Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы вакуумной техники. Учебное пособие
.pdf
лен необходимостью сокращения обратного потока масла насосов 11,
15. Для этой же цели используется азотная ловушка 16.
В рабочей камере 3 предусмотрена безмасленая откачка. Предварительная откачка от атмосферного давления до давления 1 Па осуществляется адсорбционным насосом 8. Далее клапан 6 закрывается, и
откачка продолжается магниторазрядным насосом 10. Для достижения
предельных
давлений в камере (10
–6
Па) в системе предусмотрен тита-
новый сублимационный насос и заливная азотная ловушка 9.
Перенос образцов из камеры загрузки в рабочую камеру спектрометра производится через клапан 2 после прогрева системы и достижения предельного вакуума.
3.2. Вакуумные насосы
Выбор насосов для создания конкретной вакуумной системы всегда
связан c компромиссом и требует учета многих факторов, например,
таких как предельный вакуум, состав рабочей атмосферы, время откачки, степень сложности монтажа и характерные условии работы, стоимость вакуумной системы и технического обслуживания. В табл. 3.1
даны рекомендации по выбору высоковакуумных насосов в зависимости
от
типа откачиваемых газов.
Таблица 3.1
Рекомендации но выбору высоковакуумных насосов
Откачиваемый
газ
Воздух + ++ + ++
Коррозионно-
активные газы
Гелий – ++ – +/++
Водород +– ++ +– +/++
Инертные газы ++ ++ +– ++
Водяной пар ++ + +– +–
Крионасос
– +– – +
Диффузион-
ный насос
Тип насоса
Ионосорбционный насос
Турбомолекулярный насос
Основными параметрами насоса, характеризующими его техникоэкономические возможности, являются:
dV
скорость откачки (быстрота действия) –
1)
31
Sdt ;
н
3
[м /с]
2)
производительность –
начальное давление (давление запуска) – максимальное давление
3)
на входе насоса – P
4)
выпускное давление (давление на выходе насоса) – P
критическое давление – максимально допустимое давление на
5)
выходе насоса – P
6)
предельное давление – минимальное давление на входе насоса
;
з
вып.кр
;
при длительной работе – P
7)
мощность, потребляемая насосом.
нн
;
пр
3
[Па м /с]QPS ;
вып
;
Скорость откачки и предельный вакуум – это главные характеристики насоса.
Для измерения предельного вакуума обычно используются два метода:
–
измерение с помощью манометра, что дает «полное» давление;
–
измерение манометром, снабженным ловушкой с жидким азо-
том, определяется парциальный предельный вакуум насоса.
Рассмотрим два примера.
1. Для двухступенчатого пластинчато-роторного насоса по измере-
ниям манометра сопротивления (манометр Пирани) получено Р
–1
2 · 10
на входе (метод, предусмотренный европейским стандартом Pneurop) –
5 · 10
Па, а ионизационным манометром с ловушкой с жидким азотом
–3
Па. Отличие более чем в 100 раз объясняется составом остаточ-
пр
–
ной атмосферы. В первом случае она состоит главным образом из водяных паров и паров масла, во втором – азота, кислорода, водорода.
2. Для паромасляного диффузионного насоса состав остаточных га-
зов при Р
на входе насоса: масло – 90 %, водород – 5 %, пары воды –
пр
5 %. Для ионизационного манометра (ПМИ-2) относительная чувствительность в зависимости от типа газа меняется: пары воды, азот, кислород – 1, водород – 0,25, масло – 10. Если на входе насоса (между
насосом и манометром) нет ловушки, полное Р
составит:
пр
пр пр м пр в пр н2 пр
0,9 10 9РР Р
где
– давление паров масла;
пр м пр пр
0,05 0,26 0,0125РР Р – давление водорода;
пр н2 пр пр
0,05 1 0,05РР Р – давление паров воды.
