Материал: 1381

56

Рисунок 3.4 - а) схема диффузионного насоса; б) зависимость скорости откачки диффузионного насоса от давления

При откачке выхода насоса (форвакуумным механическим вакуумным насосом) в нем обеспечивается давление около 10 Па. Вследствие нагрева пары масел устремляются через круговое сопло на охлаждаемые стенки корпуса. Выходя из сопла, струя пара увлекает молекулы газа за счет эжектирующего эффекта. Пары масел, конденсируясь на стенках корпуса, стекают на дно, где снова возгоняются в пар. Таким образом, при круговороте масла обеспечивается уплотнение газа до давления около 10 Па, при котором возможно его удаление механическим форвакуумным насосом. Предельно достигаемый вакуум объясняется диффузией паров масел из высоковакуумного насоса в откачиваемый объем.

Бустерные насосы являются разновидностью диффузионных насосов. Особенностью бустерных насосов является более мощный подогрев масла и соответственно более мощная паровая струя. Такие насосы имеют явно выраженный максимум откачки в диапазоне давлений

1 Па.

Для диффузионных насосов нашли применение масла марок ВМ-1, ВМ-5, ВМ-7, обеспечивающие достижение вакуума на уровне 10-4 Па и менее. В последнее время для заправки высоковакуумных насосов применяются более термостойкие масла и кремнеорганические жидкости. Это: Алкарен 1, Алкарен -24, 5Ф4Э и др. Для бустерных насосов широко применяются относительно стойкие к окислению масла марок ВМ-3, ПФМС-1, масло «типа Г», Алкарен12.

3.1.8Откачные средства специального назначения

Насосы специального назначения предназначены для удаления газов с минимальным количеством углеводородов в остаточном газе. На рис. 3.5 а представлена схема многопластинчатого форвакуумного насоса типа НВП-6. Такие насосы при скорости откачки 3–6 м3 /с создают вакуум 500 – 1000 Па (5 – 10 мм рт.ст.) для пневмотранспорта, для ряда технологических целей.

57

Рисунок 3.5 – Схемы безмасляных форвакуумных насосов; а) – многопластинчатый; б) – водокольцевой; в) – двухроторный; г) – элластомерный.

На рис. 3.5 б представлена схема водокольцевого насоса типа ВВН-З. Такой насос откачивает газ до давления 1 кПа (100 мм рт.ст.) вследствие эжектирующего эффекта, создаваемого вращением воды внутри насоса. Широкое распространение подобные насосы нашли для транспортировки сыпучих материалов. На рис. 3.5 в представлена схема двухроторного насоса типа ДВН-50. Подобный насос применяется для быстрого получения высокого вакуума (0,01 Па) при небольшом количестве углеводородов в остаточном газе. На рис. 3.5 г представлена схема механического безмасляного эластомерного насоса. Срок службы таких насосов определяется прочностью эластичной трубки, по которой катаются ролики (~100час). В последнее время за рубежом появились безмасляные форвакуумные спиральные насосы с фторопластовым покрытием фирмы VARIAN, развивающие вакуум до 10-2 мм рт ст.

Турбомолекулярные насосы представляют собой систему расположенных в полости цилиндра дисков, которые вращаются со скоростью до 40 тыс. об /мин. На рис. 3.6 представлена схема турбомолекулярного насоса типа ТМН-3000 и фрагмент спектра остаточных газов на выходе насоса. В последних разработках этих насосов могут изменяться расстояния между дисками, что позволяет им работать с атмосферного давления без предварительной откачки.

Рисунок 3.6 – Схема турбомолекулярного насоса и спектр остаточных газов на его выходе

Криогенные насосы используют принцип прилипания газов к холодным поверхностям. Насос содержит криопанель в виде медной перфорированной поверхности с трубками, по которым прокачивается жидкий азот или гелий. Особенностью является то, что с течением

58

времени насосы требуют очистки от инея и снега (регенерации). Геттерные насосы работают на принципе поглощения газа парами

испаряемого материала: геттера (чаще титана) с последующим химическим соединением газов с геттером и вмуровыванием в стенки корпуса насоса. Испарение геттера производится термическим нагревом (испарительные насосы), в электрической дуге (электродуговые насосы), в электрическом разряде в магнитном поле (магнитные электроразрядные насосы). Они служат для создания сверхвысокого вакуума (10-8 Па). На рис 3.7 представлены схемы электродугового (рис. 3.7 а) и магнитного электроразрядного (рис 3.7 б) насоса типа НОРД 250.

