Расчет элементов вакуумной системы на предельный вакуум 10-2

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Разработка новых технологических процессов, обеспечивающих техническое перевооружение основных отраслей производства, тесно связана с вакуумной техникой.

Новые типы полупроводниковых структур, особо чистые материалы, сплавы, специальные покрытия изготавливаются в вакууме. Вакуум является идеально чистой технологической средой, в которой можно осуществить электрохимические и электрофизические процессы при изготовлении изделий микроэлектроники.

Экспериментальные исследований испарения и конденсации, поверхностных явлений, некоторых тепловых процессов, низких температур, ядерных и термоядерных реакций осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент современной ядерной физики - ускоритель заряженных частиц - немыслим без вакуума. Вакуумные системы применяются в химии для изучения свойств чистых веществ, изучения состава и разделения компонентов смесей, скоростей химических реакций.

Техническое применение вакуума непрерывно расширяется, но с конца прошлого века и до сих пор наиболее важным его применением остается электронная техника. В электровакуумных приборах вакуум является конструктивным элементом и обязательным условием их функционирования в течение всего срока службы. Низкий и средний вакуум используется в осветительных приборах и газоразрядных устройствах. Высокий вакуум - в приемно-усилительных и генераторных лампах. Наиболее высокие требования к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов. Для работы полупроводникового прибора вакуум не требуется, но в процессе его изготовления широко используется вакуумная технология. Особенно широко вакуумная техника применяется в производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионного травления, электронолитографии обеспечивают получение элементов электронных схем субмикронных размеров.

В металлургии плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворенных газов, благодаря чему они приобретают высокую механическую прочность, пластичность и вязкость. Плавкой в вакууме получают безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, магний, кальций, тантал, платину, титан, цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. В производстве высококачественных сталей широко применяется вакуумирование. Спекание в вакууме порошков тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, является одним из основных технологических процессов порошковой металлургии. Сверхчистые вещества, полупроводники, диэлектрики изготавливаются в вакуумных кристаллизационных установках. Сплавы с любым соотношением компонентов могут быть получены методами вакуумной молекулярной эпитаксии. Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира получают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения материалов с сильно различающимися температурами плавления. Таким способом соединяют керамику с металлом, сталь с алюминием и т.д. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка в вакууме.

В машиностроении вакуум применяется при исследованиях процессов схватывания материалов и сухого трения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент и износостойких покрытий на детали машин, захвата и транспортирования деталей в автоматах и автоматических линиях.

Химическая промышленность применяет вакуумные сушильные аппараты при выпуске синтетических волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей. Вакуум-фильтры используются при производстве целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются кристаллизационные вакуумные аппараты. И это далеко не полный перечень областей применения вакуума.

Таким образом, вакуум находит широкое применение в современных промышленных установках и приборах. Поэтому изучение способов получения, измерения вакуума очень важно и необходимо. Очень важной частью изучения вакуума является расчет вакуумных систем в стационарном режиме работы.

1. Расчет стационарного газового потока

Стационарный газовый поток, откачиваемый насосом, во время работы вакуумной установки имеет несколько составляющих:

Q= Q_п + Q_д + Q_н + Q_т,

где Q_п - проницаемость материалов; Q_д - диффузионное газовыделение материала; Q_н - натекание через оболочку вакуумной камеры; Q_т - стационарное технологическое газовыделение.

Все составляющие газового потока либо вообще не зависят от времени работы вакуумной установки, либо изменение газового потока за время ее работы не превышает точности выполняемых расчетов. Рассмотрим подробнее каждую из указанных составляющих.