прв пр пр
9,06 ,РР Р Р Р
32
При наличии азотной ловушки в манометр будет попадать только
водород и показания прибора –
0,0125РР
пр пр
. Таким образом, ре-
ально замеряемая величина предельного давления определяется составом газовой атмосферы и способом (условиями) измерений.
Кроме того, следует помнить, что со временем рабочие характеристики насоса ухудшаются, поэтому при выборе насосов обычно создается определенный запас надежности по предельному давлению. Соотношение 10 : 1 является минимальным, а по возможности его
увели-
чивают до 100 : 1.
Для насосов, применяемых в электронной промышленности, типичные значения предельного вакуума составляют:
–
ротационные насосы с масляным уплотнением – 5 0,5 Па;
насосы Рутса – 5 · 10
–
– турбомолекулярные насосы – 1 · 10
– диффузионные насосы (без ловушек с жидким азотом) – 1 · 10
–
диффузионные насосы (снабжаемые ловушками с жидким азо-
том) – 1 · 10
–6
Па;
– крионасосы – 1 · 10
–9
–2
Па;
Па.
–6
Па;
–4
Па;
Основные способы уменьшения обратного потока из насосов предварительной откачки:
–
сокращение времени откачки (повышение быстродействия);
– переключение на высоковакуумный насос при максимально возможном давлении (в некоторых случаях уже при 50…100 Па);
–
использование наиболее чистых, термостабильных жидкостей
(высоковакуумные масла, полиэфиры);
надежное охлаждение насоса, поскольку давление насыщенных
–
паров масел быстро возрастает при нагреве.
Заметно уменьшают обратный поток масла при низких давлениях
ловушки на входе насоса, а также насосы Рутса (двухроторные насосы)
и турбомолекулярные насосы, в которых коэффициент сжатия составляет 10
2
и 1010 соответственно, что приводит к аналогичному умень-
шению давления паров масла.
Кроме того, в откачиваемых системах часто существуют и другие
источники углеводородов, например:
эластомерные уплотнения, сальники и т. п.;
смазка в подшипниках и движущихся узлах внутри камеры.
Для устранения этих причин система должна конструироваться по
требованиям сверхвакуумной технологии: металлические уплотнения,
сильфонные вводы, спаи по стеклу и керамике.
33
3.3. Уравнение вакуумной техники
Расчет скорости откачки рабочего объема
Простейшая схема вакуумной системы (рис. 3.3) включает откачиваемый объем
В условиях постоянства газового потока по длине вакуумной системы связь между быстротой действия насоса
входе насоса) и быстротой откачки объема
ном сечении объема
ной техники:
где
U – проводимость трубопровода. Проводимость зависит от геомет-
рии трубопровода и давления (режима течения) газа. Формулы для
расчета проводимости круглых отверстий и трубопроводов приведены
в табл. 3.2.
1, соединительный трубопровод 2 и насос 3.
1 2 3
Рис. 3.3. Схема вакуумной установки
S
(определяемой на
н
S
(определяемой в выход-
эф
1 устанавливается основным уравнением вакуум-
SU
S
эф
н
SU
н
, (3.1)
Таблица 3.2
Формулы для расчета проводимости круглых отверстий и трубопроводов
Элемент
Трубопровод диаметром d,
длиной l
Отверстие диаметром d U = 160 d2 U = 91d2
Размерность величин в формулах: U – м3/с, Р – Па, l, d – м
U = 1,36 · 10
P
ср
Режим течения газа (воздух)
Вязкостный Молекулярный
3(d4
· Pср)/l,
– среднее давление по
длине
34
U = 121d
3
/l
При последовательном соединении элементов результирующая
проводимость находится как
11
UU
. (3.2)
i
Для оценки при откачке воздуха расчет проводимости можно производить в предположении молекулярного режима течения, а затем,
если необходимо, использовать поправочный коэффициент С. Для газа
при давлении P, текущего по трубопроводу с внутренним диаметром
D, проводимость U определяется из уравнения
Значение U
UCU
в режиме молекулярного течения находят по номо-
мол
. (3.3)
мол
грамме (рис. 3.4) на пересечении шкалы U и линии, соединяющей точки внутреннего диаметра D и длины трубопровода L. Значение поправочного коэффициента С определяется на соответствующей шкале в
точке пересечения с прямой, соединяющей точки на прямой D и P.
