ББК 31.77я2 В14
УДК [533.5 + 621.52] (035)
Авторы: Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова, И. В. Автономова, К. Е. Демихов, Г. Ф. Ивановский, В. И. Куприянов, Н. К. Никулин, Ю. М. Пустовойт, И. В. Творогов, А. Б. Цейтлин
Рецензент акад. АН СССР Ю. А. Рыжов
Вакуумная техника: Справочник/Е. С. Фролов, В. Е. Ми-В14 найчев, А. Т. Александрова и др.: Под общ. ред. Е. С. Фролова, В. Е. Минайчева. — М.:. Машиностроение, 1992.— 480 с.: ил.
ISBN 5-217-01409-1
Справочник содержит основные сведения по теории вакуума, расчету, конструированию «и эксплуатации вакуумных систем и их элементов. Приведены физико-механические характеристики материалов, применяемых для изготовления элементов вакуумных систем. Даны примеры конструктивного выполнения вакуумной аппаратуры, методы ее сборки и отладки, правила эксплуатации. Описаны приборы для измерения давления в вакуумных системах и контроля степени их негерметичности.
Для инженерно-технических работников, занимающихся конструированием, производством и эксплуатацией вакуумных систем.
В ??»)020000-539 038 (01)—92
ББК 31.77я2
ISBN 5-217-01409-1	© Издательство «Машиностроение», 1985
© Е. С. Фролов, В. Е. Минайчев, А. Т. Александрова и др., 1992
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие практически всех отраслей промышленности связано с интенсивным использованием вакуумной техники в технологических процессах или при проведении физико-технических экспериментов и испытаний.
Во втором издании справочника изложены теоретические основы вакуумной техники, приведены основные сведения из молекулярно-кинетической теории газов. Подробно рассмотрены процессы течения в вакуумных системах и методы определения проводимости их элементов и систем в целом. Приведены физико-механические характеристики различных материалов, используемых в вакуумной технике. Рассмотрены особенности технологических операций (сварки, пайки и др.), применяемых в вакуумной технике. Рекомендации по конструированию вакуумных камер различного назначения и выбору конструктивных элементов можно использовать при их разработке и изготовлении.
Значительное внимание в справочнике уделено изложению основ теории, методов расчета и описанию принципов действия различных вакуумных насосов — механических (поршневых, двухроторных, жидкостио-кольцевых, пластинчато-роторных, плунжерных, турбомолекулярных) и иемехаиических (струйных, электрофизических, крионасосов, сорбционных). Приведены технические характеристики вакуумных насосов различных типов отечествен
ного производства. Описаны приборы и методы измерения в вакуумных системах. Рассмотрены методы масс-спектрометрии и течеискания. Приведены рекомендации по испытанию вакуумных насосов различных типов и назначений.
Наряду с данными по серийно выпускаемым и вновь разработанным конструктивным элементам вакуумных систем приведены характеристики изделий, которые сняты с серийного производства, ио еще долго будут находиться в эксплуатации.
Учитывая быстрое развитие вакуум-вой техники и применение новых конструкционных материалов, составители полагают целесообразным напомнить, что при создании ответственных изделий, систем и их элементов используемые справочные данные должны быть подтверждены, например экспериментальной отработкой.
Включенные в справочник данные соответствуют действующим стандартам по состоянию на 01.06.91 г.
Гл. 1, 8, 15—17 написаны В. Е. Ми-иайчевым, гл. 2, 3 и п. 9.6 — совместно Е. С. Фроловым и Н. К. Никулиным, гл. 4, 5, 7 — А. Т. Александровой, гл. 6 — JO. М. Пустовойтом, п. 9.1 — Е. С. Фроловым, п. 9.2—9.4 — И. В. Автономовой, п. 9.5 — К. Е. Демиховым, гл. 10, 11 — А. Б. Цейтлиным, гл. 12 — Г. Ф. Ивановским, гл. 13 — В. И. Куприяновым, гл. 14 — И. В. Твороговым.
РАЗДЕЛ 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 1. Общие сведения
1.1.	Понятие вакуума'
Вакуумом (от лат. vacuum — пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Вакууму обычно соответствует область давления ниже 106 Па.
Вакуумная техника — прикладная наука, изучающая проблемы получения н поддержания вакуума, проведения вакуумных измерений, а также вопросы разработки, конструирования и применения вакуумных систем и их функциональных элементов. Разреженные газы по своим свойствам практически не отличаются от идеальных. В технике вакуум создают с помощью вакуумных насосов различных принципов действия.
Интенсивность протекания физико-кимических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимся отношением средней длины X свободного пути молекул к характепному (определяющему) линейному размеру I сосуда; это отношение, называемое числом. Кнудсена Кп, положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий.
Степень вакуума в откачиваемых сосудах определяется равновесным давлением, устанавливающимся под действием противоположных процессов — откачки газа насосом и поступления газа в рабочий объем вследствие натекания через неплотности, а также технологического газовыделения.
Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа аначнтельно меньше характерного ли
нейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса (A<g; Z). Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 10* до 100 Па.
Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул соизмерима с характерным линейным размером (X » /). Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па.
Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул значительно превышает характерный линейный размер (Л Z). Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до 10~6 Па.
Сверхвысокий вакуум характеризуется давлением газа, прн котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Сверхвысокому вакууму обычно соответствует область давлений менее 10-6 Па.
1.2.	Термины и определения
Основные термины, применяемые в вакуумной технике, соответствуют ГОСТ 5197—85 (СТ СЭВ 4751—84; СТ СЭВ 4839—84; СТ СЭВ 4840—84); ГОСТ 26790—85; ГОСТ 27758—88. Кроме того, приведены термины, широко распространенные в технической литературе.
Общие понятия
Газ — состояние вещества, при котором движение молекул практически не ограничено межмолекулярными силами, и вещество может занимать любое доступное пространство. В вакуумной технике этот термин широко
Термины и определения
5
применяют н к некоиденсирующемуся газу, и к пару.
Давление газа на ограничивающую поверхность — отношение нормальной составляющей силы, действующей со стороны газа на ограничивающую поверхность, к площади этой поверхности.
Давление в определенной точке газового пространства — отношение скорости переноса нормальной составляющей количества движения, которое определяется движением молекул в обоих направлениях через область на воображаемой плоскости, проходящей через рассматриваемую точку, к площади этой области (при наличии потока молекул газа указывают ориентацию плоскости по отношению к вектору этого потока).
Откачка — уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств, удаляющих или поглощающих газ.
Время откачки — время, необходимое для уменьшения давления в откачиваемом сосуде до определенного значения насосом конкретного типа или вида.
Остаточный газ — газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки.
Предельное остаточное давление — наименьшее давление, которое может быть достигнуто в определенных условиях при использовании конкретных устройств для откачкн.
Форвакуум — вакуум, создаваемый насосом более низкого вакуума при последовательной работе нескольких насосов.
Абсолютное давление газа — давление газа, отсчитываемое от нулевого.
Атмосферное давление — абсолютное давление атмосферы.
Нормальное состояние газа — состояние газа при нормальных условиях: давлении 101 325 Па и температуре 273 К.
Разреженный газ — газ, молекулярная концентрация которого меньше его концентрации при нормальных условиях.
Парциальное давление — давление определенного компонента газовой смеси.
Полное давление — сумма парциальных давлений компонентов газовой смесн.
Количество газа — произведение объема, занимаемого газом, на его давление.
Пар — газ, температура которого ниже критической (газ, который можно перевести в конденсированную фазу только повышением давления).
Насыщенный пар — пар, находящийся в термодинамическом равновесии с одной из конденсированных фаз рассматриваемого вещества прн данной температуре.
Ненасыщенный пар — пар, давление которого меньше давления насыщенного пара данного вещества при той же температуре.
Степень насыщения — отношение давления пара к давлению насыщенного пара.
Молекулярная концентрация — число молекул газа в единице объема.
Плотность газа — масса единицы объема газа.
Плотность газа, приведенная к единице давления, — отношение плотности газа к его давлению.
Длина свободного пути молекулы — длина пути молекулы между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Средняя длина свободного пути молекулы — среднее арифметическое расстояний. которые молекула проходит между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами.
Число столкновений в единицу времени — среднее арифметическое столкновений молекулы за единицу времени с другими молекулами.
Эффективная длина свободного пути молекул — отношение средней длины свободного пути молекул к вероятности определенного процесса (явления) в результате одного столкновения (под вероятностью определенного процесса понимают отношение числа столкновений, при которых совершается этот процесс, например ионизация, к числу столкновений за достаточно большой промежуток времени).
Диффузия газа — движение газа в другой среде под влиянием градиента концентраций.
Коэффициент дшЬфузии — отношение абсолютной скорости потока молекул через единицу поверхности к градиенту концентрации при условии,
6
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
что поверхность нормальна градиенту.
Течение газа — перемещение газа в трубопроводе под действием разности давлений или температур иа его концах.
Вязкостное течение — течение газа в канале при условиях, когда средняя длина свободного пути молекул очень мала по сравнению с наименьшим внутренним поперечным размером канала.
Ламинарное течение — течение газа, характеризующееся отсутствием перемешивания между соседними слоями.
Турбулентное течение — течение газа, при котором молекулы совер. шают неустановившиеся беспорядочные движения по сложным траекториям.
Пуазейлевское течение — ламинарное вязкостное течение в длинной трубе круглого сечения.
Молекулярное течение — течение газа в канале при условиях, когда средняя длина свободного пути молекул значительно превышает внутренний поперечный размер канала.
Молекулярно-вязкостное течение — течение газа в канале при условиях, промежуточных между условиями ламинарного, вязкостного и молекулярного течений.
Эффузионное течение — течение газа через отверстие при условиях, когда наибольший размер отверстия меньше средней длины свободного пути молекул.
Температурная транспирация — течение газа между соединенными сосудами под действием разности температур сосудов, результатом которой является образование «градиента давлений.
Поток молекул — число молекул, проходящих через некоторое сечение в единицу времени.
Результирующий поток молекул —' отношение потока молекул, определяемого разностью между числом молекул, пересекающих поверхность за заданный интервал времени в заданном направлении, и числом молекул, пересекающих эту поверхность в обратном направлении к этому времени.
Плотность потока молекул — отношение результирующего потока молекул к площади поверхности, которую ок пересекает.
Массовый поток газа — масса газа; пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Объемный поток газа — объем газа при указанных температурах и давлении, пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Молярный поток газа — число молей данного газа, пересекающего определенную поверхность за единицу времени.
Проводимость — отношение потока к разности средних давлений в двух указанных сечениях канала или по обе стороны от отверстия канала в предположении изотермического равновесия.
Молекулярная проводимость — отношение результирующего потока молекул к разности средних чисел молекул в единице объема по обе стороны от отверстия или в двух поперечных сечениях канала.
Сопротивление — величина, обратная проводимости.
Сорбция — поглощение газа пли пара твердым телом или жидкостью (сорбентом) .
Адсорбция — поглощение газа или пара (адсорбата) поверхностью твердого вещества или жидкости (адсорбента).
Абсорбция — поглощение газа (аб-сорбата) объемом твердого тела или жидкости (абсорбента).
Физическая сорбция — сорбция под действием физических сил,- при которой не образуются химические связи.
Хемосорбция — сорбция, при которой образуются химические связи.
Коэффициент аккомодации — отношение средней энергии, реально передаваемой поверхности налетающими частицами, к средней энергии, которая м' жет быть передана поверхности налетающими частицами, если бы они отрывались от поверхности после достижения с нею полного теплового равновесия.
Частота столкновений — отношение числа молекул, сталкивающихся с поверхностью в заданный интервал времени, к этому интервалу времени и площади поверхности.
Скорость конденсации — число молекул, конденсирующихся иа единице площади поверхности в единицу времени.
Термины я определения
7
Скорость прилипания — число молекул, сорбированных иа единице площади поверхности в единицу времени.
Вероятность прилипания — отношение скорости прилипания к частоте столкновений молекул.
Время удержания — среднее время, в течение которого молекулы удерживаются на поверхности в состоянии сорбции.
Миграция — движение молекул на поверхности.
Десорбция — освобождение газов или паров, сорбированных каким-либо материалом.
Газовыделение — самопроизвольное выделение газа из материала в вакуум.
Обезвоживание — принудительное удаление газа из материала.
Скорость испарения — число молекул вещества, испаряющегося с единицы площади поверхности в единицу времени.
Проницаемость твердой перегородки — отношение потока газа через перегородку к потоку через то же сечение при отсутствии перегородки, являющееся функцией давлений по обе стороны от перегородки и ее структуры.
Коэффициент проницаемости — отношение произведения проницаемости иа толщину перегородки к ее площади.
Натекание — проникновение газа из окружающей среды в откачиваемый (откачанный) сосуд.
Вакуумная система  ее элементы
Вакуумная система — совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов (к устройствам, обеспечивающим действие вакуумной системы, относятся, например, электродвигатель, аккумуляторы, печи).
Вакуумная установка — установка, состоящая из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие.
Вакуумный агрегат — вакуумная установка, конструктивно выполненная как единое целое.
Откачной пост — вакуумная установка, предназначенная для откачки, наполнения и тренировки изделий.
Элемент вакуумной системы — прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе (например, иасос, манометрический преобразователь, ловушка и др.).
Условный проход — диаметр проходного сечеиня элемента вакуумной системы, определяющий присоединительные размеры по действующим стандартам.
Откачиваемый сосуд — сосуд, в котором создается вакуум.
Предохранительный баллон — сосуд, предназначенный для предохранения элементов вакуумной системы от попадания в них посторонних тел.
Уравнительный вакуумный баллон — сосуд, предназначенный для выравнивания колебаний давления в вакуумной системе.
Вакуумное защитное устройство — элемент вакуумной системы, предназначенный для быстрого отделения участка вакуумной системы, где произошел прорыв атмосферного воздуха, от остальной ее части.
Вакуумный трубопровод — трубопровод, по которому перемещается разреженный газ в вакуумной системе.
Форвакуумный трубопровод — вакуумный трубопровод, служащий для присоединения к форвакуумному насосу.
Байпасный трубопровод — вакуумный трубопровод, предназначенный для откачки сосуда, минуя высоковакуум-иый насос.
Гребенка — трубка с рядом отростков, предиазиачеииая для присоединения нескольких откачиваемых сосудов.
Вакуумный шлюз — устройство для введения в вакуумную систему или удаления из нее различных предметов без нарушения вакуума.
Вакуумный смазочный материал — уплотнитель в виде вязкого вещества С низким давлением пара, применяемый в подвижных соединениях вакуумных систем.
Вакуумная замазка — уплотнитель В виде пластичного вещества с низким давлением пара, применяемый в раз
8
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
борных неподвижных соединениях вакуумной системы, а также для устранения течей.
Шлиф — совокупность двух пришлифованных поверхностей, обеспечивающая герметичное соединение элементов вакуумной системы (шлиф может быть подвижным и неподвижным).
Вакуумный шланг — гибкая не деформирующаяся под действием атмосферного давления трубка, служащая для соединения отдельных элементов вакуумной системы.
Вакуумный клапан — устройство, позволяющее регулировать или полностью перекрывать поступление газа в вакуумную систему.
Вакуумный затвор — вакуумный клапан, позволяющий соединять и разобщать элементы вакуумной системы.
Вакуумный натекатель — напускной вакуумный клапан, предназначенный для напуска и регулирования малых потоков газа.
Напускной вакуумный клапан — вакуумный клапан, предназначенный для напуска воздуха или газа в вакуумную Г .систему.
Вакуумный ввод — устройство для передачи<в вакуумный сосуд механической или электрической энергии.
Выхлопной фильтр — устройство, расположенное на стороне выхода вакуумного насоса с масляным уплотнением и предназначенное для очистки выхлопного газа от масляного тумана.
Ловушка — устройство, в котором парциальное давление компонентов газопаровой смеси понижается механическим, физическим Лчи химическим способом и уменьшается проникновение паров или газов из одной части откачной системы в другую.
Конденсационная вакуумная ловушка — ловушка, действие которой основано на конденсации паров и газов на внутренних охлаждаемых поверхностях (по способу охлаждения различают водяные, азотно-водяные, фреововые, термоэлектрические и другие конденсационные ловушки, по месту расположения в вакуумной системе — конденсационные форвакуумные и высоковакуумиые ловушки).
Сорбционная вакуумная ловушка — ловушка, действие которой основано
на сорбции паров и газов поверхностью порвстого сорбента (по применяемому сорбенту различают цеолнтовые, угольные, силикагелевые и другие сорбционные ловушки, по месту расположения в вакуумной системе — сорбционные форвакуумные и высоко-накуумные ловушки; сорбент может охлаждаться водой, жидким азотом и др.).
Ионная вакуумная ловушка — ловушка, в которой для удаления определенных компонентов газовой смеси используют нх ионизацию.
Маслоотделитель — устройство, предназначенное для отделения газа от масла.
Маслоониститель — устройство, предиазиачеииое для удаления из вакуумного масла загрязняющих примесей.
Оборудование для получения и поддержания вакуума
Вакуумный насос — устройство, предиазиачеииое для создания, повышения и (или) поддержания вакуума.
Ниэковакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме, начиная от атмосферного.
Высоковакуумный насос — вакуумный насос, работающий на ступени самого низкого давления откачной системы, которая состоит из двух или более последовательно соединенных насосов.
Форвакуумный насос — вакуумный насос, предназначенный для поддержания выпускного давления другого насоса.
Бустерный вакуумный насос — вакуумный насос, устанавливаемый между форвакуумным и высоковакуум-иым насосами для увеличения быстроты откачки системы насосов при среднем вакууме либо для оптимизации давления в откачной системе и уменьшения объемного расхода, необходимого для форвакуумного насоса.
Вакуумный насос предварительного разрежения — вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме или откачной системе от атмосферного давления до значения, при которой может начать
Герлкнм u опдадгикал
9
работу другая откачная система или вакуумный насос.
Одноступенчатый вакуумный насос —-вакуумный насос, в котором перепад давлений создается одной рабочей ступенью.
Многоступенчатый вакуумный насос — вакуумный насос, в котором перепад давлений создается последовательно несколькими рабочими ступенями (ступени откачки нумеруют, начиная от ступени, создающей наивысший вакуум).
Механический вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, откачивающее действие которого основано иа перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей иасоса.
Вакуумный насос объемного действия — механический вакуумный насос, в котором объем, заполненный газом, периодически отсекается от входа, обеспечивай перемещение газа к выходу.
Газобалластный вакуумный насос — вакуумный насос с масляным уплотнением, снабженный устройством для дозированной подачи иекоидеисирую-щегося газа для исключения конденсации откачиваемых паров в насосе.
Поршневой вакуумный насос — вакуумный иасос объемного действия, в котором сжатие и нагнетание газа происходят под действием возвратно-поступательного движения поршня.
Вращательный вакуумный насос — вакуумный иасос объемного действии, в котором сжатие и нагнетание газа осуществляют вращающие поверхности твердого тела.
Пластинчато-роторный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается тангенциально относительно неподвижной поверхности статора; при этом две или более пластины, скользящие в прорезях ротора и прижимающиеся к внутренней стейке статора, делят камеру статора иа полости с изменяющимися объемами.
Пластинчато-статорный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается, скользя по внутренней стенке статора; при этом пластина, движущаяся относи
тельно статора, прижимается к ротору и делит рабочую камеру на части с изменяющимися объемами.
Плунжерный вакуумный насос — вращательный вакуумный насос, в котором эксцентрично установленный ротор вращается относительно внутренней стенки статора; при этом пластина, жестко закрепленная на роторе, делит рабочую камеру иа полости с изменяющимися объемами и скользит в золотнике (плунжере), колеблющемся в соответствующем гнезде статора.
Жидкостно-кольцевой вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, в котором эксцентрично установленный ротор с закрепленными иа ием лопатками отбрасывает жидкость к стенке статора; жидкость принимает форму кольца, коицеитричио расположенного относительно статора, и вместе с лопатками ротора образует полости с изменяющимися объемами.
Двухроторный вакуумный насос (насос Ру тс а) — вращательный вакуумный насос, рабочая камера в котором два взаимно связанных ротора, по форме напоминающие восьмерки, синхронно вращаются в противоположных направлениях с очень малым зазором, не касаись один другого и стенок камеры.
Трохоидный вакуумный насос — вращательный вакуумный иасос, у которого центр тяжести эллипсообразиого ротора описывает окружность, а рабочая камера иасоса имеет трохоид-ное поперечное сечение.
Кинетический вакуумный насос — механический вакуумный насос, в котором импульс движения передается молекулам газа таким образом, что газ непрерывно перемещается от входа к выходу иасоса (различают струйные насосы, в которых откачка происходит вследствие захвата газа или молекул струей рабочего тела, и вращательные насосы, в которых импульс движения передается молекулам газа движущимися поверхностями иасоса).
Вакуумный турбонасос — кинетический вакуумный иасос, в котором импульс движения передается газу от вращающихся твердых поверхностей.
Молекулярный вакуумный насос — кинетический вакуумный насос, в котором молекулам газа в результата
10
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
их соприкосновения с поверхностью высокоскоростного ротора сообщается импульс движения, заставляющий их перемещаться в направлении к выходу насоса.
Турбомолекулярный вакуумный насос — молекулярный вакуумный насос, на валу ротора которого закреплены диски с прорезями или лопатками, которые вращаются между соответствующими дисками статора.
Осевой вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу вдоль оси вращения.
Центробежный вакуумный турбонасос — вакуумный турбонасос, в котором импульс движения передается газу в радиальном направлении.
Струйный вакуумный насос — газоперекачивающий вакуумный насос, в котором откачка происходит путем захвата газа струей рабочего тела (жидкости, пара или газа).
Эжекторный вакуумный насос — пароструйный иизковакуумный насос, в котором происходит турбулентно-вязкостной захват газа струей.
Жидкостно-струйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю жидкости (обычно воду).
Газоструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего тела используют струю газа.
Пароструйный вакуумный насос — струйный вакуумный насос, в котором в качестве рабочего туш используют струю пара.
