Методическое пособие 225

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»

Кафедра полупроводниковой электроники и наноэлектроники

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

квыполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Вакуумная техника»

для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Электронное машиностроение» очной формы обучения

Воронеж 2016

Составители: канд. техн. наук Г.И. Липатов, канд. физ.-мат. наук Е.П. Николаева

УДК 621.52

Методические указания к выполнению лабораторных работ № 3, 4 по дисциплине «Вакуумная техника» для студентов направления подготовки 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», профиля «Электронное машиностроение» очной формы обучения / ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»; cост. Г.И. Липатов, Е.П. Николаева. Воронеж, 2016. 47 с.

В методических указаниях изложены необходимые теоретические сведения и методика выполнения лабораторных работ № 3 «Изучение пароструйных насосов» и № 4 «Изучение методов течеискания».

Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS Word 2003 и содержатся в файле МУ ВТ 2ч.pdf.

Табл. 2. Ил. 13. Библиогр.: 3 назв.

Рецензент канд. техн. наук, доц. Т.В. Свистова

Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С.И. Рембеза

Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета

ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2016

2

ный кругооборот.

Струя пара разделяет области низкого входного давления pвх и более высокого выходного давления pвых, однако большого перепада давлений струя выдержать не может, поэтому выходной патрубок пароструйного насоса должен откачиваться механическим насосом. Поскольку оба насоса прокачивают один поток газа, их параметры должны удовлетворять условию

(pвхS)п.н=(pвхS)м.н. (1)

Быстроту откачки для каждого насоса берут при их входном давлении, кроме того, очевидно pвыхп.н=pвхм.н. Например, для пароструйного насоса с быстротой откачки Sп.н=100 л/с при перепаде давлений на нем 1-10–3 Па следует использовать масляно-ротационный насос с Sм.н=0,1 л/с.

Механизм увлечения газа различен в насосах эжекторных (105-10 Па), бустерных (10-10–2 Па) и диффузионных (10–2-10–5 Па). Чем выше давление газа на входе насоса, тем больше должна быть плотность пара в струе. При больших скоростях истечения пара увеличение газа происходит в результате турбулентно-вязкостного перемешивания вихрей пара с частицами газа (эжекторные насосы). С понижением давления и уменьшением расхода пара возрастает роль вязкостного захвата в ламинарную струю (бустерные насосы).

При очень низких давлениях, когда свободный пробег молекул газа порядка диаметра насоса, работает только диффузионный механизм проникновения молекул газа в струю пара; плотность струи должна быть малой, а скорость струи — большой для эффективной передачи импульса молекулам газа (диффузионные насосы). При случайном соударении молекул газа со струей молекулы могут как отразиться, так и диффундировать в струю из-за разницы входного давления и парциального давления газа в струе. Элементы струи пара насыщаются газом постепенно по мере движения от сопла к стенке.

Давление газа (pвых) под струей больше давления pвх над струей, тем более pвых больше давления газа в струе. Поэтому одновременно с диффузией газа сверху в струю происходит вредная диффузия газа снизу в струю. Газ, диффундировавший в струю снизу из области более высокого выходного давления, не выносится вверх, а увлекается струей вниз и при конденсации пара выделяется обратно

2

в область pвых. Поэтому важен малый угол наклона струи к стенке. Коэффициент компрессии диффузионного насоса при предельном вакууме на его входе равен:

k pвых / pвх exp(vпnп L/D0 );

(2)

D0 ~ 1/Mг 1/Mп /( г п )2 .

Коэффициент компрессии тем больше, чем больше скорость vп, плотность nп и толщина струи L пара. Быстрота откачки диффузионного насоса стремится к верхнему пределу, равному:

где А — площадь струи. Этот предел тем больше, чем больше скорость струи пара, однако уже при vп=2vт быстрота откачки достигает 89 % максимума, так что не требуются очень большие скорости струи. При vп>>vт достигается максимальная быстрота откачки идеального диффузионного насоса, равная S=Avт/4. Легко видеть, что этот же результат получают в предположении, что насос откачивает все молекулы, соударяющиеся без отражений с поверхностью его струи. На струю падает в единицу времени A молекул, где =nvт/4; в единице объема заключено n молекул; следовательно, падающим молекулам соответствует объем A /n, т. е. Avт/4.

