Ответы на КР 1-6 (7 семестр)

Вакуум – состояние разреженного газа, когда его давление значительно ниже атмосферного. (<10^5 Па). Лямда – длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими частицами. L - линейный размер сосуда. Диапазоны вакуума: низкий вакуум характеризуется разряжением газа, при котором лямда << L. Давление 10^5 - 10^2 Па. Средний вакуум характеризуется разрежением газа, при котором лямда примерно = L. 10^2 – 10^-1 Па. Высокий вакуум - лямда >> L. 10^-1 – 10^-5 Па. Сверхвысокий вакуум – давление ниже 10^-5 Па. Существует 3 класса насосов, служащих для создания вакуума в рабочей камере технологической установки: Форвакуумные насосы, обеспечивающие предварительное разряжение, необходимое длля нормальной работы насоса более высокого вакуума. Насосы этого класса позволяют производить откачку от атмосферного давления 10^5 Па до 10^-1 Па, т.е. могут создавать низкий и средний вакуум. Высоковакуумные насосы – создают разряжение газа в откачиваемом объеме от 1 до 10^-5 Па. Сверхвысоковакуумные насосы – создают разряжение ниже 10^-5 Па. В технологии производства ИМС наиболее широкое применение получили насосы первых двух классов. Сверхвысоковакуумные насосы чаще используют для исследовательских целей.

Наибольшее давление запуска – наибольшее давление во входном сечении («на входе») вакуумного насоса, при котором он может начать работу. Не все насосы способны начать работу (откачку) с атмосферного давления и для таких насосов необходима откачка вакуумного объема до определенного давления запуска. Наибольшее выпускное давление – наибольшее давление в выходном сечении вакуумного насоса («на выходе»), при котором насос еще может осуществлять откачку. Быстрота действия – объем газа при данном давлении, откачиваемый в единицу времени во входном сечении насоса. Быстрота действия насоса остается постоянной в определенном диапазоне давлений газа. По мере откачки это давление понижается, достигая значения, при котором быстрота действия насоса также начинает постепенно снижаться. Наибольшее рабочее давление – давление во входном сечении насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Предельное остаточное давление – наименьшее давление, которое может быть достигнуто с помощью данного насоса.

Пластинчато-роторный насос относится к объемным средствам откачки, когда перемещение газа осуществляется за счет периодического изменения объема рабочей камеры. Корпус насоса 2 представляет собой полый цилиндр с впускным патрубком (выходное сечение) 1, выпускным патрубком (выходное сечение) 3 и клапаном 4. Ротор 5 эксцентрично размещен в корпусе 2, имеет продольные пазы для плоских пластин 7 и пружины 6, вращается в направлении, указанном стрелкой. Пластины под действием пружины плотно прижимаются к корпусу насоса, при этом в определенный момент (рис. 1 а) полезный объем рабочей камеры разделяется на 3 полости: I – полость всасывания; II – полость перемещения газа; III – полость сжатия и вытеснения газа. При работе насоса (вращение ротора) газ поступает через впускной патрубок в полость I и она увеличивается, сжатый газ выбрасывается через выпускной патрубок и полость III уменьшается (рис. 1 б). При дальнейшем вращении ротора в объеме остаются лишь полости I и III (рис. 1в). Полость I увеличивается, а полость II уменьшается (рис. 1 г). Далее цикл повторяется.

В пластинчато-статорных насосах пластина 6, совершая возвратно-поступательные движения под действием прижимающего усилия коромысла 8 и пружины 7, постоянно контактирует с поверхностью ротора 5, горизонтально расположенного с некоторым эксцентриситетом в корпусе 2. Между ротором и поверхностью корпуса насоса для компенсации теплового расширения узлов предусмотрен зазор. В этот зазор через выпускной патрубок 3 и клапан 4 подается масло из масляной ванны, в которую погружен насос. Рабочий цикл пластинчато-статорного насоса в целом аналогичен циклу пластинчато-роторного насоса.

Бустерные (вспомогательные) насосы применяют для удаления больших потоков газа из вакуумных установок при давлении 10 – 10^-2 Па. Они не могут работать с выпуском в атмосферу, так как наибольшее выпускное давление насосов 100-200 Па. Для их работы требуется форвакуумный насос. Как правило они многоступенчаты. Рассмотрим одноступенчатый пароструйный насос. Насос состоит из цилиндрического стального корпуса 1 с приваренным к нему толстым днищем 6 для равномерного распределения тепла, впускным 2 и выпускным 9 патрубками. С наружной стороны корпуса и выпускного патрубка приварен змеевик 5 из медной трубки, по которому циркулирует вода, охлаждая стенки корпуса и патрубка. Нижняя часть корпуса, где находится масло 8, служит кипятильником. При нагреве масла внешним нагревателем 7 до температуры около 300 градусов образуется пар, который по паропроводу 4 поступает к зонтичному соплу 3 и выходит из него со сверхзвуковой скоростью, захватывая и унося за собой молекулы откачиваемого газа. Далее нагретые пары масла, попадая на холодные стенки корпуса, конденсируются на них. Через кольцевую щель между корпусом и нижней частью паропровода, называемой «юбкой», конденсат масла стекает в кипятильник. В пространстве под струей пара газ сжимается до давления, при котором его может откачать форвакуумный насос, присоединяемый к выпускному патрубку. Недостатком одноступенчатого насоса является возможность обратной диффузии молекул газа из пространства под струей пара в откачиваемую систему.