Рисунок 3.7 – Схема электродугового и электроразрядного насосов

Давление запуска для электродугового насоса близко к атмосферному, для электроразрядного насоса – 1 Па.

3.1.9Расчет вакуумных систем

Расчет вакуумной системы необходим для определения основных ее параметров: требуемой производительности откачных средств и времени откачки до рабочего давления.

Суммарный поток газовыделения складывается из газовыделения стенок камеры, газовыделения из изделий, газовыделения из различных вводов в камеру и потока напускаемого рабочего газа.

Поток газовыделения с поверхности камеры Q определяется произведением площади поверхности А на коэффициент удельного газовыделения g и коэффициент поверхностиΩ:

Величины удельного газовыделения приводятся в соответствующей справочной литературе (для стекла и керамики g=10-4Па м3/с с 1м2). Коэффициент поверхности зависит от качества механической обработки материала (для стали достигает 10).

В вакуумной камере всегда имеется более десятка вводов: для датчиков, для термопар, для ввода напряжения и т.д. Поток натекания через такие элементы Q определяется произведением чувствительности течеискателя к = 10-6 на их число N.

59

где первое слагаемое относится к камере, второе к детали, третье к течеискателю, четвертое к потоку напускаемого газа. Обычно напускаемый поток составляет 30 – 80 см3 атм/час. Поскольку заводы выпускают оборудование с производительностью в литрах в секунду, то выбранную величину напуска газа следует умножить на переводной коэффициент 2,4 х10-4, т.е

Qнап= (30–80) 2,4 10-4 тор л/с.

Необходимая скорость откачки высоковакуумного насоса определится отношением суммарного потока в вакуумной камере Q к рабочему давлению Рраб, при котором проводится технологический процесс.

Скорость откачки форвакуумного насоса определяется как отношение газового потока на выходе диффузионного насоса Q к выходному давлению диффузионного насоса (Рвых).

В большинстве диффузионных насосов выходное давление составляет Рвых = 10Па (0,1 мм рт ст). Следует выбрать тот механический насос, который обеспечивает требуемую скорость откачки при давлении

10 Па.

Из основного уравнения вакуумной техники следует, что скорость откачки объекта So всегда меньше скорости откачки насоса Sн. При проектировании систем, если проводимость коммуникаций неизвестна, выбирают скорость насоса с коэффициентом запаса γ:

где γ =1,25 для форвакуумных насосов; γ =2,00 для высоковакуумных насосов.

При нестационарном поступлении газа или изменении объема, поток натекания определяется соотношением:

Q = d(PV ) / dt = PdV / dt +VdP / dt . (3.14)

При постоянном объеме камеры поток натекания определится вторым слагаемым.

Время откачки объекта определяется выражением:

где V – объем, откачиваемого объекта;

V/= 103 – приведенный объем;

Р1,Р2 – начальное и конечное давление.

60

В расчетах времени откачки в диапазоне давлений, когда существенно возрастают газовыделения (от 10 до 0,01 Па и менее) необходимо учитывать приведенный объем V/, увеличенный пропорционально уменьшению давления. (Например, обеспечение рабочего вакуума от 10 до 0,01 Па соответствует, уменьшению давления на

три порядка). Соответственно, приведенный объем составит величину

V/= 103.

При откачке на форвакууме газовыделениями пренебрегают ввиду

При откачке газа в диапазоне от атмосферного давления до 133 Па (1 мм рт. ст.) газ достаточно вязкий и проводимость трассы почти не влияет на эффективную скорость откачки. В этом случае время откачки можно рассчитать по формуле:

Согласование откачных средств

На практике согласование проводят графически, строя зависимости производительности откачных средств от давления. На рис. 3.8 представлен вариант графического согласования диффузионного и механического вакуумных насосов. В точке согласования выходное давление высоковакуумного насоса равно входному давлению форвакуумного насоса, а скорость откачки форвакуумного насоса меньше паспортной, поскольку она зависит от давления.

Рисунок. 3.8 – Графическое согласование вакуумных насосов

3.1.10Измерение вакуума

3.1.10.1

3.1.10.2Средства измерения давлений

При давлениях, близких к атмосферному давлению, измерение давлений может производиться на основе изменения деформации гофрированной трубки (деформационные вакуумметры, барометры). При уменьшении давления менее 0,1 атм. широкое распространение получили