В действительности быстрота откачки насоса меньше максимальной. Обычно Xo порядка 0,3 - 0,4. Эта величина определяется отражением молекул газа от струи, ограниченной пропускной способностью входного патрубка насоса, обратной диффузией и т. д.

Важнейшей характеристикой пароструйных насосов является зависимость быстроты откачки от входного давления. Для диффузионных насосов она имеет плато в широком диапазоне давлений. При малых давлениях порядка предельного вакуума S(p) уменьшается из-за обратной диффузии, растворимости воздуха в масле, газоотделения деталей и т. д. При высоком давлении S(p) также уменьшается, так как повышение pвх вызывает увеличение давления под струей и нарушение ее нормальной работы. Паспортные характеристики насосов относятся к номинальной мощности нагревателя W0. От мощности, подводимой к насосу, зависят скорость и плотность струи пара. В результате подбора W0 является оптимальной

3

мощностью, т. е. соответствует наибольшей быстроте откачки и самому низкому остаточному давлению pпр. Увеличение мощности смещает характеристику S(p) в область более высоких давлений.

Зависимость быстроты откачки диффузионных насосов от рода газа сложна. Максимальная быстрота откачки, согласно (4), увеличива-

ется с уменьшением молекулярного веса газа, так как S~vт~M–112. Однако

обратная диффузия для легких газов больше и уменьшает быстроту откачки при убывании M. При различных режимах струи преобладает одна или другая тенденция (рис. 2). При большой плотности струи сильнее основная зависимость, и быстрота откачки, например, по гелию больше, чем по воздуху. При малой мощности нагревателя облегчается обратная диффузия и S убывает с уменьшением

M.

Предельный вакуум диффузионных насосов зависит от обратного потока газа и от упругости паров рабочей жидкости. Согласно уравнению (2), pпр тем лучше, чем больше плотность и скорость струи, и тем хуже, чем меньше молекулярный вес газа. Для уменьшения обратной диффузии и растворимости газа в масле следует уменьшить давление под струей pвых. С этой целью насосы делают многоступенчатыми (см. рис. 1). Растворимость воздуха зависит от температуры стекающего масла. Опыты с подогревом нижней части насоса (укорочение охлаждающей водяной рубашки) подтвердили улучшение предельного вакуума.

Применяемое в насосах масло неоднородно по составу и содержит фракции с различной упругостью пара и температурой кипения. В многоступенчатых насосах применяется автоматическое фракционирование масла для понижения остаточного давления pвх на входе и повышения допустимого давления pвых на выходе насоса. Если в верхнее высоковакуумное сопло направить тяжелые фракции масла с низкой упругостью пара, то улучшится предельный вакуум насоса, а если в нижнее сопло направить легкие фракции с высокой упругостью пара, то струя станет более плотной и, следова-

4

тельно, более прочной относительно высокого давления на выходе. Так, при предельном вакууме без фракционирования и обезгаживания стекающего масла 2,6 10–2 Па предельный вакуум с фракционированием без обезгаживания получается 1,3 10-3 Па, а с фракционированием и обезгаживанием 8 10-5 Па.

С увеличением мощности нагревателя масло обогащается легкими фракциями и ухудшается предельный вакуум насоса. Наибольшее обратное давление диффузионного насоса определяется плотностью струи и возрастает с увеличением мощности нагревателя. При увеличении давления на выходе насоса pвых более допустимой величины pвып происходит прорыв струи масла газом снизу и резко возрастает давление на входе насоса pвх. Насос также перестает работать, если мощность нагревателя уменьшается ниже критического значения Wкp, необходимого для поддержания сформированной струи пара.

