книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

сосов, уплотняющих смазок (соответственно снижается величина предельного давления, до которого можно откачать системы, умень­ шается парциальное давление вредных примесей). Обычно в первые дни после ремонта и сборки вакуумная система имеет пониженную скорость откачки и поэтому для достижения предельного вакуума требуется значительное время.

Вакуумные системы оборудуются автоматическими защитными устройствами. Автоматически выключаются: нити макала мано­ метрических ламп, если давление в приборе превышает допустимое (иначе возможно перегорание нитей), диффузионные насосы, когда давление в системе превышает предельное давление, при котором рабочая жидкость насоса может окислиться или выплеснуться из насоса, а также при остановке форвакуумного насоса и при пере­ греве корпуса насоса из-за недостаточного воздушного или водяно­ го охлаждения.

§SO. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ НАСОСОВ

ИВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Применительно к изготовлению электровакуумных приборов различают две разновидности вакуумных насосов: предварительно­ говакуума (механические, сорбционные, водоструйные и т. д.) и высокого вакуума (пароструйные, молекулярные, электроразряд­ ные, геттеро-ионные, криогенные и т. д.).

Насос характеризуется следующими параметрами: начальным давлением, максимальным выпускным давлением, быстротой от­ качки, производительностью, вакуум-фактором.

Начальное давление Рпач — наибольшее допустимое давление на впускном патрубке насоса (и в откачиваемом приборе), при кото­ ром насос может еще нормально работать.

Насосы предварительного вакуума могут откачивать газы и па­ ры из объема с первоначальным атмосферным давлением.

Насосы высокого вакуума могут откачивать газы и пары из объема,- в котором давление значительно меньше атмосферного (обычно из объема, в котором уже создано предварительное раз­ режение порядка ІО-2 мм рт. ст.).

Поэтому любая высоковакуумная система, кроме насоса высоко­

мосферное давление. Поэтому эти насосы могут выбрасывать отка­ чиваемые газы непосредственно в атмосферу (выпускной патрубок соединен с атмосферой).

260

Для насосов высокого вакуума величина Лгаиб приблизительно равна Р,щч. Эти насосы могут выбрасывать откачиваемые газы только в объем, в котором давление значительно ниже атмосфер­ ного и не превышает ІО-2 мм рт. ст. Поэтому выпускной патрубок высоковакуумного насоса всегда соединяется с впускным патрубком насоса предварительного вакуума, который уменьшает противодав­ ление и непрерывно поддерживает необходимое разреж ете на вы­

во впускном патрубке насоса, когда он отсоединен заглушкой от вакуумной системы' (при этом откачка газов и паров производится непосредственно из самого насоса, а не из постороннего объема). После достижения предельного давления РПред (предельного ваку­ ума) откачка газа из прибора прекращается: количество газов, вы­ качиваемых из прибора, становится равным количеству газов, по­ ступающих обратно в прибор. В приборе устанавливается постоян­ ное давление, хотя насос продолжает работать (динамическое рав­ новесие) .

Предельное давление складывается из суммы парциальных дав­ лений остаточных газов и паров рабочей жидкости. Чем меньше ве­ личина предельного давления, тем лучше качество насоса. Величина предельного давления зависит от состава рабочей жидкости и кон­ струкции насосов и повышается с увеличением количества газов, растворенных в рабочей жидкости, давления насыщенных паров ра­ бочей жидкости, негерметичности корпуса насоса, размеров вред­ ного пространства, газовыделения материалов насоса и т. д.

Следует учесть, что величина предельно достижимого насосом вакуума повышается при снижении противодавления на выпускном патрубке насоса. Снижения противодавления можно достигнуть последовательным включением двух или большего числа одинако­ вых насосов (из которых каждый последующий создает разреже­ ние на входном патрубке предыдущего) или применением двухсту­ пенчатых насосов.

Быстрота действия насоса 5Я — количество литров газа, которое удаляется (выкачивается) в единицу времени через выпускной па­ трубок насоса. Быстрота действия насоса зависит от давления, с ко­ торым откачиваемый газ поступает в насос (т. е. от давления во впускном патрубке насоса). Быстрота откачки уменьшается по мере снижения давления в откачиваемом приборе и становится равной нулю при достижении в приборе предельного давления для данного насоса (Ліред). Поэтому всегда необходимо указывать, к какому давлению на входном патрубке насоса относится данное значение быстроты действия насоса. (Например, скорость откачки насоса РВН-20 равна 2,7 л/сек для давления 760 мм рт. ст.\ скорость от­ качки этого же насоса равна 0,5 л/сек для давления 0,01 мм рт. ст.) Качество насоса тем лучше, чем шире диапазон давлений, в преде­ лах которого быстрота действия насоса мало изменяется.

