41139

Основные понятия теории вакуума

Лекция

Физика

Первый принцип реализован в газоперемещающих насосах. Для удаления порции газа необходимо изолировать в рабочей камере насоса определенный объем газа переместить его от входного патрубка насоса к выходному сжать в процессе перемещения до давления большего чем давление в выходном сечении насоса и вытолкнуть газ за пределы насоса. Вакуумные насосы которые откачивают газ отдельными порциями в результате периодического изменения объема и положения рабочей камеры называются объемными вакуумными насосами. Объемными вакуумными насосами...

Русский

2013-10-23

574 KB

15 чел.

Лекция 2.1

 

2.1. Основные понятия теории вакуума

Давление газов. Под давлением газа понимают средний импульс, передаваемый единице площади стенки сосуда молекулами газа в единицу времени.

Единицей давления в системе СИ является 1 Па (Паскаль). Это давление, создаваемое при воздействии силы 1 Н на площадь 1 м2. Наиболее распространённой внесистемной единицей давления в вакуумной технике является миллиметр ртутного столба (Тор). Под давлением газа 1 мм рт.ст. понимается давление, которое создаёт столбик ртути высотой 1 мм при условии, что плотность ртути равна 13595,1 кг/м3 (при T = 0 ºÑ), а земное ускорение соответствует нормальному (9,80665 м/с2 на широте 45º): 1 мм рт. ст. = 133,3 Н/м2. Соотношение между различными единицами давления даны в табл. 2.1.

Соотношения между единицами давления                          Таблица 2.1.

Единицы давления

1 Па (Н/м2)

1 мм рт. ст. = 1Тор

1 дин/см2

1 атм (физ.)

1 кгс/см2

1 Па (1 Н/м2)

1

7,5× 10–3

10

9,87× 10–6

1,02× 10–5

1 мм рт.ст., (1 Тор)

1,33× 102

1

1,33× 103

1,32× 10–3

1,36× 10–3

1 дин/см2

0,1

7,5× 10–4

1

9,87× 10–7

1,02× 10–6

1 атм.(физ.)

1,01× 105

760

1,01× 106

1

1,03

1 кгс/см2

9,8× 104

735,56

9,8´ 105

0,968

1

Длина свободного пробега

,

где < l > — средняя длина свободного пробега между столкновениями,

То есть, при постоянной температуре средняя длина свободного пробега обратно пропорциональна давлению.

Среднее  эффективное сечение для воздуха составляет s » 62,5× 10–16 см2. Тогда < l > = 4,5×10-3/p, где p (Тор), < l > (см). Длина свободного пробега молекул воздуха при атмосферном давлении   760  Тор   и   температуре  273 К  (нормальные условия)    соответственно  < l > = 6× 10-6 см = 60 нм.

Понятие о степенях вакуума. Теперь, когда мы ввели понятие давления и длины свободного пробега можно ввести количественные характеристики, описывающие вакуум. В физике обычно под вакуумом понимают состояние газа, когда длина свободного пробега молекул много больше характерного размера задачи.

В технике вакуумом называют состояние газа, когда его давление ниже атмосферного.

В технике различают четыре основных степени вакуума: низкий, средний, высокий и сверхвысокий. Для количественной оценки вводится число Кнудсена:

Кn = L / < l > ,

где L — характерный размер вакуумного объема, < l > — средняя длина свободного пробега.

Область давлений, когда средняя длина свободного пути молекул много меньше характеристических размеров вакуумного объема, например диаметра трубопровода, отвечает низкому вакууму. Низкий вакуум соответствует Kn >> 1. При этом обмен энергией происходит исключительно между ближайшими молекулами. Такие условия проявляются в виде вязкости газа, а соответствующие процессы называются вязкостными.

Область давлений, когда средняя длина свободного пути молекул примерно равна характеристическим размерам вакуумного объема, получила название среднего вакуума. В этом диапазоне давлений столкновения молекул со стенками и друг с другом равновероятны. Средний вакуум отвечает Kn ~ 1.

В области высокого и сверхвысокого вакуума средняя длина свободного пути молекул много больше размеров вакуумного объема, и молекулы преимущественно сталкиваются со стенками сосуда. В этом случае каждая молекула выступает индивидуально, а процессы в газах называется молекулярными. В высоком вакууме Kn << 1.

Области сверхвысокого вакуума отличаются тем, что за характерное время рабочего процесса не происходит заметного изменения свойств поверхности, связанного с адсорбцией остаточных газов.

