 |
Газовые и вакуумные системы
|
|
|
|
Общие сведения о вакуумной технике
В соответствии с теорией строения материи все вещества состоят из атомов и молекул. В зависимости от сил сцепления между атомами или молекулами вещество может находиться в твердом, жидком или газообразном состоянии. Эти силы в газах очень малы, и их молекулы свободно перемещаются в предоставленном объеме, занимая его целиком. Движение молекул имеет хаотический характер, и его называют тепловым.
Находясь в непрерывном хаотическом движении, молекулы газа сталкиваются как между собой, так и со стенками сосуда. Количество таких столкновений, или соударений, зависит от числа молекул в единице объема, и чем оно больше, тем чаще происходят соударения. Среднее расстояние λ, которое молекула проходит между двумя соударениями, называют средней длиной свободного пути. Соотношение между средней длиной свободного пути молекул и линейным размером d сосуда, в который заключен газ, определяет степень разреженности, или вакуума, в сосуде. Если средняя длина свободного пути значительно меньше размеров сосуда (λ ≤ d), т.е. если молекулы чаще сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда, что газ находиться под давлением, близким к нормальному (низкий вакуум). Состояние газа, при котором λ ≈ d, называют средней степенью разреженности или средним вакуумом.
Наконец, состояние, для которого соблюдается условие λ ≥ d, т.е. молекулы значительно реже сталкиваются между собой, чем со стенками сосуда, соответствует условиям высокого вакуума. Явно выраженной границы между низким, средним, высоким и сверхвысоким вакуумом (давлением) нет.
Области вакуума
1 – сверхвысокий, 2 – высокий, 3 – средний 4 – низкий.
|
|
|
В Международной системе единиц (СИ) единицей давления является паскаль (Па): 1 мм рт. ст. ≈ 1,33 * 102 Па.
Устройства для создания вакуума, приборы для его измерения, а также рабочие объемы (камеры, сосуды, объекты), запорная и регулирующая арматура и трубопроводы образуют вакуумную систему.
Схема вакуумной системы
1 – рабочий объем, 2 – затвор, 3 – ловушка, 4,7 – пароструйный и механический насосы, 5 – вакуумный вентиль, 8 – манометры (вакуумметры)
Для создания разрежения в вакуумной системе используются два последовательно включенных насоса: пароструйный (высоковакуумный) 4 и механический (форвакуумный) 7. Ловушки 3, устанавливаемые перед насосами, предохраняют рабочий объем 1 от попадания паров рабочего вещества насосов и улавливают газы, присутствие которых нежелательно. Ловушка перед механическим насосом, роме того, предохраняет насоса. Вакуумные вентили 5 и затвор 2 служат для соединения и разобщения элементов вакуумной системы и регулирования в ней газового потока. Трубопровод 6 с вентилем, соединяющий рабочий объем с механическим насосом, называют байпасной линией. Байпасная линия служит для предварительного создания низкого вакуума в рабочем объемен таким образом, чтобы исключить попадание газового потока в пароструйный насос. Манометры (вакуумметры) 8 предназначены для измерения вакуума, создаваемого как только механическим, так и одновременно механическим и пароструйным насосам.
Рассмотрим вакуумные механические вращательные насосы (пластинчато-роторный, пластинчато-статорный, плунжерный и турбомолекулярный), пароструйные (паромасляные диффузионные) и сорбционные (геттерные, геттерно-ионные и криогенные), а также вакуумные агрегаты на их основе.
Механические насосы. Основными характеристиками насосов являются предельное остаточное давление и быстрота действия. Принцип действия механических насосов основан на сжатии поступающего из откачиваемого объема газа и последующем его удалении в атмосферу.
|
|
|
Пластинчато-роторный
1,6 – впускной и выпускной каналы, 2,8 – корпуса откачного механизма насоса, 3 – ротор, 4 – пластины, 5 – пружина, 7 – маслоотбойники, 9 – вал, 10 – шарик, 11 – рычаг, 12 – обойма, 13 – плунжер, 14 – эксцентрик,
15 – шарнир, 16 – окно, 17 – выпускной клапан, 18 – масляной резервуар, 19 – защитная сетка, 20 – поршень
Пластинчато-роторный насос состоит из корпуса 2 откачного механизма с цилиндрической рабочей камерой, и пружиной 5 между ними, наружного корпуса 8, служащего основанием насоса и масляным резервуаром, и маслоотбойников 7. Так как ось ротора смещена относительно оси цилиндра рабочей камеры, то при вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, подпружиненные пластины 4 постоянно соприкасаются и скользят по поверхности рабочей камеры.