261

Производительность насоса Qa (поток газа) — количество газа в РѴ единицах (см. § 71), удаляемого насосом в единицу времени при данном давлении газа на впускном патрубке насоса. Произво­ дительность насоса равна быстроте его действия, умноженной на давление, под которым газ поступает в насос: Qn= 5nPH, где Р„ — давление во впускном патрубке насоса.

Вакуум-фактор Х0 — отношение фактической, быстроты откачки насоса к теоретической (максимально возможной) быстроте от­ качки:

Для хорошо сконструированного пароструйного диффузионного насоса вакуум-фактор составляет 0,3—0,5.

При выборе насосов необходимо также учитывать экономиче­ ские факторы; расход электроэнергии, воды или пара и т. д.

Пропускная способность трубопровода U характеризуется вели­ чиной потока газа через трубопровод при разности давлений на его концах, равной единице

где Q — количество газа, проходящего в единицу времени через поперечное сечение трубопровода; Р\ и Р2— давления на входе и выходе трубопровода. Величина W, обратная пропускной способно­ сти, называется сопротивлением трубопровода:

U '

На рис. 146 показано изме­ нение пропускной способности трубопровода в зависимости от давления откачиваемого газа.

Зависимость между быстро­ той 'действия насоса SH, быст­ ротой откачки So и пропускной способностью трубопровода U устанавливается с помощью основного уравнения вакуум­ ной техники:

Рис. 146. Изменение пропускной спо­ собности вакуумного трубопровода в зависимости от давления в системе

§81. РЕЖИМЫ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА

ВВАКУУМНОЙ СИСТЕМЕ

Характер и режим движения газов и паров в вакуумной системе зависит от диаметра трубопроводов и величины давления остаточ­ ных газов в каждый данный момент времени.

Существуют три режима течения газов: турбулентный, ламинар­ ный (вязкостный) и молекулярный.

В первые 'секунды откачки при высоком давлении в системе и высокой скорости откачки (особенно в системах с большими диа­ метрами трубопроводов) имеет место турбулентное движение газа. Оно характеризуется завихрениями и беспорядочным перемещением газа.

В дальнейшем, по мере снижения давления в системе, перемеши­ вание газа прекращается. Газ практически разделяется на отдель­ ные слои, которые имеют различную скорость течения и переме­ щаются параллельно друг другу. Этот режим течения газа назы­ вается ламинарным. При ламинарном режиме слой газа у стенок трубопровода имеет скорость, равную нулю; слой газа в середине трубопровода обладает максимальной скоростью, а остальные слои газа имеют одну из промежуточных скоростей. Между слоями газа, перемещающимися друг относительно друга с разными скоростями (скользящими друг по другу), возникают силы трения.

Как известно, значение силы трения, отнесенное к поверхности 1 см2 и к изменению скорости в 1 см/сек на 1 см в направлении, перпендикулярном к этой поверхности, называется коэффициентом внутреннего трения или коэффициентом вязкости. Ввиду того что внутреннее трение и, следовательно, вязкость определяют характер перемещения газов при ламинарном течении, это течение часто на­ зывается вязкостным.

При дальнейшем уменьшении давления, когда длина свободного пробега молекул газа становится соизмеримой с.,поперечными раз­ мерами трубопроводов, наступает молекулярный режим течения газов. При молекулярном режиме отсутствует скольжение и переме­ щение слоев газа параллельно друг другу. Течение газа осуществ­

скольжение рассеянных молекул газа по стенкам трубопровода. Та­ ким образом, при молекулярном режиме наблюдается картина, об­ ратная вязкостному режиму: наибольшей скорости вдоль трубопро­ вода достигают молекулы газа у его стенок, в то время как в центре трубопровда эта скорость равна нулю.