Области давлений, обычно соответствующие тому или иному вакууму, представлены на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Условное деление областей вакуума

2.2. Получение вакуума

В основу получения вакуума могут быть положены два принципа: первый — удаление газа из откачиваемого сосуда за пределы вакуумной системы, второй — связывание газа в вакуумной системе. Первый принцип реализован в газоперемещающих насосах.

Перемещение массы газа можно производить периодически, отдельными порциями и непрерывно. Для удаления порции газа необходимо изолировать в рабочей камере насоса определенный объем газа, переместить его от входного патрубка насоса к выходному, сжать в процессе перемещения до давления, большего, чем давление в выходном сечении насоса, и вытолкнуть газ за пределы насоса. Вакуумные насосы, которые откачивают газ отдельными порциями в результате периодического изменения объема и положения рабочей камеры, называются объемными вакуумными насосами. Объемными вакуумными насосами являются только механические насосы, т. е. такие насосы, откачивающее действие которых основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса.

Для непрерывного удаления нейтральных молекул газа необходимо иметь тело, которое постоянно увлекало бы и перемещало газ. Таким телом может быть непрерывно движущаяся твердая поверхность или струя жидкости, пара или газа. При соударении с движущейся твердой поверхностью и в результате внутреннего трения молекулы газа приобретают преимущественное направление движения. Механические насосы, откачивающее действие которых основано на увлечении удаляемого газа непрерывно движущимися твердыми поверхностями, получили название молекулярных, так как движущиеся части насоса воздействуют на отдельные молекулы.

Вакуумные насосы, в которых реализуется второй принцип создания вакуума, получили название сорбционных насосов. Газ в сорбционных насосах может связываться геттером (геттер — вещество, применяемое для хемосорбции газов в вакуумных системах), а также сорбироваться и конденсироваться на охлаждаемой поверхности.

Классификация вакуумных насосов по принципу действия приведена на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Классификация вакуумных насосов

Основные параметры вакуумных насосов.

Скорость откачки насоса (быстрота действия насоса) — это обьем газа удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок насоса:

SH = dV/dt  (л/с, м3/ч)

Производительность вакуумного насоса характеризует расход газа во входном сечении насоса при данном давлении и выражается в м3× Па/с. Легко показать, что производительность насоса есть произведение быстроты откачки на давление, при котором она измерена:

Q = p Sн. 

Предельное остаточное давление, наибольшее давление запуска, наибольшее рабочее давление и наибольшее выпускное давление выражаются в единицах давления газа Па (паскалях) и других производных единицах.

В данном разделе рассмотрены основные типы насосов, применяющиеся в установках для выполнения технологических операций при изготовлении ИС.

Вращательные насосы с масляным уплотнением. Вращательный вакуумный насос с масляным уплотнением является непременным элементом большинства вакуумных систем. С его помощью создается предварительное разрежение в вакуумной системе и форвакуумное давление на выходе высоковакуумных газоперемещающих насосов. Вращательные вакуумные насосы с масляным уплотнением относятся к вакуумным насосам объемного действия. Наибольшее распространение получили три типа вращательных насосов с масляным уплотнением: пластинчато-статорные, пластинчато-роторные и плунжерные насосы.

Пластинчато-статорные насосы — обычно насосы малой производительности, пластинчато-роторные — средней производительности, плунжерные — средней и большой производительности.

На рис. 2.3 схематично изображен пластинчато-статорный вращательный вакуумный насос.

Рис.2.3. Конструкция пластинчато-статорного вращательного вакуумного насоса.

В неподвижном корпусе 1 на валу 2 эксцентрично расположен ротор 3. Полезный объем рабочей камеры насоса, образованный внутренней поверхностью корпуса-статора 7 и наружной поверхностью ротора 3, пластиной 4 разделяется на полость всасывания I и полость сжатия II. Пластина 4, расположенная в прорези корпуса насоса, с помощью пружины 5 через рычаг 6 плотно прижимается к ротору 3. При вращении ротора 3 в направлении, указанном стрелкой, газ из откачиваемого сосуда, который не показан на рисунке, через впускной клапан 7 заполняет увеличивающуюся в объеме полость I. В это время газ в полости II сжимается. Когда давление газа на клапан 8 превысит величину атмосферного давления и усилия создаваемого пружиной 9, клапан 8 откроется, и газ из полости II будет вытеснен в атмосферу. При дальнейшем вращении ротор 3, пройдя пластину 4 и выход впускного канала 7, отделяет в рабочей камере насоса следующую порцию газа от откачиваемого объема. Таким образом, за два оборота ротора порция газа отделяется от откачиваемого объема, перемещается от впускного канала 7 к выхлопному клапану 8, сжимается в полости II и вытесняется под клапаном 8 в атмосферу. При каждом следующем обороте следующая порция газа отделяется от откачиваемого объема, а предыдущая вытесняется из насоса в атмосферу. В пластинчато-статорном насосе за один оборот ротора происходит один цикл откачки, т. е. отделяется от откачиваемого объема и вытесняется только одна порция газа.