Рабочие жидкости для диффузионных насосов должны обладать следующими свойствами: 1) небольшой упругостью паров при комнатной температуре для улучшения предельного вакуума; 2) большой упругостью паров при высокой температуре нагревателя для получения плотной струи. Из этих условий следует, что зависимость упругости паров от температуры должна резко возрастать; 3) малой теплотой парообразования для экономии мощности; 4) однородностью состава для сохранения свойств рабочей жидкости при длительной работе; 5) термической стабильностью при рабочей температуре и стабильностью к окислению при контакте с воздухом, так как продукты окисления и разложения рабочей жидкости портят вакуум; 6) небольшой растворимостью газов; 7) рабочая жидкость не должна взаимодействовать с материалами насоса.

Ртуть представляет собой жидкий металл с плотностью 13,6 г/см3 и температурой твердения -39 °С. Она активно образует амальгамы с цветными металлами и не реагирует с железом. Пары ртути ядовиты. Она однородна по составу, обладает хорошей термической стабильностью и мало растворяет газы. В диффузионных насосах применяют очищенную ртуть с примесями не более 0,1 %. Упругость паров ртути при 20 °С сравнительно высока (0,266 Па), однако с использованием ловушек предельный вакуум ртутных насосов лучше, чем у масляных.

Для диффузионных насосов используют масло трех типов.

5

1. Минеральное масло. Это продукт вакуумной дистилляции нефтяных вазелиновых масел в диапазоне температур от 180 до 220 °С. Оно неоднородно по составу, представляет смесь углеводородов и обладает невысокой термической стабильностью и стойкостью к окислению. Горячее масло следует беречь от контакта с воздухом при аварийном прорыве атмосферы в установку. Минеральные масла сравнительно дешевы. Молекулярный вес масел марок ВМ-1, ВМ-2, ВМ-5 (последнее наиболее однородно по составу) около 450, предельный вакуум (2,6-4) 10–4 и 0,67 Па (ВМ-5).

2.Сложные эфиры — однородные вещества — продукты синтеза фталевой и себациновой кислот. Их недостаток — сравнительно невысокая окислительно-термическая стабильность. Масла ОФ и ОС — изооктиловые эфиры указанных кислот (иностранное

название таких масел — октойли). Предельный вакуум насосов с ними порядка 10–6 Па. К этим же маслам относятся полифениловые эфиры (ПФЭ) — полимеры из бензольных колец, соединенных через кислород. Связи в такой цепочке очень прочные, поэтому масла

ПФЭ стабильны. В диффузионных насосах с ПФЭ достижим предельный вакуум 10–6-10–8 Па с примерным составом газов 50 % Н2, 20 % СН4, 20 % Н2О и значительно меньшим содержанием углеводородов, чем у насосов с минеральными маслами.

3.Кремний-органические масла — это полимеры силоксано-

вых цепочек вида –Si-О-Si-О- с прочной связью, обладающие очень высокой термоокислительной стабильностью. Эти масла менее других ухудшают свои свойства при контакте с атмосферой в нагретом состоянии. Свободные валентности кремния в цепочке насыщены углеводородными радикалами. Чем длиннее цепочка и

больше молекулярный вес, тем меньше упругость паров масла. При числе звеньев 11-12 упругость пара порядка 10–8 Па. Молекулярный вес кремний-органических масел ВКЖ-94АБ с этиловыми радика-

лами и полифенилметил-силоксановых соединений ПФМС около 700, предельный вакуум порядка 10–4 Па; эти масла сравнительно дороги.

В конструкциях паромасляных насосов для обеспечения фракционирования масла применяют раздельные концентрические паропроводы. При движении к центру днища насоса стекающего в кипятильник масла из него сначала испаряются легкие фракции на наименее нагретых краях днища; они попадают в нижнее сопло. В

6

наиболее горячем центре днища испаряются тяжелые фракции и попадают в верхнее сопло.

Большой недостаток паромасляных насосов связан с миграцией масла: пары распространяются вверх от струи в откачиваемую систему и загрязняют ее. Если бы миграция определялась равновесием жидкого масла и насыщенного пара, то для масла ВМ-1 (p=4 10–6 Па при 20 °С) поток масла составил бы 7 10–3 мг/(ч см2). В действительности поток масла из насоса вверх больше естественного испарения за счет распыления струи, достигает 1-5 мг/(ч см2) и зависит от мощности нагревателя, от расширения сопла и угла струи к стенке и т. д. Поток миграции масла резко возрастает в процессе остановки и пуска насоса при несформированной струе.