В молекулярном режиме молекулы газа при движении от одной стенки трубопровода до другой практически не соприкасаются и не сталкиваются друг с другом (так как в молекулярном режиме дли­ на свободного пробега соизмерима с диаметром вакуумного трубо­ провода). Поэтому для молекулярного режима определяющим яв­ ляется не внутреннее трение между молекулами газа (вязкость), а внешнее трение молекул газа о стенки трубопроводов, по которым они скользят.

Практически молекулярный режим течения газов имеет место при соблюдении следующего условия:

d • Р <0,015 мм pm. cm. X см,

263

молекулярный режим течения газов. Например, при диаметре тру­ бопровода 0,1 см молекулярный режим течения наступает при дав­ лении не выше 0,15 мм рт. ст., а при диаметре трубопровода 10 см молекулярный режим наступает только при уменьшении давления до 0,0015 мм рт. ст.

Вязкостный (ламинарный) режим течения газа имеет место при следующем соотношении между давлением газа и диаметром ваку­ умного трубопровода:

d • Р^> 0,55 мм pm. cm. X см.

При давлениях газа в данном трубопроводе, соответствующих неравенству 0,015< dX /)< 0,55-мм рт. ст. X см, имеет место проме­ жуточный молекулярно-вязкостный режим течения газов.

Откачка газов из приборов, отпаиваемых при высоком вакууме, проходит последовательно стадии вязкостного, молекулярно-вязко­ стного и молекулярного режимов.

§ 82. МЕХАНИЧЕСКИЕ НАСОСЫ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ВАКУУМА

Устройство и принцип работы механических насосов

Наиболее распространенными форвакуумнымн насосами яв­ ляются механические ротационные (вращательные) насосы с мас­ ляным уплотнением. По конструкции механические насосы подраз­ деляются на пластинчато-роторные, пластинчато-статорные, золот­ никовые.

В этих насосах процесс откачки происходит путем периодическо­ го изменения объема рабочей камеры, в которую засасываются от­ качиваемые газы.

На рис. 147 показана схема работы пластинчато-роторного насо­ са (например, ВН-494). Камера-статор 1 насоса погружена в бак, наполненный маслом (рабочей жидкостью). Впускной патрубок 4 проходит через камеру насоса в так называемое откачное простран­ ство 3, в котором вращается ротор 2 в направлении, указанном стрелкой. Ротор эксцентрично расположен в цилиндрической рас­ точке статора 1. Для этого ось вращения ротора смещена кверху по отношению к оси камеры. При вращении ротор плотно прилегает к внутренней поверхности статора. В прорези ротора вставлены две уплотнительные лопатки— пластины А и Б, которые плотно при­ жимаются к внутренней поверхности статора пружиной. При вра­ щении ротора пластины постоянно скользят вдоль прорезей статора, то сближаясь (положение // на рис. 147), то удаляясь друг от дру­ га (положение III).

264

При перемещении ротора из положения I в положение II объем, ограниченный пластиной А, ротором 2 и входным патрубком 4, уве­ личивается; это приводит к уменьшению давления в данном объеме и к засасыванию в него газа из откачиваемого прибора. Одновре­ менно уменьшается объем, ограниченный пластиной Б, ротором и выпускным клапаном насоса 5; это приводит к сжатию газа в дан­ ном объеме в сторону выпускного патрубка.

Рис. 147. Схема работы пластинчато-роторного насоса

При перемещении ротора из положения II в положение III пла­ стина А вращается и в результате этого происходит дополнительное всасывание газа в насос из откачиваемого прибора; одновременно под давлением газа, сжимаемого пластиной Б, открывается клапан на выпускном патрубке и газ выбрасывается в атмосферу через выпускной патрубок.

После того как ротор окажется в положении IV пластина А на­ чинает сжимать газ и он выбрасывается з атмосферу; одновремен­ но перемещение пластины Б приведет к засасыванию в насос оче­ редных порций газа из прибора. Затем все указанные операции пов­ торяются.

Таким образом, каждая пластина выполняет двойную роль: с одной стороны, она засасывает за собой газ, поступающий из впуск­ ного отверстия, с другой — сжимает поступивший газ для выбрасы­ вания его за пределы насоса через выпускное отверстие.

