Измерение быстроты откачки методом постоянного объема

Метод постоянного объема применяется для нахождения небольшой быстроты откачки. Если пренебречь натеканием и газоотделением, то поток газа определяется как

Q = pS = Vdp /dt ,

откуда быстрота откачки равна

 ,

где p_i и p_i+1 - значения давления, разделенные интервалом времени Δt;
V - объем рабочей камеры.

Метод постоянного объема не предполагает постоянства быстроты откачки S, т.е. можно измерить меняющуюся быстроту откачки при любом давлении.

При небольшом диапазоне давлений p_i и p_i+1 и малом интервале времени Δt величина S может быть рассчитана по формуле

.

Быстрота откачки может быть определена графически из зависимости lg p = f(t) по тангенсу угла наклона касательной в данной точке р :

S = 2,3 V tgα.

Оборудование и приборы

Для выполнения работы используются следующие приборы и оборудование:

1) вакуумная лабораторная установка (рис. 1.4.);

2) система измерения быстроты откачки;

3) вакуумметры;

4) манометрические преобразователи;

5) секундомер.

Лабораторное задание

1. Законспектировать теоретическую часть лабораторной работы.

2. Изучить конструкцию, принцип работы и особенности вакуумных насосов различных типов и зарисовать их схемы.

3. Изучить конструкцию, принцип работы и особенности исследуемого вакуумного насоса и зарисовать его схему.

4. Экспериментально определить быстроту откачки методом постоянного объема.

5. Экспериментально определить время откачки системы.

6. Оформить отчет по работе.

Методика выполнения работы

Порядок измерения быстроты откачки методом постоянного объема

Рекомендуется следующий порядок измерения быстроты откачки методом постоянного объема.

1. Включить вакуумметры, прогреть их в течение 5 - 7 мин.

2. Проверить, закрыты ли клапаны 4, затвор 6 и натекатель 8 (см. рис. 1.4).

3. Замерить размеры камеры 7 и рассчитать ее объем.

4. Включить насос.

5. Открыть клапан, соединяющий камеру с насосом, и одновременно включить секундомер.

6. По вакуумметрам снять показания давления в камере и у входа в насос с помощью манометров 5, одновременно записывая время, до достижения предельного остаточного давления.

С помощью градуировочных графиков перевести показания вакуумметров в размерность давления (Па).

7. Построить зависимости p_к = f(t) и p_н = f(t).

8. Построить зависимости lg p_к = f(t) и lg p_н = f(t).

9. Рассчитать скорости откачки камеры и насоса S_к и S_нпо графикам lg p = f(t).

10. Построить зависимости S_к = f(p) и S_н = f(p) .

Результаты измерений занести в форму табл. 1.1.

Форма таблицы 1.1

Результаты измерения быстроты откачки методом постоянного объема

Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1) краткий конспект теоретической части работы;

2) результаты измерений, занесенные в форму табл. 1.1;

3) вычерченные на миллиметровой бумаге зависимости S = f(p), найденные методом постоянного объема;

4) вычерченные на миллиметровой бумаге зависимости U = f(p);

5) выводы по результатам работы.

Контрольные вопросы

1. Какие типы вращательных насосов вы знаете? Каковы их основные конструктивные различия?

2. Какое предельное остаточное давление достигается с помощью вращательных насосов и чем оно ограничено?

3. Каковы основные причины неисправной работы вращательных насосов?

4. Какие методы измерения скорости откачки вы знаете?

5. Каким требованиям должно удовлетворять масло, применяемое во вращательных насосах?

6. Какие требования предъявляются к металлам, из которых изготавливаются вакуумные насосы?

7. Дайте определения основных характеристик вакуумных насосов.

8. Что такое «вредное пространство»? Какова его роль в процессе откачки?

9. Какова проводимость трубопроводов при параллельном и последовательном соединениях?

10. Назовите причины повышения предельного остаточного давления в вакуумных системах.

Литература

1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника: Учебник для вузов по спец. «Вакуумная техника» 3-е изд. – М.: Высшая школа, 2007.  

2. Сырчин В.К., Назаров Г.В., Ануфриенко В.В. Лабораторный практикум по курсу «Техпроцессы и оборудование микроэлектроники». Часть 2. – М.: МИЭТ, 2002.

Лабораторная работа № 2

Изучение высоковакуумного насоса и определение его характеристик
методом постоянного давления

Цель работы: 1) ознакомиться с назначением, конструкцией, принципом действия и характеристиками высоковакуумных насосов различных типов; 2) изучить методику измерения быстроты откачки насосов методом постоянного давления;
3) изучить конструкцию и измерить характеристики исследуемого насоса.

Продолжительность работы - 4 ч.

Теоретические сведения

Для создания высокого вакуума используются средства получения вакуума, использующие различные принципы действия: механические молекулярные насосы, струйные насосы, электрофизические и низкотемпературные (криогенные) средства откачки. Наибольшее распространение получили тубомолекулярные насосы (ТМН), диффузионные паромасляные насосы (ДПМН) и криоконденсационные насосы (криогенераторы). На лабораторном занятии планируется исследование одного из высоковакуумных насосов: ДПМН или ТМН.

Струйные вакуумные насосы

Принцип действия струйных насосов основан на захвате молекул газа струей жидкости или пара. Механизм увлечения молекул газа зависит от режима течения газа и режима истечения струи. По этим признакам различают три типа струйных насосов: эжекторные, бустерные и диффузионные. Для получения высокого вакуума предназначены ДПМН.

ДПМН до сравнительно недавнего времени являлись одним из широко распространенных высоковакуумных средств откачки, обеспечивающих стабильную скорость откачки в диапазоне давлений 10^-1-10^-5 Па и ниже. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного фланца насоса, поэтому режим течения является молекулярным. Механизм увлечения газа представляет собой диффузионный захват за счет диффузии молекул в струю пара малой плотности.

Конструктивно ДПМН (рис. 2.1) выполнен в виде сварного корпуса 1 из малоуглеродистой или нержавеющей стали, имеющего в верхней части водяную рубашку для охлаждения стенки корпуса. Внутри корпуса концентрично установлены паропроводы 2 с зонтичными соплами 3. Нижняя часть паропроводов находится в рабочей жидкости, залитой в кипятильник 4. Под днищем насоса находится нагреватель 5 (электроплитка), нагревающий рабочую жидкость до температуры интенсивного парообразования.

Пары устремляются по паропроводам 2 к соплам 3, в виде плотной струи вырываются из них со сверхзвуковой скоростью и устремляются к водоохлаждаемой стенке корпуса 1 насоса.

Молекулы газа, поступающие через впускной фланец 6, которым насос герметично крепится к откачиваемому объему, диффундируют в паровую струю, захватываются ею и уносятся к водоохлаждаемой стенке. Пары рабочей жидкости конденсируются на холодной стенке, и рабочая жидкость вместе с захваченным газом стекает по стенке в кипятильник, при этом она обезгаживается. Для интенсификации процесса обезгаживания стекающей по стенке рабочей жидкости нижняя часть стенки корпуса насоса под последним соплом не охлаждается (имеет температуру до 140 ^оС).

Откачанный газ захватывается струей следующей ступени. В качестве последней ступени откачки, как и в бустерном насосе, обычно применяют эжекторное сопло, встроенное в выпускной патрубок насоса, через который откачанный газ удаляется форвакуумным насосом, подсоединяемым к выпускному фланцу 7.

Одним из существенных недостатков ДПМН является загрязнение откачиваемого объема парами рабочей жидкости насоса, в связи с чем в современном технологическом высоковакуумном оборудовании, где требуется высокая чистота в рабочем объеме, ДПМН практически не используется. Основными причинами загрязнения являются противодиффузия и миграция молекул пара рабочей жидкости в высоковакуумную область по конструктивным элементам насоса и за счет завихрений струи на выходе из верхнего сопла. Для уменьшения потока паров рабочей жидкости в высоковакуумную область используют специальные устройства защиты.

Быстрота действия ДПМН зависит от:

- площади диффузионной диафрагмы на входе в насос;

- геометрии сопла (рис. 2.2, б);

- геометрии и структуры струи (рис. 2.3, б);

- рода рабочей жидкости;

- рода откачиваемого газа;

- мощности нагревателя (рис. 2.2, а);

- величины выпускного давления;

- величины впускного давления (рис. 2.3, а).

Особенностью ДПМН является постоянство скорости откачки в диапазоне давлений р=10^-4-10^-1 Па.

Предельный вакуум ДПМН определяется следующими факторами:

- противодиффузией газа из низковакуумной области в высоковакуумную
область;

- упругостью пара рабочей жидкости и миграцией ее молекул в высоковакуумную область;

- выносом газов со струей пара из кипятильника;

- газовыделением из конструктивных элементов насоса.

При эксплуатации ДПМН следует соблюдать следующие требования:

1. Не допускать превышения допустимого р_вып.

2. Не превышать максимально рекомендуемую газовую нагрузку. Чтобы ограничить резкое поступление газа в насос, следует открывать высоковакуумный
затвор медленно.

3. При работе при р_вх>10^-3 Па уменьшать проводимость впускного патрубка (применять дросселирование).

4. Предохранять ловушки, охлаждаемые жидким азотом, от прямой тепловой радиации и скапливания конденсата.

5. При вскрытии камеры на атмосферу поддерживать температуру стенок вакуумной системы выше комнатной.

6. Не допускать попадания воздуха в насос ни со стороны впускного, ни со стороны выпускного патрубка.

Турбомолекулярные насосы

ТМН относятся к высоковакуумным безмасляным средствам откачки. Принцип действия ТМН основан на сообщении молекулам разряженного газа направленной скорости за счет соударения с быстродвижущейся твердой поверхностью.

Основными элементами ТМН являются корпус-статор с установленными в нем неподвижными статорными дисками, быстро вращающийся на специальных подшипниковых опорах ротор с установленными на нем роторными дисками (или рабочими колесами с лопатками), а также впускной и выпускной патрубки (рис. 2.4).

Рабочий механизм образован роторными и статорными дисками, имеющими радиальные фрезерованные косые пазы (или колесами с лопатками для насосов с производительностью более 400-500 л/с), боковые плоскости которых имеют к плоскости диска углы наклона от 10-20^о до 35-40^о. Причем пазы в роторных дисках расположены зеркально пазам статорных дисков. Осевые и радиальные зазоры в ТМН сравнительно небольшие (от 0,8 до 2,5 мм в зависимости от размеров рабочих колес).

Каждая пара статорных и роторных дисков составляет ступень откачки, обеспечивающей компрессию (сжатие) до 3-5. Количество пар дисков достигает 30-40. В ТМН устанавливаются 2-3 группы дисков: на входе в высоковакуумной части для обеспечения более высокой скорости откачки диски с углом боковых плоскостей
35-40^о, а на выходе в форвакуумной части для обеспечения более высокой компрессии – с углом 10-20^о (и меньшей шириной пазов).

Основными характеристиками ТМН являются коэффициент компрессии и быстрота действия. Максимальный коэффициент сжатия k_max, показывающий отношение давлений на выходе и входе насоса, зависит от окружной скорости лопастей v, молекулярного веса откачиваемого газа M и коэффициента формы лопасти g:

k_max ~ exp (v, , g).

Например, величина k_max для водорода составляет 10³, для азота – 10⁷-10⁹, а для вакуумного масла (М=500) – 4×10¹³, причем для давлений ниже 0,1 Па k_max=const.

Для обеспечения больших значений окружной скорости роторных дисков ротор должен вращаться с большой скоростью (15000-72000 об/мин). При сравнительно невысоких скоростях вращения используются подшипники с масляным уплотнением и охлаждением, а при высоких – на магнитной подвеске.

ТМН работает с насосом предварительного разряжения (обычно механическим вращательным насосом с масляным уплотнением) для обеспечения давления на впускном патрубке порядка 0,1-10 Па, а на выпускном - порядка 10 Па. Поэтому, несмотря на то, что ТМН является безмасляным средством откачки, пары масла при неправильной эксплуатации могут попадать в ТМН, а следовательно, и в откачиваемый объем, с форвакуумной стороны. В связи с этим рекомендуется в качестве вспомогательного насоса для ТМН использовать безмасляное средство откачки.

На рис. 2.5 показана зависимость скорости откачки ТМН от рабочего давления. Видно, что при давлении ниже 0,1 Па скорость откачки ТМН не зависит от давления.

Рис. 2.5. – Зависимость быстроты действия ТМН от давления.