Диффузионный вакуумный насос — пароструйный высоковакуумный иасос, в котором захват газа струей происходит за счет диффузии газа в струю.
Самоочищающийся диффузионный вакуумный насос — диффузионный вакуумный насос, в котором летучие примеси не возвращаются в кипятильник, а направляются к выходу.
Фракционный диффузионный вакуумный насос — многоступенчатый вакуумный паромасляиый иасос, из ступени самого низкого давления которого откачивается газ более плотными компонентами рабочего вещества, представляющими собой струю пара
низкого давления, а из ступеней более высокого давления — менее плотными компонентами с более высоким давлением пара.
Диффузионно-эжекторный вакуумный насос — пароструйный вакуумный насос, в котором ступени или ступеням, имеющим характеристики эжекторного вакуумного насоса, предшествуют ступень или ступени, имеющие характеристики диффузионного вакуумного насоса.
Ионный вакуумный насос — кинетический вакуумный иасос, в котором молекулы газа ионизируются, а затем перемещаются к выходу насоса с помощью электрического и магнитного полей (илн только электрического поля).
Сорбционный вакуумный насос — газоулавливающий вакуумный насос, в котором откачка происходит вследствие сорбции газа.
Адсорбционный вакуумный насос — сорбционный вакуумный иасос, в котором откачка происходит вследствие физической сорбции газа пористым сорбентом при низкой температуре.
Геттерный вакуумный насос — сорбционный вакуумный иасос, в котором откачка происходит преимущественно вследствие хемосорбции газа сеттером.
Сублимационный вакуумный насос — геттерный вакуумный иасос, поглощающая поверхность которого обновляется при конденсации на ией термически испаряемого геттера.
Геттерно-ионный вакуумный насос — геттерный вакуумный иасос, в котором наряду с хемосорбцией происходит ноиизацня газа с последующим внедрением ускоренных иоиов в поверхность распыленного геттера.
Испарительно-ионный вакуумный насос — геттерно-ионный вакуумный иасос, в котором ноиизироваииый газ направляется к поверхности геттера, получаемой в результате непрерывного или периодического испарения.
Магнитный злектроразрядный вакуумный насос — геттерно-ионный вакуумный иасос, в котором для распыления геттера используют газовый разряд в магнитном поле.
Вакуумный крионасос — конденсационный или сорбционный насос с ра
Термины и определения
11
бочими поверхностями, охлаждаемыми до сверхнизких температур.
Быстрота откачки вакуумного насоса — объем газа при фиксированном давлении, откачиваемого в единицу времени.
Быстрота действия вакуумного насоса — величина, характеризующаяся быстротой откачки во входном сечении насоса при его работе.
Эффективная быстрота откачки вакуумного насоса — быстрота откачки на конце трубопровода, присоединенного к откачиваемому сосуду.
Производительность вакуумного насоса — поток газа через входное сечение насоса.
Наибольшее давление запуска вакуумного насоса — наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работать.
Наибольшее выпускное давление вакуумного насоса — наибольшее давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором иасос может осуществлять откачку.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса — наибольшее давление во входном сечении насоса, при котором он длительное время сохраняет номинальную быстроту действия.
Предельное остаточное давление насоса — значение, к которому асимптотически стремится давление в стандартизованном испытательном объеме без выпуска газа при нормально работающем насосе.
Время выхода вакуумного насоса на рабочий режим — время с момента включения насоса до момента, когда ой может начать откачку при рабочем давлении.
Средства для измерении и контроля вакуума
Манометр — прибор для измерения давления или разности давлений.
Вакуумметр — манометр для измерения давления разреженного газа или пара.
Абсолютный вакуумметр — вакуумметр, чувствительность которого одинакова для всех газов и может быть рассчитана по измеряемым физическим величинам.
Дифференциальный вакуумметр — вакуумметр для измерения разности давлений по обе стороны от разделительного чувствительного элемента.
Вакуумметр полного давления — вакуумметр для измерения суммарного давления, оказываемого всеми компонентами газовой смеси.
Измерительный преобразователь давления — первичный измерительный преобразователь, воспринимающий непосредственно измеряемое давление и преобразующий его в другую физическую величину.
Открытый преобразователь давления — преобразователь давления, электродная система которого не имеет герметизированного корпуса и (или) проводимость между центром электродной системы и входным сечением присоединительного патрубка равна или превышает 2-10~2 м3/с.
Закрытый преобразователь давления — преобразователь давления, электродная система которого заключена в герметизированный корпус и проводимость между ее центром и выходным сечением присоединительного патрубка меньше 2-10“2 м’/с.
Измерительный блок вакуумметра — часть вакуумметра, которая предназначена для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, и содержит блок питания и все электрические цепи, необходимые для работы прибора.
Отсчетное устройство вакуумметра — часть измерительного блока вакуумметра, предназначенного для регистрации значений измеряемого параметра.
Масс-спектрометр — прибор для количественного и (или) качественного определения состава и структуры веществ, изучения физико-химических процессов и явлений по масс-спектрам этих веществ.
Индикатор с разрядной трубкой — прозрачная газоразрядная трубка, позволяющая по цвету и форме свечения разряда определить вид газа и его давление.
Жидкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано иа уравновешивании измеряемого давления или раз-
12
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
иости давлений давлением столба жидкости.
U-об разный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, состоящий из сообщающихся сосудов, давление в которых определяют по одному нлн нескольким уровням жидкости.
Деформационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости деформации чувствительного элемента или развиваемой им силы от измеряемого давления.
Мембранный вакуумметр — деформационный вакуумметр, в котором чувствительным элементом ивляется мембрана илн мембранная коробка.
Компрессионный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, в котором для измерения давления разреженного газа последний предварительно сжимается.
Вязкостный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости вязкости разреженного газа от скорости движения в нем твердого тела и измеряемого давления.
Тепловой вакуумметр — вакуумметр полного, давления, действие которого основано на зависимости теплопроводности разреженного газа от давления.
Термопарный вакуумметр — тепловой вакуумметр, в котором использована зависимость электродвижущей силы термопары от измеряемого давления.
Вакуумметр сопротивления — тепловой вакуумметр, действие которого основано иа зависимости электрического сопротивления нагреваемого током элемента от давления газа.
Термомолекулярный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано иа передаче чувствительному элементу суммарного импульса молекул газа, отражающихся от поверхностей с различными температурами.
Ионизационный вакуумметр — вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.
Радиоизотопный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуум
метр, в котором для ионизации газа применяют излучение радиоактивных источников.
Магнитный электроразрядный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, действие которого основано иа зависимости ионного тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления.
Вакуумметр Пеннинга — магнитный электроразрядный вакуумметр, в преобразователе которого один из электродов состоит из двух соединенных между собой пластин, а другой (обычно анод) помещен между ними и имеет форму замкнутой рамки; при этом направление магнитного поля перпендикулярно плоскости анодной рамки.
Электронный ионизационный вакуумметр — ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого газ ионизируется электронами, ускоряемыми электрическим полем.
Электронный ионизационный вакуумметр с осевым коллектором — электронный ионизационный вакуумметр с уменьшенным фоновым давлением благодаря использованию в качестве коллектора ионов тонкой проволоки, помещенной соосно с цилиндрической сеткой, и укрепленного снаружи сетки катода.
Экстракторный вакуумметр — электронный ионизационный вакуумметр, в преобразователе которого фоновой ток уменьшен использованием в качестве коллектора ионов короткой и тонкой проволоки, находящейся иа оси аиода и выведенной из области ионизации.
Электронный ионизационный вакуумметр с магнитным полем — электронный ионизационный вакуумметр, преобразователь давления которого представляет собой цилиндрический магнетрон, в котором под действием магнитного поля увеличены траектория электронов и число образующихся иоиов.
Радиочастотный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются в радиочастотном продольном электрическом поле, образованном последовательно расположенными сетчатыми электродами (радиочастотными каскадами); при этом
Термины и определения
13
к коллектору проходят только ионы, ускоренные в радиочастотных каскадах.
Квадрупольный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором ионы разделяются в высокочастотном электрическом поле анализатора, образованного четырьмя параллельными цилиндрическими электродами.
Монополярный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются в высокочастотном электрическом поле анализатора, состоящего из двух электродов.
Масс-спектрометр с магнитным отклонением — масс-спектрометр, в котором ускоренные иоиы, имеющие разные массы, под действием магнитного поля движутся по различным круговым траекториям.
Циклоидальный масс-спектро-метр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются скрещенными электрическим и магнитным полями, в которых они следуют по различным циклоидным траекториям, в результате чего иоиы фокусируются в разных точках в зависимости от отношения массы к заряду.
Омегатронный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором иоиы разделяются при движеини по спиральным траекториям, в радиочастотном электрическом и постоянном магнитном полях, перпендикулярных одно другому.
Времяпролетный масс-спектрометр — масс-спектрометр, в котором газ Ионизируется электронным пучком с импульсной модуляцией, и ускоряющиеся в пространстве дрейфа иоиы разделяются по времени прибытия иа коллектор в зависимости от отношения массы иона к заряду.
Диапазон измерений вакуумметра — область давлений, в который нормированы допускаемые погрешности измерений.
Чувствительность вакуумметра — отношение измеиеиия сигнала иа выходе вакуумметра к вызывающему его изменению давления.
Эквивалентное азотное давление — давление чистого азота, которое давало бы показание вакуумметра, равное показанию, вызванному воздействующим иа него газом.
Фоновое давление вакуумметра — ус
ловное давление чистого азота, соответствующее такому же показанию ионизационного вакуумметра, как при остаточном токе, независящем от давления.
Техника течеискания
Герметичность — свойство изделия или его элементов, исключающее проникновение через иих газообразных и (или) жидких веществ.
’ Течь — канал или пористый участок изделия или его элементов, нарушающий их герметичность.
Степень негерметичности изделия — характеристика герметизироваииого изделия, определяемая суммарным расходом вещества через течи.
Норма герметичности изделия — наибольший суммарный расход вещества через течи герметизированного изделия, обеспечивающий его работоспособное состояние и установленный нормативно-технической документацией.
Натекание — проникновение вещества через течи внутрь герметизироваииого изделия под действием перепада полного или парциального давления.
Утечка — проникновение вещества из герметизированного изделия через течи под действием перепада полного или парциального давления.
Течеискание — процесс обнаружения течей.
Техника течеискания — область техники выявления нарушений герметичности, связанных с наличием течей.
Локализация течи — выделение ие-герметичиого участка и (или) определение места расположения течи.
Перекрытие течи — прекращение или уменьшение потока вещества через течь вследствие ее закупорки или деформации.
Контроль герметичности — технический контроль с целью установления Соответствия изделия норме герметичности.
Рабочее вещество — вещество, заполняющее герметизированное изделие при эксплуатации или хранении.
Пробное вещество — вещество, проникновение которого через течь обнаруживают при течеискаиии.
Контрольная среда — среда, содержащая определенное количество пробного вещества.
14
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Балластное вещество — вещество, используемое для повышения полного давления с целью увеличения расхода пробного вещества через течь.
Индикаторное средство — индикатор, содержащий индикаторное вещество, его носитель ч (или) технологические добавки.
Вещество-носитель — вещество, используемое для транспортирования пробного вещества к индикаторному средству.
Индикаторное вещество — вещество, в результате взаимодействия которого с пробным веществом формируется сигнал о наличии течи.
Опрессовка — выдержка изделия под избыточным давлением при течеиска-иии н (или) подготовке к нему.
Течеискатель — прибор или устройство для обнаружения течей.
Масс-спектрометрический течеискатель — течеискатель, действие которого основано иа обнаружении пробного вещества разделением его иоиов по отношениям их массы к заряду.
Галогенный течеискатель — течеискатель, действие которого основано иа обнаружении галогеносодержащего пробног^ вещества по увеличению эмиссии положительных иоиов нагретой металлической поверхностью.
Катарометрический течеискатель— течеискатель, действие которого основано на регистрации изменения теплопроводности газовой среды при поступлении в нее пробного вещества.
Электронно-захватный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении пробных веществ, склонных к образованию отрицательных иоиов.
Манометрический течеискатель — течеискатель, действие которого основано на регистрации изменения давления.
Электроразрядный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на обнаружении течи по возбуждению разряда или изменению его характеристик.
Радиоактивный течеискатель — течеискатель, действие которого основано на регистрации интенсивности излучения радиоактивного вещества.
Акустический течеискатель — течеискатель, действие которого основано
иа регистрации упругих колебаний, возбуждаемых при перетекании веществ через течи в герметизированном изделии (при регистрации упругих колебаний ультразвукового диапазона допустимо применение термина «ультразвуковой») .
Калиброванная течь — устройство, воспроизводящее определенный рас-ход вещества через течь.
Обдуватель — устройство для создания струи пробного газа или контрольной среды и подачи ее иа поверхность герметизированного изделия при течеискаиии.
Щуп течеискателя — устройство для сканирования поверхности герметизированного изделия при течеискаиии.
Чувствительность течеискателя — отношение изменения сигнала течеискателя к вызывающему его изменению расхода пробного вещества через течи.
Порог чувствительности течеискателя — наименьший расход пробного вещества или наименьшее изменение давления, регистрируемые тече-искателем.
Постоянная времени натекания — произведение объема изделия на отношение разности давлений по обе стороны от течи к расходу вещества через течь.
1.3.	Условные проходы элементов вакуумных систем
Номинальные условные проходы установлены ГОСТ 18626—73 (СТ СЭВ 1078—78), который распространяется иа элементы вакуумного оборудования и вакуумных систем, работающих в диапазоне давлений от 10s до 10“* Па.
1. Номинальные условные проходы для средств получения вакуума (насосы, агрегаты, ...), элементов вакуумных систем (клапаны, ловушки, нате-катели, ...) и фланцевых соединений манометрических преобразователей, вакуумных вводов должны соответствовать ряду нормальных линейных размеров Ra5 по ГОСТ 6636—69 (СТ СЭВ 514—77): 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 1600; 2500; 4000; 6300 мм.
Пример обозначения условного прохода 100 мм: DT100.
Принципиальные вакуумные схемы
15
2. Для специальных технологических конструкций вакуумных установок, систем (например, фланцевых, штуцерных соединений и элементов трубопроводов) допускается применять номинальные условные проходы ряда RalO: 8; 12; 20; 32; 50; 80; 125; 200; 320; 500; 800; 1250; 3150; 5000 мм.
1.4.	Принципиальные вакуумные схемы
Правила выполнения принципиальных вакуумных схем регламентированы ГОСТ 2.797—81 (СТ СЭВ 2517—80). На принципиальной схеме изображают все вакуумные элементы или устройства, необходимые для реализации и контроля в установке заданных вакуумных процессов, и все вакуумные связи между ними.
Элементы и устройства на принципиальной вакуумной схеме изображают с помощью условных графических обозначений в соответствии с ГОСТ 2.721—74, ГОСТ 2.784—70, ГОСТ 2.785—70, ГОСТ 2.787—71, ГОСТ 2.796—81, ГОСТ 2.797—81 (табл. 1.1).
Размеры основных графических обозначений элементов по схемам вакуумных систем приведены в табл. 1.2. Вакуумные связи изображают с помощью линий связи, трубопроводы на схеме показывают сплошными основными линиями, независимо от функционального назначения.
Каждый элемент (устройство) вакуумной системы, изображенный иа схеме, должен иметь буквенно-цифровое позиционное обозначение, состоящее из буквенного обозначения (кода), соответствующего виду элемента, и порядкового номера, проставляемого после буквенного кода. Буквенный код элемента (устройства) должен включать одну прописную букву (общий буквенный код — обязательный) или несколько прописных букв латинского алфавита. Первая буква кода элемента (общий буквенный код) должна соответствовать виду группы элементов, к которой принадлежит данный элемент (например, клапан тарельчатый VT принадлежит к клапанам вида V).
Буквенные коды наиболее распространенных видов элементов (уст
ройств приведены ниже:
У стр ой ство (общее обозиа че-ние) .......................
Насос вакуумный:
механический..............
вращательный объемный без газобалласта .............
вращательный объемный газобалластный .............
двухроторный (иасос Рутса) 'турбомолекуляриый . . . .
водокольцевой ....... струйный..................
эжекторный................
диффузионный...............
сорбционный ..............
адсорбционный ............
испарительный геттерный. . криосорбционный...........
испарительный ионный. . . магнитный электроразрядный криогенный................
комбинированный...........
Ловушка (отражатель):
охлаждаемая циркуляцией жидкости..................
охлаждаемая воздухом . . . охлаждаемая жидкостью, заливаемой в резервуар . . термоэлектрическая . . . . сорбционная ..............
ионная ...................
Вакуумметр:
деформационный............
жидкостный................
ионизационный.............
магнитный электроразряд-иый ......................
тепловой .................
Течеискатель ...............
Масс-спектрометр............
Камера:
вакуумная ................
колпак вакуумный .... прогреваемая часть вакуумной системы ..............
Вентиль, клапан, затвор;
тарельчатый (дисковый) . . регулировочный, дозирующий .....................
с ручным приводом .... с дистанционным управлением .....................
с пневмо- или гидроприводом с электромагнитным приводом ......................
с электроприводом ....
А
NI
NV
NL NZ NR NW NB NH ND NS NA NG NC NE
NM
BW
BA
BL ВТ
BS BE
PD PL
PA
PM
PT
G S
CV CN
CT
VT
VF vn
VA VP
VE
VM
16
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Таблица 1.1
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Насос вакуумный. Общее назначение
Примечание. Стрелкк можно не изображать, если это не приведет к неправильному пониманию обозначения
Насос вакуумный механический:
а — общее назначение
б — вращательный объемный (пластинчато-роторный, пластинчатостаторный, плунжерный) без газо-балласга и газобалластный
s — двухроторный (иасос Рутса)
г — турбомолекулярный
д — водокольцевой
е — вращательный объемный, трехступенчатый
Насос вакуумный струйный:
а о£щее обозначение
б — эжекторный
в — диффузионный
Примечание. Вместо знака х можно указывать химическую формулу жидкости (например, вода — Н2О, масло — СН, ртуть — Hg и др.)
___________________»____________
Насос вакуумный сорбционный:
а — общее обозначение
б — адсорбционный
в — испарительный геттерный
е— криосорбцнонный
д — испарительный ионный е — магнитный электроразрядный ж — криогенный
е — комбинированный (комбинации геттерного и магнитного элек-троразрядного насосов, размещенных в едином корпусе)
Примечание. Вместо знака х можно указывать химическую формулу сорбента
0)
Принципиальные вакуумные схемы
17
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы
Условное графическое изображение
Ловушка (отражатель): а — общее обозначение б — охлаждаемая циркулирующей жидкостью в — охлаждаемая воздухом г — охлаждаемая жидкостью, заливаемой в резервуар д — термоэлектрическая е — сорбционная ж — ионная
Примечание. Вместо знака х можно указывать температуру охла-ждаемой поверхности
Вакуумметр:
а — общее обозначение
б — деформационный
t — жидкостный
t — ионизационный
д — магнитный электроразрядный е — тепловой
(0)
в) ф
е)
Течейскатель			а| е			
Масс-спектр ометр			5			
Камера вакуумная: в — общее обозначение б — колпак вакуумный в — прогреваемая часть вакуумной системы						
		Вакуумная камера				
			а)			
				п L.J		
		б)		в)		
18
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы	Условное графическое изображение
Сосуд Дьюара: . а — открытые б — закрытый	« i 	 i 0 а>	Л
Трубопровод вакуумный Примечание. Направление газового потока при откачке в случае необходимости показывают стрелкой		
Соединение вакуумных трубопроводов: а — общее обозначение б — неразъемное (сварное, паяное, за вальцованное)	д_ 4" _1_ + а)	4)
Соединение элементов вакуумных трубопроводов разъемное: а —*общее обозначение б — фланцевое в — штуцерное г — муфтовое эластичное	—4— Q) —и— в) -ь-Of
• Перекрещивание вакуумных трубопроводов (без соединении)	—
Конец вакуумного трубопровода под разъемное соединение: а — общее обозначение б — фланцевое в — штуцерное г — муфтовое эластичное	а) ' -7-1 г)
Принципиальные вакуумные схемы
19
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы	Условное графическое изображение	
Конец вакуумного трубопровода с заглушкой (пробкой): а — общее обозначение б — фланцевый г — штуцерный		
	— а)	
		н 11 	н е>	
Детали соединений вакуумных трубопроводов: а — тройники б — крестовины в — колена, отводы г — гребенка д — шланг вакуумный е — компенсатор сильфонный ж — патрубки со штуцерным и фланцевым соединениями Примечания: 1. При обозначении конструктивного оформления соединения элементов вакуумного трубопровода с сопрягаемыми деталями следует пользоваться обозначениями, принятыми для разъемных соединений. 2. Обозначения элементов допустимо изображать в соответствии с их действительной конфигурацией (см., например, вариант ж)	1	* 	'v	< Л	е> П'|ГГГ 3	E4I-+ Ч)	/К) f t	1 14 г/	
Вентиль, клапан: а — проходной б — угловой в — с задвижкой г — трехходовой д — дроссельный е — предохранительный Ж — запорный быстродействующий на открытие в — запорный быстродействующий иа закрытие	IX	Ж а)	Л	0)	г) isi	A	At	At в)	е/	я)	з)	
Затвор поворотный		
20
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Продолжение табл. 1.1
Элемент вакуумной схемы	Условное графическое изображение
Край:	
* а — проходной	
б — угловой	
в — трехходовой	в)
Натекатель, клапан регулирующий	1>И
Шайба дроссельная, сужающее устройство расходомериое (диафрагма)
Порядковый номер буквенно-цифрового позиционного обозначения элемента (устройства) записывают арабскими цифрами. Порядковые номера присваивают элементам в соответствия с последовательностью расположения
элементов или устройств иа схеме сверху вниз в направлении слева направо.
