МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

Методическая литература:

1. Б.И.Королев, В.И.Кузнецов, А.И.Пипко, В.Я.Плисковский Основы вакуумной техники. – М.: «Энергия», 1975.-415с.

2. Л.Н.Розанов Вакуумная техника. - М.: Высш. шк. 1990. - 320с.:

3. А.И.Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А.Пенчко. Конструирование и расчет вакуумных систем. –М.:Энергия, 1970. – 504с.

4. Б.С.Данилин, В.Е. Минайчев. Основы конструирования вакуумных систем. – М.: Энергия, 1971. – 392с.

5. Вакуумная техника. Справочник – М.: Машиностроение. 1985.

6. Материалы, предоставляемые лектором.

Вакуум – идеально чистая среда, в которой можно осуществлять электрохимические и электрофизические процессы изготовления приборов. Для получения вакуумной среды используют вакуумные установки, основу которых составляют вакуумные насосы, коммутирующая арматура, вакуумные провода и контролирующие вакуум приборы.

ГАЗОВЫЙ БАЛАНС В ВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ

В реальных вакуумных системах для откачки приборов в установках вакуумного отжига и подобных им давление в системе в каждый данный момент времени определяется равновесием между удаляемым с помощью вакуумного насоса потоком газа и потоком газа, поступающего в вакуумную систему. Высокий вакуум устанавливается в результате взаимодействия ряда факторов. В любой данный момент времени в процессе откачки давление в системе является результатом динамического баланса откачки и поступления газа в откачиваемый объем.

Если проводимость промежуточной секции вакуумной системы (содержащей вентили, ловушки, отражатели, трубопроводы и пр.) равна U, то при быстроте откачки насоса S эффективная быстрота откачки вакуумной камеры S_эф может быть выражена

. (1)

Количество газа, удаляемое из камеры в результате откачки ( S_эф∙р , где р - давление в откачиваемой камере), восполняется газоотделением стенок вакуумной системы - Q_ст, проникновением газа сквозь стенки - Q_прон, натеканием газа сквозь мелкие щели (течи) - Q_нат и потока газа Q_изд, поступающего из обрабатываемых изделий.

Результирующее изменение количества газа в системе равно

V dр ∕ dt = - S_эф∙р + Q_ст+ Q_прон+ Q_нат+ Q_изд , (2)

где V – объем вакуумной системы; Q - соответствующие потоки. В стационарном режиме работы можно записать

V dр ∕ dt + S_эф р₀+ Q_стац+ Q(t) . (3)

Поток Q_стац определяется стационарными процессами выделения газа, а поток Q(t) - нестационарными (это в основном газоотделение). Сле­довательно, предельный вакуум (р_пред) определяется процессами, протекающими с постоянной скоростью, и для dр∕dt = 0 при t, стре­мящемся к бесконечности, будет равен

р_пред = Q_стац ∕ S_эф . (4)

Анализ газового баланса в откачиваемых системах показывает, что их рабочие характеристики зависят не только от производитель­ности насосов, но и от процессов притока газов. Последние определяются типом используемых при конструировании элементов, материа­лов и условиями их применения. Обычное деление по рабочим харак­теристикам на высоковакуумные и сверхвысоковакуумные системы приводит по существу к классифицированию их по использованным мате­риалам, методам соединений и типам уплотняющих прокладок.

Наибольший интерес представляют два подхода к построению вакуумных систем. В первом случае предельный вакуум достигается за счет быстродействия высоковакуумного насоса. Во втором - сни­жением скорости газоотделения элементов вакуумной системы за счет высокотемпературного обезгаживания.

Арматура (коммутационные элементы, ловушки, вакуумпроводы) и откачиваемые объекты, соединяясь друг с другом, образуют сложные вакуумные системы.

Место соединения 2-х элементов и более называют узлом вакуумной системы.

В узле сумма потоков, проходящих через все n соединенные каналы, равна нулю

Если в узле находится насос, то

=S_нp_н (34)

Параллельное соединение вакуумпроводов (рис.1.1) позволяет увеличить поток газа между 2-мя соседними узлами.

Расчет сводится к определению эквивалентной проводимости всех вакуумпроводов.

При последовательном соединении вакуумпроводов (рис. 1.2) поток во всех элементах системы должен быть одинаков.

Эквивалентная проводимость n последовательно соединенных вакуумпроводов может быть определена из выражения

В вакуумной технике с большими газовыми потоками возможно использование параллельного соединения насосов. Это делается в тех случаях, когда производительность выбранных насосов каждого в отдельности меньше потока газа, выделяющегося из объёма.

В электронике такие соединения используются очень редко. Обычно насосы соединяются последовательно. Первыми после откачиваемого объёма устанавливаются высоковакуумные, затем низковакуумные.

