降至导轨27，底盘车23沿导轨27运动移出底架进行卸料及装料。

本实施例中，底盘车23上穿设有进气导管28，进气导管28的一端与沉积室6连通，具体地，进气导管28的一端与最下端的垫板19上的进气孔21连通，进气导管28的另一端与充气系统3的出气管路38连通，进气导管28内设置有直通管29，直通管29的一端伸入沉积室6中，直通管29的另一端与充气系统3的出气管路38连通，直通管29伸入炉料中，使沉积气体充分进入炉料中。底盘车23上开设有用于插入测温元件的开孔，测温元件用于测量混合沉积气体的温度，底盘车23上还设置有混合沉积气体进气压力测量接口，并与绝对压力变送器相连。

本实施例中，充气系统3包括混气罐30，混气罐30用来混合沉积气体及贮存一定量的混合沉积气体，混气罐30上连接有若干进气管路31和压力表，本实施例包括三个进气管路31，各进气管路31分别通入氩气、氮气和丙烷，压力表用于测量混气罐30内的压力，随时观测混气罐30内部压力变化，各进气管路31上均设置有质量流量计34和进气阀门33，各进气管路31上的质量流量计34分别用于控制各进气管路31中沉积气体的进气量，混气罐30通过出气管路38与沉积室6连通，出气管路38上设置有加热装置35和第一阀门36，加热装置35为加热电阻丝，使混合沉积气体预热50℃左右温度下充入沉积室6，提高沉积气体的活跃度，第一阀门36为电动球阀，混气罐30内设置有混气装置37，混气装置37为风扇，使进入的沉积气体充分混合；出气管路38上并联有旁路39，旁路39的两端与第一阀门36两端的出气管路38连通，旁路39上设置有第二阀门40，第二阀门40为手动球阀。第一阀门36和第二阀门40用于控制沉积气体流出速度，可以对输出的沉积气体进行电动和手动两种操作，使用起来更加方便。整个充气系统3整体安放在一台充气柜52内，各种操作及仪表显示柜面可视，整洁美观。充气系统3实现了不同的沉积气体入炉体1前的充分预混，能够进行压力及流量控制、沉积气体预热，可以更精细、准确地对沉积气体进行控制，从而实现对沉积工艺参数的精确控制。

本实施例中，真空系统2包括真空泵41、第一管路42和第二管路43，第一管路42和第二管路43上均设置有真空阀门44，真空泵41通过第一管路42与真空室7连通，真空泵41通过第二管路43与沉积室6连通，第二管路43上还设置有过滤器45，过滤器45位于真空阀门44与沉积室6之间，过滤器45包括双层异目数的过滤网，以达到最佳过滤效果，过滤器45避免废气对真空泵41和真空阀门44的污染和损害。真空系统2的作用是对炉体1内进行抽真空和辅助压力控制，过滤器45用于过滤在气相沉积时所产生的焦油及碳黑，保护真空泵41、第二管路43不受污染。过滤器45采用双层水路(第三冷却结构)冷却，与冷却系统46连通。

本实施例中，冷却系统46包括回水箱，回水箱与第一冷却结构通过第一出水管和第一回水管连通，回水箱与第二冷却结构通过第二出水管和第二回水管连通，回水箱与第三冷却结构通过第三出水管和第三回水管连通，回水箱与真空接口的双层水冷结构通过第四出水管和第四回水管连通，第一出水管、第二出水管、第三出水管、第四出水管上均设置有进水阀门，可分别调节各出水管的供水量，第一回水管、第二回水管、第三回水管、第四回水管上均设置有双金属温度计、电接点压力表，便于测量各回水管回水的水温、供水压力，也可以在水压低于所需的水压时输出一个信号可供报警或切断电源47。第二回水管上的双金属温度计用于测量感应线圈出水口水温，并且当温度超过设定值时输出信号可供报警或切断电源47。第二出水管上设置有靶式流量计，用于感应线圈失压或断流时报警。

本实施例中，真空感应化学气相沉积炉100还包括工作台49，工作台49采用型钢制成，工作台49设置有楼梯和安全护栏，方便生产过程中对作业人员进行安全保护。

本实施例中，真空感应化学气相沉积炉100还包括控制系统48，控制系统48以西门子PLC为核心，昆仑通泰人机界面为显示和操作终端，采用西门子电气元件。结合强电系统组成易操作、安全互锁、易于功能的扩展和故障排除的控制系统48。为整机设备的运行提供可靠保障。整机动态记录全部存储到PLC，便于以后查找信息。在控制柜上安装有真空计、触摸屏、电压表、电流表、功率表、及各控制按钮等。通过该电气控制系统48可实现对真空系统2、充气系统3、水冷系统、感应加热装置5等的电气控制及其他机械动作控制。