Позиционные обозначения проставляют иа схеме справа от условного графического обозначения элементов
Рнс. 1.1. Пример выполнения прннцнннальной вакуумной схемы
Состав атмосферново воздуха
21
Таблица 1.2
Элемент вакуумной схемы
Обозначение
Насос вращательный объемный
Насос эжекторный
Насос диффузионный
Ловушка (отражатель) с резервуаром
Манометр.
Общее обозначение
Прогреваемая часть вакуумной Системы
Примечание. Размер а следует выбирать из ряда 14; 20; 28; 40; 56 мм. Размер h должен быть не менее 1,5 мм.
и (или) устройств или над ним (рис. 1.1).
1.5.	Единицы физических величин
С 1 января 1980 г. в СССР действует основополагающий стандарт ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78), устанавливающий обязательное применение Международной системы единиц (СИ), а также ряда внесистемных единиц, ие входящих в СИ, но временно допускаемых к применению.
В табл. 1.3 приведены основные, дополнительные и наиболее часто применяемые производные единицы СИ, внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, в табл. 1.4 — миожители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц.
1.6.	Соотношение единиц давления и потока газа
За единицу давления в вакуумной технике в СИ принят паскаль (ньютон на квадратный метр). В зарубежной литературе широко используют миллибар, а также мм рт. ст. (торр). Коэффициенты перевода единиц давления приведены в табл. 1.5. Для быстрого приближенного определения переводных коэффициентов удобно пользоваться графическим изображением масштабных шкал (рис. 1.2).
За единицу газового потока принят Па-м’-с-1. Эту единицу называют ваттом, так как она идентична ему с точки зрения размерного анализа. Коэффициенты перевода единиц потока газа приведены в табл. 1.6.
1.7.	Состав атмосферного воздуха
В табл. 1.7 приведены объемный и массовый составы атмосферного воздуха, а также парциальные давления его компонентов иа уровне моря при Т — 298 К и относительной влажности 50%.
Состав атмосферы Земли иа различной высоте от ее поверхности ие является однородным как в химическом отношении, так и по физическому состоянию (молекулы, атомы, ионы). Характеристика атмосферы Земли.приведена в табл. 1.8 [9].
22
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Таблица 1.3
Параметр	Единица			Выражение через основные и дополнительные единицы СИ нли соотношение с единицей СИ
	Наимеио-ванне	Обозначение		
		международное	русское	
	Основные	единицы	e	
Длина	метр	тп	M	—
Масса	килограмм	kg	КГ	—
Время	секунда	S	c	—
Сила электрического тока	ампер	А	A	—
Термодинамическая температура	кельвии	К	К	—
Количество вещества	моль	mol	МОЛЬ	—
Сила света	кандела Дополнитель	cd 4ые едини	кд ЦЫ	—
Плоский угол	радиан	rad	рад	
Телесный угол	стерадиан | sr Производные единиць		ср	
Частота	герц	Hz	Гц	с-1
Сила	ньютон	N	Н	м•кг•С-*
Давление	паскаль	Ра	Па	м-1-кг-с-г
Энергия	джоуль	J	Дж	м2-кг-с-2
Мощность	ватт	W	Вт	м2-кг-с“8
Количество электричества	кулон	С	Кл	с- А
Электрическое напряжение г	вольт	V	В	м2 • кг • с-8 • А-1
Электрическая емкость	фарад	F	Ф	м~2-кг-1-с4-А2
Электри ческое сопр отив-ление	ОМ	Q	Ом	м2 • кг • с-8 • А-2
Электрическая проводимость	сименс	S	См	м“2-кг-1-с8-А2
Поток магнитной индукции	вебер	Wb	Вб	м2-кг-с-2-А-1
Магнитная индукция	тесла	T	Тл	кг-с-2-а-1
Индуктивность	генри	H	Гн	м2-Кг-с~2-а-2
Световой поток •	л юм ей	Im	лм	кд-ср
Освещенность	люкс Внесистемш	lx je единит	лк з!	м-2-кд-ср
Масса	атомнаи единица массы	u	а. е. м.	1,66057-10-» кг (приблизительно)
Время	минута	min	мни	60 с
	час	h	ч	3600 с
	сутки	d	сут	86 400 с
Объем, вместимость	литр	1	л	10-8 м8
Энергия	электронвольт	eV	эВ	1,60219-10-18 Дж (приблизительно)
Давление	бар	bar	бар	106 Па
Частота вращения	оборот в секунду	r/s	об/с	1 С"1
	оборот в минуту	r/min	об/мии	0,016 с"1
Некоторые физические константы
23
Таблица 1.4
Множитель	Приставка		
	Наиме* новаяие	Обозначение	
		русское	международное
ю18	экса	э	Е
ю16	пета	п	Р
ю12	тера	т	Т
10’	гига	г	G
10е	мега	м	М
103	кило	к	к
102 .	(гекто)	г	h
ю1	(дека)	да	da
10"1	(деци)	д	d
10-2	(санти)	С	С
10-3	МИЛЛИ	м	m
10-е	микро	мк	и
10-®	нано	н	n
10-12	ПИКО	п	р
10-13	фемто	ф	f
Ю-гз	атто	а	а
Примечание. В скобках указаны приставки, которые допускается применять только в наименованиях кратных и дольных единиц, получивших широкое распространение (например, гектар, декалитр, дециметр, сантиметр).
На расстоянии от поверхности Земли приблизительно 60 км газ состоит из нейтральных молекул. При дальнейшем увеличении расстояния возрастает концентрация электронов и ионов, а на расстоянии более 1000 км
газ состоит преимущественно из атомов. При удалении на несколько тысяч километров газовые частицы в основном ионизированы. С изменением по высоте давления и состава, атмосферы меняются также ее температура и плотность.
1.8.	Некоторые физические константы
Число	Авогадро	N& = 6.022Х
X 1023 моль”1.
Число	Лошмидта	No = 2,687Х
X 1025 м~3.
Постоянная Больцмана k — 1.380Х ХЮ-23 Дж-К”1.
Постоянная Стефана—Больцмана о = 5,670- IO-8 Вт-м-2-К~4-
Объем одного моля идеального газа при нормальных условиях Ущ = = 22,4- 10“3-моль-1.
Универсальная газовая постоянная R — 8,314 Дж-моль^-К-1-
Заряд электрона е = 1,602-10-1’ Кл.
Масса покоя электрона те = 9.109Х X 10-31 кг.
Удельный заряд электрона qe =. = 1,76-1011 Кл-кг-1.
Масса покоя протона пгр = 1.672Х Х10~27 кг.
Отношение масс покоя протона и электрона тр1те— 1836,151.
Скорость света в вакууме с = 2.997Х X 108 м-с-1.
Атомная единица массы а.е.м. = = 1,660-10-27 кг.
Постоянная Планка h = 6,626Х X 10“34 Дж-с.
Число молекул в объеме 1 см3 при нормальных условиях п = 2,687- 1(Д».
24
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Таблица 1.5
Единица	Па	Мбар	мм рт. ст.	атм
Па Мбар мм рт. ст. 4тм	1 10“ 1,33-10“ 1,01-10»	10"» 1 1,33 1,01-10®	7,5-10-® 0,75 1 760	9,87-10-» 9,87-10-‘ 1,32-10~8 1
Таблица 1.6
Единица	Па» м1 *. с"1	Па. л. С-*	Мбар. л. с-1	мм рт. ст., л. с-1	атм- см’. С~*
Па • м3 • с-1	1	ю8	10	7,5	9,87
Па • л • с-1	10“8	1	ю-8	7,5-10-8	9,87-10"8
мбар-л-с-1	0,1	10“	1	0,75	0,987
мм рт. ст.-л-с"1	0,133	1,33 -Ю8	1,33	1	1,32
атм-см3-с-1	0,101	1,01 - 10я	1,01	0,76	1
Таблица 1.7
г
Газ (пар)	Доля, %		Парциальное давление, Па
	объемная	массовая	
Азот	78,1	75,5	7,9-10»
Кислород	21,0	23,1	21,0-10*
Аргон	0,93	1,28	9,4-10»
Диоксид углерода •	33-10'3	50- IO”8	3,33-108
Неон	1,8-Ю"8	1,2-IO"8	1,83
Гелий	5-10-*	7,2-10“»	5,5-10-1
Метан	2-Ю'4	8-10-»	2-10-1
Криптон	1,1-Ю'4	3,2-10“*	1,1- io-1
Водород	5-10"»	з- ю-»	5,1-10“8
Гемноксид	5-10"»	8-10“»	5,35-10-8
Ксенон	9-10-»	4-Ю-6	9,МО"8
Озон	7-10-»	12-10-»	7,МО"8
Водяной пар 1	1,6	1,0	16-10“
1 Атмосферный воздух может иметь более высокую влажность, а также
содержать до 0,1314% диоксида углерода и до 2•10-8 % метана, что приводит
к некоторому количественному перераспределению составляющих воздушной
среды.
Области применения
25
Таблица 1.8
Высота» км	Давление, Па	Число частиц в 1 см* объема	Состав
0	10*	2,5-101®	N,; О2;
			Аг
11	2,4-10*	4,5-Ю1®	
20 30	5,6-10® 10®	2- 101» 4-101’	О,(О,);
46	10®	3- Ю1®	
64	101	1016	N2; О,;
79	10°	101*	Аг
102	10-«	1018	N,; О2; О
200	10-*	101®	N2; N;
			О; О+
800	10~’	10®	О ; О+;
			Н
6500	10-ю	10®	Н; Н+
Выше 22 000	10-и	101—10	Н+; Не»+
1.9.	Приведение массы тела в атмосфере к массе тела в вакууме
При проведении точных экспериментальных работ, связанных с измерением массы тел, следует учитывать поправку на «потерю» массы тела в воздухе.
Действительная масса тела тя в вакууме при взвешивании на воздухе связана с кажущейся массой тк соотношением
"гд = "гк[1 +Рв (РГ‘-РГ’)]>
где рн = 0,001205 г/см8 — плотность сухого воздуха при нормальных условиях; рт — плотность взвешиваемого тела; рр — плотность материала разновеса (для латунных и хромоникелевых гирь рр — 8,40 г/см8, алюминиевых рр = 2,70 г/см3, для гирь из коррозионно-стойкой стали рп = = 8 г/см3).
Поправочный коэффициент иа потерю массы тела в воздухе
* = РВ (РГ’-РГ1)-
Для быстрого и приближенного определения действительной массы можно
-to—
^2
:	Алюпинии
z	Латунь	--
j	Платина
= W	+1Л—
-15
20
Рг^™3	к-10*пг
Рис. 1.3. Номограмма для определения поправочного коэффициента Аг иа 1 г массы тела
пользоваться номограммой (рис. 1.3) [51].
Пример. Для вещества плотностью рт = = 1,4 г/см’, взвешенного на весах с алюминиевыми гирями, на 1 г показаний должна быть сделана поправка +0,42 мг.
1.10.	Газокинетические параметры
При практических инженерных рас-' четах параметров газов по соотношениям молекулярно-кинетической теории за исходные данные можно принимать ориентировочные газокинетические параметры некоторых наиболее распространенных в технике газов (табл. 1.9). Эти данные соответствуют температуре 298 К и давлению 0,1 МПа.
1.11.	Основные области применения вакуумной технологии
Вакуумную технологию впервые использовали в промышленных масштабах в производстве ламп накаливания, а затем и электровакуумных радиоламп.
Особенности протекания физических и физико-химических процессов в ва-
26
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Таблица 1.9
Газ V	Химическая формула	Среднее арифметическое скоростей моле- кул. М/'с	Средняя длина свободного пути молекул /•10е, см	Среднее число столкновений п-10“® одной молекулы за 1 с	Диаметр молекул а-10®, см	Число молекул АМ0~°, ударяющихся в 1 см2 поверхности за 1 с при Т = 273 К и р = = 133 Па	Число молекул А7М‘10-х®, образующих на поверхности моио-молекуляриый слой	Плотность, г/см*
Азот	N2	474	5,92	7,97	3,70	4,015	0,81	1,251
Аргон	Аг	397	6,67	5,7	3,67	3,363	0,85	1,783
Водород	На	1770	12.20	14,45	2,75	14,97	1,52	0,089
Воздух		467	6,69	6,98	3,74	3,95	0,82	1,293
Гелий	Не	1256	19,36	7,16	2,18	10,63	2,41	0,178
Диоксид углерода	СОг	378	4,40	8,61	4,65	3,204	0,53	1,429
Кислород	О2	444	7,10	6,26	3,64	3,758	0,87	1,429
Криптон	Кг	274	5,34	6,48	4,15	2,324	0,66	3,74
Ксенон	Хе	219	3,93	5,71	4,91	1,856	0,47	5,85
Метай	СН4	627	4,70	—	5,19	5,308	—	0,716
Неои	Ne	559	13,75	1,68	2,60	4,733	1,72	0,90
Оксид углерода	СО	474	5,90	7,99	3,70	4,016	0,81	1,25
кууме (по сравнению с процессами при атмосферном давлении): увеличение в деситки — сотни раз скорости испарении материалов, интенсификации в деситки раз выделения растворенных в них газов, значительный сдвиг равновесии в системах газ— материал, снижение в несколько раз температуры кипении жидкостей, уменьшение в деситки — сотни раз скорости окислении, рост скорости диффузии, электросопротивления и уменьшение теплопроводности разреженных газов, взаимодействие нейтральных и зарижЛшых частиц в вакууме и др. Эти особенности открыли огромные возможности в интенсификации многих технологических пор-цессов, в повышении качества получаемых материалов и создании новых материалов с новыми свойствами, в создании новых приборов, аппаратов и машин, в проведении научных исследований.
В настоищее времи трудно назвать отрасль промышленности, науки и техники, на развитие которой не оказало прогрессивного влиинии использование вакуума. Важио отметить, что вакуумиаи технологии по своей сущности относится к наиболее экологи-
чески чистым. В качестве примера можно привести вакуумную технологию регенерации минеральных масел после использования в двигателих, редукторах, трансформаторах, турбинах и др.
В отличие от способа регенерации нефтепродуктов с помощью концентрированной серной кислоты, связанного с известными технологическими проблемами смол, разработан экологически чистый вакуумный метод. Сущность метода заключается в следующем. Отработанные масла фильтруют, обезвоживают и освобождают от иизко-кипящих компонентов. Далее масла перемешивают с небольшим количеством натрия, в реакцию с которым вступают примеси, образуй осадок. Молекулярной дистилляцией этот осадок отгоняют от масла и сжигают (например, в отопительной установке) дли получения тепловой энергии.
Важность метода можно оценить из того, что только в промышленно развитых странах Западной Европы ежегодно потребляется более четырех миллионов тонн смазочных материалов.
В табл. 1.10 указаны основные области применении вакуумной техники и диапазоны рабочих давлений.
Области применения
27
Таблица 1.10
Метод	Область применения	Давление» Па
Нанесение тонких пленок	Электронная промышленность (тонкопленочные элементы микросхем, жидкокристаллические индикаторы, кварцевые стабилизаторы частот) Оптическая промышленность (интерференционные фильтры, лазерные и полупрозрачные зеркала, просветленная оптика — очки, линзы, микроскопы, бинокли) Энергетика (солнечные элементы гелиотехники) Электротехническая промышленность (конденсаторные, резестивные и проводящие пленки) Инструментальное производство (нанесение упрочняющего покрытия режущих инструментов) Автомобильная промышленность (фары, фонари, арматура) Производство бытовых зеркал, игрушек, сувениров, украшений, пуговиц, зубных протезов, отражающих стекол дли зданий, декоративных тканей, фольги, бумаги, защитных и износостойких покрытий	10-1 ... ю-« 10-4 ... 10-" 10-’ 10-’ 10-’ 10-* ... 10-4 10-’ ... io-8
Вакуумиаи металлургия	Получение чистых материалов (плавка и очистка высококачественных сталей и тугоплавких металлов; электронно-лучевая плавка и сварка, изготовление монокристаллов и тугоплавких оксидов — гранатов, сапфиров, рубинов)	10-1 ... 10-’
Пропитка в вакууме	Электротехническая промышленность (электроизоляционные материалы, обмотки трансформаторов и электродвигателей, кабелей) Изготовление упаковочных и асбестовых материалов, цветных грифелей, материалов с волокнистой основой, рыболовных сетей	10» 10’
Обезгажива-иие, вакуумирование (откачка)	Электротехническая промышленность (подготовка изолирующих пластмасс для кабелей, масел для конденсаторов и трансформаторов) Электронная промышленность (производство электровакуумных приборов всех видов, поддержание вакуума при работе мощных выпрямителей) Изготовление восков, красителей, термометров с заполенными жидкостью капиллярами, заполнение духами небольших пузырьков, упаковка продуктов питании	102 10-* ... 10-е 103
28 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Продолжение табл. 1.10
Метод	Область применения	Давление, Па	
Обезгажива-ние, вакууми-роваине ( (откачка)	Научное ап паратостроен не (создание ускорителей элементарных частиц, электронных и позитронных спектроскопов, анализаторов газов в металлах, установок имитации космического пространства для испытания материалов космических летательных аппаратов и их отдельных узлов на надежность, а также испытаний внутри летательных аппаратов)	10“» ..	. 10- •
Сушка вымораживанием (сублимациои-наи сушка)	Фармацевтическая промышленность (препараты, антибиотики, кровяная плазма, сыворотки, вакцины, витамины гормональные, гистологические, цитологические препараты) Пищевая промышленность (сушка мяса, молока, рыбы, дрожжей, белка, яичных и молочных продуктов, изготовление сыров, фруктовых и овощных соков, чайного экстракта, кофе, консервирование овощей и фруктово-ягодных продуктов)	10	.. 1
		200 .	..5
Вакуумная тепло- и электроизоляция	Холодильная н криогенная техника (теплоизоляция емкостей для хранения низкотемпературных жидкостей, сосудов Дьюара, бытовых термосов) Электротехническая промышленность (изготовление вакуумных выключателей, реле и конденсаторов, вакуумных микросхем)	10 .	. ю-1
у		10-»..	. 1О"1
Дистилляция в вакууме	Химическая промышленность (изготовление восков, сложных эфиров, смолообразных веществ, регенерация отработанных машинных масел); медицина (изготовление витаминов и фармацевтических препаратов); парфюмерия (изготовление ароматических веществ и растительных экстрактов); металлургия (выделение кадмий, свинца, цинка из металлов и сплавов)	10 ...	10-*
Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетической теории газов
2.1.	Давление газа
Под идеальным газом в молекулярнокинетической теории понимают газ, состоящий нз мельчайших частиц (атомов и молекул), находящихся в непрерывном хаотическом движении и взаимодействующих между собой или
с окружающей их поверхностью по законам упругого удара, причем объем собственно частиц газа исчезающе мал по сравнеиию с занимаемым им объемом.
При столкновении молекул газа со стенкой между ними происходит обмен импульсом количества движе-
Давление газа
29
Рис. 2.1. Схема к определению телесного угла
Для определения давления газа на стейку с учетом различия скоростей и углов падения молекул необходимо зиать число молекул, летящих в направлении телесного угла da>. Вслед-, ствие равновероятности всех направлений движения молекул полный телесный угол, внутри которого движется молекула, равен 4л (поверхность сферы единичного радиуса), т. е. в единице объема, содержащей п молекул, внутри телесного угла dw движется ndw/(4n) молекул. Телесный угол (рис. 2.1)
da> = sin &d&d<p.	(2.1)
иия и кинетической энергией. В результате соударений молекул газа с элементом поверхности площадью As ему за время А/ передается суммарный нмпульс количества движения AX', т. е. на элемент поверхности действует сила F, равная отношению суммарного импульса АХ, полученного элементом за время А/, ко времени А/ : : F = ЬК/М.
Отношение силы F к площади As
элемента поверхности, на которую оиа воздействует, определяет давление газа на элемент поверхности: р = = F/As.
Направления хаотического движения молекул равновероятны, в противном случае давление газа на стенки сосуда в разных точках было бы различным. Скорости v движения молекул также различаются. При столкновении молекул скорость каждой молекулы может изменяться, но их суммарная кинетическая энергия при этом остается постоянной.
Каждая из молекул массой т, движущихся в телесном угле, сообщает элементарной площадке dS импульс в направлении нормали, равный 2mt) cos fl.
В единицу времени иа поверхность площадью ds под углом О попадают все молекулы, движущиеся в цилиндре с основанием ds и высотой vt cos fl (рис. 2.2).
Для известного распределения молекул газа по скоростям движения, т. е. когда л, молекул в единице объема имеют скорость Oj, пг молекул имеют скорость v2 и т. д., причем п = пг + + гг2 4---4- пк, в направлении те-
лесного угла dw в единице объема движется
do V' sin Ф dtp
П 4л 2LlП* 4л
(=1
молекул. Число молекул, движущихся со скоростью vt и находящихся внутри выделенного цилиндра, составляет
ds
njVt cos fl dco 4л
= ntVt
cos fl sin fldfld<p 4л
Рис. 2.2. Схема к определению давления газа
В единицу времени иа площадку ds под углом fl попадает
cos fl sin fl dfl dm ----------------L ds
4л
(2.2)
молекул газа. Для определения общего числа молекул, попадающих иа
30 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
площадку ds под произвольным углом О, выражение (2.2) интегрируют по всему диапазону значений углов <р и О соответственно от 0 до 2л н от 0 до 0,5л:
i=i
(2.5)
2 л	0,5л	i—k
.	с . С cos Osin Ф	VI
ds 1 dq> I -----------d& > mvj
0	0	(=1
1=A
x 0,25 пщ ds, i=l
т. e. число соударений молекул в единицу времени с единичной площадкой
v = 0,25no,	(2.3)
i=h
так как У пгщ/п = о -— средняя (=1
арифметическая скорость.
Зная число молекул, попадающих иа площадку ds под углом О (каждая сообщает площадке ds импульс 2тогХ X cos О), можно определить давление, оказываемое ими на поверхность площадью ds:
,	. cos Osin ftdOdtp .