Пример. Трубопровод длиной L = 2 м, среднее давление 1 мм рт. ст.
Прямая 1 из точки D = 2 см в точку L = 2 м пересекает шкалу U в точке
U = 0,5 · 10
–3 м3
/с. Прямая 2 из точки D = 2 см в точку Р = 1 мм рт. ст.
пересекает шкалу С в точке С = 30. Таким образом, значение проводимости трубопровода
333
0,51 0 30 151 0 м /cU
. (3.4)
Примеры расчета вакуумной системы. В изотермическом при-
ближении баланс газовых потоков в откачиваемом объеме определяется газовыделением и скоростью откачки насоса:
()dPV
dt
QS
. (3.5)
эф
Если объем камеры остается постоянным, то
()dPV dP
V
. (3.6)
dt dt
Для решения уравнения (3.5) необходимо знать зависимость
и S
(P).
эф
35
Q
∑
(P)
Рис. 3.4. Номограмма для расчета проводимости прямых
трубопроводов при откачке воздуха
Рассмотрим несколько частных случаев.
1. Газовый поток определяется только натеканием, причем
. (3.7)
const( ), const( ) QQ PS P
н
Тогда уравнение (3.5) принимает вид
dP
VQS
dt
и имеет решения
()
Pt Pe P
0 пр. к
(3.8)
нэф
St
эф
V
, (3.9)
36
– начальное давление в камере; P
где Р
0
= Qн/Sэф – предельно дости-
пр. к
гаемое давление в камере при условии равновесия dP/dt = 0.
Если в системе существует и газовыделение, то зависимость P(t)
определяется видом функции Q
(P) и в общем случае не экспоненци-
∑
альна, а предельное давление
Q
. (3.10)
P
пр. к
S
эф
S
2. Если насос отключен (
= 0), то при отсутствии газовыделения
эф
dP
VQ
dt
, (3.11)
н
и в условиях натекания наблюдается линейный рост давления со временем
Q
()
Pt P t
н
0
. (3.12)
V
3. При десорбционном газовыделении
/
t
1
0
1
эф
–
. (3.14)
/
t
0
V
cons (t)Qt , поэтому решение (3.5) имеет вид
10
Без откачки S
Величину
QQ Qe
. (3.13)
дес 0
SS
эф эф
––
Pt Pe e e
e можно рассматривать как долю газа на поверхности,
/t
= 0;
эф
0
() (1– )
Pt P e
tt
VV
() –
Q
S
V
V
Q
. (3.15)
0
не десорбировавшего к моменту t.
4. Длительность откачки из (3.5) в общем случае определяется как
P
t
VdP
QP SP
P
0
–()
эф
. (3.16)
37
В случае Q
= 0, Sэф(P) = const интеграл легко вычисляется:
∑
VP
t
ln
. (3.17)
SP
эф 0
5. Если стоит задача определения скорости откачки, то необходимо
решить уравнение (3.5) относительно S
(Q
= 0, S
∑
= const ) очевидно, что
эф
VP
ln
S
, (3.18)
tP
– скорость, требуемая для откачки камеры до давления Р за время t.
S
эф
. В простейшем случае
эф
0
Вследствие зависимости скорости откачки насосов от давления ее
обычно определяют экспериментально. Для этого снимают зависимость P(t) в камере в процессе откачки, а соответствующую ей зависимость S
(Р) рассчитывают графическим дифференцированием кривой
эф
P(t) согласно уравнению (3.5):
VP
Pt
x
(3.19)
() – ,
SP
где ∆P – изменение давления, соответствующее ∆t; P
– среднее значе-
x
ние давления в интервале.