На рис. 2.4 схематично изображен пластинчато-роторный насос. В цилиндрической рабочей камере корпуса 1 симметрично на валу (не показан на рисунке) расположен ротор 2, ось которого О' смещена относительно оси рабочей камеры О". В сквозной прорези ротора размещены пластины 3' и З".

Рис. 2.4. Пластинчато-роторный вакуумный насос

Пружиной 4 они прижимаются к корпусу насоса. В положении ротора, изображенном на рис. 2.4а, пластинами 3' и 3" и плоскостью касания ротора со статором полезный объем рабочей камеры разделен на три полости: I — полость всасывания, II — полость перемещения и частичного сжатия газа, III — полость вытеснения газа. При вращении ротора в направлении, указанном стрелкой, полость I увеличивается и дополнительное количество газа из откачиваемого сосуда по впускному каналу 5 поступает в рабочую камеру насоса. Полость II уменьшается в объеме, в ней происходит сжатие газа. Полость III уменьшается, и газ из нее через выпускной канал под клапаном 6 вытесняется из насоса. При положении ротора, изображенном на рис. 2.4б, заканчивается вытеснение газа из полости III. При дальнейшем вращении ротора полость II переходит в полость III, т.е, наступает момент, когда становится возможным вытеснение следующей порции газа (рис. 2.3в). В положении ротора, изображенном на рис. 2.4г, полости I и II сообщаются между собой. Лишь когда ротор повернется на 180° от начального положения и займет положение, тождественное исходному (рис. 2.4а), происходит разделение полостей I и II, и от откачиваемого объема отделяется очередная порция газа. В этот момент полость II имеет наибольший объем. В пластинчато-роторном насосе за один оборот ротора происходят два цикла откачки, т.е. отделяются от откачиваемого объема и вытесняются из насоса две порции газа.

На рис. 2.5 схематически изображен плунжерный насос. В корпусе насоса выполнена цилиндрическая рабочая камера, в которой вращается эксцентричный ротор 2 с надетым на него плунжером 1.

Рис. 2.5. Плунжерный вакуумный насос:

а — завершение периода удаления и начало периода наполнения

б — промежуточное положение

1 — плунжер; 2 — ротор; 3 — канал в золотнике; 4 — выходной обратный клапан открыт;

5 — выходной обратный клапан закрыт; 6 — вода, охлаждающая статор насоса; 7 — шарнир

Плунжер состоит из цилиндрической части, охватывающей эксцентрик 2, и полой прямоугольной части 1, свободно перемещающейся в пазу шарнира 7. При повороте плоской части плунжера шарнир 7 свободно поворачивается в гнезде корпуса насоса.

В этом насосе плунжер имеет канал 3, через который газ из откачиваемой полости поступает в насосную камеру.

Возможность попадания встречного потока газа на вход в насос здесь в значительной степени ограничена благодаря более раннему закрытию входа при движении золотника; вредное пространство может быть также уменьшено. Герметичность контакта ротора с цилиндром в насосах рассматриваемого типа лучше потому, что в клине между ротором и цилиндром образуется более толстый слой масла; кроме того, эти насосы создают меньше шума.

Механические насосы производят откачку объема, начиная с атмосферного давления. Откачиваемый газ они вытесняют в атмосферу. Поэтому по отношению к механическим насосам не принято использовать такие характеристики, как наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление. Основными вакуумными характеристиками механических вакуумных насосов с масляным уплотнением являются предельное остаточное давление и быстрота действия.

Быстрота действия механических насосов с масляным уплотнением практически не зависит от рода откачиваемого газа.