2tnvx cos WjVi----------------h
, „ Q cos Ф sin О d$ dtp , + 2mos cos влгог--------------i +
<=1 »
cos2 0 sin d d$d<p 2л
(2.4)
Проинтегрировав выражение (2.4) по v и <p соответственно от 0 до 0,5л и от 0 до 2л, получим полное давление, оказываемое газом на единичную площадку:
l=k	2л
р = m У Я(02 f dtp х i=l	о
2«
(* cos2 6 sin О dO
J 2я 0
С учетом, что У л^2/л=1/б5—
средняя квадратическая скорость движения, выражение (2.5) можно переписать в виде	;
р — шпог/3. (2.6)
Так как тй2/2 = Е — средняя Кинетическая энергия поступательного движения молекул, то
р = 2л£/3.	(2.7)
Согласно основному в молекулярнокинетической теории газов уравнению (2.7) давление равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, заключенных в единице объема.
2.2.	Законы идеального газа
Основное уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона) устанавливает зависимость между давлением, объемом и температурой:
pV^MRtT, (2.8)
где р — давление газа плотностью р при температуре Т; М — масса газа, содержащегося в объеме V; Т — абсолютная температура газа; Rt — газовая постоянная i-ro газа.
В уравнении (2.8) газовая постоянная Rt зависит от рода газа. Если в качестве меры массы газа выбрать единицу массы, число молекул в которой не зависит от рода газа, то газовая постоянная будет иметь одно и то же значение для всех газов. Согласно закону Авогадро в одинаковых объемах при одинаковых давлениях и температурах число молекул различных газов одинаково. В качестве меры количества газа принят моль.
Молекулярная масса есть безразмерная величина, равная отношению массы пг молекулы данного газа к 1/12 массы атома изотопа углерода 12С, равной 19,63-10-24 г. Число молекул в 1 моле одинаково для всех ве-
Законы идеального газа
31
Таблица 2.1
Газ	Масса моле* кулы т-Ю” кг	Диаметр ’ моле* кулы (МО10, м	Молеку-ляряая масса	Плотность газа, кг/м*	Теплопроводность X-101, Вт/(м-К)	Удель* мая теплоемкость, Дж	Показатель адиабаты
						моль* к	
Н2	3,4	2,7	2	0,09	16,78	28,83	1,405
Не	6,7	2,2	4	0,18	14,30	20,79	_	1
Н2О	29,9	4,7	18			2,40	33,56	— 1
Ne	33,5	2,6	20	0,90	4,58	20,79	—
n2	46,5	3,7	28	1,25	2,40	29,12	1,401
о2	53,1	3,6	32	1,43	2,41	29,36	1,396
Аг	66,2	3,7	40	1,78	1,63	20,79	1,670
СО	46,5	3,8	28	1,25	2,14	29,15	1,401
СО2	73,1	4,7	44	1,98	1,45	37,12	1,294
Воздух	48,1	3,7	29	1,29	0,76	29,30	1,402
Примечание. Значения плотности й удельной теплоемкости приведены прн Т = 273 К и р = 101 325 Па.
ществ и определяется числом Аво-гадро Nд = 6,022- 1023 моль-1. Соответствующий объем 1 моля при нормальных условиях (давление 101325 Па, температура 273 К) Vm = = 22 415 см3-моль~* = 22,4 дм8Х Хмоль-1, объем 1 кмоля Vm = = 22,4 м3/кмоль.
Таким образом, для 1 моля любого газа уравнение (2.8) име,ет вид
pVm = RT, (2.9) или для q молей газа (уравнение Менделеева—Клапейрона)
pV = qRT,	(2.10)
где V — объем q молей газа: R — универсальная газовая постоянная.
Введя в уравнение (2.9) число Аво-гадро, получим
Так как Мд/Ут = п — концентрация молекул газа (число частиц в единице объема), a R/N&= k — постоянная Больцмана, то
p=nkT.	(2.11)
Из уравнения (2.11) следует, что при заданной температуре Т давление определяется только числом п моле
кул в единице объема или, при данной концентрации п молекул,— только температурой Т газа.
При постоянном значении одного из параметрон (р, V или Т) уравнение состояния (2.10) преобразуется в законы Бойля—Мариотта и Гей-Люссака.
При постоянной температуре для данной массы давление газа обратно пропорционально его объему.
pV = const.
Это уравнение выражает закон Бойля—Мариотта.
По закону Гей-Люссака объем газа данной массы при постоянном давлении линейно зависит от температуры"
V = aVeT,
где а = 1/273,2 К-1 — коэффициент пропорциональности; Уо — объем газа при Т = 273,2 К и данном давлении.
При постоянном объеме данной массы газа его давление линейно зависит- от температуры:
р = ар„Т, где ро — давление газа при Т == •= 273,2 К в данном объеме.
32 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Давление смеси газов при той же температуре
Р — Pi + Pi + • • • + Рк “ S Pt> 1=1
(2.12) где р1 — парциальное давление i-ro газа, т. е. давление, обусловленное молекулами Аго газа, число молекул которого в данном объеме равно числу молекул в смеси.
Уравнение (2.12) выражает закон Дальтона, согласно которому давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений газов, образующих смесь.
Приведенные зависимости описывают поведение реальных газов тем точнее, чем меньше плотность.
Значения основных физических констант газов приведены в табл. 2.1.
2.3.	Барометрическая формула
Атмосферное давление р на некоторой высоте h над поверхностью земли, соответствующей началу отсчета (h0 = 0; р0), зависит от массы расположенного ^ыше «столба» газа. С увеличением высоты h давление уменьшается.
Разность давлений иа высотах h + + dh и h (рис. 2.3) определяется массой столба газа, имеющего плотность р,
Рис. 2.3. Схема а определению давление гам по высоте
с основанная, равным единице площади поверхности (1 м2), и высотой dh:
—dp — (р — dp) — р — pgdh, где g — ускорение свободного падения.
С учетом уравнения (2.11), а также того, что р = тп, получим dp/p = mS JL
— — — dh нли после интегрирования
р==рое“т«л/<*г>,	(2.13)
где р0 — давление на поверхности земли.
Зависимость (2.13) называют барометрической формулой.
Таблица 2.2
	₽.	кПа			
к, км	•ксперимеит	расчет [уравнение	Т, К	t, м/с*	£•10-*. м
		(2.13)]			
0	101,3	101,0	288,15	9,81	6,37
1	89,9	89,8	282,65	9,80	6,98
2	79,5	79,0	275,14	9,80	7,66
3	70,1	69,2	268,64	9,80	8,42
4	61,6	60,1	262,13	9,79	9,27
5	54,0	51,9	255,63	9,79	10,24
10	26,5	23,5	233,25	9,77	13,26
15	12,1	9,6	216,66	9,76	36,75
20	5,5	4,4	216,66	9,74	80,51
30	1,2	1,2	230,35	9,72	407,9
40	0,3	0,535	257,66	9,69	1 890,0
50	0,085	0,217	274,00	. 9,66	7 159,0
60	0,006	0,002	219,15	9,60	77 433,0
Скорость молекул. Закон распределения молекул
33
По уравнению (2.13) выполнены расчеты прн постоянных молекулярной массе газа (М = 29), температуре н ускорении (табл. 2.2).
-Используя уравнения (2.11) и (2.13), можно определить зависимость концентраций газа от высоты:
п = яое~т«*/(*г>,	(2.14)
где Лц — число молекул газа в единице объема при h = 0.
Так как иа высоте h потенциальная энергия молекул Е — mgh, уравнение (2.14) можно представить в вйде
Распределение частиц газа по энергиям справедливо не только в потенциальном поле земного тяготения, но и в любом потенциальном поле сил для частиц, находящихся в состоянии теплового хаотического движения.
2.4.	Скорость молекул газа.
Закон распределения молекул газа по скоростям
Рассмотрим движение газа в неподвижной декартовой системе координат хуг. В каждый момент времени t состояние одной молекулы определяется ее положением н скоростью. В этот же момент времени в элементарном объеме dxdydz можно выделить dA' молекул, составляющие скорости о которых соответствуют диапазону от vx, Vy, vz до vx + dvx, Vy + + dvyt vz -f- dvz.
dN ~ NF (x, у, z, i, vx, vy, vz)dxX X dydz dvx dvv dvz,
где F = F (x, y, z, t, vx, vy, vz) — функция распределения молекул по скоростям.
Г1о заданной функции распределения можно найти концентрацию п молекул, т. е. нх среднее число в еди--1-00
ннце объема п = f f f NF (x, у, z, i,
--OC>
vxvy^z) dvx day dvz н среднее значение любой характеристики, зависящей от координат, времени н скорости, ф = Ф (х, у, г, t, vx, Vy, t<2). Например,
2 П/р Е. С. Фролова
в точке с координатами х, у, z В данный момент времени
4-оо
| j | фР dvx dvy dvz -	—00
s Ф «а —.---------------*
т -hco
j j j F dvx dvy dvz — CO
При однородном и стационарном состоянии газа, когда внешние силы отсутствуют, т. е. когда состояние газа не зависит ии от его положения, ии от момента времени, функция распределения молекул по скоростям определяется только тремя параметрами- vx; Vy, vz. Такая фуикция распределения получена Максвеллом в, 1860 г.
Прн достаточно большом числе молекул в единице объема отношение числа dnvx частиц, имеющих составляющую скорости вдоль оси х в диапазоне от vx до vx + dvx, к числу п частиц определяет вероятность dcux того, что даиная молекула обладает скоростью, составляющая vx которой находится в пределах от vx до vx + + dvx:
dmx = dnvx/n.
’ Вероятность d<ox должна быть тем больше, чем больше dvx. Кроме того, вероятность de>x может зависеть от абсолютного значения составляющей vx скорости, но не зависит от ее знака и составляющих vv и vz, т. е.
dco, = со- (й dt>
Аналогичные выражения можно записать н для составляющих скорости вдоль осей у и z.
Вероятности того, что данная молекула имеет составляющие скорости вдоль осей у и z в диапазоне соответственно от Vy и vz до Vy + dvy н vz 4-+ doz.
^у = °у (^) dvy, da>2 =	(t/2) dvz.
Вероятность dco того, что данная молекула обладает скоростью в диапазоне от v до v + dv или dnv частиц (нз общего числа п, частиц в единице
34 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Рис. 2.4. Функция распределения молекул по скоростям
в сферических координатах dW (v, 0, <р) =
X sin 0 ctodft dtp;
.в цилиндрических координатах / m \ 1»5
^ (₽r.^, ф) =(^г) X
X exp
'? + < 2kT
vr dor dvz dtp;
объема) обладают скоростью в диапазоне. от v до v + dv, определяется выражением
dco (о) =	’5е““°" v2 do X
л	2л
X J sin О dO dtp =
О	О
= 4я (~У'5 e-w'Jdo, (2.15)
где а = m/(2kT).
Функции распределения Максвелла для абсолютного значения скорости в соответствии с (2,15)
/ т \ 1,5 о
F^ = in(-2^f)
I тег\ XeXp\2kr) ‘	<216)
Например, вдоль' оси х
X ехр
mt£ \
2kf ) •
На рис. 2.4 показаны функции распределения молекул по скоростям движения молекул. Функции имеют явно выраженные максимумы при наиболее вероятных значениях скоростей он1 и VK2.
Различные выражения закона распределения Максвелла:
распределение модули скорости
/ tn \1»5;
d^) = 4n(1^) X
X exp
распределение модуля скорости в безразмерной форме
, dlT (c) = -^=e”c’c2dc у я
(где с = о/он);
распределение скорости в безразмерной форме в пучке
dW (с) = 2е_<:’# de;
распределение модули скоростей центров масс сталкивающихся молекул массами /пх и т2
dW(vm)^-^ + ^lx
V Vn(2kT),'° (т, + m2)o2 1 „ хехр	^dom;
распределение модуля относительной скорости молекул / т \Ьб = х
(
Х ехр\~ 2ЙгГ'-Л''-’
где vr = | Oj — v2 |; /те ==	+
+ «s).	.
Средняя длина свободною пути молекул
35
Таблица 2.3
Гая	м	°н> м/с	б, м/с	м/с
н2	2	1554,0	1752,0	1902,0
Не	4	1104,0	1245.0	1351,0
Ne	20	491,3	554,1	601,4
n2	28	417,3	470.1	510,8
о2	32	390,3	440,3	477,8
Аг	40	349,1	393,8	427.4
СО	28	417,3	470.7	510,8
СО2	44	332.9	375,5	407.5
Воздух	29	410,0	462,5	501.9
Наиболее вероятную скорость можно найти, приравняв нулю производную функции распределения по скорости [df (y)/dx> = ОJ; тогда
он = VW = 129 уТ/М •
Таким образом, с повышением температуры газа от 7\ до Т2 наиболее вероятная скорость возрастает пропорционально УТ»/?1!, т. е. увеличивается доля молекул с большими скоростями движения, н кривая распределения (см. рис. 2.4) смещается в область больших значений скоростей при температуре газа Т2.
Функция распределения позволяет найти среднюю арифметическую б и среднюю квадратическую скорости движения молекул газа:
6 = Уёму(ят) = 145,5 Ут/м;
(2.17)
Уб5 = УзЙ7^= 158УТ/М. (2.18)
Сравнив полученные характерные скорости движения газа, можно записать:
Уб»:8:он= 1,22:1,13: 1.
В табл. 2.3 приведены значения наиболее вероятной, а также средней арифметической и средней квадратической скоростей теплового движения молекул газов при температуре 293 К-
2*
2.5. Средняя длина свободного пути молекул газа
За единицу времени (1 с) молекула проходит путь, в среднем равный б. Если за это время молекула испытала v столкновений с другими частицами, то средняя длина ее свободного пути Л = б/v. Если предположить, что только рассматриваемая молекула движется со скоростью б, а все остальные молекулы неподвижны, то число столкновений равно числу частиц в цилиндре с основанием по2 и высотой б (рис. 2.5), так как все неподвижные молекулы, це.нтры которых расположены внутри цилиндра, обязательно столкнутся с движущимися, т. е. V —л;ш2б. где п — число молекул в единице объема.
Тогда средняя длина свободного пути
1 = 1 /(ляп2), или
I = /гТ/(рло2).
В действительности все молекулы непрерывно движутся, и рассматриваемая молекула движется относительно них с некоторой средней скоростью ботн. Тогда число столкновений между молекулами в единицу времени
v = пгсо2ботЯ. (2.19)
Подставив ботн = б "|/2 в уравнение (2.19), получим v = лла2б У‘2. Тогда средняя длина свободного пути молекулы
А = -L =	1	= kT
v лл!аг У‘2 рла2 У‘2
(2.20)
Рис» 2,5. Схема к определению числа столкновений молекул
36 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Например, для воздуха при Т = = 293 К
i = 6,51-10-»/p,
где р — в Па.
Из уравнения (2.20), полученного при рассмотрении молекул газа как абсолютно упругих шаров, следует, , что средняя длина свободного пути молекул не зависит от температуры. Однако результаты экспериментальных исследований показали, что эта характеристика молекул газа уменьшается с понижением температуры, т. е. газокинетический эффективный диаметр о молекулы уменьшается с увеличением скорости.
Приближенная зависимость средней длины свободного пути молекул от температуры, полученная Сюзер-лендом, имеет вид
1 = (УГло’л (1 + С/Т)]"1, (2.21)
где С — постоянная Сюзерленда, называемая также температурой удвоения То (при этой температуре площадь газокинетического эффективного сечения молекул в 2 раза больше, чем . при Т -* оо, когда 1 + С/Т -+ 1).
средняя длина свободного пути молекул определенного газа, например, i-ro, в смеси, состоящей из k газов:
( /=*	\-1
А-гл = л £ п/°?/У 1 + mi!ml I , \ /=1	/
(2.22) где rij — число молекул /-го газа в единице объема; 0,5 (о( +	(а.,
— диаметры молекулы i-ro и /-го газов); /я{, пг, — массы молекулы 1-го и /-го газов.
При рассмотрении данного газа, т. е. при i = j, формулы (2.22) и (2.20) тождественны, a k= 1.
2.в. Теплопроводность газов
В соответствии с законом Фурье количество теплоты q, передаваемой через единичную площадку s при градиенте температур dT/dx‘.
q = —и (dT/(dx)) s, (2.23) где х — теплопроводность, Вт/(м-К).
Рис. 2Л. Схема переноса анергии газа /
Знак .минус в уравнении (2.23) указывает на то, что направление теплового потока противоположно градиенту температур.
Рассмотрим процесс переноса теплоты через поверхность площадью s иа основании молекулярио-кинетическнх представлений. Каждая молекула, пролетающая через поверхность площадью s, переносит некоторую энергию, определяемую температурой в месте последнего столкновения. Вероятность последнего соударения молекул на расстоянии х от поверхности определяется длиной свободного пути молекулы. В среднем это расстояние равно средней длине 1 свободного пути молекулы газа. Тогда энергию Ел молекул, пролетающих через площадь s в положительном направлении х (рис. 2.6), можно считать равной средней энергии, соответствующей температуре 7\ в плоскости х — Л. Соответственно энергию Е2 молекул, пролетающих в противоположном1' направлении, можно считать равной средней энергии, соответствующей температуре Т2 в плоскости х 4- X. Число молекул, пролетающих через поверхность площадью s в единицу времени в обоих направлениях, можно определить, воспользовавшись упрощающим приемом Джоуля — считать, что все молекулы газа движутся в трех взаимно перпендикулярных направлениях:
N = nvs/Q.
Разность количеств энергии, переносимых молекулами с одной стороны единичной площадки на другую, опре-
Вязкость еааов
37
EZZZZZZZZZZZZZZZZT * |«/ EZZZZZZZZZEZZZZZZf
Рис. f.7. Схема теплообмена в вакууме
деляет тепловой поток через площадку в единицу времени:
q = nos — £s)/6 или
q = — рбс0Х (dTjdx) s/3,
где p — плотность газа; св — Удельная теплоемкость газа при постоянном объеме.
Сравнив последнее уравнение с законом Фурье (2.23), получим выражение для коэффициента теплопроводности
х = рбс0Х/3. (2.24)
Выражение (2.24) справедливо, когда средняя длина X свободного пути молекул намного меньше размера сосуда, внутри которого заключен газ. Если давление газа в сосуде столь низкое, что средняя длина свободного пути молекул газа соизмерима с размерами сосуда или больше, тепло-перенос» осуществляется молекулами газа непосредственно от пЬверхности с температурой 71, к поверхности с температурой 7\ (рис. 2.7) независимо от значения у.
2.7.	Вязкость газов
Вязкость газов обусловлена переносом количества движения от одного слоя к другому в результате теплового хаотического движения молекул.
Если в направлении х, перпендикулярном скорости и потока газа, существует градиент скорости duldx (рис. 2.8), то между слоями движущегося газа действует сила внутреннего трения F, определяемая формулой Ньютона:
F = г| (du/dx) з,	(2.25)
где ц — коэффициент внутреннего трения или  динамическая вязкость, Па-с; s — площадь поверхности (где
Рнс. 1.а. Схема к определению вязкости
газов
действует сила F), параллельной скорости движения потока.
Явление внутреннего трения, характеризуемое вязкостью газа н рассматриваемое с позиций молекулярнокинетической теории, аналогично явлению теплопроводности.
Рассмотрим два тонких слоя газа, прилегающих сверху и снизу к условно выделенной поверхности s. Слои газа движутся с различными скоростями: верхний со скоростью и (х + X), нижний — со скоростью и (х — X). Каждая молекула перемещается в потоке со скоростью и (х) и одновременно участвует в хаотическом движении; при этом молекулы непрерывно перемещаются из одного, слоя в другой, а следовательно, происходит перенос количества движения ти (х).
Молекулы, переходящие через единичную поверхность s, могут испытывать последнее соударение на различных расстояниях от этой поверхности, в среднем равных средней длине X свободного пути.
Как и при рассмотрении теплопроводности, количество движения, переносимое из слоя в слой, определяют при условии, что через единичную поверхность s в течение времени Д/ в обоих направлениях переходит равное число молекул N =- nos &tl6.
Количество движения:
из верхнего слоя в иижннй
ДК] — Nmu (х X) —
•х= поти (х + X) «Д//6;
из иижиего слоя в верхний
ДК5 = поти (х — X) s&t/6.
38 СВЕДЕНИЯ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
Таким образом, за время Л/ нижний слой получит приращение количества движения ЛК = nmv [u (х -j- X) — — и (х—X)]sAt/6, а верхний слой получит приращение количества движения —ЛК. Иными словами, движение слоев происходит так, будто иа иижиий слой единичной поверх-* ности s действует сила
F = ЛК/Л/ =
= пто [и (х -|- X) — и(х — X,)] s/6,
(2.26)
а иа верхний слой — сила —F, равная количеству движения, переносимого молекулами через единичную поверхность s в единицу времени.
Для малых значений X скорости u (х + X) и и (х — X) можно представить в виде
u (х + X) = и(х) + X du/dx-,
u(x — K) — u(x)— X du/dx, (2.27)
где и (х) — скорость в сечеиии, соответствующем рассматриваемой поверхности s.
Подставив выражения (2.27) в уравнение (2.26), получим силу трения F = nsnvk (du/dx) s/З или, с учетом того, что р — тп,
Р = рбХ (du/dx) s/3.	(2.28)
Сравнив уравнения (2.28) и (2.25), получим выражение для динамической вязкости *
т] ~ рбХ/3. (2.29)
С учетом формул (2.17) и (2.20) можно записать
т] = (2/3) 'УткТ/(,я1’5а2), (2.30)
т. е. ври X, значительно меньше определяющего размера системы, вязкость прямо пропорциональна ~[/тТ и обратно пропорциональна о2, причем, как и теплопроводность, вязкость ие зависит от давления р.
Сравнив выражения (2.29) я (2.24), можно получить соотношение между теплопроводностью и динамической
вязкостью: х == рс0. Более строгое рассмотрение теплопроводности и вязкости приводит к соотношению
X — eriCo,
где е = (9k — 5)/4 (k = ср/с0 — показатель адиабаты; ср и с0 — теплоемкости при постоянных давлении и объеме; для одноатомных газов е = 2,5 при k ~ 5/3, для двухатомных газов а = = 1,9 при k~ 7/5 и т. д.).