Количественная оценка процессов стационарной проницаемости газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различных материалов или имеющие различную толщину, может быть сделана с учетом констант проницаемости Ко и Q_p по формуле:

Q_п=

где Koi и Qi - соответственно константа проницаемости и теплота активации для материала i-й стенки вакуумной системы; F_i и h_i - соответственно площадь и половина толщины i-й стенки; p₁ и р₂ - давления с внутренней и наружной сторон стенок; n - число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку; Т - абсолютная температура стенки; R= 8,31 кДж/(кмоль*К); N - число стенок вакуумной камеры, арматуры и трубопроводов, изготовленных из различного материала или имеющих разную толщину.

Для нашего случая по табличным данным берём Qi=199*10^-3 кДж/кмоль, n=2, p₁=10^-2 Па, p₂=10⁵ Па, h_i =1*10^-3 м, T=973 К, Koi=3,8*10^-4,

F_i = 1,5 м² (исходя из размеров, данных в задании: 200 пластин размером 75 * 50 мм). Тогда получаем Q_п=5,3*10^-9 м³*Па/с.

Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины стенок вакуумных камер. Особенно это заметно для деталей типа cильфонов, мембран и т.д., где малая толщина детали определяется условиями ее работы. Конструктивными способами уменьшения газопроницаемости кроме выбора материалов являются использование установок с «двойным» вакуумом и охлаждение деталей во время работы непосредственно в вакуумной камере.

Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как стационарные. Упрощенный метод определения диффузионного газовыделения основан на применении экспериментально определенных значений коэффициентов удельного диффузионного газовыделения, зависящих от рода газа, материала и его предварительной обработки, а также рабочей температуры. Газовый диффузионный поток

Q_д =

где F_j - площадь j-гo материала, присутствующего в вакуумной системе; N - число материалов, q_i - удельное диффузионное газовыделение i-го материала. Для нашего случая F_j =1,5 м² (исходя из размеров, данных в задании: 200 пластин размером 75 * 50 мм), по таблице выбираем q_i для нержавеющей стали равное 10^-8 м³*Па/(м²*с). Тогда получаем Q_д =1,5* 10^-8 м³*Па/с.

Натекание через оболочку вакуумной камеры происходит в основном по разборным и неразборным соединениям, которые принципиально не могут обеспечить абсолютную герметичность. Натекание может происходить и по дефектам в структуре сплошного материала. Поэтому возможное натекание в вакуумную установку можно оценить по формуле:

Q_н = Кв* N* Q_ти / m,

где Q_ти - минимальный поток, регистрируемый течеискателем; Кв - вероятность существования течи, меньшей чувствительности течеискателя; N - число соединений; m - число одновременно проверяемых соединений. Для нашего случая берём Кв= 0,2, m=N, Q_ти =10^-11 м³*Па/с. Тогда Q_н =2*10^-12 м³*Па/с.

Резервом уменьшения Q_н при расчете по формуле является уменьшение числа испытаний на герметичность. Предельным случаем является одно испытание, когда m=N, и проверяется негерметичность всей установки. При работе с гелиевым течеискателем такая проверка производится размещением всей установки в атмосфере гелия с помощью полиэтиленовых колпаков или других вспомогательных средств, зависящих от размеров установки.

Технологическое газовыделение зависит от типа обрабатываемого объекта и способа осуществления технологического процесса. В проектировочных расчетах его значение принимается постоянным в течение всего времени стационарного режима. По аналогии со сходными по значению вакуумными установками выбираем Q_т =4*10^-5 м³*Па/с. Тогда получаем Q=4,008*10^-6 м³*Па/с.

Выберем для нашего расчёта вакуумную систему установки, обеспечивающую возможность получения сверхвысокого вакуума (см. Приложение 1).

2. Выбор высоковакуумного насоса

насос вакуум давление трубопровод

Выбираем паромасляные насосы серии Н с предельным давлением р_пред =3*10^-4 …4*10^-5 Па и диапазоном быстрот действия от 1,2*10^-2 до 30 м³/с.

Эффективную быстроту откачки в откачиваемом объёме определяем

S_эф =Q/p₁ S_эф =4,008*10^-4 Q = 1,5*10^-8

Найдем коэффициент использования насоса. Пользуясь методикой, изложенной в § 9.5, используя рис. 9.22 (Розанов «Вакуумная техника», стр. 211), при n=5 находим оптимальное значение коэффициента использования K_и1 =0,14.

Для нахождения номинальной быстроты действия воспользуемся формулой:

S_m1=Q/(K_и1*p₁-p_пред1) S_m1=3,644*10^-4

Ближайший по быстроте действия пароструйный насос Н - 0,025-2 имеет следующие характеристики:

Номинальная быстрота действия, м³/с…………0,01

Диаметр входного патрубка, мм…………..40

Наибольшее рабочее давление, Па………….10^-4

Наибольшее выпускное давление, Па………. 92

Предельное давление, Па…………………. 1*10^-5

3. Выбор насоса для работы в области среднего и низкого вакуума

В соответствии с начальными условиями выбираем серию вращательных насосов типа Н с предельным давлением по воздуху (с ловушкой) 4*10^-1…10^-2 Па и диапазоном быстрот действия от 10^-4 до 1,5*10^-1 м³/с.

Рабочее давление механического насоса выбираем по максимальному выпускному давлению паромасляного насоса с коэффициентом запаса 2 p₂=92/2=46 Па, что соответствует эффективной быстроте откачки S_эф2 =8,713*10^-8 м³/с.

По методике, изложенной в § 9.5 и по рис. 9.17 (Розанов «Вакуумная техника», стр. 207), найдем оптимальное значение K_и3= 0,7. Номинальная быстрота действия механического насоса S_m3=Q/(K_и3*p₃-p_пред3) S_m3=1,26*10^-7м³/с.

Ближайший по быстроте действия механический насос ВН - 0,1 имеет следующие характеристики:

Номинальная быстрота действия, м³/с…………. 1*10^-4

Диаметр входного патрубка, мм………………8

Предельное давление, Па…………………. 4

Предельное давление насоса с ловушкой, Па……. 4*10^-1

Максимальное выпускное давление, Па………… 10⁵

Зависимость быстроты действия насоса ВН - 0,1 от давления на входе приведена на рис. в Приложении 2.

4. Определение конструктивных размеров трубопроводов и выбор элементов вакуумной системы

Высоковакуумная система

Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от пароструйного насоса до вакуумной камеры по формуле:

U₀₁=S_н1* K_и1/(1 - K_и1) U₀₁=2,442 10^-3 м³/с.

где - S_н1 быстрота действия насоса, выбранного по каталогу.

Участок вакуумной системы состоит из трех элементов: трубопроводов 1,3,5, затвора 2 и ловушки 4.

Определим проводимости элементов и диаметры трубопроводов. Будем считать в первом приближении, что все элементы имеют одинаковую проводимость. Тогда U₁=5*U₀₁=6,818*10^-3 м³/с. Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р₁=10^-2 Па и диаметру входного патрубка насоса d_вх =8 мм.

Критерий Кнудсена Kn =7.5*10^-3/ р_1* d_вх Kn =1,875, т.е. режим течения молекулярный.

Диаметр первого элемента может быть рассчитан из условия последовательного соединения входного отверстия и трубопровода:

1/ U₁₁ =(1-d₁²/1,2²)/91* d₁² + 0.1/121* d₁³=1/1,12*10^-2

Отсюда получаем d₁=0,019 м. По ГОСТ 18626-73 выбираем условный проход трубопровода d₁= 0,025 м. Тогда проводимость первого участка U₁₁= 0,014 м³/с, проводимость отверстия 0,057 м³/с, проводимость трубопровода 0,019 м³/с.

В качестве затвора выбираем ВЭП-25 с диаметром условного прохода d_y=0,025 мм (см. табл. 9.11 в Розанов «Вакуумная техника», стр. 221) и проводимостью в молекулярном режиме течения газа 0,014 м³/с. Диаметр трубопровода на третьем участке выберем из условия U₁₃=6,818*10^-3 м³/с

С учетом размеров предыдущего элемента имеем d₃ =0,022 м. Согласно рекомендуемому ряду диаметров выбираем =0,025 м. U₁₃=9,453*10^-3 м³/с

Выбираем ловушку, имеющую d_у = 25 мм и проводимость U₁₄ = 1,12*10^-2 м³/с.

Пятый участок по размеру совпадает с третьим участком, тогда U₁₅=9,453*10^-3 м³/с. d₃ =0,025 м.

Таким образом, U₁₃=9,453*10^-3м³/с, а общая проводимость участка с учетом того, что входная проводимость насоса равна бесконечности:

1/ U₀₁=1/ U₁₁+1/ U₁₂+1/ U₁₃=2,259*10^-3м³/с,

Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы 2,259*10^-3 м³/с, что несколько меньше требуемой 2,442*10^-3 м³/с. Коэффициент использования магниторазрядного насоса:

K_и1 = U₀₁/(S_н1 + U₀₁)

Коэффициент использования K_и1=0,184 близок к оптимальному значению 0,14.

Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от магниторазрядного насоса до откачиваемого объекта. Результаты расчета занесены в табл. 1.

Давление во входном сечении насоса:

p_н1= p_пред1 + Q/ S_н1 p_н1=5,672*10^-4 Па.

Перепад давления на элементе 5 dp₅=Q/ U₁₅=4,24*10^-4 Па. Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитываем давления на входе и выходе каждого элемента и по полученным результатам строим график распределения давления на рис. 1.

Таблица №1

Низковакуумная система

Найдем общую проводимость участка вакуумной системы от пароструйного насоса до механического по:

U₀₂=S_н2* K_и2/(1 - K_и2) U₀₂=2,333*10^-4 м³/с.

где S_н2 - быстрота действия механического насоса, выбранного по каталогу.

Составим компоновочную схему рассматриваемого участка вакуумной системы. На компоновочной схеме (рис. 2) показаны длины трубопроводов и диаметр входного патрубка механического насоса 8 мм. Участок вакуумной системы состоит из семи элементов: четырех трубопроводов 1, 3,5, 7, клапанов 2, 6 и ловушки 4.

Определим проводимость элементов и диаметров трубопроводов. Предположим, что все элементы имеют одинаковую проводимость, тогда U=7*U₀₂=1,633*10^-3 м³/с.

Режим течения газа в трубопроводе определим по рабочему давлению р₂=46 Па и диаметру входного патрубка механического насоса d_вх2 =0,008 м. Критерий Кнудсена

Kn =7.5*10^-3/ р_2*d_вх2 Kn =0,02<1,5,

т.е. режим течения молекулярно - вязкостный. Сопротивлением отверстий при небольшом перепаде давления, характерном для установившегося режима при K_и2=0,7, в молекулярно - вязкостном режиме можно пренебречь.

Диаметр первого трубопровода можно рассчитать при среднем давлении p_ср= р₂ = 46 Па по проводимости

U₂₁=121*d₁₂³/l₁₂*0.9 + 1.35*10³*d₁₂⁴/l₁₂* p_ср

Имеем d₁₂= 7,8*10^-3 м. По ГОСТ 18626-73 выбираем d₁₂ = 8*10^-3 м, что соответствует U₂₁= 2,2*10^-3 м³/с. Тогда получим d₁₂ = d₅₂ = d₇₂ = 8*10^-3 м.

В качестве клапанов на втором и шестом участках по табл. 9.11 (в Розанов «Вакуумная техника», стр. 221) выбираем КМУ1-10 с диаметром условного прохода d_y = 10 мм и проводимостью 0,0014 м³/с. Проводимость клапана в молекулярно - вязкостном режиме несколько больше, чем в молекулярном. Разницей проводимостей в данном расчете пренебрегаем.

Выбираем ловушку, имеющую d_y=10 мм и проводимость U₂₄ = 1,6*10^-3 м³/с. Найдём общую проводимость U из условия последовательного соединения всех элементов. Общая проводимость выбранного участка вакуумной системы 2,54*10^-4 м³/с, что несколько больше требуемой 2,333*10^-4 м³/с.

Коэффициент использования механического насоса в системе K_и2=0,718 близок к оптимальному значению 0,7.

Рассчитаем распределение давления по длине участка вакуумной системы от механического до пароструйного насоса. Давление во входном сечении насоса:

p_н2= p_пред2 + Q/ S_н2 p_н2=0,54 Па

Перепад давления на элементе 7 dp₇=Q/ U₂₇=1,822*10^-3 Па. Аналогично находим перепады давлений на остальных элементах, рассчитывая давления на входе и выходе каждого. Полученные результаты заносим в Таблицу 2 и строим график распределения давлений (рис. 2). В элементах 1,2,3,4 принимаем предельное давление механического насоса с ловушкой 1*10^-2 Па.

Таблица №2

Заключение

Вакуумная техника с каждым годом все шире применяется в научных исследованиях и производстве. Одновременно увеличивается объем исследований, направленный на ее развитие. Расширяется диапазон работы вакуумных насосов и манометров, совершенствуются теоретические представления о самом вакууме и происходящих в нем физико-химических процессах. В последние годы большие успехи достигнуты при изучении поверхностных явлений, происходящих на границе газ - твердое тело. Разработаны новые приборы для анализа поверхности: Оже-спектрометры, вторично-ионные масс-спектрометры и т.д.

Дальнейшее развитие вакуумной техники будет идти по пути создания еще более эффективных средств получения вакуума, анализа состава и парциальных давлений остаточных газов, течеискания, изучения свойств поверхности, совершенствования методов расчета и проектирования вакуумных систем, конструкции и технологии изготовления вакуумных установок. Неперспективные ранее принципы работы насосов, манометров и других элементов вакуумных систем после совершенствования их конструкции получают широкое применение. Расширение космических исследований ставит перед вакуумной техникой новые задачи по разработке имитационного оборудования для испытания космических аппаратов в земных условиях. Большие перспективы открываются перед вакуумной технологией при создании принципиально новых материалов и особо чистых веществ. Технология производства электронных приборов широко использует вакуумную технику.

Благодаря широкому применению численных методов повышается точность расчетов вакуумных систем. Многие задачи определения параметров течения разреженного газа в сложных элементах вакуумных систем, которые раньше не могли быть решены, теперь вычисляются с необходимой для практики точностью.

Вычислительная техника обеспечивает возможность автоматизации проектирования вакуумных систем. Создаются первые системы автоматизированного проектирования и банки данных современного вакуумного оборудования. Автоматизация инженерного труда позволяет при проектировании вакуумных систем и элементов находить оптимальные решения. Развитие микроЭВМ позволило создать совершенные системы управления вакуумными установками, выполняющими расчет и расшифровку спектров остаточных газов, анализ математических моделей технологических процессов.

Современная вакуумная техника позволяет получать и измерять давления в 10¹⁸ раз меньше атмосферного, но даже такое состояние газа еще нельзя назвать идеальным вакуумом: в 1 м³ такого вакуума еще содержатся сотни молекул газа. Идеальный вакуум как среда, в которой могут распространяться гравитационное, электромагнитное и другие поля, является еще предметом тщательного исследования современной теоретической физики.

Список используемой литературы

насос вакуум давление трубопровод

1. Розанов Л.Н. Вакуумная техника - М.: Высшая школа, 1990. -320 с.

2. Вакуумная техника: Справочник /Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова и др. - М.: Машиностроение, 1985. - 360 с.

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

4. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники. - М.: Мир, 1964. - 715 с.

Размещено на Allbest.ru