Работает насос следующим образом. При горизонтальном положении пластин 4 в рабочей камере образуется три полости: I – всасывания, II – перемещения и частичного сжатия газа, III – вытеснения газа. При движении ротора полость I увеличивается и дополнительное количество газа из откачиваемого объема через впускной канал 1 поступает в рабочую камеру. Полость II уменьшается в объеме, и газ из нее через выпускной канал 6 и обратный клапан (на рисунке не показан) вытесняется из насоса в атмосферу. После этого полость II начинает выполнять функции полости III и наступает момент, когда происходит вытеснение очередной порции газа. Механические насосы за один оборот ротора совершают два цикла откачки, т.е. из откачиваемого объема отделяются и вытесняются две порции газа. Насосы этого типа имеют масляную ванну для смазывания, уплотнения и охлаждения вращающихся деталей. Плазмохимическое и ионно-плазменное оборудование оснащается специально разработанными пластинчато-роторными насосами НРВ-16ДХ, имеющими повышенную стойкость к воздействию агрессивных сред. В конструкции этих насосов использованы химически стойкие материалы для пластин и подшипников скольжения, имеются фильтры тонкой очистки масла и устройства для его обезгаживания, картер продувается инертным газом, а также предусмотрен автоматический напуск воздуха (инертного газа) при остановке для защиты деталей от воздействия агрессивной откачиваемой среды.
|
|
|
Пластинчато-статорный
Пластинчато-статорный насос имеет неподвижный корпус 8 – статор, в котором на валу 9 эксцентрично вращается постоянно соприкасающийся с ним ротор 3. Подпружиненная пластина 4 плотно прижимается своим нижним концом к ротору. Выпускной клапан состоит из седла, шарика 10 и пружины 5. Объем рабочей камеры разделен на две полости: I – всасывания, образованную одной стороной пластины 4, а также частью цилиндрических поверхностей статора и ротора, и II – сжатия, образованную другой стороной пластины 4 и остальной частью цилиндрических поверхностей статора и ротора. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, газ из откачиваемого объема через впускной канал 1 заполняет увеличивающийся объем полости I. В это же время в полости II газ сжимается. Когда давление газа на впускной клапан превышает атмосферное, он открывается и газ из полости II вытесняется. Насосы этого типа за один оборот ротора совершают один цикл откачки, т.е. из откачиваемого объема отделяется и вытесняется только одна порция газа. Пластинчато-статорные насосы, как правило, имеют малую производительность.
Плунжерный
Плунжерный (золотниковый) насос имеет поршень 20, состоящий из плунжера 13 и обоймы 12. При вращении вала 9 и эксцентрика 14 обойма движется по внутренней цилиндрической части корпуса 8, а плунжер 13 – по шарниру (золотнику) 15. При опускании плунжера вниз происходит засасывание газа, который через окно 16 попадает в камеру всасывания I. При движении обоймы в камере II газ сжимается, а затем (когда давление его будет выше атмосферного) выбрасывается из насоса через выпускной (выхлопной) клапан 17, в результате чего система откачивается.
В связи с тем, что количество трущихся деталей в рабочей камере плунжерных насосов сведено до минимума, они не требуют масляной ванны (как пластинчато-роторные) для охлаждения корпуса. Для смазывания трущихся деталей и уплотнения камер сжатия и всасывания в рабочее пространство подается небольшое количество масла из масляного резервуара 18. Плунжерные насосы за один оборот вала осуществляют один цикл откачки. Выпускаются плунжерные насосы средней и большой производительности.