2.8. Диффузия в газах
Диффузия в газах обусловлена переносом массы. Рассмотрим смесь газов из двух компонентов, одни из которых имеет nj молекул массой второй — «2 молекул массой т2, т. е. масса первого компонента газа в единице объема равна /tj/rej, второго — п^пц.
Если вдоль произвольного направления, например х (рис. 2.9), в объеме газа создаются градиенты коипеитраций dn jdx и dn,t'dx то вследствие хаотического движения молекулы преимущественно перемещаются в направлении, противоположном градиенту концентрации. Иными словами, через единичную площадку s, перпендикулярную направлению изменения концентрации, в единицу времени слева направо переносится поток массой ,'И3, а справа налево — коток массой М]. Этот процесс называют диффузией.
Диффузию рассматривают при постоянных температуре Т и полном давлении р, определяемом согласно закону Дальтона как р = Pi + р5 -— const, или П = Л1 +	= const.
Рис. 2,9. Кривые изменения концентраций газов двухкомооиентнов смеси
Диффузия е газах
39
dx
fe, (2.31)
Масса, переносимая через поверхность s в единицу времени, в соответствии с первым законом Фика:
М1 — — Оц
Л4, = —DS1
где Du и — коэффициенты диффузии соответственно первого компонента смеси во второй и второго в первый, м’/с.
Знак минус в уравнениях (2.31) означает, что направление переноса массы противоположно направлению увеличения концентрации.
Уравнение (2.31) можно записать в виде
=	Ni = -Dud-^s,
(2.32)
где Ni, Ni — число молекул, переносимых через поверхность s в единицу времени соответственно справа налево и слева направо.
Так как полное давление р в любом сечении постоянно, т. е.
dnldx — dn.ildx +' dntldx — 0, (2.33) то через поверхность з в обоих направлениях проходит одинаковое число молекул. Тогда согласно соотношениям (2.32) и (2.33) D12#= £>21, т. е. коэффициент диффузии первого компонента смеси во второй равен коэффициенту диффузии второго компонент та смеси в первый.
Если физические свойства молекул двух газов, например СО, и NO,, близки или в одном из газов есть его изотопы, то процесс диффузии одного газа в другой можно рассматривать как самодиффузию газа с коэффициентом самодиффузии Du или ^21-Аналогично уравнениям для теплопроводности и силы трения в газе (2.26) общую массу Mi потока через единичную поверхность s в единицу времени можно определить как разность масс потоков, проходящих справа налево (А4{) и слева направо (Adj):
М{ = Al, — М"[ =
= б1Г1(х + Х1)-
— П] (х —Xj)] mjS/6. (2.34)
После подстановки концентраций ni (х + Ах) и л, (х — Ai) для малых значений Ах в виде
ni (х + ^1) П1 (*) + i ^i’
Пх(х —А1) = лх(х) —^1^Ах,
уравнение (2.34) примет вид
,,	1	- г dn-i (х)
здесь лх (х) — концентрация в сечении, соответствующем единичной поверхности з.
Сопоставив уравнения (2.31) с последним выражением, получим
Du “ 6iAx/3; Du :== й,А^З.
С учетом выражений (2.17) и, (2.20) можно записать
п 2 /feTy.5 1 .
11	3 я )
п	2 / feT\1.5 1
"	3 ( я / р2О2 ’
(2.35)
Следовательно, коэффициент самодиффузии прямо пропорционален Т1,5 и обратно пропорционален давлению р.
Сравнив'выражения (2.35) для коэффициентов диффузии и (2.30) для вязкости, можно записать уравнения, связывающие эти два коэффициента: г] = = pDn или г| = р£>22. Если массы компонентов смеси газа различны, то коэффициенты взаимной диффузии первого компонента смеси во второй и наоборот можно вычислить по формулам:
— Р21 — (Dutii -|- /?2,Лх)/л;
п 21/2 /feT\i.5 1
3	(л) ро22х
где о12 = 0,5 (Ох + о,) — средний газо-кинетический эффективный диаметр молекул; р = рх + Р» — полное давление.
40 СВЕДЕНИЕ ИЗ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ ГАЗОВ
2.9.	Законы взаимодействия молекул газа с поверхностью твердого тела
При теоретическом описании процессов течения газа в вакууме необходимо учитывать взаимодействие частиц газа с поверхностями вакуумг ных систем, в которых рассматривается это течение.
Наиболее простой зависимостью, позволяющей получить количественные данные о распределении отраженных молекул в пространстве с удовлетворительной точностью, является уравнение, описывающее диффузное отражение (закон косинусов):
dP = ^- = 4^cosO, (2.36)
М 2л v '
где dP — вероятность вылета частиц с поверхности ds (см. рис. 2.1) в направлении телесного угла do, образующего с нормалью к этому элементу угол •§; dN — число молекул, отраженных в единицу времени от элемента поверхности в направлении телесного угла da>; N — число частиц, падающих на элементарную площадку ds; А — коэффициент пропорциональности.
Проинтегрировав уравнение (2.36) по <р от 0 до 2л с учетом выражения (2.1), определим вероятность отражения частицы в направлении телесного кольцевой nosin Ф dP =
угла, ограниченного лоской радиусом
= 4 cos О sin u dO.
0,5л
Из условий
0,5я
= A J cos Ф sin Ф dO = 0,54. Сле-о
довательно, коэффициент пропорциональности 4 = 2. Тогда
dP = (dto/л) cos О.
Иногда применение закона косинусов приводит к расхождению результатов теоретических и экспериментальных исследований: необходим другой закон отражения. Так, Максвелл предложил при течении газа через круглые трубопроводы определять проводи
мость трубопровода на основании теоретической модели, в которой часть о молекул отражается диффузно, а часть (1 — о) — зеркально, что приводит к более точному определению проводимости.
При взаимодействии молекул газа с поверхностью обмен энергиями происходит не полностью и зависит от многих факторов, например, от физических свойств газа и состояния поверхности твердого тела, температуры газа и поверхности, формы молекул газа и др. Обмен энергиями характеризуют коэффициентом аккомодации энергии
ЕГ)/(Е( — Еы), где Е{, Ет — средние энергии падающих и отраженных молекул; £а — средняя энергия, которой могли бы обладать отраженные молекулы, если бы газ находился в равновесии с поверхностью твердого тела (при условии, что температура Тт газа равна температуре Та поверхности).
Чаще для определения коэффициента аккомодации используют формулу
а = (Л - Tr)l(Ti - Ta).
Таким образом, если между молекулами газа и поверхностью нет обмена энергиями, т. е. Т, = Тт, то a — 0, а если происходит полный обмен энергиями, т. е. Tr= Тт, то а= 1. Следовательно, коэффициент аккомодации изменяется от 0 до 1 в зависимости от температуры, физических свойств газа и состояния поверхности. Так, при нормальной температуре коэффициент аккомодации водорода для блестящей пластины а — = 0,323, для платиновой черни а — *= 0,583.
При рассмотрении процессов отражения молекул газа от поверхности, особенно при использовании модели Максвелла зеркально-диффузного отражения, обычно применяют также ^'коэффициенты аккомодации соответственно касательного и нормального импульсов количества движения'
аа< = (Я — Ч/(^ — тш);
aar — (<7i	*7ш)>
где т( и q. — соответственно касательный и нормальный импульсы количе
Температурный скачок
41
ства движения падающих молекул; хг и qT — соответствующие импульсы количества движения отраженных молекул; тм, qa — соответствующие импульсы количества движения отраженных молекул при равенстве их температуры и температуры поверхности тела.
2.10.	Скольжение разреженных газов
Результаты экспериментальных исследований течения газа при уменьшении давления в магистрали показали, что реальный расход газа больше теоретического, найденного иа основании законов ламинарного течения. Это расхождение объясняется тем, что в отличие от ламинарного течения, при котором скорость на поверхности стенки считают равной нулю, существует скачок скорости, т. е. на поверхности стенки скорость потока газа имеет конечное значение, отличное от нуля. Такое течение газа называют течением со скольжением. При дальнейшем понижении давления, когда средняя длина свободного пути молекул газа больше расстояния между стенками, молекулы движутся от стенки к стенке практически без межмолекулярных соударений, т. е, наступает свободное молекулярное течение.
При течении со скольжением на расстоянии больше средней длины свободного пути молекул газа обычно считают, что градиенты макроскопической скорости и потока газа постоянны и изменяются только непосредственно Около поверхности (рис. 2.10) на расстоянии порядка средней длины Л. свободного пути молекул газа.
Для изучения распределения скорости во всем объеме газа на расстояниях, значительна превышающих Л, изменение градиента скорости около 'поверхности не. имеет существенного значения. Для определения граничных Условий движения газа у поверхности Достаточно проэкстраполнровать линейный участок изменения скорости До пересечения с поверхностью. Полученное значение us фиктивной скорости называют скоростью скольжения, причем действительное значение скорости Uj потока у поверхности отличается от us и от скорости движения
Рис. 2.10. Схема течения газа со скольжением
поверхности, ‘равной нулю, если поверхность неподвижна.
Скорость скольжения вдоль поверхности
и8 = Xpdu/dn,
где х0 — коэффициент скольжения, имеющий единицу длины; duidn — градиент скорости газового потока по оси п, перпендикулярной поверхности ртенкн.
Коэффициент скольжения
где aoi — коэффициент аккомодации тангенциального Импульса количества движения; iq и р — вязкость и плотность газа.
•Под коэффициентом скольжения х0 понимают расстояние, на которое должна быть удалена стенка, чтобы скорость потока на ней прн экстраполяции линейного изменения скорости была равна скорости движения станки или нулю, если последняя неподвижна.
2.11.	Температурный скачок
Явление, аналогичное скольжению, наблюдают и при исследовании теплопроводности разреженных газов, если средняя длина Л свободного пути значительно меньше расстояния между поверхностями тел с разными температурами, т. е. различаются температуры поверхности Та и газа Tt непосредственно у поверхности.'
42
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Рве. 2.11, Схема температурного скачка на границе поверхность—гаа
На расстоянии от поверхности больше 1 градиент температуры в направлении осн п, перпендикулярной поверхности, изменяется только около поверхности (рис. 2.11). Отклонение закона изменения температуры около поверхности от линейного объясняется тем, что молекулы отражаются от стенки прн некоторой температуре Та>, > отличающейся от температуры стеикн Та. Энергия молекул газа, подлетающих к стенке, соответствует температуре слоя газа, в котором они испытывали последние столкновения. При отражении молекул от поверхности температура газа 7\ должна быть промежуточной между . температурой газа в слое, где молекулы испытали последние столкновения, и температурой стенки. Следовательно, действительная температура газа у поверхности 7\ отличается и от температуры
стенки Тщ, и от температуры То, соответствующей линейному изменению температуры до поверхности.
Разность фиктивной температуры газа Tt у поверхности, определяемой экстраполяцией линейного «акона изменения температуры до поверхности, н температуры стенки Тщ называют температурным скачком
ДТ = то — Та = ит dT/dn, где — коэффициент температурного скачка, имеющий единицу длины (некоторое расстояние, на которое должна быть отодвинута поверхность стенки, чтобы температура газа на ней была равна температуре стенки при сохранении линейного закона изменения температуры);
<237)
*	12о
где aai — коэффициент аккомодации тангенциального импульса количества движения.
Введя коэффициент аккомодации а, получим
75л 2 ОС Г
хг = ТЙ-Т~Х- (2’38)
Уравнения (2.37) и (2.38) справедливы для одноатомных газов. Для многоатомных газон
т k +1 pt>ic0 а
Глава Течение разреженных газов и проводимость элементов вакуумных систем
3.1.	Основные понятии
Поток газа, Па-м3/с,
Q=Sp,	(3.1)
где S = (dVldf)p — быстрота откачки нли объем газа прн данном давлении, откачиваемого в единицу времени, м3/с; р — давление в рассматриваемом сечении, Па.
Быстрота действия вакуумного наоса нли быстрота откачки во входном
сечении насоса при его работе S = = Q/P.
Быстрота откачки So объекта — это объем газа при данном давлении, который откачивается в единицу времени через сечение вакуумного трубопровода, соединяющего объект откачки с насосом:
50=Q/p0,	(3.2)
где ро — давление газа в откачиваемом сосуде.
Ргжимы течения газов
43
Проводимость, м®/с, элемента вакуумной системы — отношение потока газа, проходящего через элемент вакуумной системы, к разности давлений в концевых сечениях:
= Q/(P1 - р2).	(3.3)
Величину W, обратную проводимости элемента вакуумной системы, называют сопротивлением:
w - 1/1/ = (Pl - Ps)/Q. ,
Сопротивление сложных вакуумных систем, состоящих из отдельных элементов, определяют по аналогии с электрическими цепями. Прн последовательном соединении п элементов вакуумной системы с известными проводимостями L’i (сопротивлениями W'f) общая проводимость системы
U71,	(3-4)
1=1
п
а общее сопротивление W = S Wt.
i=l
При параллельном соединении п элементов вакуумной системы ее общая проводимость U равна сумме проводимостей всех элементов:
п
и = Е <3-5) i=i
а общее сопротивление определяют из п
соотношения IT-1 ==	W'y1.
i=l
3.2.	Основное уравнение вакуумной техиики
Быстроту откачки объекта So объемом Уо при давлении рг, определяют по быстроте действия S насоса и проводимости I/ трубопровода при условии постоянства потока Q — const.
Из условия Q = Sopo = U (ра~-р) ~ Sp — const следует
«Г1 = и-1 + «-1
нли So = US/(U + S). (3.6) При известных значениях U и S быстроту откачки Sa объекта можно
Ряс. 8.1. Номограмма для расчета быстро-.ты откачан объема (S’, S', и U в м*/с)
определить по номограмме (рис. 3.1). Например, для определения So при S = 6 м®/с н U =.2,2 м3/с соединим прямой соответствующие точки. Точка пересечения этой прямой со шкалой So дает искомое значение So = =- 1,6 м3/с.
Уравнение (3.6) представляет собой основное уравнение вакуумной техники, которое выражает отличие быстроты откачкн объекта So от быстроты действия насоса S прн наличии трубопровода проводимостью U. При U > S влияние трубопровода незначительно и So S; при U < S быстрота откачкн объекта определяется проводимостью трубопровода, т. е. So « U. В общем случае S > S, и U > So.
3.3.	Режимы течения газов
Течение газа в вакуумной системе зависит от ряда параметров; температуры газа и стенок, разности давлений на концах системы, абсолютного давления, внутреннего трения в газе и взаимодействия газа с поверхностью, а также от формы и размеров рассматриваемой системы. Различают три основных вида течения газа: турбулентное или вихревое, ламинарное
44
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
или вязкостное и молекулярное или свободномолекулярное. Четкой границы между этими видами течения нет — существуют промежуточные области переходных течений.
В вакуумной технике обычно разделяют вязкостный (вплоть до атмосферного давления в системе), молекулярный н переходный между вязкостным н молекулярным режимы течения. При вязкостном режиме течения газа средняя длина X свободного пути частиц значительно меньше характерного размера емкости (например, для круглого трубопровода таким размером является его диаметр D). При молекулярном н переходном режимах течения газа средняя длина свободного пути частиц больше характерного размера или сравнима с ним.
Области течения дифференцируют числим Кнудсена Кп = Х/Д, Так, при расчетах проводимости цилиндрических круглых трубопроводов принимают; что молекулярному режиму течения соответствует Кп > 0,33, вязкостному — Кп <Z 10~2, переходному — 10~2< Кп< 0,33.
3.4.	Вязкостный режим течения
При вязкостном течении газ в трубопроводе условно можно разделить на отдельные слои, движущиеся с различными скоростями. Различие скоростей слоев обусловлено внутренним трением в газе (вязкостью), поэтому рассматриваемый режим течения называют вязкостным.
Течение газа через диафрагмы. Истечение газа из одйой емкости в другую
через отверстие в тонкой перегородке (рис. 3.2), толщина h которой значительно меньше диаметра d отверстия (Л С d), рассматривают как течение через диафрагму. Если диаметр d диафрагмы значительно меньше диаметров D соседних сосудов (d <g D), диафрагму считают малой; если диаметр d соизмерим с диаметром одного из сосудов, диафрагму считают большой.
Для вязкостного режима течения при наличии перепада давлений рг — о2 между сосудами поток газа Q, Па-м®/с, через малую диафрагму
Q = X
где рг — давление в сосуде, из которого вытекает газ; F — площадь сечения диафрагмы, м2; т = р2/рг — отношение давлений по обе стороны от диафрагмы; k — показатель адиабаты; R — универсальная газовая постоянная.
Проводимость малой диафрагмы
U — F ------X
1 — т
X ]/(>-«*	(3.8)
По мере уменьшения давления р2 (или отношения -с) поток газа через малую диафрагму возрастает до определенного значения, соответствующего критическому отношению
k
7 2 X *-1
начиная с которого скорость истечения через малую диафрагму становится постоянной и равной скорости звука, независимо от давления р2- Например, для воздуха при Т = 293 К отношение тяр = 0,528, тогда;
U = 766т0«™ X
х ]<1—т0'288 при 0,528	< 1;
Вязкостный режим течения
45
F
(J = 200 ----- при т < 0,528;
1 — т
{/ = 200F при т< 0,1.	(3.9)
Проводимость большой диафрагмы определяют по формулам для малой диафрагмы с учетом поправочного коэффициента FD/(FD—F), где F — площадь сечения диафрагмы, м2; Fp — площадь поперечного сечения объема, из которого происходит истечение газа через диафрагму, диаметр D которого соизмерим с диаметром d диафрагмы, м2.
Например, проводимость большой диафрагмы для воздуха при Т — = 293 К и т < 0,528
Течение газа по трубопроводу. Вязкостное течение в цилиндрических трубах круглого сечения описывается законом Пуазейля, а соответствии с которым
Q-n^piPx — р2)/(8/т]),
где R — радиус поперечного сечения трубопровода, м; р = 0,5 (рг + р2) — среднее давление в трубопроводе, Па; I — длина трубопровода, м; т] — динамическая вязкость, Па-с.
При вязкостном режиме течения поток газа в цилиндрической трубе зависит не только от разности давлений на концах трубопровода, но и от абсолютного давления р в потоке.
Проводимость цилиндрического трубопровода круглого сечения
U = л/?4р/(8/п);	(3.10)
для воздуха при Т — 293 К
С/== 1360£>*р//.	(3.11)
Проводимость трубопровода при
Течении по нему любого газа
Ut = $-lU.	(3.12)
где U — проводимость трубопровода при течении по нему воздуха; (3, = =	~ (о/о;)2 Д/M-JM. — коэффи-
циент, учитывающий различие дина
мических вязкостей рассматриваемого газа т). и воздуха т) (а и о. — диаметры молекул воздуха и рассматриваемого газа; М и М, — молекулярные массы воздуха и рассматриваемого газа).
Для определения проводимости отверстия соотношение (3.12) неприменимо, поэтому используют исходное выражение (3.8).
Значения Р, для некоторых газов [11]:
Газ. . Воздух На Не Пары Ne воды
pt. .	1,0	2,06	0,93	1,94	0,58
Газ. .	N2	О2	Аг	СО2
Pt. .	1,04	0,90	0,84	1,24
Динамическую вязкость в зависимости от температуры газа определяют по формуле
Пг = аГ*.
где а и х — константы, зависящие от природы газа.
В табл. 3.1 приведены значениях, а, константы Сюзерленда С в интервале температур от Т\ до Т2 и вязкости q для ряда газов.
Если известна вязкость т)Го при температуре Tt, то
— i)T0
Т 1+С/Тв Тв 1 + С IT •
Проводимость трубопроводов, сечения которых отличаются от круга, определяют по эмпирическим зависимостям.
Проводимость длинного трубопровода прямоугольного сечения [11]
об» р Г.	192 b
12П I L	л6 а х
Ли ла , 1 .. Зла ,	\“|
Х (th 26 + 35 th 2b + " /J
или для воздуха при Т = 293 К
U = 1950k’ (aW/l) р,
где k' — эмпирический коэффициент (коэффициент Клаузинга); а и Ь — длины меньшей и большей сторон
46
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Таблица 3.1
	С (при Г, ... Т„ К)	а. 10*		Т). 10»,	Па- с, при Г, К	
Гм			X	273	293	323
Воздух	106,8 (298 ... 553)	—	— .	1,708	1,812	1,954
н»	73 (298 ... 473) 86 (373 ... 473) 105 (473 ... 523) 234 <986 ... 1095)	1,860	0,678	0,840	0,880	0,938
Не	83 (373 ... 473) 95 (473 ... 523) ' 173 (955 ... 1088)	4,894	0,653	1,860	1,946	2,065
Пары воды	673 (373 ... 623)	0,170	1,116	0,883	. —	1,065
Ne	61 (293 ... 373) 70 (373 ... 473) 82 (473 ... 523) 128 (959 ... 1100)	—		2,975	3,113	3,310
Na	103,9 (298 ... 553) 104,7 (293 ... 1098)	3,213	0,702	1,665	1.766	1,883
Оз	126,6 (293 ... 553) 125 (288 ... 903)	3,355	0,721	1,910	2,026	2,182
?' 	 Аг СО	142 (293 ... 1100) 101,2 (295 ... 550)	2,782	0,766	2,085 1,662	2,215 1,749	2,400 1,872
СОа	254 (298 ... 553) 213 (573 ... 1097)	1,057	0,868	1,367	1,463	1,607
Кг	188 (273 ... 373)	—		2,330	| 2,480	2,695
Примоугольного сечения, м; I — длина трубопровода, м.
Значения k' в зависимости от отношения alb приведены ниже:
а!Ъ ...	1,0	0,9	0,8	0,7	0,6
Ы ....	1,00	0,99	0,98	0,95	0,90
alb ...	0,5	0.4	0,3	0,2	0,1
k' ....	0,82	0,71	0,58	0,42	0,23
Выражение в квадратных скобках общего уравнения проводимости трубопровода прямоугольного сечения (обозначим k") можно определить графически (рис. 3.3).
