Каталог вакуумного оборудования

ВАКУУМНАЯ ОТКАЧКА

Вакуумная откачка - это создание разреженной среды в замкнутой системе для реализации технологического процесса в условиях, исключающих или сводящих к минимуму воздействие газовой среды на его протекание, или создание разреженной среды для проведения экспериментальных исследований по изучению воздействия разреженной среды на механизмы и устройства, предназначенные для работы в вакууме.

При напылении необходимо исключить вероятность столкновения молекул газа с молекулами напыляемого материала для устранения его рассеивания и снизить поток газа из окружающей среды на напыляемые поверхности с целью предотвращения загрязнения пленок напыляемого материала. В ускорительной технике взаимодействие пучка с остаточным газом ухудшает качество пучка и даже разрушает его. При изучении свойств поверхностей необходимо, чтобы очищенная от окисных и сорбированных слоев поверхность не «загрязнялась» в результате сорбции молекул остаточного газа в течение всего времени проведения исследования. Особое место в исследовании отрицательного воздействия вакуума (космического) занимают проблемы изучения работоспособности механизмов и устройств в открытом космическом пространстве (поведение материалов при трении, изменение различных механических, электрических, тепловых и других свойств материалов). Эти исследования проводятся в вакуумных камерах имитаторов космического пространства.

Диапазон давлений, создаваемый в вакуумных камерах технологических, аналитических установок, вакуумных камерах имитаторов космического пространства и ускорителей, охватывает значения давлений от 105 до 10-12 Па, что составляет 17 десятичныех порядков.

Одной из характеристик разреженной среды в вакуумной камере является степень вакуума, предполагающая условное деление на интервалы давлений: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.

Низкий вакуум характеризуется давлением, когда длина свободного пути молекул меньше линейного размера вакуумной камеры, что, как правило, реализуется при давлении в диапазоне 105…102 Па;
− средний вакуум имеет место при давлении в диапазоне 100… 0,1 Па;
− высокий вакуум характеризуется давлением, когда длина свободного пути молекул значительно превосходит характерный линейный размер и имеет место при давлении в диапазоне 0,1…10-5 Па;
− сверхвысокий вакуум характеризуется давлением, при котором время образования монослоя газа на ювенильной поверхности превышает 10 секунд, что происходит при давлении меньше 10-5 Па.

Широкий диапазон давлений технологических разреженных сред приводит к необходимости использования нескольких вакуумных насосов в составе одной вакуумной откачной системы, обеспечивающих получение заданнных параметров разреженной технологиеской среды и разнобразной вакуумметрической аппаратуры. Как правило, высоковакуумный насос нуждается в предварительной откачке до давления, с которого он может стартовать, а если этот насос газоперекачивающего действия, то для его работы в высоковакуумном режиме необходимо еще постоянно поддерживать соответствующее разрежение на его выхлопном патрубке.

При использовании газоулавливающего высоковакуумного насоса, удаление основной массы газов от атмосферного давления до давления 0,005 ….0,01 мбар осуществлется вакуумным газоперекачивающим насосом предварительного разрежения, а высоковакуумная откачка газоулавливающим насосом осуществляется за счет реализации одного из способов сорбции газа. Давление в вакуумной камере устанавливается в результате действия ряда конкурирующих процессов. Это удаление газа насосом c одной стороны, и поступления фонового, газа с другой стороны. Фоновый газ состоит из натекания, газовыделения поверхностей камеры, а также технологического газовыделения, сопутствующего протекающему технологическому процессу. Исходя из особенностей реализуемого технологического процесса, для оптимального выбора параметров вакуумной системы обеспечивающей получение заданного давления, необходимо, чтобы:

  • суммарное натекания и газовыделения с поверхностей камеры было меньше технологического газовыделения в (10…100) раз;
  • проводимость коммуникаций между насосом и камерой была максимальной.
Первое достигается созданием вакуумной системы с необходимой герметичностью и минимальным газоотделением ее внутренних поверхностей. Второе обеспечивается либо подсоединением насоса непосредственно к камере, либо, если это необходимо, установкой между ними шиберного затвора с максимальной проводимостью.

Учитывая, что абсолютно герметичных систем не бывает [6], поток натекания необходимо лимитировать некоторой величиной, определяемой как «норма герметичности» Норма герметичности - наибольший суммарный расход вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и установленный нормативно-технической документацией [1].