Высоковакуумные диффузионные насосы применяют для откачки вакуумных систем до остаточных давлений 10^-1 – 10^-5 Па и ниже. Рассмотрим устройство насоса с тремя ступенями откачки. Паропровод насоса 6 выполнен в виде трех концентрических труб и трех зонтичных сопел 5. Конструкция паропровода и кипятильника насоса предусматривает циркуляцию масла, при которой его пары разделяются на фракции масла, которые кипят при различных температурах, а при одной и той же температуре имеют неодинаковую упругость пара. Каждая из фракций питает в основном одно из трех сопел. Для фракционирования масла на днище насоса в кипятильнике с помощью концентрических перегородок и колец образуется лабиринт. Благодаря тому, что масло разогревается в кипятильнике не сразу, а постепенно, проходя по лабиринту, нижнее сопло питается наиболее легкими фракциями, а верхнее – наиболее тяжелыми. Таким образом, фракционирование позволяет создать струи пара различной плотности, что дает возможность постепенно увеличивать давление откачиваемого газа под струей от верхней ступени к нижней. Эжекторное сопло состоит из направляющей трубки в виде расширяющегося сопла и приемной трубки. Из направляющей трубки пар масла истекает со сверхзвуковой скоростью в виде турбулентной или ламинарной струи. Благодаря силе трения между этой струей и газом последний затягивается в приемную трубку через узкую кольцевую щель, смешивается при этом с паром легких фракций и удаляется из корпуса насоса. Для предотвращения попадания легких фракций в форвакуумный насос выпускной патрубок 16 охлаждается водой и имеет жалюзи 1, на которых пар конденсируется и затем стекает на дно патрубка.

Термопарный вакуумметр относится к классу тепловых манометров и находит широкое применение для измерения давлений от 10^4 до 10^-1 Па. Его принцип действия основан на зависимости теплопроводности газа от его плотности Q=f(ро) или P=f(ро). Манометрическая лампа (тип преобразователя давления)состоит из стеклянного или металлического корпуса I, в котором на двух вводах смонтирован подогреватель 2 из Pt или Ni. На двух других вводах крепится термопара 3, изготовленная из хромель-копеля или хромель-алюминия. Термопара и подогреватель сварены между собой. Подогреватель нагревается током, который можно регулировать реостатом 4 и измерять миллиамперметром 5. Спай термопары, нагреваемой подогревателем, является источником термоЭДС, значение которой показывает милливольтметр 6. Пока давление в вакуумной системе равно атмосферному, стрелка милливольтметра при заданном для данной маноментрической лампы токе накала J(н) стоит вблизи 0. При понижении давления в системе стрелка начинает перемещаться в сторону увеличения термоЭДС, так как с уменьшением давления уменьшается теплопроводность газа и, следовательно, повышается температура подогревателя и спая термопары. Точность измерения давления термопарным вакуумметром существенно зависит от правильного подбора тока накала подогревателя. Термопарные манометры не боятся резкого изменения атмосферного давления и имеют практически неограниченный срок службы. Существенным недостатком является изменение J(н) нити со временем, кроме того, термопарные вакуумметры, работающие в режиме постоянного тока, имеют относительно большую инерционность (2-4 с).

Электронные ионизационные вакуумметры применяются для измерения давления от 10^2 до 10^-11 Па. Принцип действия основан на зависимости тока положительных ионов, образованных в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления этого газа. В стеклянном баллоне 1 смонтирована трехэлектродная система, состоящая из коллектора ионов 2, анода 3 и прямоканального катода 4. На анодную сетку подается положительный потенциал, а на цилиндрический коллектор – отрицательный. Катод, выполненный из вольфрама, при нагреве испускает электроны, которые под действием ускоряющего электрического поля устремляются по направлению к аноду, создавая в цепи электронный ток. Электроны совершают таким образом несколько колебательных движений в пространстве катод-анод-коллектор ионов, в конечном итоге попадая на анод, но при этом, проделав значительный путь, успевают столкнуться с молекулами остаточных газов, ионизировать их.