Материал: 1381

51

ВL1 – ловушка масел; С1, С2 – вакуумные камеры; ND1 – высоковакуумный (диффузионный) насос; NL1 – форвакуумный (механический) насос; РА1, PA2 – датчики давления; PT1–PT3 – термопарные датчики; VF1 – натекатель газа; VП1–VП3 – вентили; VT1– VT3 – затворы.

Рисунок 3.1 – Типовые схемы вакуумных систем

3.1.2Единицы измерения давления и потока

Наиболее распространенными единицами измерения давления считаются Па (Паскаль), мм рт.ст. (миллиметр ртутного столба) и атм. (атмосфера). В научной литературе принято пользоваться международной системой единиц и измерять давление в Паскалях.

1 мм. рт. ст. = 1 торр = 133,3 Па; 1 Па = 1,3 10-2 торр ≈ 10-2 торр;

1атм = 760 мм рт.ст. = 1,01 105 Па ≈ 105 Па.

Величина потока газа Q представляет собой некий объем газа, удаляемого из вакуумной системы при давлении Р со скоростью откачки S. Величина потока определяется соотношением:

где S – скорость откачки единицы объема газа в единицу времени. На практике скорость откачки измеряют в литрах, сантиметрах или кубических метрах в секунду или в час:

52

1 см3 атм/с=0, 76 торр л/с; 1 см3 атм/час=2,4 10-4 торр л/с;

1 торр л/с=1,32 10-4Па м3 /с=1,32 Вт.

В последнее время в качестве единиц измерения потока газа используется килограмм в секунду и ватт.

3.1.3Режимы течения газа

Ввакуумной технике преобладают три режима течения газа в зависимости от давления Р и поперечных размеров d вакуумных коммуникаций: вязкостный, молекулярно-вязкостный и молекулярный. В

таблице 3.1 представлены критерии оценки режимов течения газа.

Таблица 3.1 - Режимы течения газа

где λ – длина свободного пробега молекулы. Если давление выражено в мм рт. ст., то длина свободного пробега в метрах определится соотношением:

λ= 5 10−5 / P .

3.1.4Проводимость и пропускная способность вакуумных

коммуникаций

При уменьшении давления хаотичное, равновероятное движение молекул вызывает сопротивление откачке, снижая пропускную способность U вакуумных коммуникаций и скорость откачки объекта So. При последовательном соединении отрезков коммуникаций складываются величины, обратные пропускной способности, сопротивление откачке возрастает (проводимость уменьшается).

При параллельном соединении элементов трассы сопротивление уменьшается (проводимость возрастает).

U = ∑Ui

53

Пропускная способность возрастает при увеличении температуры и уменьшается при уменьшении молекулярного веса газа.

Втаблице 3.2 приведены формулы расчета пропускной способности

всистеме СИ. (Размерность единиц: среднее давление на концах

трубопровода Р* в Па, диаметр d и длина трубопровода L в метрах, проводимость в м3 /с). При молекулярном режиме истечения газа, если диаметр отверстия выражен в сантиметрах, пропускную способность удобно определять по формуле:

U м = 9,1d 2 ,

Для более точных оценок следует пользоваться связью расхода газа Q с пропускной способностью U и разностью давлений на концах трубопровода, справедливой для любых режимов течения газа и любых профилей каналов для газа:

Ловушки паров масел могут снижать проводимость наполовину. Для большинства практических случаев пропускная способность стандартных ловушек масел составляет 3 л/с на см2 площади поверхности.

В таблице 3.3 приведена пропускная способность трубопровода U (л/с) в зависимости от давления и радиуса трубы R (см) для длины L=1м.

Таблица 3.3 - Пропускная способность трубопровода

54

3.1.5Основное уравнение вакуумной техники

Ввакуумной системе при постоянном давлении достигается баланс между количеством поступающего и откачиваемого потока.

где индексы «н» и «о» относятся соответственно к насосу и к объекту откачки.

Из этого уравнения можно выразить скорость откачки объекта Sо и необходимую скорость насоса Sн:

So =U (Po − Pн) / Ро,

Sн =U (Po − Pн) / Рн.

Продолжая преобразования, получим основное уравнение вакуумной техники:

Из основного уравнения вакуумной техники следует, что скорость откачки объекта всегда меньше скорости откачки насоса.

3.1.6Средства получения вакуума

Воснове работы откачных средств лежат следующие физические принципы:

– принцип механического увлечения объема захваченной порции газа (реализуется в механических вакуумных насосах);

−принцип захвата молекул движущейся поверхностью (так называемые турбомолекулярные насосы);

−захват газа струей жидкости или пара (эжекторные, пароструйные, диффузионные насосы);

−ионизация газа с последующим увлечением заряженных частиц (электроразрядные, ионные насосы);

−поглощение частиц (сорбционные насосы).

3.1.6.1 Механические вакуумные насосы

Механические форвакуумные насосы начинают откачку с атмосферного давления. На рис. 3.2 представлены конструкции золотникового (а) и пластинчато-роторного (б) насосов.

Рисунок 3.2 – Конструкции механических вакуумных насосов

55

Дополнительный напуск газа в газобалластное устройство изменяет соотношение давления насыщенных паров трудно откачиваемых газов (пары воды, бензин и др.). Это предотвращает конденсацию паров внутри насоса.

Предельный вакуум механических насосов при давлениях менее 1 Па ограничен плотностью прилегания элементов и тепловой скоростью молекул. На рис. 3.3 представлена зависимость изменения объема камеры насоса V от угла поворота ротора и зависимости скорости откачки от давления для двухступенчатых (1) и одноступенчатых (2) механических вакуумных насосов.

Рисунок 3.3 – а) зависимость объема камеры насоса от угла поворота ротора; б) зависимости стационарной скорости откачки от давления: 1– двухступенчатый насос, 2 – одноступенчатый насос.

Изменение объема камер V от угла поворота ротора пропорционально времени. Мгновенная скорость откачки Sм определится выражением:

S м = dV / dt .

Мгновенная скорость откачки насоса намного больше усредненной паспортной.

К маслам для форвакуумных насосов предъявляются два основных требования: малое давление насыщенных паров и определенная вязкость. В настоящее время в производстве нашли применение масла марок ВС-1, ВМ-4, ВМ-1, ВМ-6, АЛКАРЕН-35. Не рекомендуется использовать марки не указанные в паспорте откачного средства.

3.1.7Высоковакуумные откачные средства

3.1.7.1 3.1.7.2 Диффузионные и бустерные насосы

На рис.3.4 представлена схема диффузионного насоса и его зависимость скорости откачки от давления. На дне насоса имеется масло.