Лабы / Методы / Работа 1 и 2

1.ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

1.1.Основные положения

1.1.1. Элементы вакуумной системы

Удаление газа из вакуумной камеры технологической установки осуществляется вакуумным насосом. Схема, изображенная на рис. 1.1, состоит из камеры 1; трубопровода 2, имеющего проводимость U; прибора для измере-

в камере р1 постоянно, поток газа Q через элементы вакуумной системы и давление в каждом ее сечении тоже постоянны. Стационарный газовый поток, проходящий через трубопровод, зависит от разности давлений на его концах:

где Q – поток газа, м3·Па/с; U – проводимость, м3/с; p2 – давление во входном сечении насоса.

Поток газа непрерывен, поэтому (1.1) определяет его в любом сечении трубопровода. Однако в выходном сечении камеры и входном сечении насоса поток Q можно определить иначе:

где Sэф – быстрота откачки вакуумной камеры. Величину Sэф в (1.2) вычисляют по основному уравнению вакуумной техники:

4

Из уравнения (1.3) следует, что скорость откачки камеры всегда меньше номинальной быстроты действия насоса из-за конечной проводимости трубопровода.

Проводимость элементов вакуумной системы зависит от геометрических размеров и режима течения газа, который при понижении давления от атмосферного до предельного изменяется от ламинарного (вязкостного) до молекулярного. Границы режимов определяют по критерию Кнудсена:

Kn = LT ,

Lэф

где LT – средняя длина свободного пробега молекул газа, зависящая от его

температуры, м; Lэф – эффективный размер элемента вакуумной системы. Значение LT при Т = 298 К для атмосферного воздуха можно оценить по формуле

где р – давление, Па. Для сферического сосуда диаметром D: Lэф = 23 D ; для

длинной трубы диаметром d: Lэф = d; для двух бесконечных плоскостей, между которыми расстояние h: Lэф = 2h. В самом общем случае Lэф = 4V/S, где V и S – объем и площадь внутренних стенок элемента вакуумной системы соответственно. Границы режимов течения газа приведены в табл. 1.1.

Длинный трубопровод с круглым сечением в вязкостном режиме для воздуха имеет проводимость

5

где d и l – диаметр и длина трубопровода соответственно, м; p – среднее давление по длине трубопровода, Па.

В молекулярном режиме проводимость такого трубопровода не зависит от давления и для воздуха определяется выражением

В промежуточном режиме зависимость проводимости трубопровода от геометрических размеров и давления носит более сложный характер:

U =Uв + ZUм,

где Uв – проводимость в вязкостном режиме, определяемая выражением (1.4); Uм – проводимость в молекулярном режиме, которую можно вычислить по выражению (1.5); Z – функция многих переменных, зависящая от рода газа, его температуры и давления, а также диаметра трубы. Для воздуха при Т = 298 К:

•быстрота действия S = f(р) – это объем газа, удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок при давлении р во входном сечении насоса;

•наибольшее выпускное давление pвып – максимальное давление в

выходном сечении насоса, при котором он может осуществлять откачку.

6

На первом этапе (рис. 1.4) атмосферный воздух из камеры K откачивают низковакуумным (вспомогательным) насосом NV по низковакуумному каналу I. Этот насос иногда называют форвакуумным или насосом предварительного разрежения. Изменение давления в камере объемом V на этом этапе описывает выражение

где pпрNV – предельное давление насоса NV, Па; p01 – начальное давление,

обычно равное 105 Па; SэфNV – быстрота откачки камеры насосом NV. В соответствии с (1.3):

где S0NV – номинальная быстрота действия насоса NV; UI – проводимость низковакуумного канала. Давление на этой стадии измеряют вакуумметром РТ.

Уравнения (1.6) вместе с (1.7) описывают нестационарный режим откачки, который завершается при достижении величиной p(t) значения pпрNV. Но первую стадию можно завершить в момент времени, когда давление в камере понизилось до величины pзап высоковакуумного насоса.

На второй стадии откачку ведут высоковакуумным (основным) насосом ND через трубопровод II. Нестационарный режим откачки в этом случае описывает уравнение

где Qвх – входной поток газа в камеру; p02 – начальное давление для высоковакуумного насоса, обычно равное 1…10 Па; SэфND – быстрота откачки камеры высоковакуумным насосом:

где S0ND – номинальная быстрота действия высоковакуумного насоса; UII – проводимость трубопровода II. Давление на этом этапе измеряют вакуумметром РИ.

8

Одним из параметров высоковакуумного насоса, как было указано ранее, является выпускное давление pвып, которое всегда ниже атмосферного. Это давление обеспечивает низковакуумный насос NV, вход которого соединен с выходом ND через вентиль B1.

Нестационарный режим откачки, описываемый на второй стадии выражением (1.8), завершается достижением предельного давления:

Как следует из (1.10), величина pпр зависит от входного потока газа и параметров высоковакуумной линии откачки [см. (1.9)].

Допустимый входной поток газа для вакуумной камеры, в которой необходимо обеспечить заданную степень ва-

большее выпускное давление основного насоса, причем обязательно выполнение условия pвып ≥ рпр. Условие (1.11) описывает способность вспомога-

тельного насоса перекачивать наибольший поток газа от основного насоса.

1.2. Лабораторная работа 1. Исследование вакуумной системы технологической установки по программной модели

1.2.1.Цели работы

1.Изучение процесса получения высокого вакуума.

2.Исследование влияния параметров вакуумных насосов на процесс от-

качки.

9

3. Исследование влияния геометрических размеров элементов вакуумной системы на процесс откачки.