本实施例中，真空感应化学气相沉积炉100还包括电源47，电源47通过汇流母线与感应加热装置5电连接，用于给感应加热装置5供电。电源47采用IGBT中频电源，操作简单，维修方便，节能环保。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：包括炉体、真空系统和充气系统，所述炉体内设置有加热室，所述加热室外侧设置有感应加热装置，所述加热室内设置有沉积室，所述沉积室与所述充气系统连通，所述加热室与所述炉体之间为真空室，所述加热室和所述真空室分别通过管路与所述真空系统连通。

2.根据权利要求1所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述加热室包括发热体，所述发热体包括发热筒、设置在所述发热筒上端的发热盖和发热管，所述发热盖呈锥形，所述发热盖通过所述发热管与所述真空系统连通，所述发热管位于所述真空室中，所述发热筒的下端设置有料盘结构。

3.根据权利要求2所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述发热筒、所述发热盖和所述料盘结构的外侧均设置有保温结构，所述发热筒和所述发热盖外侧的所述保温结构为保温碳毡，所述料盘结构外侧的所述保温结构为保温碳毡和高铝砖；所述保温结构的外侧设置有所述感应加热装置，所述感应加热装置为感应线圈。

4.根据权利要求2所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述发热体内设置有料筒，所述料筒的上端设置有盖板，所述盖板与所述料筒之间设置有间隙，所述料盘结构设置在所述料筒的下端，所述料筒、所述盖板和所述料盘结构形成所述沉积室。

5.根据权利要求2或3或4所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述料盘结构包括自上而下依次设置的载料盘和若干垫板，所述载料盘用于承载炉料，所述载料盘与所述垫板之间、相邻的所述垫板之间均设置有间隙，所述载料盘上设置有若干通孔，各所述垫板上开设有若干进气孔，相邻的所述垫板上的所述进气孔错位设置，所述通孔、所述进气孔、所述载料盘与所述垫板之间的间隙及相邻的所述垫板之间的间隙形成进气通道，所述充气系统与最下端的所述垫板上的所述进气孔连通。

6.根据权利要求2所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述真空感应化学气相沉积炉还包括进出料机构，所述料盘结构设置在所述进出料机构上，所述进出料机构包括底盘车，所述底盘车通过导向块与竖向设置的丝杠连接，所述丝杠与电机传动连接，所述导向块与所述底盘车沿水平方向滑动连接，所述底盘车的底部设置有滚轮，所述滚轮与底架底部的导轨相匹配。

7.根据权利要求6所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述底盘车上穿设有进气导管，所述进气导管的一端与所述沉积室连通，所述进气导管的另一端与所述充气系统连通，所述进气导管内设置有直通管，所述直通管的一端伸入所述沉积室中，所述直通管的另一端与所述充气系统连通。

8.根据权利要求1所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述充气系统包括混气罐，所述混气罐内设置有混气装置，所述混气罐上连接有若干进气管路和压力表，所述压力表用于测量所述混气罐内的压力，各所述进气管路上均设置有质量流量计和进气阀门，所述混气罐通过出气管路与所述沉积室连通，所述出气管路上设置有加热装置和第一阀门；

所述出气管路上并联有旁路，所述旁路的两端与所述第一阀门两端的所述出气管路连通，所述旁路上设置有第二阀门。

9.根据权利要求1所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述真空系统包括真空泵、第一管路和第二管路，所述第一管路和所述第二管路上均设置有真空阀门，所述真空泵通过所述第一管路与所述真空室连通，所述真空泵通过所述第二管路与所述沉积室连通，所述第二管路上还设置有过滤器，所述过滤器位于所述真空阀门与所述沉积室之间，所述过滤器包括双层异目数的过滤网。

10.根据权利要求1所述的真空感应化学气相沉积炉，其特征在于：所述真空感应化学气相沉积炉还包括冷却系统，所述冷却系统分别与所述炉体的第一冷却结构、所述感应加热装置的第二冷却结构和所述真空系统的第三冷却结构连通。

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