Остаточное давление насосов с масляным уплотнением определяется конструкцией насоса и свойствами рабочей жидкости. В качестве рабочей жидкости насосов с масляным уплотнением, как правило, используются масла, получаемые из промышленных минеральных масел. Кроме обычных требований (низкая кислотность, необходимая вязкость, хорошие смазывающие свойства и т. п.), к маслам для вакуумных насосов предъявляются дополнительные требования: низкое давление насыщенных паров в интервале рабочих температур насоса, малое поглощение газов и паров, стабильность вязкости при изменении температуры, высокая прочность тонкой (0,05–0,10 мм) масляной пленки, способной выдержать в зазоре перепад давлений, равный атмосферному давлению.

Остаточный газ (газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки) механического вакуумного насоса с масляным уплотнением составляют воздух, газы откачиваемой среды, а также пары и продукты разложения рабочей жидкости насоса. В механическом вакуумном насосе, как и в любом газоперемещающем насосе, наряду с основным потоком в направлении откачки существует обратный поток газа с выхода насоса в откачиваемый сосуд. Газы попадают во входное сечение насоса из циркулирующего в нем масла и в результате перетечки по зазорам в откачном механизме. Разложение масла в основном происходит в результате возникновения высоких местных температур в областях непосредственных контактов трущихся металлических поверхностей. Образующиеся при этом растворимые в масле, легколетучие углеводороды в значительной степени обусловливают предельное остаточное давление насоса, так как они имеют существенно более высокие давления насыщенного пара, чем сама рабочая жидкость.

Стабильность характеристик насосов с масляным уплотнением определяется величиной зазоров между поверхностями, перемещающимися относительно друг друга, их количеством, а также качеством масла, поступающего в рабочую камеру для уплотнения зазоров и смазки трущихся поверхностей. Максимальная быстрота действия и минимальное остаточное давление достигаются при таком притоке масла в рабочую камеру, которое обеспечивает и надежное уплотнение зазоров, и выброс в масляный резервуар в момент выхлопа верхнего слоя масла с растворенным в нем откачиваемым газом.

Эксплуатация и обслуживание

Работа большинства насосов с масляным уплотнением сопровождается заметной вибрацией. Поэтому коммуникации, соединяющие насосы с вакуумной системой, должны включать сильфонную развязку или участок гибкого эластичного трубопровода, например, вакуумный резиновый шланг. Небольшие насосы с быстротой действия до 5–7 л/с часто устанавливают прямо на полу, подложив под них резиновый лист для уменьшения шума и предотвращения смещения их в процессе работы.

Пуск механических вакуумных насосов с масляным уплотнением сопровождается забрызгиванием масла во впускной и выпускной патрубки. Другим недостатком насосов с масляным уплотнением является образование так называемого масляного тумана, который выходит из выхлопного патрубка насоса в виде сизо-белого дыма при работе насоса в области впускных давлений 1× 102 – 3× 104 Па (0,7–200 мм рт. ст.). Таким образом, механический вакуумный насос с масляным уплотнением в ряде случаев оказывается основным источником загрязнения откачиваемого сосуда и производственного помещения парами углеводородов.

Ряд насосов с масляным уплотнением обладает еще одним существенным недостатком. При остановке насоса масло, находящееся в масляном резервуаре насоса под атмосферным давлением заполняет рабочую камеру насоса, в которой сохраняется разрежение, и поднимается во впускной патрубок и иногда даже в откачиваемый сосуд, если он соединен с насосом коротким трубопроводом. После этого последующий запуск насоса будет затруднен. Напуск атмосферного воздуха во впускной патрубок сразу после остановки исключает подъем масла и облегчает последующий его запуск. Чтобы при этом в откачиваемом сосуде сохранить разрежение, в трубопровод, соединяющий насос с откачиваемым объемом, устанавливают клапан и ниже него на трубопроводе — второй (напускной) клапан.

Чаще всего над механическим насосом для аварийного перекрытия низковакуумной коммуникации и напуска воздуха в насос устанавливаются выпускаемые серийно магнитные клапаны, которые срабатывают автоматически при включении и выключении насоса.

Средний ресурс механических вакуумных насосов с масляным уплотнением до капитального ремонта не менее 12–15 тыс. часов, причем ресурс крупных насосов несколько ниже средней величины, а ресурс малых насосов может существенно превышать это время.

2.2. Двухроторные насосы

Схема устройства двухроторного насоса показана на рис. 2.6. В овальной рабочей камере корпуса 1 синхронно вращаются два ротора 2, в сечении напоминающие цифру 8. Последовательное положение роторов при вращении схематично изображено на рис. 2.7. Синхронность вращения обеспечивается закрепленными на валу роторов шестернями связи 3, вынесенными за пределы рабочей камеры. Смазка шестерен и опорных подшипников осуществляется разбрызгиванием масла из масляной ванны. Полость масляной ванны, образованной корпусом и крышками 4 и 5, герметична. Вывод ведущего вала уплотняется манжетой. Для надежной герметизации вала и увеличения ресурса манжеты из масленки 6 на манжету постоянно подается масло. В двухроторном насосе используется масло для насосов с масляным уплотнением.