Вред от миграции масла помимо потери рабочей жидкости и ухудшения предельного вакуума состоит в том, что пленка масла загрязняет поверхность и ухудшает условия экспериментов и технологических процессов в вакууме. Например, резко снижается электрическая прочность высоковольтных промежутков, повышаются коэффициенты затухания и отражения в волноводах и т. д.

Для ослабления миграции масла в диффузионных насосах применяют ловушки и маслоотражатели. Источник миграции — загибающиеся вверх крайние линии тока струи у сопла. Охлаждаемый маслоотражатель экранирует истечение масла, снижая миграцию до 0,1-0,02 мг/(ч см2). В ловушках происходит сорбция молекул масла на поверхностях, охлаждаемых жидким азотом (-196 °С) или полупроводниковыми элементами. Ловушки должны быть непросматриваемыми, т. е. с таким расположением охлаждаемых крыльев, когда невозможен пролет молекулы по прямой линии без соударения с их поверхностью. Существуют неохлаждаемые лопушки сорбционного типа с гранулами цеолита, с медной фольгой и с окисью железа, ловушки электроразрядного типа с разложением углеводородных радикалов и т. д. Из-за высокой упругости паров ртути ртутные насосы применяют, как правило, с ловушками. Использование наиболее совершенных ловушек с масляными насосами позволяет получить предельный вакуум порядка 10–7-10–8 Па с практически безуглеродным спектром остаточных газов.

Для улучшения характеристик диффузионных насосов применяют плотную посадку паропроводов на кольцевые ребра днища

7

для улучшения фракционирования, нижняя часть корпуса не охлаждается для обезгаживания масляного конденсата.

Из мощности, подводимой к насосу, только небольшая часть, порядка 0,1 %, расходуется непосредственно на откачку, т. е. на сжатие газа от pвх до pвых. Около 60 % мощности тратится на парообразование, примерно 40 % составляют тепловые потери. В лучших конструкциях с теплоизоляцией нагревателей потери тепла через корпус насоса снижены до 10 %.

Существует критическая тепловая нагрузка 8-14 Вт/см2 (для масла ВМ-1) при давлении над маслом 660 Па, превышение которой меняет характер кипения: спокойное выделение пузырьков сменяется бурлением, коэффициент теплопередачи уменьшается скачком от 3 104 до 5 103 ккал/(м2 ч град). Наилучший коэффициент теплопередачи от корпуса насоса к маслу имеет место для днища из нержавеющей стали Х18Н9Т; такие насосы более экономичны, чем из стали Ст. 20.

Для увеличения допустимого выходного давления выходные патрубки насосов снабжают эжекторными соплами.

Существуют насосы с воздушным охлаждением от вентилятора, не требующие подвода воды.

На базе диффузионных насосов выпускают вакуумные агрегаты, представляющие собой удобный комплект откачного оборудования. Агрегаты крепят на раме, они содержат ловушку типа жалюзи, охлаждаемую жидким азотом, и створчатый затвор для герметичного отделения насоса от откачиваемого объема. Управлять задвижкой можно вручную или дистанционно электродвигателем с концевыми контактами. Агрегаты имеют также гидравлическое реле, блокирующее включение нагревателя без водяного охлаждения насоса и переходный колпак с грибковыми вводами манометров для присоединения насоса к откачиваемому объему.

Бустерные и эжекторные насосы. Бустерные насосы пред-

назначены для откачки сравнительно большого количества газа в промежуточном диапазоне давлений 10–2-103 Па. У высоковакуумных диффузионных насосов выходная ступень обычно эжекторного типа и помещается в выходном патрубке для получения высокого допустимого давления на выпуске pвып. Однако в одном насосе с общим нагревателем трудно получить струи с сильно различающимися плотностями, поэтому выходную струю выносят в отдельный

8