Проводимость трубопровода квадратного сечения со стороной а
U = 3,52- lO-Vp/^/).
сечения а8*3
Проводимость длинного трубопровода эллиптического
у — JL -____________•
64 т]1 а2 4- й2 ’
для воздуха при Т = 293 К
где а и Ь — длины меньшей и больше:'; осей эллипса.
Молекулярный режим течения
47
Проводимость трубопровода, образованного двумя, коаксиальными цилиндрами (рис. 3.4),
1/^4-х
81] I
(R?-Rl)2l.
1п (Яд/Яя) ’
для воздуха при Т = 293 К
U = 21,67-10» -2-х
Г (r1-r22)2]
Х	In (Ri/R,) J *
где 7?! и 7?а — радиусы соответственно внешнего и внутреннего цилиндров, м.
Проводимость коротких трубопроводов (1 < 200) определяют по эмпирическим зависимостям, так как для них существенно влияние сопротивления входного и выходного сечений трубопровода, ие учитываемое законом Пуазейля.
Проводимость короткого трубопровода круглого сечения [37]
U = 128т]7 [1 -Н,54 X ’ (3’13)
X 10-2MQ/(T]R7'/)]
для воздуха при Т — 293 К й ' D* u-™T-r+oW (3'“’
Если поток Q неизвестен, то в уравнение (3.13) или (3.14) подставляют произвольное значение Q и ведут .расчет методом последовательных приближений до тех пор, пока разность между принятым значением Q и значением Q = U (pj — р2) станет близкой нулю.
Проводимость короткого трубопровода с сечением произвольной формы о—1 = о—1 + [/—1,	(3.15)
где иг — проводимость короткого трубопровода, вычисленная по формулам для длинного трубопровода;
— проводимость входного отверстия трубопровода.
Рве. 3.3. Зависимость коэффициента А* от отношения а/b прямоугольного сечения, трубопровода
Рис. 8.4. Сечение трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами
3.5.	Молекулярный режим течения
Молекулярный режим течения газа характеризуется достаточно большим значением числа Кнудсена Кп, т. е. при этом режиме течения практически нет взаимодействия между молекулами. Для описания независимого движения молекул используют основные положения молекулярно-кинетической теории газов либо соотношения динамики сплошной среды, предложенные Кнудсеиом.
Течение газа через диафрагмы. При молекулярном режиме течения поток газа через малую диафрагму определяется разностью потоков молекул через отверстие с двух сторон (см. рис. 3.2):
8-Т-'316)
где F — площадь сечения диафрагмы, м2; Pi, Рг — давления по обе стороны от диафрагмы, Па.
Проводимость малой диафрагмы
U= 36,4FVt7m;	(3.17)
для воздуха при Т = 293 К
U= 116Р.	(3.18)
48
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Рис. 3.5. График к определению коэффициента к' для расчета проводимости щели
Проводимость большой диафрагмы при молекулярном режиме течения, как и при вязкостном, отличается от проводимости малой диафрагмы мно-жителем Fd/(Fd — F), т. е.
FF
и = 3&,4УТ/МЪ-----(3.19)
где F — площадь сечения большой диафрагмы, м2; Fp — площадь поперечного сечения сосуда, диаметр которого соизмерим с диаметром большой диафрагмы, м2.
Течение газа по трубопроводу. Проводимость длинного (I > 20D) прямолинейного трубопровода определяют по зависимости, предложенной Кнудсеной:
(I	\— 1
(П/F*) dl ,(3.20) о	)
где S — среднее арифметическое скоростей молекул газа; I — длина трубопровода; П и F — соответственно периметр н площадь поперечного сечения трубопровода.
При постоянном по длине сечении трубопровода уравнение (3.20) имеет вид
Р2 .______
U = 194 -jjj У Т/М’,	(3.21)
для воздуха при Т = 293 К U = 618Р2/(Ш).
Из уравнения (3.21) проводимость длинного прямолинейного трубопровода круглого сечения
U = 38,1 (!>»//) УтЖ; (3.22)
для воздуха при Т — 293 К
I/== 121D*//,	(3.23)
где D — диаметр трубопровода, м.
При расчете проводимости трубопровода, сечение которого отличается от круга, в уравнение (3.21) вводят поправочный коэффициент k':
р2 ______
U = 194k' ~ VT/M. (3.24)
Проводимость трубопровода прямоугольного сечения
и T^rVriM-,
для.воздуха при Т = 293 К
U= 309й'а2о2/[(а+ 6) /].
Коэффициент k' определяют по формуле, предложенной Клаузингом:
= т (s 1п (8 +	+
+'4-[i+б3- (1+в2)1-6] □
где 6 = Ь/а 1.
Проводимость трубопровода прямоугольного сечеиия, одна из сторон которого значительно больше другой (Ъ » а), т. е. проводимость щели [11] и = 97k' Vr/м;
здесь поправочный коэффициент k! определяют графически (рис. 3.5) или, если I > 10а, по формуле
k' = (3/8) In (Ila). (3.25)
С учетом (3.25) проводимость щелевого канала определяют по формуле : и => 36,4 (a*b/l) in (1/а) Ут/м;
Молекулярный режим течения
49
для воздуха при Т = 293 К
U = 116 (а»*/£) In (На).
Проводимость трубопровода с эллиптическим поперечным сечением [37 ]
1/-= 53,7 —удж /Уа2+*2
для воздуха при Т = 293 К
U = \Wb*l[l Уа2+ Н-
Проводимость трубопровода с сечением в виде равностороннего треугольника [37]
U = 15,1 (а3/Г) У Т/М', для воздуха прн Т — 293 К U = 47;9п3//, где а — сторона треугольника, м. Проводимость трубопровода, образованного двумя коаксиальными цилиндрами (см. рис. 3.4) [37], (У-У)2 и -зв-11' 7(b, + Dj для воздуха при Г= 293 К t/= 12U' (£>,—Z>2) (О2-О2)//, где k' — коэффициент, учитывающий отличне сечения трубопровода от круга и определяемый графически (рис. 3.6); £>! и £)2 — диаметры соответственно внешнего и. внутреннего цилиндров, м; I — длина трубопровода, м.
Проводимость щели, образованной стенкой и торцом полого цилиндра (рис. 3.7), при течении газа в радиальном направлении [37]
х 2-(Р. + Р,) ууд.
Для воздуха при Т = 293 К </»362(4-+1„А=й.)х д2(£>1+02)
D.-D, • где а — ширина щели, м; Dlf D% — внешний и внутренний диаметры цилиндра, м.
ния трубопровода от круга
Для расчета проводимости (рис. 3.8) коротких цилиндрических трубопроводов в соотношение (3.23) . вводят поправочный коэффициент Клаузин-га- k.
Тогда
U = l2lkD3/l, где
15 (//£>)+12 (7/Д)а
20 4- 38 (1/D) 4- 12 (1/D)3 •
(3.26)
Значения k, вычисленные по формуле (3.26) при различных отношениях HD, приведены в табл. 3.2.
Если диаметр откачиваемого объекта £)0 < 10£>, где £) — диаметр трубопровода, то
Г	£) /	П2\—11 —1
1+1.33-1-^
Для определения проводимости . Цилиндрических трубопроводов можно использовать номограмму (рис. 3.9). Например, для трубопровода длиной I = 1 м и диаметром D = 0,5 м проводимость U = U'k — 14-0,6 = = 8,4 м3/с.
а
Рис. 8.7. Схема течения между етеикой и торцом полого цилиндра
50
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Рис. 3.8. График к определению проводимости коротких цилиндрических трубо» проводов по их длине и диаметру
Рис. 3.9. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов при молекулярном режиме течения воздуха (Г = 293 К)
Рис. 3.10. Трубопровод в виде конического диффузора
Таблица 3.2
I/D	k	HD	А	1/D	А
0,05	0,036	0,8	0,300	10	0,840
0,06	0,055	1,0	0,380	20	0,910
0,10	0,068	2,0	0,540	40	0,950
0,20	0,130	4,0	0,700	60	0,970
0,40	0,210	6,0	0,770	80	0,980
0,60	0,280	8,0	0,810	100	1
Для расчета проводимости коротких трубопроводов наиболее удобна форма записи расчетного выражения, предложенная Клаузннгом [37]:
[/ = 0,25^6 = 36,4^1/7744; (3.27)
для воздуха при Т = 293 К
U = 116kF,	(3.28)
где k — коэффициент Клаузннга, представляющий собой вероятность прохождения молекул газа от входного сечення рассматриваемого элемента трубопровода до выходного; F — площадь входного сечения трубопровода, м2.
Значения коэффициента Клаузннга для цилиндрического трубопровода в зависимости от отношения длины I к диаметру D приведены в табл. 3.3
В табл. 3.4—3.6 приведены значения коэффициента Клаузннга: в табл. 3.4 [37] — для трубопровода прямоугольного сечения, одна из сторон которого значительно больше другой (Ь а), или для щели в зависимости от отношения длины I трубопровода к меньшей стороне а сечения щели; в табл. 3.5 ]37] — для трубопровода кольцевого сечення, образованного двумя коаксиальными цилиндрами (см. рис. 3.4), в зависимости от отношения длины I трубопровода к разности диаметров цилиндров и отношения диаметров; в табл. 3.6 [39] — для трубопровода (рис. 3.10), выполненного в виде конического диффузора, в зависимости от угла и отношения длины I к радиусу г входного сечения.
Проводимость сложных трубопроводов, имеющих изгибы, повороты,
Момкрлярный режим течения
51
	Таблица 3.3						
1/D	к	HD	к	HD	к	HD	к
0,00	1,00	0,65	0,61	1,6	0,41	8,0	0,14
0,05	0,95	0,70	0,60	1,7	0,39	9,0	0,12
0,10	0,91	0,75	0,58	1,8	0,38	10	0,11
0,15	0,87	0,80	0,57	1,9	0,37	15	0,08
0,20	0,83	0,85	0,55	2,0	0,36	20	0,06
0,25	0,80	0,90	0,54	2,5	0,32	25	0,05
0,30	0,77	0,95	0,53	3,0	0.28	30 ,	0,04
0,35	0,74	1,0	0,51	3,5	0,25	35	0,04
0,40	0,72	1,1	0,49	4,0	0,23	40	0,03
0,45	0,69	1,2	0,47	4,5	0,21	45	0,03
0,50	0,67	1,3	6,45	5,0	0,20	50	0,03
0,55	0,65	1,4	0,44	6,0	0,17	500	0,003
0,60	0,63	1,5	0,42	7,0	0,15	Св. 500	4D/3Z
Таблица 3.4
На	k	На	к	На	к	На	к
0,0	1,000	0,4	0,8362	1,5	0,6024	4,0	0,3999
0,1	0,9525	0,8	0.7266	2,0	0.5417	5,0	0,3582
0,2	0,9096	1,0	0,6848	3,0	0,4570	10,0 оо	0,2457 (а/l) 1п (//<з)
Таблица 3.5
1	Значения к при					
О1 — D,	0,1	Ь,2	0,4	0,6	0,8	0,95
0,25	0,8017	0,8022	0,8030	0,8037	0,8043	0,8046
0,50	0,6737	0.6754	0,6783	0,6808	0,6829	0,6842
0,75	0,5842	0,5867	0,5915	0,5958	0,5997	0,6020
1,00	0,5175	0,5206	0,5266	0,5324	0,5378	0,5413
1,25	0,4655	0,4690	0,4758	0,4826	0,4894	0,4940
1,50	0,4237	0,4274	0,4348	0,4423	0,4502	0,4558
1,75	0,3893	0,3931	0,4007	0,4087	0,4174	0,4241
2,0	0,3604	0,3642	0,3720	0,3804	0,3896	0,3972
2,5	0,3123	0,3181	0,3260	0,3347	0,3448	0,3538
3,0	0,2791	0,2828	0,2906	0,2994	0,3100	0,3201
3,5 ,	0,2513	0,2548	0,2625	0,2712	0,2820	0,2929
4,0	0,2286	0,2321	0,2395	0,2481	0,2589	0,2704
4,5	0,2099	0,2132	0,2204	0,2288	0,2396	0,2515
5,0	0,1941	0,1973	0,2042	0,2124	0,2230	0,2352
52
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Продолжение табл. 3.5
1	, Значения к при D,/Dt					
D, — Dt	0,1	0,2	0,4	0.6	0,8	0,95
7,5	0,1414	0,1440	0,1499	0,1569	0,1666	0,1792
12,5	0,0921	0,0941	0,0985	0,1038	0,1116	0,1230
25,0	0,0496	0,0508	0,0534	0,0567	0,0618	0,0700
50,0	0,0259	0,0265	0,0280	0,0299	0,0329	0,0381
100,0	0,0133	0,0136	0,0144	0,0154	0,0171	0,0200
250,0	0,0054	0,0055	0,0059	0,0063	0,0070	0,0083
500,0	0,0027	0,0028	0,0030	0,0032	0,0035	0,0042
5000,0	0,0003	0,0003	0,0003	0,0003	0,0004	0,0004
Таблица 3.6
23, •	Значения к при 1/г						
	0,1	0,2	0,5	1.0	2,0	5,0	10,0
0	0,9524	0,9092	0,8013	0,6720	0,5142	0,3105	0,1909
1	0,9541	0,9125	0,8089	0,6854	0,5360	0,3460	0,2368
5	0,9604	0,9248	0,8373	0,7357	0,6176	0,4786	0,4086
10	0,9673	0,9384	0,8686	0,7908	0,7058	0,6172	0,5803
20	0,9787	0,9603	0,9185	0,8764	0,8370	0,8056	0,7964
30	0,9869	0,9761	0,9534	0,9334	0,9177	0,9081	0,9061
.40	0,9927	0,9870	0,9762	0,9681	; 0,9629	0,9605	0,9601
' 50	0,9964	С,9939	0,9895	0,9870	0,9857	, 0,9852	0,9851
60	0,9986	0,9977	0,9965	0,9959	0,9957	0,9956	0,9955
70	0,9996	0,9994	0,9993	0,9992	0,9992	0,9992	0,9991
80	1,0000 .	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
89	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000	1,0000
вентили, определяют по приведенным выше уравнениям, но геометрическую длину I трубопровода увеличивают:
/р-~ /+ 1,330 л, (3.29)
где /р и D — расчетная длина и диаметр трубопровода, м; л — число изгибов, поворотов, вентилей.
-Проводимость трубопровода при течении по нему произвольного i-го газа определяют по формуле
ut = u
где U — проводимость трубопровода при течении по нему воздуха: М{ и М — молекулярные массы соответственно рассматриваемого газа и воздуха.
Проводимость Un трубопровода при температуре 7\ газа, отличающейся от заданной температуры Tt:
ип = ипУ7\/т„
где Uга — проводимость трубопровода при заданной температуре Tt.
3.6.	Переходный режим течения
Течение газа в переходном режиме описывают в основном эмпирическими зависимостями для узких диапазонов чисел Кнудсена. Так, течение газа при Кп < 0,5 описывают законом Пуазейля, введя коэффициент скольжения т. е. приняв, что скорость газа иа поверхности, ограничивающей
Пяряхрдный реялиа ямченил
53
поток газа, в отличие от скорости при вязкостном режиме течения,
Uo = Xodu/dz, (3.30) где du/dz — градиент скорости в направлении, перпендикулярном течению газа.
Коэффициент скольжения х0, имеющий единицу длины, можно представить как расстояние, на которое должна быть удалена поверхность, чтобы скорость потока на ней при duldz = = const равнялась нулю (на неподвижной поверхности) или скорости движения поверхности.
Для определения проводимости длинного цилиндрического трубопровода при 0,01 < Кп < 0,33 применяют эмпирическую зависимость, предложенную Кнудсеном:
£/ = £/B + Z(7M,	(3.31)
где U в и UM — проводимости при вязкостном и молекулярном режимах течения, определяемые по формулам соответственно (3.10) и (3.22); Z — эмпирический коэффициент.
z 1+Dp VM/(RT)/n .
1 4- 1,24£)рУЛ4/(^7')/т] ’
(3.32)
для воздуха при Т— 293 К
Z = (1 + 19Юр)/(1 + 236Ор), (3.33)
Где D — диаметр трубопровода, м; р — среднее давление в трубопроводе, Па. ________________
При т] = Хр 1/2Л4/(л/?Г) уравнение (3.32) принимает вид
Z = (1 + 1,25£>/Х)/(1 -f- 1.55D/X),
Рис. 8.11. Номограмма для расчета проводимости цилиндрических трубопроводов ври различных режимах течения воздуха (Т — 293 К)
где X — средняя длина свободного пути молекул газа.
Уравнение (3.31) можно привести к виду
и « UM (Z + Ub/Um). (3.34) Для воздуха прн Т - 293 К
U = 121 (О’//) (Z -f- 0.0736D/X),
(3.35) или
U = 121 (D»/t)J,	(3.36)
где 7 = [1+ 202Г>р+ 2653 (Dp)«]/(1 + + 2360р).
Значения J в зависимости от Dp приведены в табл. 3.7.
Для упрощения определения проводимости цилиндрического трубопровода в переходном режиме Течения
Таблица 3.7
Dp	J	DP	J	Dp	J /	DP	J
0,001	0,975	0,02	1,07	0,2	3,06	0,7	8,68
0,002	0,961	0,04	1,28	0,3	4,18	0,8	9,80
0,005	0,952	0,06	1,50	0,4	5,31	0,9	10,93
0,008	0,965	0,08	1,72	0,5	6,43	1,0	12,05
0,01	0,978	0,1	1,94	0,6	7,56	1,1	13,17
Примечание. Dp и J — в м-Па.
54
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
можно воспользоваться номограммой (рис. 3.11). Например, для определения проводимости трубопровода длиной I = 1 м и диаметром D = 0,5 м, среднее давление в котором р = — 1,77 Па, соединяют прямой линией точку 1=1 м с точкой D — 0,5 м. Точка пересечения прямой со шкалой проводимости дает U' = 14 м3/с. Вто-‘ рую прямую проводят через точку
D = 0,5 м и точку р = 1,77 Па; эта прямая пересекает ось поправочных коэффициентов в точке J = 9. Произведение найденных значений U' и J дает искомую проводимость трубопровода U = 14-9= 126 м8/с.
При определении проводимости длинных трубопроводов, сечения которых отличаются от круглого, используют экспериментальные данные или оценивают проводимость по формулам (3.31)—(3.36), в которых условный диаметр D = Д/4/-7Л, где F — площадь поперечного сечения трубопровода.
Приведенные зависимости для определения проводимости трубопроводов справедливы при переходном режиме течения во всем рассматриваемом трубопроводе.
г
3.7.	Статистический метод определения проводимости вакуумных систем
Статистический метод определения проводимости вакуумных систем, основанный на методе Монте-Карло, применяют преимущественно при моле-
Рис. 3.13. Кривые вероятности прохождения молекулы через элемент трубопровода в виде колена
кулярном режиме течения. При статистическом моделировании течения газа в вакуумной системе для определения ее проводимости прослеживают большое число траекторий движения молекул от момента «старта» с сечения входа до момента возвращения к сечению входа или выхода либо до момента поглощения при наличии поглощающих поверхностей.
Для непоглощающей системы в молекулярном режиме течения определяют вероятность перехода молекул через вакуумную систему (коэффициент Клаузинга) в виде
р =	(3.37)
где — число молекул, попавших в выходное сечение; N — общее число рассматриваемых молекул.
При достаточно большом числе частота события Р равна вероятности
Рис. 8.12. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод, образованный двумя коаксиальными цилиндрами
Рис, 3.14. Кривые вероятности прохождения молекулы через трубопровод с диафрагмой
Проводимость вакуумных систем
55
Рис. S.15. Структурная схема определения проводимости вакуумных систем методом Монте-Карло
этого события, т. е. точность вычисления определяется числом /V. Среднее квадратическое отклонение величины [39] '
ар = уР(1-Р)/лГ.
На рис. 3.12—3.14 показаны кривые вероятности Р — k прохождения молекул через некоторые элементы вакуум-
Рис. S.te. Схема расчета траектории молекул в цилиндрической системе координат
ных систем, полученные методом Монте-Карло.
Рассмотрим процесс вычисления вероятности Рг на примере двух коаксиальных цилиндров. Структурная схема, расчета приведена на рис. 3.15. Задав исходные данные (блок 2), вычисляют координаты г и а точки старта молекулы с поверхности входа (блок 3) с помощью датчика случайных чисел.
В цилиндрической системе координат (рис. 3.16) радиус г точки старта и угол а между радиусом г и осью х\
г = VT; « = 2лх, где и Ri — радиусы соответственно внешнего и внутреннего цилиндров; £ их — непрерывные случайные числа, равномерно распределенные в интервале [0, 1 ], выдаваемые датчиком случайных чисел.
Направление траектории движения молекулы (х — Хц)/1 = (у — уе)/т = = (2 — гп)/п задают углами ср и а в сферической системе координат (рис. 3.17). Здесь х, у, г — текущие координаты точки траектории молекулы; х0, 1/0, z0 — координаты точки старта; I, т, п — составляющие направляющего единичного вектора а; <р — угол между нормалью к поверхности старта и вектором а (случайная величина, определяемая при условии диффузного отражения по формуле <р = arcsin Д/Й^’ ai ~	— Угол
между осью Ох' и проекцией вектора а на плоскость х'Оу' (равномерно распределенная случайная величина в интервале [0, 2л]); т) и h — непре-
56
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Ряс. 3.17. Схема расчета траектории моле» аул * сферической системе координат
рывные случайные величины, равномерно распределенные в интервале Ю, 1].
Проекции единичного вектора а на соответствующие оси координат при старте молекулы с сечения входа:
I = т] cos (2лЛ); т = т| sin (2лЛ);
л = ~]/1— т]2.
В блоке 5 (см. рис. 3.15) вычисляют координаты столкновения молекулы с поверхностями внутреннего или внешнего цилиндра, решая совместно уравнение прямой и уравнения поверхностен цилиндров Хг + у2 = . н х2 + у2 = ЯЗ.