В случае, если быстрота действия форвакуумного насоса обеспечивает режим работы высоковакуумного газоперекачивающего насоса, но не обеспечивает заданное время предварительной откачки камеры и с экономической точки зрения не целесообразно использовать для форвакуумной откачки насос с большей производительностью, целесообразно устанавливать дополнительный насос предварительной откачки.

При откачке с атмосферы понижение давления происходит до момента, когда производительность насоса становится соизмеримой с фоновым потоком. Газовыделение уменьшается во времени по мере испарения источника. Натекание - величина постоянная. Поэтому, если вакуумная система имеет течи, потоки которых значительно превосходят потоки газовыделения, график понижения давления во времени характеризуется начальным линейным участком с быстрым выходом на горизонтальный линейный участок. Если в вакуумной системе фоновые потоки определяются в основном газовыделением, то динамика понижения давления во времени характеризуется кривой, которая затем, по мере понижения давления, плавно стремится к горизонтальной прямой. Учитывая, что часть потока, связанная с газовыделением, будет снижаться, будет также снижаться и давление в камере. Источники газовыделения вакуумной системы самые различные. Это _ остатки технологических жидкостей, используемые при изготовлении отдельных деталей, вода, сорбированная из атмосферы, пыль и т.п.

Для выхода на режим высокого и сверхвысокого вакуума необходимо снижать газовыделение до минимума. В этом случае, лучше применять материалы с низкой упругостью пара и интенсифицировать процесс испарения источников газовыделения путем прогрева до 250…450 °С.

Удельное газовыделение нержавеющей стали при откачке в течение 10-ти часов снижается на порядок (с 4,12х10-4 до 4,12х10-5) Па×м3 /(м2×с). В вакуумной камере объемом 0,5 м3 характер изменения газовыделения за это время откачки будет уменьшаться по экспоненциальному закону (от 20 до 2)×10-5 м3×Па/с.

При скорости откачки камеры равной 1 м3/с, давление в ней будет понижаться (с 20 до 2)×10-5 Па также по экспоненциальному закону. После прогрева стенок камеры при температуре 420 °С удельное газовыделение снизится до 1,2×10-8 Па×м3/(м2×с) и соответственно, если скорость откачки сохранится равной 1 м3/с, предельное давление в камере установится на уровне 6×10-9 Па.

Чтобы оценить количественно долю газовых потоков, связанных с натеканием и газовыделением следует после выхода вакуумной системы на режим предельного вакуума перекрыть откачку и зафиксировать характер повышения давления. На рис. 1 представлены кривые характеризующие изменение давления в вакуумной камере при откачке (график a) и после перекрытия откачки (график в).


Рис.1. Характер изменения давления в вакуумной камере при откачке и после перекрытия откачки.

После выхода вакуумной системы на предельный вакуум осуществлено перекрытие ее откачки. Начальный этап повышения давления характеризуется криволинейным участком, на котором поток газовыделения Qg превосходит поток от течи Ql. По мере уменьшения потока газовыделения давление в камере (кривая б) будет определяться потоком натекания (линейный участок в). Для сокращения времени выхода давления на линейный участок, определяемый потоком газовыделения, на практике манометрический преобразователь отсоединяется от вакуумной системы вымораживающей азотной ловушкой, которая конденсирует на своих поверхностях пары воды и молекулы органического происхождения.

Папко В.М., к.т.н., ученый секретарь АО «Интек Аналитика»

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. ГОСТ 5197-85 Вакуумная техника. Термины и определения.
  2. Вакуумная техника: справочник / К.Е. Демихов, Ю.В. Панфилов, Н.К. Никулин и др.; под общей редакцией К.Е. Демихова, Ю.В. Панфилова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2009. 590 с., ил.
  3. Трендельберг Э. Сверхвысокий вакуум. Под редакцией М.И. Меньшикова. Изд. «Мир», М 1966. 286 с.
  4. Розанов Л.Н. Вакуумная техника. Москва. Высшая школа. 1990 г. с 131-136.
  5. Глазков А.А., Саксаганский Г.Л. Вакуум электрофизических установок и комплексов. Москва. Энергоатомиздат. 1985 г.185 с.
  6. Ланис В.А., Левина Л.Е. Техника вакуумных испытаний. Государственное энергетическое издательство. Москва-Ленинград. 1963 г. 263 с.
  7. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. Изд. «Советское радио». 1967 г. 408 с.


Пересчитать
x