Методики определения параметров вакуумных систем. Лабораторный практикум

средств измерения давления проводится в зависимости от диапазона рабочих давлений в вакуумной системе.

Вакуумные насосы по принципу действия можно классифицировать следующим образом:

1)насосы объемного действия, которые осуществляют про-

цесс откачки за счет периодического изменения объема рабочей камеры (вращательные и поршневые насосы; p = 105...10–1 Па);

2)насосы эжекторные, которые осуществляют откачку за

счет захвата газа струей рабочей жидкости или пара (водоструйные и пароэжекторные насосы; p = 104...10–1 Па);

3)насосы, которые осуществляют процесс откачки за счет сообщения молекулам откачиваемого газа дополнительной скорости

вопределенном направлении. Насосы этого типа могут быть струйными, в которых направленная дополнительная скорость сообщается молекулам газа непрерывно истекающей струей пара или газа, и мо-

лекулярными, в которых эта скорость сообщается движущимися поверхностями твердых тел (p = 1...10–8 Па);

4)насосы ионные, в которых откачка осуществляется за счет движенияионизированногогазавэлектрическомполе(p = 10–2...10–10 Па);

5)насосы, которые осуществляют процесс откачки за счет способности ряда материалов поглощать газы: геттерные (p = 10–4...10–10 Па) исорбционные(p = 105...10–10 Па) насосы;

6)насосы криогенные, которые осуществляют процесс от-

качки за счет конденсирования откачиваемых газов или паров при низких температурах (p = 10–1...10–10 Па).

Очень часто для улучшения рабочих характеристик применяют насосы с комбинированным принципом действия (например, геттерно-ионные).

Основными параметрами перечисленных средств откачки являются быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска, наибольшее выпускное давление и производительность.

Этими параметрами определяется выбор откачных средств для конкретной вакуумной установки.

21

2.1.3. Определение эффективной скорости откачки и производительность насосов

На рис. 2.1 представлена простейшая вакуумная система.

1

P1

3

P2

4 5

2

Рис. 2.1. Простейшая вакуумная система:

1 – откачиваемый объект; 2 – насос; 3 – трубопровод; 4 – впускной патрубок насоса; 5 – выпускной патрубок насоса

Понижение давления газа при откачке происходит во всей системе, но вследствие сопротивления трубопровода у его конца, обращенного к насосу, давление падает быстрее, чем у конца, обращенного к откачиваемому объекту, т. е. p1 > p2. Разность давлений p1 – p2 служит движущей силой откачки объекта. В связи с тем, что быстрота снижения давления в откачиваемом объекте и у входа в насос различны, различают быстроту откачки объекта Sэф (на входе в камеру при p1) и быстроту откачивающего действия насоса Sн (на входе в насос при p2).

В общем случае быстротой откачки S (м3/с) называется объем газа, проходящий через определенное сечение в единицу времени при определенном давлении газа в этом сечении. Поскольку быстрота откачки изменяется с изменением давления, то ее значение приходится относить к бесконечно малому промежутку времени dt, в течение которого через сечение проходит бесконечно малый объем dV:

Для стационарного потока газа (например, при натекании газа в камеру) справедливо основное уравнение вакуумной техники, связы-

вающее три основных параметра откачиваемой вакуумной системы:

22

где Q – газовый поток, Па м3/с;

U – проводимость элемента вакуумной системы, м3/с. учитывая, что в соответствии с уравнением состояния газа

масса пропорциональна произведению pV = NRT (Па м3), вводится внесистемная условная единица количества газа 1 м3 Па, равная количеству газа в 1 м3 при p = 1 Па и T = 273 К. Это соответствует

1,3 10–5 кг воздуха или 1,3 10–5 M/29 кг любого другого газа с молекулярной массой M.

Для потока газа Q можно записать другое выражение в дифференциальной форме, справедливое для стационарных и нестационарных газовых потоков:

В соответствии с уравнением (2.12) для измерения газовых потоков и быстроты откачки используют два метода: метод постоянного давления (p = const; Q = pdV/dt – см. лабораторную работу 4) и метод постоянного объема (V = const; Q = Vdp/dt – данная лабораторная работа). Оба метода считаются абсолютными.

Комбинируя описанные выше уравнения, получим для данной работы общее выражение:

Из уравнения (2.13) следует, что для определения быстроты откачки Sэф и ее зависимости от pi необходимо получить кривую откачки (зависимость p от t), построить график lgp от t, графическим дифференцированием определить величины dlgpi/dt и при известном объеме камеры V рассчитать по уравнению (2.13) Sэф и Qi при давлениях pi и построить графики этих зависимостей.