Места соприкосновений трущихся поверхностей являются «вред­ ными» пространствами. Например, со стороны впускного отверстия давление мало (здесь создается разрежение), а со стороны выпуск­ ного отверстия газ сильно сжат. Поэтому в случае неплотного при­ легания ротора к внутренней стенке камеры газ будет стремиться перейти из объема, ограниченного выпускным патрубком, в объем, ограниченный впускным патрубком, — это приведет к снижению предельного вакуума насоса. По мере уменьшения «вредного» про­ странства в насосе и заполнения его смазочным маслом прорыв сжимаемого газа в сторону впускного патрубка сводится к мини­ муму.

Для уменьшения количества газа, прорывающегося из выпускно­ го патрубка к впускному, и соответственно повышения предельного вакуума служат двухступенчатые насосы. Двухступенчатый насос имеет один впускной патрубок и одно выпускное отверстие, ңо со­

5 6 5

стоит из двух последовательно соединенных камер. (Это'позволяет снизить выпускное давление на камере, ближайшей к откачиваемо­ му прибору.) Однако двухступенчатые насосы имеют значительно меньшую скорость откачки по сравнению с одноступенчатыми. Ра­ бота пластинчато-статорного насоса аналогична работе пластинча­ то-роторного насоса. Обычно пластинчато-статорные насосы делают двухступенчатыми.

Основным недостатком всех вращательных насосов'с масляным уплотнением является возможность проникновения паров масла в откачиваемый прибор ввиду термического разложения рабочего масла в местах контакта трущихся элементов насоса и образования легколетучих фракций с большим давлением насыщенных паров.

Основные сведения о маслах для механических насосов

Масло, заполняющее баки, в которых расположены статоры ме­ ханических насосов, предназначено для:

смазки подвижных деталей насосов; обеспечения уплотнения зазоров между деталями ротора и ста­

тора, т. е. между сторонами всасывания и выхлопа; создания уплотнения вала, которым приводится в движение

ротор; охлаждения трущихся поверхностей;

обеспечения надежной работы выпускного клапана и уменьше­ ния вероятности проникновения атмосферного воздуха в вакуум­ ную область насоса.

При продолжительной работе насоса в области повышенных дав­ лений газа (от сотен до десятков миллиметров ртутного столба) на­ сос может перегреться. Перегрев насоса опасен интенсивным испа­ рением рабочего масла и загрязнением вакуумной системы парами масла и содержащимися в нем водяными парами. Помимо этого при перегреве резко снижается вязкость масла и нарушается герметич­ ность масляного уплотнения. Чтобы не допустить перегрева масла и снижения предельного вакуума, не разрешается увеличивать чис­ ло оборотов ротора (несмотря на то, что быстрота действия насоса увеличивается по мере повышения скорости вращения ротора). Для повышения быстроты действия механических насосов (без снижения предельного вакуума) рекомендуется два одинаковых насоса соеди­ нять параллельно.

Допускается нагрев масла до температуры не выше 50° С и то при условии, что масло чистое, сухое (не содержит водяных паров) и имеет низкое давление насыщенных паров.

Для механических насосов обычно используют нефтяные масла ВМ-4 и ВМ-6. Масло ВМ-6 по сравнению с ВМ-4 имеет ряд преиму­ ществ:

малое давление насыщенных паров — 1 • 10~6 мм рт. ст. при 20° С (у м-асла ВМ-4 — 4- ІО-5 мм рт. ст.)\

266

не содержит легколетучих примесей; обладает в несколько раз большей стойкостью к окислению;

характеризуется медленным снижением вязкости при повыше­ нии температуры;

имеет более высокую температуру вспышки (220—230° С) и большую влагостойкость.

§ 83. АДСОРБЦИОННЫЕ НАСОСЫ

Принцип действия адсорбционных насосов основан на способно­ сти предварительно обезгаженных твердых пористых тел поглощать (адсорбировать) газы и пары (см. § 74). Адсорбционные насосы на­ шли широкое применение в системах безмасляной откачки для соз­ дания предварительного разрежения. В качестве поглощающих ма­ териалов обычно применяют искусственные цеолиты. Поглощение газов путем адсорбции ускоряется при охлаждении адсорбента, по­ этому снизу на насос надевается сосуд Дьюара с жидким азотом. Наибольшее применение нашел адсорбционный насос ЦВН-01.

Основной недостаток адсорбционных насосов — необходимость периодической регенерации путем прогрева цеолита при £=550°С при давлении 1 -10-3 мм рт. ст. Поэтому целесообразно применять агрегат ЦВА-01-1, состоящий из двух адсорбционных насосов, один из которых работает, а другой проходит регенерацию.