В блоке 6 в зависимости от координат точки столкновения определяют, на какую поверхность попала молекула. При попадании молекулы на поверхность выхсЬа ее движение считают законченным, т. е. к числам и W добавляют по единице (блок S) н сравнивают (блок 13) с заданным числом испытаний. Если W больше числа, ’определяющего точность расчета, то. расчет заканчивают; если W  меньше этого числа, то рассматривают движение следующей молекулы с момента старта (блок 3). При попадании молекулы на поверхности цилиндров снова определяют направление движения (блок 9) для молекулы, стартующей с поверхностен цилиндров, но в данном случае а — это угол между нормалью к поверхности цилиндра в точке столкновения и направлением траектории.
В блоке 10 вычисляют координаты столкновения молекул с поверхностями цилиндров, как в блоке 5. В зависимости от координат столкновения молекула может попасть в сечение выхода (блок 8), сечение входа (блок 12) или снова иа поверхности цилиндров (блок 7). При попадании на поверхность цилиндров н сечение выхода процесс расчета ведут согласно рассмотренной процедуре. При попадании молекулы на поверхность входа (блок 12) движение молекулы также считают законченным. Прибавляют единицу к числу W и, считая, что молекула не прошла через элемент вакуумной системы, сравнивают (блок 13) число с заданным. Определив вероятность Р по формуле (3.37), вычисляют проводимость при Р = k.
В ряде случаев расчет вакуумной системы можно значительно упростить, используя графоаналитический метод моделирования на плоскости [37]. При сокрашенном числе испытаний (до 150) погрешность этого метода не превышает ±10%.
Расчетная модель на плоскости отличается от реальной условным диаметром d' при той же длине /: для круглого сечения d' ~ 0,25nd; для сечения, отличающегося от круга, d' — k'nFUl, где k', F, П — см. уравнение (3.24).
При выполнении расчетной модели вакуумной системы, состоящей из элементов с разными диаметрами dj, отношение условных- диаметров dyd"^ должно быть пропорционально отношению площадей поперечных сечений этих участков:	= Р^/р1+1 =
~	При этом Длину последу-
ющего участка изменяют в том же соотношении для сохранения отно--шеиня проводимостей этих участков. Кроме того, если условный диаметр d' последующего элемента расчетной модели на плоскости не изменяют, то его условную длину увеличивают в 4/л раз.
После построения расчетной модели на плоскости в соответствии с рассчитанными размерами моделируют процесс движения молекул газа в модели, графически прослеживая их траектории, от сечения входа до сечепия входа и выхода.
Проводимость вакуумных систем
57
На начальном этапе моделирования определяют координаты начала движения молекулы. Сечение входа плоской модели разбивают на 2m равных частей {например, 18), что соответствует разделению входного сечення реальной вакуумной системы на т (9) колец шириной 1/т (1/9) радиуса илн иа 2т (18) полуколец. Вероятность того, что координаты начала движения молекулы принадлежат области, ограниченной какнм-лнбо полукольцом (соответственно интервалом на расчетной модели), пропорциональна площадя Ft этого полукольца, т. е. часть Nj молекул из нх общего числа N начинает движение с поверхности полукольца Ft И Nt/N = FilF.
Используя последовательность случайных чисел от 1 до 18 (прил.1) для выбора места молекулы во входном сеченвн, определяют . номер участка сечения входа расчетной модели, из центра которого начинает движение молекула газа. Так, первое число 16 означает, что начало движения — центр 16-го участка сечення входа.
Направление движения молекулы определяют с использованием данных, приведенных в прил. 2. Последовательность случайных чисел от 1 до 17 учитывает диффузный закон отражения молекул от поверхности или вход молекулы через входное сечение. Так, первое число 12 означает, что угол а, отсчитываемый по часовой стрелке от поверхности до траектории движения, равен 120°. В общем случае aj == i-10°.
Определив координаты* начала движения, траекторию перемещения молекулы продолжают до пересечения с поверхностью. Затем снова по прнл. 2 определяют направление отражения молекулы от этой поверхности. Так прослеживают траекторию движения молекулы до тех пор, пока она не попадет на сечение входа или выхода. Проследив 150 молекул с момента входа в систему до выхода, по уравнению (3.37) определяют коэффициент Клаузннга при /V = 150.
В качестве примера рассчитаем проводимость клапана 137]. На рис. 3.18 представлена упрощенная конструктивная схема клапана в открытом положении. Для Упрощения расчетной схемы проточную часть клапана разобьем иа три участка. Размеры расчетной модели на плоскости
Рис. 3.18. Конструктивная схема к расчету клапана
(рис. 3.19) участка I рассчитываем, начиная от сечения входа; г/' = 0,25nrf] = == 0,0628 м. Длины I' и I' неизменны: Ч “ ^1 ~ м;	°= 0,02 м'
Диаметр D' корпуса, длина 1' н диаметр клапана </' соответственно:
D' = d'Dt/di = 0,187 м; 1' = Ijdx = = 0,0345 м; d' = г/, л/4 = 0,066 м.
Входное сечение разобьем на 18 равных участков и по прил. 1 примем первое! число 16. Из центра 16-го участка проведем прямую линию под углом а = 120° к торцу входного сечення, определяемым первым числом 12 (прил. 2). Из точки 1, полученной в месте пересечения траектории молекулы с поверхностью стенки, проведем новую линию под углом а — = 100°, соответствующим второму слу-
7 } 113 11131518
Рис. 3.11. Расчетная модель участков I и 11 (см. рис. 3.18)
58
ТЕЧЕНИЕ- РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
1 3 5 731113151$
Рис. 3.20. Расчетная модель участка /// (см. рис. 8.18)
чайному числу 10 из прял. 2. Пересечение этой линии со стенкой определяет точку 2, из которой в соответствии с третьим числом 13 (прнл. 2) под углом 130° проведем третью линию траектории молекулы, которая пересекает поверхность входного сечения, т. е. молекула вернулась на входное сечение (отрицательный результат испытания).
Начало движении второй молекулы (второе испытание) определим вторым числом 4 (прнл. 1), а направление движения с a s= 110е — следующим числом 11 (прнл. 2). Проведя 150 таких испытаний, получим 42 положительных результата испытаний, когда молекула достигнет выходного сечения участка / (см. рис. 3.18), т. е. вероятность того, что молекула пройдет участок //, ^i^xi “ 42/150 = 0,28.
По уравнениям (3.17), (3.27) спреде" лнм проводимость участка /
CZj == Р J4Jl/ OJ* где — проводимость входного отверстия участка I.
В соответствии с (3.18) для воздуха при Т 293 К
= 116nd2/4	0,584 мЗ/с.
Рассматривая Участок / как короткий трубопровод, по уравнению (3.15) для молекулярного режима течения определим проводимость проточной части участка I
UiUoi	Ui
ГТ	4 U*	4
umpl~ у _ ц ~ j _ р 01 I	I-
0,28-0,584	„
= -П^28~==0’227 М’/С
Участок II представляет собой проточную часть между двумя коаксиальными цилиндрами с наружным диаметром D — » 0,138 м и внутренним dt = 0,084 м при длине It » 0,04 м. Проводимость участка II l/jj я 2,35 м’/с.
При переходе от участка II к участку / происходит поворот иа 90е в направлении течения газа; длину участка III определяем от осевой лниик.
Проводимость участка III также рассчитаем упрощенным методом Монте-Карло. Размеры расчетной модели на плоскости (рис. 3.20) определим из условия сохранения отношения диаметров: D’ » = D = 0,138 м. Диаметр d% рассчитаем как среднее арифметическое и d^ d'3 ~ ** 0,5 (Й'2 -j- d3j = 0,08 м; диаметр d£ =* — d4 — 0,08 м. Так как d£ = const, длина этой проточной части увеличена в 4/Л раз и Zfn = 0,5D' 4- 4/4/я = 0,1405 м.
Проводимости системы в прямом и обратном направлениях одинаковы, поэтому в качестве входного сечения примем выходное сечеине клапана.
При определении вероятности	8=5
== Рщ-ix движение молекул моделируем по аналогии с участком I. В результате 150 испытаний 44 молекулы прошли от входного до выходного сечения участка III, т. е.	" 44/150 “ °’294’
Проводимость проточной части участка III
и =	_ 0,294-0,584 _
umplTl UOJU-UU1 1-0,294
— 0,243 м’/с, где У1П =» Рц-Ш^оПГ УйП “ = 116лг/2/4 = 0.584 м’/с.
Таким образом, известны проводимости всех участков клапана и. его проводимость U определим в соответствии с уравнением (3.4):
У-1 -=	+ УТ? + УтрШ + У01 =
= 0,227-1 + 2.35-1 4- 0.243-» + 0.584-» = = 4,41 4- 0,43 4 4,12 4 1,71 = 10,67 с/м’, отсюда U •• 0,094 м’/с.
3.8.	Расчет централизованных вакуумных систем
В централизованных системах откачки одним насосом одновременно откачиваются несколько сосудов, подключенных к общему коллектору. Примером централизованной системы является подключение нескольких высоковакуумных насосов к одному форвакуумному насосу. Расчетная схема централизованной системы откачки показана на рис. 3.21. Вакуумный насос подключен трубопроводом длиной (проводимость t/,) к коллектору длиной 1К. Откачиваемые насосы с потоками газовыделений Q1F Qn. соединенные с коллектором трубопроводами длинами /х,	1п, харак-
теризуются заданными коэффициент . тами одновременности работы m и
Откачка еаза из вакцинной системы
59
нестабильности рабочего давления .....'Ь-
Для коллектора на участках между последовательно подключенными откачиваемыми насосами в установившемся режиме справедливы следующие уравнения газовых потоков:
п		п
«2	=	— m~£Qiqi =
i=2	1=3
= Uf (Рз -Рз)\ • •  i mQn4n —
— U n (Pn  Pn-1) •
Эту систему можно записать в виде
п т VI
Ра = Р1 +	/ । Qi<)i' Рз — Р1 +
i=2
+ т ( ' У 1 у1, X \	1=2	1=3
xQjty I;  • ;
/ п
Рп = Pi + т I и 21	QiPi +
\	<=2
QnQn Un
(3.38)
При заданных размерах коллектора, определяющих проводимости U2, .... Un, потоках (?2, Qn и давлении в одной из точек подключения откачиваемых сосудов (обычно рп) из системы уравнений (3.38) можно определить давления во всех остальных сечениях коллектора, в том числе давление р,. При централизованной откачке насосов давление рп выбирают меньше максимального выпускного давления рВ1Пах высоковакуумного насоса.
Быстрота действия иасоса
$н = QeUjJiJJtfi — Qc),
n
где Qc = т У, Qtqt — суммарная про-1=1
изводительность откачки; рг — давле-
Рве. 8.21. Расчетная схема централизованной вакуумной системы
яяе в сечении коллектора, соответствующем подключению первого откачиваемого сосуда.
Диаметры соединительных трубопроводов длинами /ъ ./п определяются их проводимостями U\ =	где
Др/ — заданный перепад давлений между коллектором и откачиваемыми сосудами.
3.9.	Процесс откачки газа из вакуумной системы
При расчетах вакуумных систем часто необходимо определять время выхода установки на режим, т. е. длительность откачки от начального давления до заданного, которое необходимо поддерживать в откачиваемом сосуде. При этом обычно возникает нестационарный режим течения, когда давление и скорость течения газа в каждой точке вакуумной системы непрерывно меняются. Для упрощения расчетов времени откачки рассматривают квазистационарный режим течения газа при условиях: разность давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним давлением в нем; объем трубопровода значительно меньше объема откачиваемого сосуда; режим течения газа в трубопроводе постоянный по времени.
Условия существования квазиста-ционарного режима течения можно выразить в виде
ta ~ SaFl ’ ’
где Zj = И/So и t2— Г’1/ U — постоянные времени откачиваемого сосуда и трубопровода; V — объем откачиваемого объекта, м3; U — проводи-
60
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Kz,'A> .
Рнс. 3.22. Схема вакуумной системы
ряда высших порядков малости, -получим
'dV	Уе	dp 1	dQs
dt =	прй	dt	' р0	dt	’
(3.40)
Процесс откачки можно описать уравнением политропы только в начальный момент откачки при турбулентном н ламинарном режимах течения; при молекулярном режиме процесс изменения состояния газа является с достаточной степенью точ-
мость трубопровода, м3/с; Sn — быстрота откачки объекта, м3/с; F — площадь поперечного сечения трубопровода, м2; I — длина трубопровода, м.
В реальных вакуумных системах последнее условие практически всегда выполняется; исключение составляет начальный период откачкн от атмосферного давления. Продолжительность этого периода обычно весьма мала по сравнению с полным временем откачки, и процесс откачки можно рассматривать как квазистационарный, а проводимости трубопроводов — определять по известным формулам стационарного режима течения.
Пусть за время dt из сосуда (рис. 3.22) объемом Vo откачивается объем dV газа при давлении р0, т. е. поток padV. За это же время в сосуд в результате газовыде.тения стенок н натекания нз окружающей среды попадает поток dQs =	+ dQH, где
Qpb и Qu — потоки соответственно га-зовыделения и натекание извне. При давлении р0 поток соответствует объему dQ^/p0.
. В результате давление в системе изменится на dp. Тогда согласно уравнению политропного процесса можно записать
= (pe + <ip)^,	' (3.39)
где л — показатель политропы.
Разложив в ряд выражение (3.39) при условии пренебрежения членами
кости изотермическим.
Так как dV/dt = So н Vjn = V — приведенный объем, то в общем случае уравнение (3.40) можно переписать в виде
S#
V dp
Ре dt
Ре ’
(3.41)
где Q'e = dQ^dt.
Считая Qj и So постоянными, после
интегрирования получим V	Ро~ Q х/so
s01п	’
(3.42)
где р'о И Ро — начальное и конечное давления в откачиваемом сосуде.
Для определения времени откачкн объекта от атмосферного до требуемого давления прн любом режиме течения газа вместо уравнения (3.42) можно использовать номограмму (рис. 3.23).
Цн3 10’-.
S:

$р, JK. d 110' 1
d0°
2-
10°-.
103=
10 =
5-

2-
М
Ю'\
10°'

2-
1(Гг-
8.28.
ад «Г 1(Г3 -

Ю3=
-J0'3
Ч0в10^
tTC
г2 -5 ЧО1 :2 й- г— ^5, ЧО3 2\ ':-5
.-io°--
Номограмма для
Рнс. времени отжаччи объекта в от конечного давления
кр
10
2
/7д
10
-5
!0^^ 2-.-" 10^1 2^-.. 10^ = 5 -.Л-2 №{-.10
ЧО3
5
юг
2
-.5
определения зависимости
Пример расчета проводимости схемного трубопровода
61
Например, для определения времени t откачкн сосуда объемом V = 5 м3 насосом, обеспечивающим быстроту откачкн Se =0,1 ms/c, до давления р•» 6,7 Па точку V = 5 м3 соединяют с точкой So = 0,1 м3/с прямой линией. Продлив эту линию до шкалы V/Sp, соединяют полученную точку с точкой р = 6,7 Па. Пересечение этой новой прямой со шкалой t дает время t = 700 с, необходимое для откачкн сосуда до заданного давления р.
Для определения времени откачки, например того же сосуда, от давления р' - - 6,7 Па до давления р” = 6,7Х X102 Па тем же насосом (So = = 0,1 м3/с) точку, найденную на шкале VlS0, соединяют с точкой на шкале kp = р' Ip" = 100 прямой линией, пересечение которой со шкалой t дает время t = 230 с.
При длительной откачке давление в сосуде постоянно и равно предельному давлению рпр — наименьшему давлению, достигаемому в сосуде с постоянным потоком газа Q-£ = QrB + + Qh — PnpSfl.
Если проводимость трубопровода намного больше быстроты действия насоса (U SH), например прн турбулентном и ламинарном режимах течения, н потоками газовыделения и натеканий можно пренебречь, то уравнение (3.42) примет вид t~ (V7SH) X х In (Ро/Ро)-
При определении времени откачкн предполагают, что быстрота откачки объекта So не зависит от времени н давления. В действительности, если даже быстрота действия насоса не зависит непосредственно от давления, то она зависит от проводимости трубопровода, а следовательно, в вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах течения и от давления. В связи с этим при определении времени откачки зависимость Se — f (р) необходимо разделить на участки, на которых можно считать Sa — const или описать зависимость So = f (р) аналитическим выражением.
Определив время для каждого Участка, из уравнения (3.41) можно найти полное время откачки, равное сумме
3.10.	Пример расчета проводимости сложного трубопровода
Исходим® дайны е. Трубопровод (рис. 3.24), соединяющий откачиваемый сосуд 1 с вакуумным насосом 6, состоит из цилиндрического трубопровода 2 круглого сечения длиной /, — ! м и диаметром £>_• = 0,5 м. переходника 3 длиной Z* «= 0,23 м и диаметром Ds = = 0,38 м, прямого вакуумного затвора 4 — 0,38 мм) длиной I* яв 0,38 м н диаметром £>4 «в 0,38 м, колена 5 со сторонами /' = 0,58мн/*= 0,38 м н диаметром D| = 0,5 м. Определяющий размер откачиваемого сосуда £>i — 10 м, быстрота действия вакуумного насоса $_ = 5 м’/с н при давлении во входном патрубке pj = = 10~* Па. Откачиваемый газ — воздух прн температуре 293 К. Определить бы* строту откачки $0 сосуда, давление pt в сосуде и проводимость трубопровода. Решение. 1. Молекулярный режим течения.
Для определении режима течения в колене 5 трубопровода рассчитаем число Кнудсена
так как Кп > 0,33, режим в колене трубопровода — молекулярный.
Проводимость колена трубопровода [см. (3.28)]
U, = 116A.F, = 116 0,370:0,196 = 8,427 м'/с.
где k, = 0,370(см. рис. 3.13) при l'jRi —
•= 2,32 и lyRc, = 1.52; F6 == nDi/i = » 0,196 м«.
Из соотношения Q — Snpa » U. • — Р.) давление р, на входе в колено трубопровода
₽5 = Рв(5Н + и5)/иб=1°-,<5 + + 8,427)/8,427 = 1,593-10-« Па.
Проверим режим течения в колене 5 и вакуумном затворе 4: Кп = 7,764 > > 0.33.
Рве. I.М. Схема к расчету проводимости трубопровода
Ь2
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕШЕННЫХ ГАЗОВ
Проводимость вакуумного «атвора [см, (3.28)1
U, •= 116A.F, - 116.0,614.0,113 = — 6,762 м’/с,
где к. = 0,514 (см. табл. 3,3) при IJD, ' = — 1,0; F4 = ЛО2/4 = 0,113 м’.	. j
Из соотношения Q = У, (р4 — р4) давление pt иа входе в затвор 4	,
р4 = р, + <?/У«=1,593.10-« + 5-10-«/6»762=
= 2,332-10“’ Па.
Проверим режим течения в ватворе 4 к переходнике 3:
Ю~’
Кп = 4,7 —1=  = 6,303 > 0.33.
и, оо Р 4
Так как вход в переходник 3 нз цилиндрического трубопровода 2 необходимо рассматривать как большую диафрагму (Dt/D8 ~ 1.316), определим проводимость 3 переходника с учетом влияния изменения площади сечення по формулам (3.28) н (3.19):
и, = H6A.F, ~Ц~~£Г- - 116.0,632.0,113 X г 4 Г 4
X--------------— 19,663 м’/с,
Л 0,196-0,113	'
где k, — 0,632 (см. табл. 3,3) при l»IDt = = 0,605; F3 = ЛО2/4 = 0,113 м2; F^ = = яП|/4 = 0,196 м2.
Давление на входе в переходник 3
Р, = Р4 + Q/U, = 2,332.10-’ +
Г + 5-10~’/19,563 = 2,588.10-’ Па.
Проверим режим течения на выходе из цилиндрического участка 2 трубопровода;
4,7-10-*	4,7-10“’	„ „„„
Л ptD,	10-’.0,5-2,688	'
'> 0,33.
Так как ОУО, = 20, вход в цилиндрический участок рассматриваем как малую диафрагму; проводимость
 У, — 116H.F, — 116.0,359. 0,196 = = 8,162 м’/с,
где к, — 0,359 (см. табл, 3.3) при lt/D, “ в 2,0.
Давление в откачиваемом сосуде
' Р1 = Р» = Р, + Q/У, = 2,588-10-» +
+ 5-10-’/8,162 = 3,201-10-’ Па.
Проверим режим течения в цилиндрическом участке
4,7-10—•
Кп“т^мгте~2Л>37>0-33-т. а. режим течения молекулярный.
Быстрота откачки сосуда /
S. — Q/P, = 5- 0”’/(3.201-10”’) =
= 1.862 м»/а.
Проводимость всего трубопровода
У = Q/(Pi - Р.) = Б-10-’/[(3,201 -— 1) 10-’] = 2,272 м’/с.
2. Вязкостный режим течения (давление всасывания насоса р, = 1,5 Па).
Проверим режим течения ь колене S.
X 4,7-10-’	4,7-10-’
О, “ p,D,	1,5-0,Б “
= 6,267 10-’ < 0,01,
т. е. режим течения вязкостный. Так как давление в остальных частях трубопровода выше, а для вакуумного затвора 4 и переходника 3 с наименьшими диаметрами Dt = Dt ~ 0,33 м вязкостный режим начинается с давления
4,7-10-’
Р‘~ KnDa
4,7-10-’	,_______
~ 10-’-0,38“ 1,237 Па’
то в остальных частях трубопровода наблюдается вязкостный режим течения.
Приняв поток газа Q постоянным во всем трубопроводе, из уравнения потока Q «а 4/гЧрв ~ Р«) я уравнения (3.14) определим давление иа входе а колено 5;
= ]Л Р? +
lpQ + 0.03Q’
6801)4 О
1/~, С. , 1.625.7,5+0,03-7,5’
И Ь 61+ —680^--------
= 1,605 Па,
где Q = SHp6 = 7,5 Па-м3/с; tp —	+
+ /5 + 1,ЗЗП5 = 1,625 м [см. (3.43)].