3.4. Согласование насосов, работающих
последовательно
Основные правила согласования:
1) входное давление последующего насоса должно быть ниже кри-
тического выходного давления предыдущего с учетом сопротивления
трубопроводов;
2) так как поток газа во всей системе должен быть постоянным, то
минимальная скорость откачки форвакуумного насоса, измеренная на
выходе предыдущего (например, диффузионного), равна
38
/
m
SQP (3.20)
min вып. кр
где Q
(или заданный поток в системе); P
– максимальная производительность высоковакуумного насоса
m
– максимальное давление на
вып. кр
выходе.
Если же минимальная скорость (S'
) замеряется на входе после-
min
дующего (форвакуумного) насоса, т.е. с учетом проводимости системы
межу насосами, то, принимая во внимание (3.1), (3.20), получаем
SSU
S
(3.21)
min н
min
SU
min
,
где U – проводимость системы между насосами.
3.5. Расчет газовых нагрузок
Газовый поток, откачиваемый насосом, во время работы установки
имеет несколько составляющих:
– диффузионное и де-
газ
– натекание, обусловленное негерме-
где Q
QQQ QQSP
– суммарный газовый поток в откачиваемом объеме; Qn – поток
∑
, (3.22)
газ н т н пр
n
вследствие газопроницаемости материалов; Q
сорбционное газовыделение; Q
тичностью камеры; Q
– технологический поток газа; SнРпр – обратный
т
н
поток газа и паров масла из насосов.
В зависимости от режима работы вакуумной системы различают
стационарный и нестационарный режимы откачки. Для стационарного
режима характерно постоянство во времени давлений и потоков во
всех сечениях вакуумной системы. Нестационарный режим возникает
при откачке от атмосферного давления при переключении насосов, а
также при
нестационарном газовыделении.
Рассмотрим порядок оценки газовых потоков в реальных установках.
1. Оценка стационарной газопроницаемости через стенки камеры,
возникающей из-за разности давлений газа в атмосфере и внутри объема, может быть проведена по формуле
1/1/ 2
N
QKF
nii
i
0
PP
2
0
2
–
1
exp – ,
hnRT
i
Q
Pi
(3.23)
39
где i – суммирование проводится по всем N конструкционным матери-
алам с учетом их толщины h
(табл. 3.3); Q
P
, P2 – давление газа с внутренней и наружной стороны стенки; n –
1
– энергия активизации; F – площадь поверхности;
pi
; K0 – коэффициент газопроницаемости
i
число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку; R –
8,31 кДж/КмольК.
Таблица 3.3
Коэффициенты газопроницаемости вакуумных материалов
3
Материал n
,
K
0
Па м м
1/2 2
Па м с
Q
P
Водород
Железо 2 1,4 · 10
Медь 2 1 · 10
–4
–3
Алюминий 2 3,6 · 10–2 360
Кварц 1 2,2 · 10
–10
Азот
Железо 2 3,8 · 10
Резина белая 1 3 · 10
Резина (термо, маслостойкая) 1 1 · 10
Фторопласт-4 2 1 · 10
–4
–7
–8
–9
Гелий
Пирекс 1 2,3 · 10
Кварц 1 32 · 10
Каучук 1 1,5 · 10
Стекло 1 10
–10
–10
–6
–4
10
кДж
3
Коль
м
80,4
15,1
36
199
26
8,8
20,1
22,8
27,2
Практически более удобно пользоваться данными, приведенными в
табл. 3.4. Расчет проводится по формуле
/QKpH
, (3.24)
п
где Q
– поток газа при Т=293 К; ∆P[П0] – перепад давлений на стенке;
п
Н[м] – толщина стенки.
На практике требуется учитывать газопроницаемость тонкостенных металлических деталей (сильфоны, мембраны и т. п.), органических материалов. С увеличением температуры газопроницаемость резко возрастает.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]