§ ,84. ПАРОСТРУЙНЫЕ НАСОСЫ .

Устройство и принцип работы пароструйных насосов

Принцип работы пароструйных насосов основан на следующих процессах:

1. Получение струи паров масла или ртути, движущейся со сверх­ звуковой скоростью по направлению к впускному патрубку насоса. Это достигается нагревом рабочей жидкости насоса до Аашешш-

2.Перемещение молекул остаточного газа из откачиваемого объема к впускному патрубку насоса под действием теплового дви­ жения.

3.Проникновение молекул откачиваемого газа через впускной патрубок насоса в струю паров масла или ртути. В зависимости от

конструкции сопла насоса этот процесс происходит в результате либо диффузии молекул остаточного газа в струю пара (диффузионные насосы), либо внутреннего трения между молекулами газа и части­ цами пара (эжекторные насосы). Диффузия происходит из-за раз­

267

правлению к выпускному патрубку насоса. Этот процесс основан на столкновении молекул газа с частицами пара, которые обладают большой кинетической энергией.

5.Конденсация частиц пара на охлаждаемых поверхностях на­ соса. Этот процесс предотвращает диффузию паров масла (или ртути) в откачиваемый объем через впускной патрубок насоса и позволяет регенерировать рабочую жидкость насоса.

6.Откачка механическим насосом молекул остаточного газа,

увлеченных струей пара к выпускному патрубку пароструйного па-

холодильника насоса, ухудшают охлаждение этих стенок, затруд­ няют конденсацию паров масла и тем самым ухудшают предельно достижимый вакуум в насосе. Насос соединен с откачиваемым объемом 3 впускным патрубком 4, через который молекулы остаточ­ ного газа проникают в струю пара и уносятся ею по направлению к выпускному патрубку. На холодных, стенках 6 пар конденсирует­ ся, и образующаяся жидкость (масло или ртуть) снова стекает в кипятильник насоса; таким образом обеспечивается непрерывная циркуляция рабочей жидкости в насосе. Газ, освободившийся после конденсации пара рабочей жидкости, откачивается через выпускное отверстие 8 насосом предварительного вакуума. Маслоотражатель помещается между соплом и впускным патрубком; он предназначен для предохранения откачиваемого прибора от проникновения паров масла из насоса. Маслоотражатель обычно состоит из фланца и медного колпачка, на котором навита трубка с охлаждающей во­ дой. Работа пароструйного насоса существенно зависит от мощно­ сти, затрачиваемой на нагрев рабочей жидкости. Для каждого на­ соса существует пороговая мощность, ниже которой насос перестает работать. С повышением мощности нагрева сверх оптимальной ве­ личины ухудшается предельно достижимый вакуум — это объяс­ няется повышением давления насыщенного пара рабочей жидкости вблизи впускного патрубка насоса и увеличением газоотделеиия

268

насоса. Быстрота действия насоса с увеличением мощности подо­ грева сначала увеличивается, достигает максимума, а затем умень­ шается.

Практика показывает, что с уменьшением противодавления на выходе пароструйного насоса повышается предельно достижимый насосом вакуум. Уменьшения противодавления на выходе паро­ струйного насоса можно достигнуть двумя способами:

применением насосов предварительного вакуума, имеющих низ­ кую величину предельного давления и обеспечивающих достаточно высокое разрежение газа;

применением двух- и многоступенчатых пароструйных насосов.

Вдвухступенчатом пароструйном насосе

водном корпусе расположены два сопла (рис. 149). Пары масла, выходящие через

(так как обеспечивает высокую скорость струи пара). Поэтому большая скорость откачки даже при высоком противодавлении до­ стигается, когда одно сопло (верхнее) является диффузионным, а другое — эжекторным (например, насосы ЦВЛ). В четырехступен­

В последнее время находят применение сверхвысоковакуумные диффузионные паромасляные и парортутные насосы с многоярусной прогреваемой ловушкой, позволяющие создавать вакуум до ІО-12 мм рт. ст.

Основной недостаток пароструйных насосов — возможность про­ никновения паров рабочей жидкости в откачиваемые приборы. Это вынуждает устанавливать между откачиваемым прибором и паро­ струйным насосом ловушки для улавливания паров. Кроме этого,

269