|
|
|
Форвакуумный насос
Требования, предъявляемые к оборудованию для производства ИС по «безмасляности» вакуума т.е. ограничению или полному отсутствию в спектре остаточных газов тяжелых углеводородов, определили появление механических безмасляных насосов. Сложность создания таких насосов заключается в герметизации подвижных элементов насосов без использования жидкой вакуумной смазки. Поэтому сначала появились двухроторные насосы Рутса (см. рис.) вообще без уплотнительных элементов. Двухроторные насосы не требуют смазки, т.к. их роторы 14, 17 и статор 18 не соприкасаются благодаря сохранению во время вращения небольшого зазора. Обусловленная этими зазорами негерметичность уменьшает быстродействие и повышает предельное давление, однако «чистота» получаемого вакуума и высокая быстрота действия из-за большой частоты вращения роторов является важным достоинством насосов типа Рутса. Роторы насоса имеют такой вид, что при их синхронном вращении (в направлении стрелок) зазоры 15 между ними всегда достаточно малы (десятые доли миллиметра); мал также и зазор 13 между роторами и статором. Роторы должны быть точно изготовлены и хорошо центрированы, т.к. они вращаются с частотой несколько тысяч оборотов в минуту. Производительность насоса определяется как разность прямого потока газа из откачиваемого объема и обратного потока, вызванного негерметичностью зазоров.
| Тип и марка насоса | SH 103, м3/с | p`, Па | Рвып, кПа |
| Пластинчато-статорный и золотниковый ВН-461М, РВН-20, ВН-2МГ, ВН-7 | 0,78…500 | (0,8…3)10-3 | |
| Пластинчато-роторный ВН-01, ВН-494, 2НВР-1Д, 2НВР-5Д | 0,1…5 | 10-2…10-4 | |
| Двухроторный типа Рутса ДВН-5-1 …ДВН-500 | 5…500 | (1…5)10-3 | 10-3 |
| Безмасляной поршневой 01-П-12-001 | 6,65 |
Турбомолекулярные насосы обеспечивают безмасляную откачку, быстро запускаются, нечувствительны к резкому повышению давления (вплоть до атмосферного), имеют широкий диапазон рабочих давлений (10-7 – 10-1 Па) и примерно одинаковую быстроту действия для большинства газов, а также высокую степень (1015) сжатия газов большой молекулярной массы.
Турбомолекулярный насос (рис. а) представляет собой набор неподвижных статорных 2 и подвижных роторных 6 дисков, закрепленных в корпусе 1 на валу 4, который вращается в опорных подшипниках встроенным электродвигателем с частотой более 10000 об/мин. Опорные подшипники вала насоса и электродвигателя смазываются под давлением. Насос соединяется патрубком 8 с откачиваемым объемом, а патрубком 7 – с форвакуумным насосом, имеющим масляное уплотнение. Статорные и роторные диски, имеющие наклонные (под углом 15-40 к плоскости) радиально расположенные косые пазы, направленные друг к другу, образуют рабочий механизм насоса (рис. б).
|
|
|
Турбомолекулярный насос
а – устройство, б – рабочий механизм, 1 – корпус, 2,6 – неподвижные статорные и подвижные роторные диски, 3 – подшипники, 4 – вал, 5 – электродвигатель, 7,8 – патрубки для соединения с форвакуумным насосом и откачиваемым объемом
Турбомолекулярный насос работает при создании форвакуума в выпускном патрубке не более 102 Па. При этом в первый период быстрота действия его мала, потребляемая мощность велика и он сильно нагревается. Принцип действия турбомолекулярного насоса основан на сообщении направленной кинетической энергии молекулам откачиваемого газа быстро вращающимися поверхностями ротора. При работе насоса возможен частичный пролет молекул в обратном направлении. Отношение вероятностей пролета молекул любого газа в прямом и обратном направлениях характеризуется степенью сжатия данного газа насосом. Легкие газы легче проникают через насос. Для них быстрота действия насоса больше, а степень сжатия меньше. Степень сжатия возрастает с увеличением частоты вращения ротора; увеличение угла наклона пазов в дисках снижает степень сжатия, но увеличивает быстроту действия насоса. Основными характеристиками турбомолекулярных насосов являются быстрота действия, предельное остаточное и наибольшее выпускное давление. В широком диапазоне давлений (от 10-1 до 10-6 Па) быстрота действия этих насосов постоянна. При давлении меньше 10-6 Па она снижается, т.