1.2.2. Виртуальная вакуумная система

Вакуумная система (см. рис. 1.4) выполнена в виде программной модели в интегрированной среде LabView. Установка является виртуальной, поскольку все ее элементы, органы управления, связи между ними и законы функционирования элементов заданы с помощью программных средств. Передняя панель установки сформирована на экране монитора. Органы управления и специальные индикаторы, находящиеся на ней (рис. 1.5), позволяют:

1) задавать значения переменных параметров вакуумной системы, в качестве которых приняты объем камеры V, геометрические размеры трубопроводов I (df и lf) и II (d и l), номинальная быстрота действия насосов NV

(S0NV) и ND (S0ND), входной поток газа в камеру Q;

p, Торр

S0 всп

S0 осн

Рис. 1.5. Компьютерная модель высоковакуумной системы технологической установки

2)управлять процессом получения высокого вакуума в камере с помощью натекателя N, а также вентилей B1, B2 и затвора B3;

3)измерять давление в камере (по стрелочным и цифровым шкалам вакуумметров), эффективную быстроту действия насоса, который проводит откачку камеры (индикатор S), и проводимость канала, по которому идет откачка (индикатор U);

4)изменять масштаб времени.

10

Для получения высокого вакуума в камере необходимо (рис 1.5):

1)кнопкой 1 включить установку, тумблером 3 включить термопарный вакуумметр 2, кнопкой 13 открыть вентиль В1, кнопкой 10 включить диффузионный насос, кнопкой 12 открыть натекатель N. Примерно через 30 мин диффузионный насос будет разогрет до рабочей температуры, при этом лампочка 9 изменит цвет. Для ускорения или замедления любого цикла следует использовать индикатор масштаба времени 15. На индикатор 8 выводится текстовая информация о состоянии установки и об ошибках оператора;

2)закрыть натекатель N и вентиль В1, кнопкой 14 открыть вентиль В2.

Получить в камере средний вакуум (давление порядка 10−1 мм рт. ст.), наблюдая за изменением давления по шкале термопарного вакуумметра 2 и графическому индикатору. По шкале прибора этому давлению соответствует

2мВ;

3)закрыть вентиль В2, открыть вентиль В1, тумблером 7 включить ионизационный вакуумметр РИ (прибор недопустимо включать при красном цвете лампочки 6), кнопкой 11 открыть затвор В3. Получить в камере высокий вакуум, наблюдая за изменением давления по шкале прибора 4 с учетом множителя, который задают кнопки 5, и графическому индикатору.

Для повторения процесса получения высокого вакуума выключить вакуумметр РИ, закрыть затвор В3 и напустить в камеру атмосферный воздух, открыв натекатель N. Увеличение давления в камере контролировать по термопарному вакуумметру. Далее повторить пп. 2 и 3.

По окончании работы с вакуумной системой следует выключить диффузионный насос и вакуумметры, закрыть вентиль В2 и затвор В3. Процесс охлаждения диффузионного насоса длится примерно 30 мин. По его завершении закрыть вентиль В1 и установку в целом.

1.2.3.Задания

1.Изучить программную модель вакуумной системы.

2.Получить в вакуумной камере высокий вакуум по заданным преподавателем параметрам вакуумной системы.

3.Исследовать влияние параметров вакуумной системы на процесс от-

качки.

11

1.2.4.Порядок выполнения заданий

1.Изучить порядок управления программной моделью.

2.Измерить кривую откачки (от атмосферного до предельного давления), скорость откачки камеры S и проводимость канала U, по которому выполняется откачка, по следующему алгоритму:

p, Торр

1·10–1

1·10–2

1·10–3

1·10–4

а) провести пробные эксперименты по получению в камере высокого вакуума. Наблюдая за изменением давления по графическому индикатору, с помощью индикаторов «time 1» и «time 2» определить моменты времени, в которые будут выполнены измерения. Занести эти значения в столбцы 1 и 6

табл. 1.3;

б) получая в камере высокий вакуум, заполнить столбцы 2, 4, 5, 7–9 табл. 1.3. Для записи результата измерения можно временно остановить процесс откачки, закрыв вентиль В2 или затвор В3.

При откачке камеры механическим насосом моменты времени фиксировать по индикатору «time 1», а давление – по цифровой части термопарного вакуумметра. Для заполнения столбца 3 табл. 1.3 использовать градуировоч-

12

приведенную на рис. 1.6. При откачке диффузионным насосом использовать индикатор «time 2» и цифровую часть ионизационного вакуумметра. Значения S и U показывают соответствующие индикаторы.

3. Провести следующие исследования:

а) исследовать процесс откачки камеры низковакуумным насосом. Исходные данные для исследования: объем вакуумной камеры V, номинальное

быстродействие вспомогательного насоса S0NV, диапазоны изменения параметров df и lf. Значения параметров Q, d, l и S0ND можно взять из эксперимента 2. Цель исследования (см. рис.

1.2): в заданных диапазонах изменения

df и lf (рис. 1.7) качественно определить положение на плоскости (df, lf) зависи-

мости df = f(lf), для которой справедливо условие p(t) = 5 · 10–2 Торр при t = 240 с.

Методика исследования: по заданию преподавателя;

б) исследовать процесс откачки камеры высоковакуумным насосом. Исходные данные для исследования: объем вакуумной камеры V, два параметра

из четырех Q, l, d, S0ND по заданию преподавателя, диапазоны изменения этих двух параметров по заданию преподавателя. Цель исследования: определить зависимость предельного давления рпр [см. (1.8)–(1.10)] от двух заданных параметров. Методика исследования: по заданию преподавателя.

1.2.5. Содержание отчета

1.Цели работы.

2.Вакуумная схема установки.

3.Описание процесса откачки с необходимыми формулами для расчета.

4.Таблицы с экспериментальными и расчетными данными.

13