Если в документации к вакуумной установке имеются зависимости Sнi от p для форвакуумного и диффузионного насосов, то можно рассчитать проводимость вакуумной системы U или ее элементов как функцию от pi.

Проводимость U не зависит от p в области молекулярного течения газа (p 10–1 Па) и увеличивается с ростом p в переходной области и области вязкостного течения газа (p 100 Па).

23

2.2. Описание оборудования

В настоящей работе используется вакуумный универсальный пост типа ВУП-2К (рис. 2.2). Пост предназначен для осуществления операций электронно-микроскопического препарирования, связанных с распылением материалов в вакууме. Кроме того, прибор может быть использован для физико-химических исследований, металлизации в вакууме и решения целого ряда других задач. В лабораторной работе рассматривается только вакуумная часть установки.

Рис. 2.2. Принципиальная схема вакуумной системы ВУП 2К: 1 – насос предварительного вакуума; 2 – распределитель; 3 – высоковакуумный насос; 4 – ловушка; 5 – ионизационная

манометрическая лампа ЛМ-2; 6 – рабочий объем; 7 – термопарная манометрическая лампа ЛТ-4М; 8 – буферный баллон; 9 – вакуумная камера; а, в – д – клапаны; б – отверстие

24

2.2.1.Технические данные вакуумной части

1.Рабочее давление под колпаком при охлаждении ловушки водой – 5 10–5 мм рт. ст. (6,7 10–3 Па). Время откачки – 10 мин.

2.Рабочее давление под колпаком при охлаждении ловушки жидким азотом– 5 10–6 ммрт. ст. (7 10–4 Па). Времяоткачки– 25 мин.

3. Давление в вакуумной камере сушки – 10–2 мм рт. ст. (10,6 Па). Время откачки – 8 мин.

4.Питающая сеть: напряжение – 220…380 В; частота – 50 Гц;

допустимые колебания напряжения – ±10 %.

5.Габаритные размеры вакуумной установки – 113 61 130 см.

6.Масса вакуумной установки – не более 285 кг.

7.Потребляемая мощность – не более 3 кВт.

2.2.2. Конструкция вакуумной части

Вакуумная система установки ВУП-2К смонтирована в отдельной стойке, в которой размещены также блоки электропитания и соединительные кабели. Откачиваемый стеклянный колпак, защищенный металлическим экраном со смотровыми окнами, расположен на стойке слева. На передней части стойки размещены пульт управления и дверца для доступа к предохранителям распределительного щитка. На боковых и задней стенках стойки имеются объемные щитки, обеспечивающие доступ к внутренним частям прибора при осмотрах и ремонте. На задней стенке стойки имеются штепсельные разъемы для подключения прибора и отдельных блоков, штуцеры водяного охлаждения, клемма для заземления.

Основнымичастями вакуумнойсистемы (см. рис. 2.2) являются:

–насос предварительного вакуума 1 ВН-461 М, производящий откачку системы до давления порядка 1 Па;

–высоковакуумный насос 3 Н-1С-2, производящий откачку рабочего объема до высокого вакуума;

–ловушка 4, предотвращающая попадание паров масла из высоковакуумного насоса в рабочий объем;

–буферный баллон 8, необходимый для устойчивой работы высоковакуумного насоса;

–распределитель 2, служащий для коммутации магистралей предварительного вакуума;

25

–вакуумная камера 9, в которой происходит дегазация и хранение материалов под вакуумом;

–ионизационная манометрическая лампа ЛМ-2 8, служащая для измерения высокого вакуума;

–термопарная манометрическая лампа ЛТ-4М 7, которая служит для измерения предварительного вакуума в рабочем объеме;

–рабочий объем 6, в котором при высоком вакууме осуществляются различные операции.

Соединение основных частей вакуумной системы осуществляется резиновыми шлангами или металлическими патрубками с вакуумными уплотнениями в местах соединений.

2.2.3. Режимы работ ВУП-2К

Конструкция вакуумной системы (см. рис. 2.2) позволяет создавать шесть различных режимов:

1)"ВК" – напуск воздуха в колпак;

2)"КОЛПАК" – откачка колпака на предварительный вакуум;

3)"ВВ" – откачка колпака на высокий вакуум;

4)"О" – остановка;

5)откачка вакуумной системы на предварительный вакуум;

6)"ВН" – напуск воздуха в насос предварительного вакуума. Создание соответствующего режима производится установ-

кой рукояток вентилей в необходимое положение.

При переключении рукоятки распределителя 2 в положение "ВК" клапан "а" закрыт, а клапан "в" открыт, отверстие "б" соединяет насос предварительного вакуума с буферным баллоном 8. Высоковакуумный клапан "г" и запорный клапан "д" вакуумной системы должны быть закрыты. Воздух через клапан "в" поступает в рабочий объем 6. Высоковакуумный насос 3 откачивается насосом предварительного вакуума 1.