Рис. 2.6. Схема двухроторного насоса

Рис. 2.7. Последовательные положения роторов при работе

Стрелками показано направление потока откачиваемого

газа и вращения роторов

Особенность двухроторных насосов — наличие довольно больших зазоров в роторном механизме. Если в рассмотренных ранее насосах перетечки газа с выхода на вход сказываются только при работе в области впускных давлений, близких к остаточному, а в остальное время ими можно пренебречь, то в двухроторном насосе их надо учитывать постоянно, так как они соизмеримы с откачиваемым потоком. Объемная скорость перемещения газа роторами постоянна и определяется геометрическими размерами рабочей камеры и скоростью вращения роторов. Количество же газа, протекающего по зазору, зависит от рода газа и разности давлений на входе и выходе насоса. Отсюда становится очевидной зависимость быстроты действия и предельного остаточного давления от рода откачиваемого газа и впускного и выпускного давлений. В вакуумной системе двухроторные насосы всегда работают последовательно с форвакуумными насосами (обычно низковакуумным механическим насосом с масляным уплотнением). Двухроторный насос как бы улучшает характеристики форвакуумного насоса: снижает предельное остаточное давление, повышает быстроту действия в области относительно низких впускных давлений, снижает обратный поток углеводородов.

Эксплуатация и обслуживание

Многое из того, что относится к подготовке к эксплуатации насосов с масляным уплотнением, относится и к двухроторным насосам.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45184. Метод определения стоимости строительства на основе укрупненных сметных нормативов 15.52 KB
  Метод определения стоимости строительства на основе укрупненных сметных нормативов Этот метод предназначен для следующих целей: Определение стоимости строительства объектов различного функционального значения на ранних стадиях и инвестиционного процесса на предпроектной стадии на стадии техникоэкономических обоснований формирование социальноэкономической программы ориентация проектировщика разработавшего проектное предложение для проведения подряда торговой оценки стоимости предмета конкурса для решения других задач связанных с...
45185. Состав затрат сводного сметного расчета (наименование 12 глав ССР, непредвиденные расходы, НДС) 43 KB
  Состав затрат сводного сметного расчета наименование 12 глав ССР непредвиденные расходы НДС Глава 1 Подготовка территорий строительства Основные затраты: оформление земельного участка и разбивочные работы: затраты по отводу земельного участка выдача архитектурно-планировочного задания затраты по разбивке основных осей здания и сооружения: плата за землю при изъятии или выкупе земельного участка; плата за аренду земельного строительства период проектирования земельного строительства затраты на получение технических условий затраты...
45190. Определение затрат на строительство и разборку временных зданий и сооружений 15.38 KB
  Определение затрат: на строительство и разборку временных зданий и сооружений дополнительных затрат при производстве работ в зимнее время резерв на непредвиденные работы и затраты. Склады вспомогательные здания и сооружения необходимые для производства и обслуживания работников строительства временная столовая и т. зданий и сооружений ГСН 8105012001 для стрва и сборнике сметных норм затрат на стрво временных зданий и сооружений ремонтные работы ГСНр 8105012001 Нормативы приводятся в и считаются от сметной стоимости...
45191. Законодательные и методические документы, регулирующие градостроительную деятельность и вопросы определения стоимости строительства 14.37 KB
  Методика определения стоимости строительной продукции на территории Российской Федерации МДС 81-365.2004 (внесена в Федеральный реестр сметных нормативов, подлежащих применению при определении сметной стоимости объектов капитального строительства, под регистрационным номером 94 от 15.12.2009)
45192. Определение сметных норм и единичных расценок, перечислить виды ГЭСН, ТЕР, ФЭР 16.71 KB
  Индивидуальные новые технологии разработанные для отдельного объекта Элементные расценки цены Абсолютные укрупненные показатели и нормативы Сметная норма совокупность ресурсов материальных трудовых технологических установленная на принятый измеритель в строительных монтажных ремонтностроительных и пусконаладочных работах. Государственные сметные нормативы: Государственные элементные сметные нормативы на строительные и специальные работыГЭСН2001 Государственные элементные сметные нормативы на ремонтностроительные...