2. Компоновка элементов вакуумной системы

После того, как выбраны все насосы, необходимо провести компоновку вакуумной схемы, при этом следует стремиться к тому, чтобы длины вакуумных магистралей между компонентами системы были минимальными, но в тоже время достаточными для обеспечения удобства при проведении монтажных и ремонтных работ.

Конструктивные размеры соединительных вакуумпроводов выбирают, задаваясь диаметрами входных (или выходных) патрубков вакуумных насосов или агрегатов. В ряде случаев к конфигурации вакуумпроводов предъявляются особые требования, например, задается сечение в виде прямоугольника, щели, конуса, коаксиального канала и т.д.

Основной трубопровод соединяет входной патрубок вакуумного насоса (агрегата) с присоединительным фланцем на патрубке рабочей камеры, поэтому диаметр трубопровода должен сочетаться с размерами входного патрубка выбранного в/в насоса или агрегата; при этом длина основного вакуумпровода составляет не более 0,3 - 0,5 м, но может быть и более, все зависит от габаритов камеры и схемы компоновки всей вакуумной системы.

Диаметр откачной магистрали между высоковакуумным насосом и насосом предварительного разряжения (форвакуумным насосом) должен сочетаться с диаметром выпускного патрубка высоковакуумного насоса.

Диаметр байпасной (вспомогательной) магистрали, соединяющей форвакуумный насос с патрубком рабочей камеры, должен сочетаться с размером впускного патрубка насоса для предварительной откачки рабочей камеры для создания давления запуска высоковакуумного насоса. Из конструктивных соображений длина этих коммуникаций не должна превышать 1,5 – 2,0 м.

Составление схемы выбранной вакуумной установки в условных обозначениях выполняется в соответствии с «ГОСТ 5197-85. Вакуумная техника. Термины и определения», «ГОСТ 2.797-2016. Единая система конструкторской документации. Правила выполнения вакуумных схем» и «ГОСТ 2.796-95. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Элементы вакуумных систем». При составлении схемы вакуумной установки должны быть указаны все элементы (вакуумные насосы, ловушки, затворы, клапаны, вакуумметры и т.д.). Выполненная компоновочная схема приведена на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Компоновочная схема вакуумной системы

3. Определение конструктивных размеров соединительных трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы

Сверхвысоковакуумная система.

Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р₁=3·10^-5 Па и диаметру входного патрубка насоса d_вх=0,25 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха:

Так как K_n=896>1/3 – режим течения молекулярный.

Сверхвысоковакуумной участок вакуумной системы состоит из общего затвора и двух-трех трубопроводов, в зависимости для какого насоса (рисунок 3.5).

Рисунок 3.6 - Схема сверхвысоковакуумного участка

Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов для центрального насоса:

1. Диаметр трубопровода от вакуумного насоса до затвора (трубопровод 3) выбираем равным диаметру входного патрубка насоса D_у=250 мм, длина 920 мм, следовательно, отношение l/d = 3,68, т.е. трубопровод является коротким.

2. В качестве затвора выбираем GCD-C250 с длиной 81,2 мм.

3. Диаметр трубопровода 1 выбираем 100 мм. Этот трубопровод также является коротким, как и трубопровод 3.

Поскольку диаметр трубопровода 1 оказался меньше, чем диаметр камеры, то проводимость отверстия рассчитываем по формуле:

где d₁ – диаметр отверстия;

D_кам – диаметр предыдущего элемента (диаметр камеры).

Проводимость короткого трубопровода 1 рассчитываем по формуле:

где d – диаметр трубопровода, м;

k – коэффициент Клаузинга.

Значения коэффициента Клаузинга в зависимости от отношения l/d представлены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Значения коэффициента Клаузинга k в зависимости от соотношения l/d

Определим проводимость затвора:

Трубопровод 3 коленообразный, поэтому необходимо определить отношение длин каждого из трубопровода колен на соответствующий радиус:

Коэффициент k можно определить по графику, представленному на рисунке 3.7.

Рис. 3.7. - Кривые вероятности прохождения молекулы через элемент

трубопровода в виде колена

Суммарная проводимость участков:

Коэффициент использования центрального магниторазрядного насоса:

Теперь рассчитаем проводимость от камеры до боковых магниторазрядных насосов . Проводимость отверстия, трубопровода 1 и затвора останутся неизменными.

Проводимость трубопровода 3:

Проводимость трубопровода 4:

Суммарная проводимость участков:

Общая проводимость (боковых и центральных насосов) составит:

Коэффициент использования боковых магниторазрядных насосов:

Высоковакуумная система.

Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению магниторазрядного насоса р_раб1 = 10^-3 Па и диаметру входного патрубка насоса d_вх=0,1 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха:

Так как K_n=67,2 >1/3 – режим течения молекулярный.

Высоковакуумной участок вакуумной системы состоит из затвора, ловушки и нескольких трубопроводов (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8 - Схема высоковакуумного участка

Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов:

1. Диаметр ловушки от вакуумного насоса до трубопровода 3 выбираем равным диаметру входного патрубка насоса D_у=100 мм, длина 209 мм, а ее проводимость U_л=0,37 м³/с.

2. В качестве затвора выбираем GCD-C100 с длиной 72 мм.

3. Диаметр трубопровода 1 выбираем 100 мм. Этот трубопровод также является коротким, как и трубопровод 3.

Поскольку диаметр трубопровода 1 оказался меньше, чем диаметр камеры, то проводимость отверстия:

Проводимость коленообразного трубопровода 1:

Определим проводимость затвора:

Проводимость трубопровода 3

Суммарная проводимость участков:

Коэффициент использования диффузионного насоса:

Низковакуумная система.

Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению диффузионного насоса р_раб2 = 20 Па и диаметру входного патрубка насоса d_вх=0,025 м. Критерий Кнудсена для откачки воздуха:

Так как K_n=0,013 >5·10^-3 – режим течения молекулярно-вязкостный.

Низковакуумной участок вакуумной системы состоит из клапана и трубопроводов разного диаметра (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9 - Схема низковакуумного участка

Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов:

1. Диаметр трубопровода от вакуумного насоса до трубопровода 4 выбираем равным диаметру входного патрубка насоса D_у=10 мм, длина 124 мм, а далее – патрубки под D_у=25 мм для диффузионного насоса.

2. В качестве проходного клапана выбираем DN 25 VAT Серия 2650 с длиной 72 мм.

3. Диаметр трубопровода 1 выбираем 25 мм.

Рассчитаем проводимость трубопровода 1 с учетом, что на всем участке молекулярно-вязкостный режим:

Проводимость в вязкостном режиме для короткого трубопровода:

откуда:

В результате:

Проводимость в молекулярном режиме для короткого трубопровода:

Проводимость клапана в молекулярно-вязкостном режиме определяется по формуле:

Определяем проводимость в вязкостном режиме:

В результате:

Проводимость в молекулярном режиме:

Проводимость трубопровода 3:

В результате:

Проводимость в молекулярном режиме для короткого трубопровода:

Проводимость трубопровода 4:

В результате:

Проводимость в молекулярном режиме для короткого трубопровода:

Суммарная проводимость участков:

Коэффициент использования низковакуумного насоса: