Высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок
HIGH VACUUM SYSTEM FOR INDUSTRIAL AND LABORATORY INSTALLATIONS

Изобретение относится к вакуумной технике и предназначено для изготовления и герметизации электровакуумных приборов (ЭВП) и других изделий.
Наиболее трудоемким, сложным и ответственным технологическим процессом, который формирует электрические и вакуумные характеристики вакуумных приборов всех типов, является откачка и термическое обезгаживание. Как правило, эта технологическая операция является достаточно длительной и может продолжаться несколько недель, что накладывает высокую нагрузку на высоковакуумную откачную систему технологического оборудования.
Известна высоковакуумная система на основе диффузионного насоса (Е.П. Шешин Вакуумные технологии: Учебное пособие /Е.П. Шешин - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. Стр.412-428. Табл.6.1, п.2). В состав высоковакуумной системы входят последовательно соединённые между собой вакуумная камера, диффузионный насос и механический форвакуумный насос (ФВН).
Недостатком такой высоковакуумной системы является загрязнение вакуумируемого изделия парами масла. Так же имеет место повышенная убыль масла из диффузионного насоса. Создаются условия для интенсивного окисления масла и осмоления паропроводов насоса. Все это сокращает время работы между последовательными профилактическими чистками установки, что является критическим при длительных технологических процессах и увеличивает трудоемкость обслуживания, одновременно сокращая срок службы средств откачки. Выход из строя механического форвакуумного насоса во время длительного технологического процесса влечет нарушение технологического процесса с возможной потерей вакуума в вакуумной камере и неисправимому браку вакуумируемых и обезгаживаемых изделий.
Наиболее близкой по технической сущности является высоковакуумная система на основе турбомолекулярного насоса (Е.П. Шешин Вакуумные технологии: Учебное пособие /Е.П. Шешин - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009. Стр.412-428. Табл.6.1, п.1). Такая безмасляная система откачки гарантирует отсутствие тяжелых углеводородов в спектре остаточных газов, что позволяет получить высокий вакуум и улучшить технические характеристики ЭВП. В состав вакуумной системы входят последовательно соединенные вакуумная камера с нагревателями снабженная вакууметрами, турбомолекулярный насос, вентиль, форвакуумный спиральный или иной механический безмасляный насос.
Недостатком такой системы, особенно при длительных технологических процессах, длящихся более двух недель, является непрерывная работа ФВН обусловленная длительностью техпроцесса. Длительная непрерывная работа сухих механических ФВН, например, спиральных, приводит к их интенсивному износу и выходу из строя. Выход из строя ФВН ведет к нарушению технологического процесса и выходу в брак дорогостоящего ЭВП. Ремонт вышедших из строя ФВН приводит к высоким материальным издержкам. Длительная работа ФВН влечет за собой высокий расход электроэнергии.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности, качества длительной откачки и вакуумирования ЭВП, экономия ресурса ФВН, снижение неустранимого брака, упрощение конструкции вакуумной системы, снижение стоимости технологического процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что предложена:
1. Высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок, состоящая из последовательно соединенных вакуумной камеры с нагревателями, снабженной вакууметрами, турбомолекулярного насоса, вентиля, форвакуумного спирального или иного механического безмасляного насоса, отличающаяся тем, что на выходе турбомолекулярного насоса за вентилем установлен аккумулятор вакуума, снабженный вакууметром, а между аккумулятором вакуума и вентилем установлен электрический клапан.
2. Высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок по п.1, отличающаяся тем, что рабочий объем аккумулятора вакуума выбирают из соотношения:
,
где
-
3
рабочий объем аккумулятора вакуума, м;
- длительность технологического процесса, с;
1
3
В - натекание через неплотности системы АВ + ТМН + рабочий объем, Па м/c;
2
3
В - поток откачиваемого газа через турбомолекулярный насос (ТМН), Па м/c;
тмн
Р- допустимое давление на выходе ТМН, Па;
н
Р - значение начального давления (вакуума) в АВ, Па.
3. Высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок по п.1, отличающаяся тем, что между электрическим клапаном и форвакуумным насосом установлен вентиль.
4. Высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок по п.1, отличающаяся тем, что, при применении пластинчато-роторного насоса или иного насоса с масляным уплотнением в качестве форвакуумного насоса, между электрическим клапаном и форвакуумным насосом установлена криогенная вакуумная ловушка.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показана высоковакуумная система с механическим сухим ФВН; на фиг.2 схематически показана высоковакуумная система с механическим ФВН с масляным уплотнением и криогенной ловушкой.
Для обоснования принципа работы аккумулятора вакуума (АВ) показана расчетная схема (фиг.3), состоящая из рабочего объема (вакуумной камеры) (ВК), аккумулятора вакуума (АВ), турбомолекулярного насоса (ТМН), форвакуумного насоса (ФВН), вентиля (В).
В качестве АВ взят герметичный сосуд, объем которого больше рабочего объема ВК. В ВК и АВ посредством ФВН первоначально создан форвакуум, затем в ВК посредством ТМН создан рабочий вакуум. После этого вентиль В перекрывается. Таким образом, рассматривается изолированная вакуумная система, состоящая из ВК с рабочим вакуумом и АВ с форвакуумом. Оба этих сосуда разделены между собой работающим ТМН.
Существует два источника натекания газа в АВ:
1. Через ТМН, который откачивает газ из ВК и переносит его в АВ.
2. Натекание воздуха из атмосферы, обусловленное негерметичностью АВ.
1. Для расчета вклада ТМН в увеличение давления в АВ используется уравнение состояния идеального газа:
(1)
где Р - давление газа, Па;
3
V - объем газа, м;
- количество вещества (газа), моль;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
Т - температура газа, К.
При высоком вакууме в ВК и умеренном в АВ газ с большой точностью будет подчиняться закону идеального газа.
Поэтому из уравнения (1) можно получить количество газа, откачиваемого насосом из ВК в АВ:
(2)
н
3
где V - объем газа, прошедший через насос, м;
1
1
T, P - температура [К] и давление [Па] газа в ВК;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К).
н
V в свою очередь равен произведению скорости откачки ТМН на время его работы:
(3)
н
3
где V - объем газа, прошедший через насос, м;
3
- скорость откачки ТМН, м/с;
- время работы ТМН, с.
По закону Дальтона, для откаченного из рабочего объема газа можно записать уравнение состояния (1):
(4)
где  - парциальное давление газа в АВ, откаченного из ВК, Па;
2
T - температура газа в АВ, К;
2
3
V - объем АВ, м;
-
количество газа, откачиваемого насосом из ВК в АВ, моль;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К).
Зная количество газа (2), попавшего через ТМН в АВ, и с учетом (3) получаем его парциальное давление:
(5)
3
где  - скорость откачки ТМН, м/с;
R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);
1
2
Т, T - температура газа в ВК и АВ, К;
1
2
3
V, V- объем ВК и АВ, м;
1
Р- давление газа в ВК.
Имея зависимость изменения давления в АВ от времени находится величина потока откачиваемого газа через ТМН. По определению величина натекания равна:
(6)
2
3
где V - объем АВ, м;
ΔP - изменение давления в объеме АВ за время Δt, Па.
Подставляя (5) в (6) имеем итоговую формулу для расчета потока газа, поступающего в АВ через ТМН:
(7)
где ΔP - изменение давления в объеме АВ за время Δt, Па;
1
2
Т, T - температура газа в ВК и АВ, К;
1
2
3
V, V- объем ВК и АВ, м;
- время, с;
1
Р- давление газа в ВК, Па;
3
- скорость откачки ТМН, м/с.
2. Вклад натекания воздуха из атмосферы, обусловленный негерметичностью АВ, определяется для каждого конкретного случая экспериментально.
1
2
Суммарное натекание газа (B) в АВ, как отмечалось выше, состоитиз натекания атмосферного воздуха через соединения, уплотнения, возможные дефекты в кожухе самого АВ (B)и потока откачиваемого газа через ТМН (B):
(8)
1
3
где В- натекание воздуха из атмосферы в АВ, обусловленное негерметичностью АВ, Па·м/с;
2
3
В- поток откачиваемого газа через ТМН, Па·м/с.
min
Таким образом, при известном суммарном натекании в АВ, определяется минимально необходимый объем АВ (V) для обеспечения условий корректной работы ТМН в течении одного технологического цикла. Таким образом, согласно (6) и (8):
(9)
1
3
где В - натекание воздуха из атмосферы в АВ, обусловленное негерметичностью АВ, Па·м/с;
2
3
В - поток откачиваемого газа через ТМН, Па·м/с;
Δt - длительность технологического цикла, с;
тмн
н
ΔP - изменение давления в АВ, равное разности допустимого давления на выходе ТМН (Р) и начального давления (начального форвакуума) в АВ (Р), Па.
Общая расчетная формула для определения необходимого объема АВ имеет вид:
(10)
где Δt - длительность технологического цикла, с;
1
3
В - натекание воздуха из атмосферы в АВ, обусловленное негерметичностью АВ, Па·м/с;
2
3
В - поток откачиваемого газа через ТМН, Па·м/с;
тмн
Р - допустимое давление на выходе ТМН, Па;
н
Р- начальное давление (начальный форвакуум) в АВ, Па.
1
н
1
2
-5
3
Для численных оценок применяются рабочие параметры конкретной вакуумной установки, например, давление в ВК P = 10 Па, скорость откачки ТМН υ=0.685 м/с, температура в рабочем объёме ВК Т = 673 К, температура среды в АВ Т = 293 К.
Так для величины потока откачиваемого газа (7), в случае применяемой вакуумной установки, получаем:
3
м/c (11)
1
где Р- давление газа в ВК, Па;
3
- скорость откачки ТМН, м/с
1
2
Т, T - температура газа в ВК и АВ, К.
3
Таким образом, поток откачиваемого газа через ТМН составляет м/c
2
-5
3
Натекание воздуха из атмосферы обусловленное негерметичностью АВ, измеренное посредством масспектрометрического гелиевого течеискателя, для рассматриваемого случая составляет порядка В = 10 Пам/с.
Поскольку поток откачиваемого газа через ТМН на порядок меньше натекания из атмосферы, им можно пренебречь в последующих расчетах.
тмн
н
Значение максимально возможного давления P на выходе применяемого ТМН модели Pfeiffer Vacuum HiPace 700 равно 1100 Па, а предельного остаточного давления ФВН P модели НВСп-35 не более 1 Па. Следовательно, после откачки АВ при помощи ФВН до давления порядка1 Па и перекрытия вентиля В, давление внутри АВ, вследствие натекания, не должно подняться выше 1100 Па.
Длительность одного технологического цикла составляет 14 суток. Таким образом, согласно (10) необходимый объем АВ:
3
м=12л (12)
где Δt - длительность технологического цикла, с;
1
3
В - натекание воздуха из атмосферы в АВ, обусловленное негерметичностью АВ, Па·м/с;
тмн
Р - допустимое давление на выходе ТМН, Па;
н
Р- начальное давление (начальный форвакуум) в АВ, Па.
Пример реализации предлагаемого технического решения иллюстрируется на фиг. 1, 2.
На фиг.1 показана высоковакуумная система промышленных и лабораторных установок, которая содержит вакуумную камеру 1 с нагревателями. Вакуумная камера 1 снабжена вакууметром 2 для контроля вакуума в вакуумной камере 1 при проведении технологического процесса вакуумирования и обезгаживания изделия. На выходном фланце вакуумной камеры 1 установлен турбомолекулярный насос 3. Откачка газа из вакуумной камеры 1 производится турбомолекулярным насосом 3 в аккумулятор вакуума 4. Для контроля вакуума в рабочей полости аккумулятора вакуума 4 служит вакуумметр 5. Для первичного создания форвакуума в вакуумной камере 1 и аккумуляторе вакуума 4 служит форвакуумный механический безмасляный форвакуумный насос 6.
В качестве форвакуумного насоса 6 может применяться, например, сухой спиральный насос. Для удобства штатного запуска технологического процесса вакуумирования и обезгаживания изделия, высоковакуумная система снабжена вентилями 7 и 8. Для предотвращения аварийного прорыва воздуха в аккумулятор вакуума 4 при остановке форвакуумного насоса 6 служит электроклапан 9.
Для проведения некоторых технологических процессов вместо сухих форвакуумных насосов 6 могут применяться механические насосы с масляным уплотнением 10, например, роторно-пластинчатые (фиг.2). В таком случае, для уменьшения негативного влияния масляного уплотнения служит криогенная ловушка 11, охлаждаемая, например, жидким азотом.
-10
3
-2
3
-1
3
-4
-5
Пример. Разработана и изготовлена высоковакуумная система (фиг.1) для вакуумирования и обезгаживания ЭВП, которая включает в себя следующие основные элементы: в качестве турбомолекулярного насоса 3 используется турбонасос модели HiPace 700 имеющий предельное остаточное давление менее 5·10 гПа, скорость откачки 685 л/с и форвакуум максимальный 11 гПа; в качестве форвакуумного насоса 6 используется сухой спиральный вакуумный насос НВСп-35 с быстротой действия 37,0±3,7 м/ч и предельным остаточным давлением не более 1Па. Объем термовакуумной камеры составляет 1·10 м. Объем аккумулятора вакуума составляет 2·10 м. После установки изделия в термовакуумную камеру 1 производят её герметизацию, затем включают форвакуумный насос 6 и, далее, открывают вентили 7, 8 и электроклапан 9. Производят форвакуумную откачку термовакуумной камеры 1 и аккумулятора вакуума 4 до значений форвакуума около 10 Па. Электроклапан 9 используют в качестве предохранительного (отсечного), который, в случае аварийной остановки форвакуумного насоса 6 автоматически перекрывает откачную магистраль. После форвакуумной откачки термовакуумной камеры 1 и аккумулятора вакуума 4 включают турбомолекулярный насос 3 и доводят давление в термовакуумной камере 1 до 10 Па. После достижения предварительного вакуума включают нагрев камеры 1, поднимают рабочую температуру до заданных значений и поднимают значения вакуума в термовакуумной камере 1 до 10 Па. При достижении указанного вакуума в термовакуумной камере 1, производят перекрытие электроклапана 9 и вентиля 8. После этого форвакуумный насос 6 выключается. С этого момента аккумулятор вакуума 4 обеспечивает работу турбомолекулярного насоса 3 в качестве форвакуумного насоса 6 до окончания технологического процесса. Форвакуумной откачки аккумулятора вакуума 4 достаточно для бесперебойной работы турбомолекулярного насоса 3 в течение 14 суток, обусловленных требованиями технологического процесса.
При необходимости, аккумулятор вакуума 4 обеспечивает непрерывную работу вакуумной системы в течение периода, многократно превышающий требования технологического процесса.
При многомесячной непрерывной работе высоковакуумной системы возможно, в случае необходимости, кратковременное включение форвакуумного насоса 6, открывание электроклапана 9 и вентиля 8 для улучшения форвакуума в аккумуляторе вакуума 4 с последующим перекрыванием вентиля 8, электроклапана 9 и выключением форвакуумного насоса 6.
Таким образом, при работе высоковакуумной системы удалось добиться значительного сокращения времени работы и износа форвакуумного насоса. Время его работы было сокращено с 14 суток до нескольких часов. За счет этого была получена значительная экономия электроэнергии и ресурса форвакуумного насоса, а также снижена трудоемкость технологического процесса.
3
-2
Кроме этого, была разработана и изготовлена высоковакуумная система для вакуумирования и обезгаживания ЭВП (фиг.2), в которой в качестве форвакуумного насоса использован роторно-пластинчатый насос модели Pascal 2021SD c номинальной производительностью 20,7 м/ч и предельным давлением откачки 1·10Па.
Для уменьшения негативного воздействия на чистоту вакуума масляного уплотнения насоса совместно с форвакуумным насосом использовалась криогенная ловушка.
Для охлаждения криогенной ловушки применялся жидкий азот. На высоковакуумной системе также было достигнуто повышение надежности и качества длительной откачки и вакуумирования ЭВП, экономия ресурса ФВН, снижение неустранимого брака, упрощение конструкции вакуумного системы, снижение стоимости технологического процесса.