При переключении рукоятки в положение "КОЛПАК" рабочий объем откачивается на предварительный вакуум. При этом отверстие "б" соединяет насос 1 с рабочим объемом 6. Клапаны "а" и "в" закрыты. Высоковакуумный насос в это время работает на буферный баллон. Клапаны "г" и "д" закрыты. Измерение вакуума под колпаком производится лампой ЛТ-4М. При достижении достаточно хорошего предварительного вакуума рукоятка распределителя переключается в положение "ВВ" и открывается высоковакуумный клапан "г". В этом положении отверстие "б" соединяет буферный баллон

26

с насосом предварительного вакуума. Происходит откачка колпака на высокий вакуум. Клапаны "а" и "в" распределителя, а также клапан "д" вакуумной системы закрыты. Вакуум в рабочем объеме измеряется лампой ЛТ-4М или лампой ЛМ-2.

Переключение рукоятки распределителя в положение "О" производится через положение "КОЛПАК" после закрытия высоковакуумного клапана "г". В этом положении закрыты клапаны "а", "в", "г", "д". Рабочий объем, высоковакуумный насос с буферным баллоном отсекаются друг от друга клапаном "г".

Откачка вакуумной камеры насосом предварительного вакуума производится при установке рукоятки распределителя в положение "О" и закрытом положении запорного клапана "д". Откачку камеры можно производить также при установке рукоятки распределителя в положение "КОЛПАК" и закрытом высоковакуумном клапане "г". В положениях "ВК" и "ВВ" откачку камеры производить нельзя, так как воздух из камеры попадает в высоковакуумный насос и окисляет масло.

После окончания работы рукоятка распределителя переключается в положение "ВН". При этом клапаны "в", "г" и "д" закрыты, а клапан "а" открыт. Воздух через клапан "а" попадает в насос предварительного вакуума. Это предотвращает выдавливание атмосферой рабочего масла из насоса в вакуумную систему.

Конструкция вентиля вакуумной камеры предусматривает следующие положения:

1)"ОТКРЫТО" – откачка камеры на предварительный вакуум;

2)"ЗАКРЫТО" – сохранение вакуума в камере;

3)"ВОЗДУХ" – напуск воздуха в камеру.

Положение "ОТКРЫТО" осуществляется вывинчиванием ходового валика с рукояткой из корпуса вентиля. При этом клапан, смонтированный на ходовом валике, поднимается и открывается отверстие, соединяющее вакуумную камеру с насосом предварительного вакуума.

Положение "ЗАКРЫТО" устанавливается после заворачивания ходового валика в корпус до упора. В это время клапан перекрывает соединительное отверстие.

Положение "ВОЗДУХ" осуществляется отжатием защелки и дальнейшим ввертыванием ходового валика в корпус. В этом случае клапан продолжает перекрывать соединительное отверстие, а отверстие, имеющееся в ходовом валике, открывается, и воздух попадает в камеру.

27

2.2.4. Пульт управления

Управление вакуумной установкой и контроль за ее работой производится с пульта управления, расположенного на передней стенке стойки. На пульте размещены тумблер включения сети, тумблер включения насоса предварительного вакуума, тумблер включения высоковакуумного насоса, сигнальные лампочки, рукоятка распределительного вентиля. Электрическое соединение пульта управления с узлами и блоками установки осуществляется кабелями с помощью штепсельных разъемов и проводами с кабельными наконечниками.

Прибор подключается к сети переменного тока напряжением 220…380 В через разъем, кабель и магнитный пускатель. Включается пускатель тумблером "СЕТЬ". При включении загорается сигнальная лампочка, расположенная над тумблером.

Электродвигатель насоса предварительного вакуума включается тумблером "НАСОС ПВ", установленным на щитке пульта. Обмотки электродвигателя защищены от перегрузок плавкими предохранителями, расположенными в распределительном щитке стойки.

Электронагреватель насоса высокого вакуума включается тумблером "НАСОС ВВ". При этом напряжение сети через предохранитель, тумблер и контакты гидрореле поступает на печь насоса. О включении печи насоса указывает сигнальная лампочка, установленная сверху тумблера.

При отсутствии охлаждающей воды размыкаются контакты гидрореле, печь высоковакуумного насоса отключается, гаснет сигнальная лампочка, включается звонок. Если во время работы перегорает обмотка электронагревателя, то при включенном тумблере "НАСОС ВВ" гаснет сигнальная лампочка.