к. со стороны форвакуума в откачиваемый сосуд перетекают легкие газы и парциальное давление имеет относительно большое значение. Остаточным давлением легких газов и паров воды в откачиваемом объеме в основном определяется предельное остаточное давление, которое у небольших и крупных насосов этого типа соответственно составляет 10-7 и 10-9 Па. Вакуумные системы с турбомолекулярными насосами относят к безмасляным, т.к. их запуск производится от давления 101 Па. Предварительная (байпасная) откачка механическим насосом необходима лишь до этого давления. Установка натекателя между затвором и всасывающим патрубком турбомолекулярного насоса упрощает эксплуатацию системы, т.к. подачей дозированного потока воздуха давлением 101 Па на входе форвакуумного насоса подавляется обратный поток паров масла. После запуска турбомолекулярный насос сам становится надежной преградой проникновению паров масла в откачиваемый объем и необходимость в подавлении обратного потока углеводородов отпадает. Турбомолекулярные насосы ТМН-100, ТМН-200 и ТМН-5000 имеют горизонтальное расположение ротора. В последнее время разработаны также насосы с вертикальным расположением ротора. В частности, насос ТМН-400МП с магнитной подвеской ротора в осевом и радиальном направлениях имеет быстроту действия 400 л/с и отличается повышенной надежностью и малой массой. Турбомолекулярные насосы обладают стабильной быстротой откачки всех газов в интервале давлений 10-1 – 10-6 Па, но при давлениях больше 1 Па практически не откачивают водород и резко снижается откачка аргона. Кроме того, они дороги.
Пароструйные насосы. Для создания высокого вакуума (10-1 – 10-5 Па) механических насосов с масляным уплотнением недостаточно. В паре с ними должны работать другие, обеспечивающие получение необходимого давления. Обычно такими насосами являются пароструйные, которые могут быть эжекторными, бустерными или диффузионными.
Диффузионные паромасляные насосы. Промышленные диффузионные паромасляные насосы по устройству значительно сложнее. Так, трехступенчатый диффузионный паромасляный насос Н-2Т, применяемый в некоторых напылительных установках, состоит из корпуса, паропровода, электронагревателя, маслоотражателя и гидрореле. Корпус насоса, представляющий собой стальной цилиндр с приваренным к нему днищем, имеет впускной и выпускной патрубки с фланцами. С наружной стороны цилиндра и выпускного патрубка приварены последовательно соединенные между собой водяные рубашки, в которые через штуцер подается вода. Все присоединенные фланцы имеют крепежные отверстия м канавки для уплотнительных прокладок. Нижняя часть корпуса насоса служит кипятильником, нагреваемым электронагревателем. Паропровод, состоящий из основания, к которому сверху стержнем и гайкой крепятся раструб и зонт, а снизу – эжектор выпускного патрубка, имеет три сопла: верхнее, нижнее и эжекторное – и соответствующие им паропроводящие каналы. При работе насоса пары масла из кипятильника по паропроводящим каналам попадают в соответствующие сопла и, выходя из них вместе с молекулами откачивающего газа, конденсируются на охлаждаемых стенках насоса. При этом конденсат стекает вниз по стенкам корпуса обратно в кипятильник к центру дна, а откачиваемый газ направляется к выходному патрубку. Электронагреватель представляет собой закрытую металлическим кожухом электрическую плитку с нихромовой спиралью, концы которой выведены на зажимы. Маслоотражатель, предохраняющий откачиваемый объем от паров масла из насоса, охлаждается холодной водопроводной водой. Гидрореле служит для автоматического отключения электронагревателя при прекращении подачи воды или недостаточном ее поступлении в охлаждающую систему. Паромасляный насос Н-27 имеет рабочий диапазон давлений 4Х10-4 – 2,6Х10-2 Па и быстроту действия по воздуху 1500 л/с. В ионно-химических и плазмохимических установках применяют паромасляные диффузионные насосы НВД-400 и НВД-1400 с трубчатыми электрическими нагревателями, быстрота действия которых соответственно 400 и 1400 л/с, а предельное остаточное давление 10-5 Па. Эти насосы имеют малый обратный поток паров жидкости. В системах, чувствительных к загрязнению парами углеводов, применяют насосы НВД-120.
|
|
|
