Чиллер для вакуумного напыления: расчёт охлаждения установки

Чиллер для вакуумного напыления считают по мощности, которая уходит в охлаждающую воду установки: от магнетронов и дуговых испарителей, нагревателей подложек и диффузионных насосов. Калькулятор берёт установленную мощность каждой группы, умножает на долю, попадающую в воду, и показывает холодопроизводительность с запасом и расход воды.

Откуда берётся тепло

• Катоды. В магнетроне и дуговом испарителе ионы бомбардируют мишень, и большая часть мощности источника питания выделяется в ней; в покрытие уходит малая доля. Калькулятор принимает, что в воду катода идёт 90 % мощности.
• Нагреватели подложек. Детали перед напылением греют до 200–450 °C, и тепло нагревателей через экраны уходит в водоохлаждаемые стенки камеры. В расчёте — 80 % установленной мощности.
• Насосы. Нагреватель диффузионного насоса кипятит масло, пары конденсируются на охлаждаемом корпусе, и вся его мощность уходит в воду, причём непрерывно, в том числе между процессами. Сюда же добавляют блоки питания с водяным охлаждением и компрессоры крионасосов — они устроены так же, как гелиевый компрессор в задаче о чиллере для МРТ.

Форвакуумные насосы и электроника с воздушным охлаждением отдают тепло в цех, в расчёт чиллера их не включают. Вакуумную печь для термообработки считают иначе, по циклу нагрева и закалки газом, — в задаче о чиллере для вакуумной печи.

Формула

Q = (0,9 × N_к + 0,8 × N_н + N_д) × (1 + k / 100)

G = Q / (1,163 × 5)

N_к — суммарная мощность источников питания магнетронов и испарителей, кВт; N_н — мощность нагревателей подложек, кВт; N_д — мощность диффузионных насосов и других узлов с водяным охлаждением, кВт; 0,9 и 0,8 — доли, уходящие в воду; k — запас, %; Q — холодопроизводительность, кВт; G — расход воды при нагреве на 5 °C, м³/ч, как в расчёте мощности по расходу и температурам. Если установка уже работает, нагрузку точнее даёт замер расхода и перепада на общем коллекторе.

Катодам нужна самая холодная вода, стенкам камеры — самая тёплая: при вскрытии на холодных стенках оседает влага из воздуха, и следующая откачка затягивается. Поэтому воду от чиллера подают на катоды и насосы напрямую, а на камеру — через подмес обратки; температуру смеси считают в расчёте температуры смешения двух потоков. На нагрузку чиллера подмес не влияет.

Пример расчёта

Установка магнетронного напыления: четыре магнетрона по 10 кВт, нагреватели подложек 12 кВт, диффузионный насос 8 кВт, вода 15 °C, запас 15 %.

1. Тепло катодов в воду: 0,9 × 40 = 36,0 кВт.
2. Стенки камеры и насосы: 0,8 × 12 + 8 = 9,6 + 8 = 17,6 кВт.
3. Холодопроизводительность: (36,0 + 17,6) × 1,15 = 53,6 × 1,15 = 61,64 кВт, округлённо 61,6 кВт.
4. Расход воды при нагреве на 5 °C: 61,64 / (1,163 × 5) = 10,6 м³/ч.

Как выглядит установка на 61,6 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 60 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать по средней мощности катодов. В процессе катоды работают на полную мощность, а среднее за смену занижено паузами на загрузку и откачку. Чиллер по среднему не удержит температуру воды к концу процесса, мишень перегреется.
• Забыть диффузионный насос. Он греется круглосуточно, пока установка под вакуумом. Без воды масло перегревается и попадает в камеру, а насос уходит в аварию. Водокольцевые насосы форвакуума считают в задаче о чиллере для вакуумного насоса.
• Холодная вода на камеру. Стенки при 10–15 °C после вскрытия покрываются конденсатом, откачка до рабочего вакуума растягивается, а влага портит покрытие. Та же точка росы ограничивает воду для лазеров в SLM-принтерах.
• Жёсткая или проводящая вода в катодах. Каналы в катоде узкие и зарастают накипью, а магниты при перегреве теряют силу. Катоды под высоким напряжением, поэтому вода нужна с низкой проводимостью — требования в справочнике о воде для чиллера.