2.3. Содержание работы

Перед проведением работы студент обязан:

1. Используя описание работы и прилагаемый список литературы, ознакомиться:

а) с основными понятиями вакуума и используемой в настоящее время терминологией;

б) с конструкцией вакуумной установки и принципами ее ра-

боты;

в) с теоретическими основами процесса откачки и принципами конструирования вакуумных систем.

28

2.Изучить описание вакуумной универсальной установки ВУП-2К, инструкции по эксплуатации насоса предварительного вакуума ВН-461М (выдается преподавателем), инструкции по эксплуатации вакуумметра типа ВИТ-2 и указания по технике безопасности.

3.Ответить на контрольные вопросы.

При выполнении работы студент обязан:

1.Снять кривые откачки колпака вакуумной универсальной установки ВУП-2К (в диапазоне давлений 1 105…1 Па) при откачке колпака насосом предварительного вакуума:

а) по форвакуумной линии; б) через диффузионный насос и высоковакуумный клапан.

2.Используя паспортные данные насоса ВН-461М, расчетным путем построить зависимость быстроты откачки колпака и пропускной способности трубопроводов для случаев а) и б) п. 4 от дав-

ления (в диапазоне давлений 1 105…1 Па).

3.Снять кривые откачки в диапазоне давлений 1…1 10–³ Па при работе диффузионного насоса Н-1С-2.

4.Используя паспортные данные насоса Н-1С-2, расчетным путем построить зависимость быстроты откачки колпака и пропускной способности трубопровода от давления в откачиваемом объеме

(в диапазоне давлений 1…1 10³ Па).

2.4. Порядок выполнения работы

Получить задание у преподавателя.

Ознакомиться с разд. 2.1 – 2.3, после чего приступить к реальному изучению вакуумной установки. Особое внимание нужно обратить на соединение отдельных деталей друг с другом (вентили, трубопроводы), на возможность прогрева и охлаждения некоторых узлов и наличие обводного пути, позволяющего проводить откачку, как только насосом предварительного разрежения, минуя высоковакуумный насос, так и с помощью последнего.

Затем в присутствии преподавателя или лаборанта приготовить пост к включению и включить его, используя тумблер "СЕТЬ".

Провести предварительную откачку всей вакуумной системы с помощью насоса ВН-461М. Для этого тумблер "НАСОС ПВ", высоковакуумный клапан и распределительный вентиль поставить последовательно в положения "ОТКРЫТО" и "КОЛПАК". В соответствии с инструкцией включить вакуумметр ВИТ-2. При отсутствии течей в вакуумной системе давление в ней через 10…15 минут устанавливается порядка 5 Па.

29

После этого можно снимать кривые откачки. Для этого, не включая насоса, напустить атмосферу в колпак, для чего распределительный вентиль поставить в положение "ВК", а высоковакуумный клапан в положение "ЗАКРЫТО". После напуска воздуха распределительный вентиль поставить в положение "ВВ", а высоковакуумный вентиль открыть и засечь время.

Снять кривую откачки колпака насосом предварительного разрежения при откачке через паромасляный насос, отмечая значения давления по термопарному вакуумметру через минимально возможные промежутки времени. Когда давление в системе будет изменяться медленно, интервалы между замерами можно увеличить до 3…5 мин. Считают, что получен предельный вакуум, если давление в системе не меняется в течение 15 мин откачки. При необходимости измерения повторить.

Следующим этапом работы является снятие кривой откачки насосом предварительного разрежения по обводной линии, минуя паромасляный насос. Для этого высоковакуумный вентиль поставить в положение "ЗАКРЫТО", распределительный вентиль – в положение "ВК". После напуска воздуха в колпак распределительный вентиль поставить в положение "КОЛПАК" и засечь время. Снять кривую откачки колпака, соблюдая те же указания, что и раньше.

Наконец, снять кривую откачки колпака высоковакуумным насосом. Для этого произвести запуск насоса Н-1С-2, оставляя распределительный вентиль в положении "КОЛПАК", а высоковакуумный – в положении "ЗАКРЫТО". Последовательность дальнейших операций такая: пустить воду для охлаждения насоса высокого вакуума, включить тумблер "НАСОС ВВ" и дать прогреться насосу в течение примерно 40 мин. После разогрева насоса рукоятку распределительного вентиля поставить в положение "ВВ"; вращая ее против часовой стрелки, открыть высоковакуумный клапан, засечь время и снять кривую откачки, регистрируя показания вначале термопарного манометра, а после достижения вакуума в колпаке порядка 5 Па – ионизационного. Порядок регистрации давления соблюдается тот же, что и раньше. При необходимости измерения повторить (напустить воздух в колпак, откачать его насосом предварительного вакуума, а затем повторно снять кривую откачки насосом высокого вакуума). После того, как все измерения закончены, установку отключить. Для этого необходимо выполнить следующие операции:

30