Расчет вакуумной системы сложного технологического оборудования выполняется, как правило, в два этапа.

Проектный расчет, в результате которого определяется принципиальная схема вакуумной системы, типы и размеры насосов, коммутирующие элементы и ориен­тировочные размеры трубопроводов.

Поверочный расчет, в результате которого уточняются характеристики насосов, размеры трубопрово­дов и коммутирующих элементов, определяется время дости­жения заданного рабочего давления.

В качестве исходных величин для расчета обычно заданы конечное давление в рабочем объеме, величина потока газов, геометрические размеры рабочей камеры, характер технологического процесса, для осуществления которого предназначена установка, время достижения заданного давления.

Часто при расчете вакуумной системы приходится опре­делять поток газов, поступающих в нее. Для этого должны быть известны исходные величины (характеристики продук­ции), позволяющие рассчитать поток газов.

Проектный расчет выполняется в следующей последовательности:

1. Исходя из заданных значений парциального и пол­ного давлений, определяют типы насосов, обеспечивающие окончательную откачку рабочего объема.

2. По заданной или найденной расчетами величине потока газов выбирают конкретный типоразмер насоса окончатель­ной откачки; на этом этапе расчета поток газов, откачивае­мых насосом, принимают постоянным.

3. Выбирают вспомогательные насосы и насосы предва­рительного разрежения. Обычно на этом этапе расчета вспомогательные насосы выбирают в соответствии с паспорт­ными характеристиками основных насосов окончательной откачки.

4. Определяют принципиальную схему вакуумной сис­темы, назначают ориентировочные размеры вакуумных трубопроводов, выбирают коммутирующие элементы, сред­ства измерения давления и т. п.

5. Исходя из заданного времени предварительной от­качки рабочего объема, выбирают форвакуумный насос; при этом обычно не учитывают предельное давление вакуум­ной системы.

После проведения проектного расчета конструируют вакуумную систему. В процессе конструирования уточняют все размеры вакуумных трубопроводов, типоразмеры комму­тирующих элементов и т. п.

Поверочный расчет выполняется в следующей последовательности:

1. В соответствии с окончательными размерами вакуум­ной системы рассчитывают значения эффективной быстроты откачки системы.

2. Рассчитывают время достижения заданного давления в рабочем объеме; при этом учитывают кинетику газовы­деления и натеканий. При отсутствии этих данных в задании на проектирование выполняется их расчет.

3. Рассчитывают окончательное время предварительной откачки; при этом учитывают предельное давление насоса предварительного разрежения, газовыделение и натекание, а также изменение быстроты действия насоса и проводи­мости трубопроводов от давления.

В случае, если полученное в результате расчета время достижения требуемого конечного давления или предвари­тельного разрежения превышает заданное, увеличивают проводимость соответствующего участка вакуумной системы за счет увеличения сечений трубопроводов или выбирают насос с большей быстротой действия.

При необходимости применения нестандартных элемен­тов производят их конструирование и расчет. Однако эти расчеты, как правило, неспецифичны и выполняются по обычным методам, известным в общем машиностроении.

Итак, порядок расчета вакуумных схем следующий:

1. По заданному р_пред производится выбор:

- вакуумной схемы;

- выбор вакуумных насосов;

- определение конструктивных размеров вакуумпроводов и выбор элементов вакуумной системы.

Для высоковакуумной откачки используются, как правило, два или три последовательно соединенные насоса (паромасляные, турбомолекулярные, магниторазрядные, геттерно-ионные насосы, обеспечивающие высокий вакуум и, как правило, требующие создания предварительного разрежения порядка 1 – 10 Па; механические объемные, золотниковые, двухроторные, т.н. форвакуумные насосы, обеспечивающие это предварительное разрежение на выходе высоковакуумных насосов). Типовые схемы вакуумных установок для получения вакуума низкого, среднего и высокого вакуума приведены на рис. 1 – 3.

(Обозначение элементов схем - см. Л.Н.Розанов Вакуумная техника. - М.: Высш. шк. 1990. - 320с.: ил. стр. 206 - 208).

Вакуумная схема для получения низкого вакуума (рис. 3) обеспечивает в вакуумной камере рабочее давление от 10⁵ до 10¹ Па. Тип насоса выбирают по предельному давлению и составу остаточных газов современных низковакуумных насосов.

Клапан 2 позволяет выровнять давление на входном и выходном патрубках насосов с рабочей жидкостью во время их остановки.

Вакуумная система для получения низкого и среднего вакуума (рис.4) имеет два насоса. Насос 7 обеспечивает получение среднего вакуума, а насос 1 создает предварительное разрежение.

Вакуумная система для получения низкого, среднего и высокого вакуума (рис. 5) содержит дополнительный высоковакуумный насос 7.

Поиск по сайту: