ВВЕДЕНИЕ
История развития вакуумной техники.
В переводе с латинского “Вакуум”
означает пустоту. Началом научного этапа
в развитии вакуумной техники можно считать
1643 г, когда Торричелли впервые измерил
атмосферное давление. В 1672 году Отто фон
Герике изобрел механический поршневой
насос с водяным уплотнителем. Изучалось
поведение различных систем и живых организмов
в вакууме.
Наконец, в 80-х годах 19 в. Человечество
шагнуло в технологический этап создания
вакуумных приборов и техники. Это было
связано с открытием А.Н. Лодыгиным электрической
лампы накаливания с угольным электродом
(1873) и открытием Т.А. Эдисоном термоэлектронной
эмиссии (1883). Начинают изобретаться такие
вакуумные насосы: вращательный (Геде,
1905), криосорбционный (Дж. Дьюар, 1906), молекулярный
(Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913); манометры:
компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой
(М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли,
1916).
В СССР становление вакуумной
техники началось с организации вакуумной
лаборатории на ленинградском заводе
“Светлана”. Началось бурной развитие
электроники и новых методов физики.
Применение вакуума в науке и технике.
Области применения весьма
широки. Практически ни одно технологически
сложное производство не обходится без
применения вакуума.
В электронной технике: осветительные
лампы, газоразрядные, генераторные и
сверхвысокочастотные приборы, телевизионные
и рентгеновские трубки.
В производстве микросхем
и приборов: нанесение тонких плёнок, ионное
внедрение, плазмохимическое травление,
электронолитографию.
В металлургии: плавка и переплав
металлов в вакууме освобождает их от
растворённых газов, что придаёт им высокую
прочность, пластичность и вязкость.
Машиностроение: электроннолучевая
сварка, диффузионная сварка, плазменная
обработка.
Химическая промышленность:
вакуумные сушильные аппараты, вакуумная
пропитка, вакуумные фильтры.
Основной инструмент современной
ядерной физики - ускоритель частиц - немыслим
без вакуума. Поддержание почти космического
вакуума требуется в установках для проведения
экспериментов.
Вакуумные насосы
1. Общая характеристика
Все вакуумные насосы можно
разделить на высоковакуумные и низковакуумные,
а по физическому принципу действия - на
механические, сорбционные, ионные. Среди
механических насосов выделяют объёмные
и молекулярные, основанные на передаче
количества движения молекулам газа от
движущихся поверхностей.
Насосы объёмного типа осуществляют
откачку за счёт периодического изменения
объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных
насосов появился раньше остальных и получил
широкое применение в различных конструкциях:
поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.
Среди насосов с передачей
количества движения молекулам газа различают:
водоструйные, эжекторные, диффузионные
и молекулярные. Их характеристики можно
рассчитать на основании закономерностей
внутреннего трения в газах.
Сорбционные явления в вакууме
широко используются для откачки газов
из вакуумных систем. На принципе хемосорбции
основана работа испарительных насосов.
Физическая адсорбция и конденсация используются
для откачки газов криосорбционными насосами:
адсорбционными и конденсационными.
Направленное движение предварительно
заряженных молекул газа под действием
электрического поля является основой
работы ионных насосов. Принцип ионной
откачки совместно с сорбционным используется
в конструкциях ионно-сорбционных насосов.
Основными параметрами любого
вакуумного насоса являются: быстрота
действия, предельное давление, наименьшее
рабочее давление, наибольшее давление
запуска и наибольшее выпускное давление.
Рис. 1 Упрощенная схема вакуумной
системы.
Рассмотрим схему простейшей
вакуумной системы (рис. 1), состоящую из откачиваемого
объекта 1, насоса 2, и соединяющего их трубопровода.
Течение газа из откачиваемого объекта
в насос происходит из-за разности давлений
(p1 - p2), причём p1 > p2.
Быстроту откачки насоса
Si в произвольном сечении соединительного
трубопровода можно определить как объём
газа, проходящий через это сечение в единицу
времени:
Si = dVi/dt.
Быстротой откачки объекта
или эффективной быстротой откачки насоса
называется объём газа, поступающий в
единицу времени из откачиваемого объекта
в трубопровод через сечение I при давлении
p1:
SEff = dV1/dt (1)
Быстрота действия насоса
- это объём газа, удаляемый насосом в единицу
времени через входной патрубок (сечение
ближе к насосу) при давлении p2:
SH = dV2/dt (2)
Отношение эффективной быстроты
откачки насоса к быстроте действия называется
коэффициентом использования насоса:
Ku = SEff/SH (3)
Производительностью насоса
называется поток газа, проходящий через
его входное сечение. Для стационарного
потока выполняется условия сплошности:
Q = p2SH = p1SEff = piSi (4)
Установим связь между тремя
основными характеристиками вакуумной
системы: быстротой действия насоса SH, эффективной быстротой
откачки объекта SEff и проводимостью вакуумной
системы между насосом и откачиваемым
объектом U. Запишем следующие равенства:
SH= Q/p2=U(p1-p2)/p2,
SEff = Q/p1 = U(p1 - p2)/p1 (5)
После
несложных преобразований имеем искомую
связь:
1/SEff -1/SH = 1/U (6)
Это
уравнение называется основным уравнением
вакуумной техники. Для анализа этого
уравнения запишем его немного в другом
виде:
SEff = SHU/(SH + U) (7)
Сразу
же бросаются в глаза следующие факты:
1.
Если SH = U, то получаем что SEff = 0.5SH;
2.
Если U, то SEff SH;
3.
При U0, имеем SEff0.
Предельное
давление насоса pпр - это минимальное давление, которое может
обеспечить насос, работая без откачиваемого
объекта. Логично заметить, что быстрота
действия насоса при приближении к предельному
давлению стремиться к нулю. Предельное
давление большинства вакуумных насосов
определяется газовыделением материалов,
из которых изготовлен насос, перетеканием
газов через зазоры и другими явлениями,
возникающими в процессе откачки.
Наименьшее
рабочее давление вакуумного насоса pм - это минимальное давление, при котором
давление длительное время сохраняет
номинальную быстроту действия. Наименьшее
рабочее давление примерно не порядок
выше предельного давления. Использование
насоса для работы при давлениях между
предельным и наименьшим рабочим экономически
не выгодно из-за ухудшения его удельных
характеристик.
Наибольшее
рабочее давление вакуумного насоса pб - это максимальное давление, при котором
насос длительное время сохраняет номинальную
быстроту действия. В рабочем диапазоне
от наименьшего о наибольшего рабочего
давления обеспечивается эффективное
применение насоса для откачивания вакуумных
установок. Рабочие диапазоны давлений
вакуумных насосов в основном определяются
их принципом действия.
Давление
запуска вакуумного насоса pз - максимальное давление во входном сечении
насоса, при котором он может начать работу.
Давление запуска обычно заметно превышает
наибольшее рабочее давление. Для некоторых
типов насосов, к примеру, магниторазрядных,
это различие может достигать 2-3 порядков
Рис.2
Зависимость быстроты действия от входного
давления.
Наибольшее
выпускное давление pВ - максимальное давление в выходном сечении
насосы, при котором он может осуществлять
откачку. Этот параметр не используется
для некоторых типов сорбционных насосов,
поглощающих газ в объёме насоса.
Параметры
вакуумных насосов показаны на основной
характеристике вакуумного насоса - зависимости
быстроты действия от его входного давления
(рис. 2). Экспериментальное определение
основной характеристики вакуумного насоса
может осуществляться двумя методами:
стационарным методом постоянного давления
и квазистационарным методом постоянного
объёма.
2. Объёмные вакуумные насосы (поршневые,
кольцевые, ротационные)
В поршневых вакуумных насосах откачка осуществляется за счет периодического
изменения объема цилиндра. Цилиндры могут
быть простого и двойного действия с водяным
или воздушным охлаждением. Скорость движения
поршня обычно не превышает 1 м/с. Обычные
поршневые насосы с самодействующими
клапанами имеют предельное давление
4.103 - 1.104 Па. Насосы с золотниковым
распределением имеют более низкое предельное
давление. 3.102 Па для одноступенчатых и
10 Па для двухступенчатых конструкций.
Улучшение предельного давления достигается
перепуском газа из мертвого пространства
в конце хода поршня во вторую полость
цилиндра, в которой заканчивается процесс
всасывания. Быстрота действия современных
поршневых насосов составляет 10-4000 л/с.
Насосы обычно начинают работать от атмосферного
давления.
Недостатком поршневых насосов
является неравномерность процесса откачки,
неполная уравновешенность, большие потери
на трение [~200 Вт/(л/с)] и большая удельная
масса (10-20 кг/(л/с)).
Жидкостно-кольцевые насосы
или насосы с жидкостным поршнем (рис. 3) имеют в цилиндрическом корпусе
/ эксцентрично расположенное рабочее
колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками.
Находящаяся внутри корпуса жидкость
во время вращения под действием центробежных
сил прижимается к стенкам корпуса и образует
жидкостное кольцо 4. Между жидкостным
кольцом и лопатками насоса образуются
отдельные ячейки неодинакового размера.
В начале их объем увеличивается, и газ
через всасывающее отверстие 3 в торцевой
крышке поступает в насос. Затем объем
ячеек уменьшается, и сжатый газ через
выхлопное отверстие 5 удаляется из насоса.
В качестве рабочей жидкости
для откачки смеси воздуха с водяным паром
используется вода, для откачки хлора
- концентрированная серная кислота и
т. д. По конструкции и условиям эксплуатации
эти насосы проще поршневых, так как не
имеют клапанов и распределительных устройств.
Предельное давление таких
насосов определяется давлением насыщенных
паров рабочей жидкости. Водокольцевые
насосы имеют предельное давление (2-3).103 Па. Насосы могут работать
от атмосферного давления. В компрессорном
режиме обеспечивают давление до 2.105 Па. Быстрота действия лежит
в пределах от 25 до 500 л/с.
Недостатком насоса является
довольно большой удельный расход мощности
(~200 Вт/(л/с)) из-за необходимости перемещения
жидкости, находящейся в насосе. Удельная
масса насосов около 10 кг/(л/с).
Рис. 3. Жидкостно-кольцевой
насос.
Ротационные пластинчатые
насосы (рис. 4) содержат цилиндрический
корпус 7 с впускным 4 и выхлопным 3 патрубками
и эксцентрично расположенный ротор 6,
в пазах- которого установлены пластины
5. Под действием центробежной силы пластины
прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение
объема рабочей камеры насоса. Насосы
с малой быстротой действия (~1 л/с) изготовляются
по схеме рис. 4а и работают в масляной
ванне, обеспечивающей герметизацию соединений
насоса и снижение потерь на трение. Для
предотвращения заполнения маслом рабочей
камеры служит клапан 2. Начальное прижатие
пластин к поверхности статора осуществляется
пружиной 1.
Насосы с быстротой откачки
до 103 л/с выполняются по схеме
рис. 4б с большим числом пластин. В этих
насосах нет масляной ванны, а для уменьшения
потерь на трение используются беговые
кольца 5, которые приводятся во вращение
пластинами. Отверстия в беговых кольцах
обеспечивают прохождение откачиваемого
газа. В некоторых конструкциях, имеющих
пластины из антифрикционных материалов,
можно обойтись без беговых колец.
Предельное давление таких
насосов определяется кроме газовыделения
материалов насоса объемом вредного пространства
и давлением насыщенных паров масла.
Рис. 4. Ротационные пластинчатые
насосы.
Вредное пространство насоса
обозначено на рис. 5 буквой В. В пластинчато-роторных
насосах объем вредного пространства
частично заполняется рабочей жидкостью.
В этих насосах в корпусе насоса из объема
вредного пространства делается перепускной
канал в одну из рабочих камер, не соединяющихся
с откачиваемым объектом.
При откачке от атмосферного
давления без учета давления насыщенных
паров рабочей жидкости предельные давления
насосов составляют: 1 Па - для .схемы рис.
3а и 2.103 Па - для схемы рис. 3б.
Для уменьшения влияния объема
вредного пространства на предельное
давление пластинчато-роторных насосов
их часто делают двухступенчатыми. В этом
случае предельное давление снижается
до 103 Па.
Удельная масса таких насосов
от 10 до 30 кг/(л/с), удельный расход мощности
от 0.1 до 0.3 кВт/(л/с), причем меньшие значения
имеют многопластинчатые роторные насосы.