Проводимость колена б
U, = Q/tPi — Р«) =7,5/0,105 = 71,33 м’/с.
Давление на входе в вакуумный затвор 4 определим, заменив его, как выше, эквивалентной трубой:
„	1	+ 0.03Q’
р4 “ У Р1 +	6307)4
&
- 1/ТбОБ. + °-^£±	,
у 1,000 -Г 680-0,38’
= 1,702 Па.
Проводимость затвора 4
V, = Q/(pt — р,) = 7,5/0,097 = 77,32 м’/с.
Давление р' на входе в переходник 3 определим без учета влияния изменения площади вход? от F, до Fs из уравнения (8.11)  уравнения потока
Pi = Pl -I-------—
и3 у 680У|
=/1.702’+б4^= 1,737 Па.
Проводимость переходника 3 “ р3 “ 7.5/0,035 = 214,3 м’/с
Определение проводимости Методом уелоеых коэффициентов'
63
.0.286 х
Давление pt иа входе в переходник оассчитаем с учетом влияния большой „иаЛрагмы, которой является вход, совместным решением (3.9), введя коэффи-^:НТг',/рХ>‘^”* 8:УРаВйеИИЯ П0Т0Кв
Q ,_g 766-с0’714 у
Ps-₽3	* !"т
X
F, — F, ’
где р, = 0,196 м«; F, = 0,113 и».
Решив уравнение
(Fs — Q __ -0.286*1/«	0.286
"Л-76.6Р^з	-
методом последовательных приближений, получим т — 0,999 и . р» = 1,739 Па. Перепад давлений р3 — р^ очень мал, поэтому влиянием большой диафрагмы пренебрегаем.
Давление Pi == р8 в сосуде 1
рх
-Vpi+
l,Q + 0.03Q» 680Р|
1,739» +
И?_+0Л0?^ = 1.8Па.
680.0,5*
Проводимость цилиндрического’ трубопровода 2
U, = Q/(p, - р.) = 7,5/0,061 = 122,95 м»/с. Быстрота откачки
S„ = Q/p, = 7,5/1,8’ = 4,167 м»/с.
Проводимость всего трубопровода V = Q/(p, - р.) = 7,5/0,3 = 25 м»/с.
3.11. Определение проводимости вакуумных систем методом угловых коэффициентов
Проводимость элементов вакуумных систем (вентилей, затворов, участков трубопроводов)' и систем в целом, а также распределение молекул по поверхности вакуумной системы или отдельных ее участков можно рассчитать с помощью угловых коэффициентов,. используемых для определения теплообмена излучением.
В общем случае элементарную площадь dFt поверхности F; вакуумной системы покидает поток молекул, плотность которого
=	(1 — а) (3.43)
гАе ?о( — плотность потока молекул, испускаемых площадью dFt (иапри-МеР> в результате газовыделеиия по-
верхности); а — коэффициент поглощения молекул газа поверхностью dF{; q'i — плотность потока, молекул, падающих на площадь dFi.
На элементарную площадь dFt падает поток молекул со всех поверхностей вакуумной системы, видимых из центра площади и образующих замкнутую систему. Полная плотность падающего потока
j
'dF.—dF^f
(3.44) где qj — плотность потока молекул, покидающих площадь dFj [см. (3.43)]; _apt — вероятность попадания молекул газа с элементарной площади dF j поверхности Fj на площадь dF, поверхности Ft.
Вероятность dy^p__dp зависит от
закона отражения и испускания частиц поверхностью и взаимной ориентации площадок.
При диффузном законе отражения ‘fydFj-dFf = (da>ji/n) cos S/> (3.45) где^со^ —телесный угол с вершиной в центре площади dF j; t,j— угол между нормалью к площади dFj и линией, соединяющей центры площадей dFj и dFt.
Величина dq>dF __dpi называется дифференциальным или элементарным угловым коэффициентом и представляет собой выражение диффузного отражения.
закона
С учетом
dFt
d®ji = cos Si
можно
записать
-d4dF.~dF
(3.46)
к пло-
COS £/ COS „ dFi<
где C, — угол между нормалью щади dFt и линией, соединяющей центры площадей dFt и dFг — расстояние между центрами площадей dFt и dFj.
Вероятность dtfjp _р попадания молекул газа с элементарной площади dFj иа всю поверхность площадью
64
ТЕЧЕНИЕ'РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
Ft называют локальным угловым коэффициентом
dVdFf-Ff = J d^dF.-dFf = Fi
= \^^-dFi. (3.47) Ft
Вероятность _/? попадания мо
лекул газа с поверхности площадью Fj на поверхность площадью Ft при постоянстве qj по всей поверхности называют средним угловым коэффици-
ентом
Ч> f J dFf j X Fi Fi
". COS t f COS t i
 x----It^-dFi. (3.48)
Если рассматривать вероятность попадания молекул газа с элементарной площади dFt на площадь dF j, то дифференциальный угловой коэффициент
. dtHj]
d^dFf -dFj — л cos Cf —
cos cos JC,	/o
=----------------dF}.	(3.49)
Сравнив уравнения- (3.49) и (3.46), можно записать:
dtydFt—dFj dFt = dydFj_dFi dFj.
(3.50)
Это соотношение называют свойством взаимности дифференциальных угловых коэффициентов. Для локальных и средних угловых коэффициентов это свойство соответственно имеет вид
d^>dF.~Fj dFi = dypj—jpFj‘, ^Ff —F^i ~ VPj—Ffl- **
Свойство аддитивности угловых коэффициентов заключается в том, что угловой коэффициент	между
поверхностями Ft и Fj равен сумме коэффициентов <pF __ между по-
i г }П
верхностью FI и всеми частями У Fjn
поверхности Fj, из которых она co-
(Л	\
Fj = 2	):
n=l	)
k
VFi~Fi ” „?!
Кроме того, сумма всех угловых коэффициентов между поверхностью Ft и всеми п поверхностями, образующими замкнутую систему, равна единице:
5	— !•
Расчетные зависимости угловых ко- ‘ эффициентов для поверхностей нан-' более распространенных геометрических конфигураций, описывающих вакуумные системы, представлены в табл. 3.8 [39].
Уравнение (3.43) при учете уравнений (3.41), (3.46), (3.50) позволяет определить основные коэффициенты, описывающие взаимодействие потоков молекул с поверхностей системы.
Плотность потока молекул, покидающих поверхность Ft,
+ (! — ai) j 4jd<pdpt_dp  ZFJ
(3.51):
Распределение плотности молекул, падающих на поверхность, можно определить из уравнения (3.44) с учетом (3.43), (3.46), (3.50):
4i== j <lQjd^dpt _dP +
*Fi
+ J V-^ljdVdFt-dFj-
*Fj
(3.52)
Плотность потока молекул газа, поглощаемых поверхностью, q"t =
Вероятность k прохождения молекул газа от входного сечения Ft вакуумной системы до выходного сечения Fj
й = j Я/dFj j qOtdFf (3.53)
Определение проводимости методом угловых коэффициентов
65
Таблица 3’.8
Схема 1	г 0гт *z/	ж 1	u:		г^р ГФ''dip	3
Угловой коэффициент	cos Pt cos Pa лр ‘bfdF^dF, =	пгг	dF2	. + я. II  < е- + СП С« ° II % 1 . %			(<Ь uis) р — = ,JP lJP<bp	•
Варианты взаимного расположения поверхностей	Две произвольно ориентированные элементарные площади		две элементарные площадки с параллельными образующими		Элементарная* площадка и бесконечно длинная полоска бесконечно малой ширины с параллельными образующими	
® П/р Е. С. Фролова
Продолжение табл. 3.8
8
Варианты взаимного расположения поверхностей	Угловой коэффициент 	Схема	
Две бесконечно длинные полоски бесконечно малой ширины с параллельными образующими	d<fdFi-iF, = -у d (s*n ф) = 	1_	хр sin2 «	 ~ 2 (х2 + р2 — 2хр cos а)1’6	dx	dFl rk I / TrZ лГк -	C|T\
		I	!
			
Элементарная площадка» расположенная в углу торца канала квадратного сеченйя, и элемент поверхности канала	d4dFt-dF, п + X2)I.S | arct8 [(аа + х2)0.б] + '	1 «(а2 + х3)0’6 U 1 х2 + 2а2 J		In \ \ > I I \ I \ ' \AVWx?; \/ \
Два кольцевых элемента на внутренней поверхности прямого кругового цилиндра	.	1 Г. x(x2 + 6fl2) "I . dfPdFt-dF, 2R L1 (х2 + 4^2)1,5 jdx		I • Й / Я й'кчЛ7
* Два кольцевых элемента на внутренней поверхности прямого кругового конуса	 • .	COS2 “ ( <	.	 к, d<PdFl-dF!t - 2Х1 sin а ( 1 | Х1 *2 | X v (Х1 ~~ •t2^2 + 6*1*2 Sin8 а	) [(*! — х2)2 + 4x^2 sin2 a]1-6 J		< a	A^2 \/ у		
		L				
Два бесконечно малых элемента на внутренней поверхности сферической полости	^dF.-dF, = ЩАяЯ*	/dF, dp\ ЯЛ ( )				
Бесконечно длинная полоска бесконечно малой ширины и плоскость конечной ширины и бесконечной длины с параллельными образующими	\ „ • .	__ 1	/ COS « — X		 a<fdF,-F, 2 1 2(х»-На —2x/cosa)°-s					dF1
						
					 z.			
а>.
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕНН Ы X ГАЗОВ	Я	Определение прпепдиности аетодоя угловых коэффициентов
Продолжение табл. 3.8
Варианты взаимного расположения поверхностей	Угловой коэффициент	Схема
Элементарная площадка плоскости н параллельный ей плоский прямоугольник (нормаль к площадке проходит через угол прямоугольника)	. '	17а.	Ь ‘tydPi-F, 2п [ya2_j_h2	8уа2-)-Л2 *	.	b	,	а	\ 4	— arctg —	.— - у*2 4-й2	у&2 + я2 /	[Г ° 4
Элементарная полоска плоскости н параллельный ей плоский прямоугольник (плоскость, нормальная полоске, содержит сторону прямоугольника)
d<DjF р = -4- /т/&2 + Л2 arctg —. а -
,	, а . ab . Ь \
— h arctg -г 4-----.	arctg .	.— -
h У а2 + й2	У а2 4-й2 ./
Элементарная площадка плоскости н прямоугольник, расположенный в плоскости, перпендикулярной площадке
. 1 / * ь d,fdFt-F, -	^arcfg h —
h	,b
--, „ arctg —	— . У а2 4-й2	У а2 4-й2
Элементарная полоска плоскости и прямоугольник, расположенный в плоскости, перпендикулярной полоске
Элементарная площадка плоскости н параллельный ей круглый диск
Элементарная площадка плоскости н круглый диск, расположенный в плоскости, перпендикулярной площадке
Элементарная площадка плоскости н параллельный ей эллипс; нормаль к площадке проходит через центр эллипса
. Ь Г * 6 .
=— LarCtgT +
, h , й2 (а2 + 62 + й2) -
+ 26 П (&2 + Л2) (а2 + й2)
h _______b 1
d<?dFt—F, — ~2	1
р2 + й2 4- R2 У(й2ур2 + R2)2 — 4р2/?3
_ й Г р2 +	_
VdFt-F, - 2р [ у(ра +./?а+Ла^_4ра/га
______ab -___________
Ър,-Р, = у(/га+а2) (Л2+ 5»)
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ	Я	Определение проводимости методом уеловых коэффициентов
Продолжение табл. 3.8
Угловой коэффициент
Схема
Варианты взаимного расположения поверхностей .
Элементарная полоска бесконечно малой ширины и любой длины и параллельный ей бесконечно длинный цилиндр
Элементарная полоска бесконечно малой ширины и любой длины па поверхности цилиндра и бесконечно протяженная плоскость
Элементарная площадка на внутренней поверхности внешнего цилиндра системы из двух коаксиальных цилиндров и внутренняя поверхность внешнего цилиндра
Кольцевой элемент на внутренней поверхности цилиндра н торец цилиндра

Элементарная площадка в плоскости торца прямого цилиндра И наружная поверхность этого цилиндра
Кольцевой элемент на плоскости, параллельной торцу цилиндра, и внутренняя поверхность цилиндра; центр кольцевого элемента на оси цилиндра
j	— _L _ ^2 I v
d^dF^F, 2. .47?! + л7?1 X
Г l . -]/R*-R%
X -p- arctg -------2--
L ^2	*\2
1 x /8 _ 4 (J?? — 7?g)	Z2+2R?
2	6 M-\/R{-Rl	R2V/2+4/^
ft2 + 2R2
72 + R?+ R1-2R1R2
^dF.-F,	27? Д/Л2 4^а
dFdFt-F, =	(1 + cos а)
hR
WdFr-F, - fta-i-pa
1	1 А Rt ,
= ^-|TarCC0S-RTH
R2	b2+R2_Rl
+ arctg	x
X tg Г4- arccos (R2/R1)~I
X arctg-------------------------------
где X = 1/(P + R'i + Rl)2 ~ 4/?|Z?|
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОН	В	Определение проводилтста методом угловых коэффициентов
d4dFt—F, ~
If (l + W + Rl-Rl
2 i Vl(l + Л)2 + Rl + Ril2 - ^RiRl h2 -f- Rl -Rl ]
У^+Rl + Rir-WiRl J
Продолжение табл. 3.8
ьэ
Варианты взаимного расположения поверхностей	Угловой коэффициент	Схема
Кольцевой элемент внутренней поверхности цилиндра и внутренняя поверхность цилиндра	.	_ 1 Г/  712 + 2R2 _ _ U + ft)a + 2Ra 1 V(l + h)* + 4R* J	(IB
Кольцевой элемент в плоскости, параллельной торцу, и внешняя поверхность этого цилиндра; центр элемента на оси цилиндра	’do,	= — f	^- + Rl-Rl dFt-F' n 1 y(A, + R2 + R2)2 _ 4R2R2 ' у nrctrl/ t^-R2lI(Rr + R2)2 + ^	' X arctg у (R1 +	[(j?i _ ^)a + ft2] (h+iy + R^-Rl У((Л + /)2 + ^ + ^Г-4ВД \ „ arct„ 1/	{(Rx + R^ + jh + im 1 xarCTg|/ (i?1 + Ra)[(R1-R2)2 + (ft + /)a] 1	
Кольцевой элемент внутренней поверхности наружного цилиндра системы коаксиальных цилиндров и наружная поверхность внутреннего цилиндра
^PdF^F, —
R% Q|/Ri — Ri — R2 arccos
nRl
fl+Ofri I arete + Z
(h + l)4 Rl + g Ri 
hRx	, h “I
Л2 + Rf arctg Ri J
при Ra/RiC0,05
Сферический точечный источник, расположенный на нормали к плоскости прямоугольника, проведенной из его угла, и сам прямоугольник '
F, —
1	ab .
= —— aresm —	-..-
4л У/t4 + h? (a2 + &2) + aW
Элементарная площадка плоскости и сфера; центр сферы в плоскости, нормальной площадке
AR2
(p2 -j- ft2)l,S
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕЖЕНН Ы X ГАЗОВ	Я	Определение проводимости методом угловых коэффициентов
74
ТЕЧЕНИЕ РАЗРЕШЕННЫХ ГАЗОВ
Коэффициент захвата вакуумной системы, имеющей только входное сечение Ft,
ас = 1 - j q'(dF( I j q0{dF{. pi I Fi
Решение уравнений (3.51), (3.52) можно получить численными методами.
Используя зональный метод, когда исследуемые поверхности разбивают на п зои с одинаковыми характеристиками, уравнение (3.52) можно представить в виде
~	F,+ S х
/=1 ‘ ' /=1
X (1 — a,) qjd^dF{_F (3.54)
Решение системы уравнений (3.54) имеет вид п
‘I'i — 2 4Qj^dFi__
где ______F — разрешающий локаль-
ный угловой коэффициент, представляющий собой вероятность непосредственного попадания молекул газа с элемента поверхности dF; на всю поверхность Fj и отражения от других поверхностей.
Коэффициент dФttF____F можно при-
ближенно определить из решения системы алгебраических уравнений
п
d^dF.—?. = F + 2 (1 — а) X
1	1	1	1	к---Л
X <pF р ЛФар р . п ]	I п
С
РАЗДЕЛ 2 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Глава 4. Материалы вакуумных систем
4.1.	Общие сведения
Материалы, используемые в вакуумной технике, в зависимости от иа--значения подразделяют на три группы: конструкционные, специальные и технологические.
К конструкционным относятся материалы, используемые для изготовления вакуумных систем и элементов, включая средства получения вакуума.' Для этой цели .широко используют чугуны, углеродистые стали, легированные стали и сплавы, жаропрочные, жаростойкие и коррозионно-стойкие стали и сплавы, титан и его сплавы, цветные металлы и сплавы, стекло, керамику и ситаллы.
•Элементы конструкций, используемые в качестве тел нагрева, уплотнения и изоляторы изготовляют из специальных материалов: вакуумной резины, фторопласта, графита, тугоплавких металлов.
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в качестве припоев и уплотнителей подвижных и разъемных соединений фланцевого и клапанного типов, высоковакуумных и сверхвысоковакуумных элементов и систем.
Широкое применение стекла и керамики в качестве конструкционных материалов объясняется их способностью к формообразованию, хорошими электроизоляционными двойствами; низкой газопроницаемостью, химической стойкостью. Из стекла изготовляют вакуумные трубопроводы, смотровые окна, оболочки рабочих вакуумных камер и др., из керамики — изоляторы, электрические вакуумные вводы. В последнее время из керамики выполняют детали уплотняющих клапанных пар, направляющие координатные столы и др.
Большое распространение, особенно в технике низкого вакуума, получила вакуумиая резина. Отличные упругие
свойства вакуумной резины сделали ее- незаменимым материалом для вакуумных уплотнителей. Ее используют также в качестве мембран и гибких перегородок вводов движения в вакуум.
Резиновые вакуумные шланги применяют в качестве вакуумпр оводов форвакуумных систем.
Из фторопласта изготовляют мем-, браиы, сильфоны, подшипники сколь-., жения, направляющие уплотнители в разъемных и подвижных соединениях.
Вакуумные лаки применяют главным образом для устранения течей в редко разбираемых нешлифованных соединениях; вакуумные смазочные материалы используют в качестве вязких уплотнителей для кранов и шлифованных соединений. Вакуумные замазки применяют для уплотнения нешлифованных соединений.
В последнее время для вакуумного уплотнения широко используют гер-' метики, в неразъемных вакуумных соединениях — вакуумные цементы и клеи. Общее требование к материалам этой группы — низкое давление пара при нормальной температуре, малая усадка при остывании или испарении связующего вещества.
Дополнительные требования к конструкционным и специальным материалам, работающим в условиях повышенных температур: малые давление насыщенного пара и степень диссоциации при рабочих температурах, отсутствие химических реакций, протекающих с образованием газообразных продуктов или эвтектик, малая адсорбционная способность по отношению к газам и парам.
К технологическим относятся материалы, используемые при испытании, ремонте и эксплуатации вакуумных систем: лаки, клеи, герметики, замазки, смазочные материалы, материалы для очистки вакуумных аппаратов и др.
76
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Требования ко всем материалам определяются функциональным назначением элемента или узла, в которых они применены.
4.2.	Чугун
В вакуумной технике чугун используют главным образом для изготовления литых корпусных деталей, работающих при низком и среднем вакууме. Эти детали должны иметь достаточную вакуумную плотность, поэтому нх изготовляют литьем под давлением.
Малоиагружеиные корпусные детали отливают нз чугунов СЧ15 и СЧ18, нагруженные детали — из чугунов СЧ20, СЧ25 и СЧЗО. Из чугуна СЧ35 отливают сложные детали повышенной плотности. Детали пар трения изготовляют из антифрикционных чугунов; детали, работающие в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, — из чугунов АЧС-1 и АЧС-2; детали, работающие в паре с термически, не обработанными валами, — из чугуна АЧС-3.
Высокопрочные чугуны ВЧ 45; ВЧ 50 и В Ч 60 по механическим свойствам не уступают литой углеродистой стали — имеют хорошие литейные свойства, обрабатываемость резанием, высокую износостойкость, способны гасить вибрации. Из. отливок высокопрочного чугуна изготовляют корпуса иасосов, вентилей, переходников ц др.
Т аблица 4.1
Чугун	°в> МПа	ан, МПа	НВ	
СЧ15	147	314	163	... 229
СЧ18	176	358	170	... 229
СЧ20	196	392	170	...241
СЧ25	245	451	180	... 250
СЧЗО	294	490	181	... 255
СЧ35	343	539	197	... 269
Примечание. Здесь и далее: ов — временное сопротивление; ов — предел прочности при изгибе НВ — твердость по Бринеллю.
Таблица 4.2
Чугун	°в-МПа	<ТТ, МПа	в, %	НВ	
ВЧ 45	441	333			160 .	. 220
ВЧ 50	490	343	1,5	180 .	. 260
ВЧ 60	588	393	2,0	200 .	. 280
Примечание. Здесь и далее: ат -— предел текучести; 6 — относительное удлинение.
Механические свойства наиболее распространенных чугунов с пластинчатым графитом (ГОСТ 1412—85) н высокопрочных (ГОСТ 7293—85) чугунов приведены в дабл. 4.1 и 4.2.
4.3.	Углеродистые стали
Углеродистые конструкционные стали широко используют для изготовления элементов и узлов вакуумных систем, работающих прн давлении не ниже 10'4 Па и нормальной температуре. Для исключения коррозии поверхности стальных деталей, соприкасающиеся с разреженным газом, хромируют или никелируют, иа поверхности крупногабаритных корпусов вакуумных камер иногда наносят (плазменным способом) стойкую пленку алюминия.
В зависимости от назначения и гарантируемых свойств углеродистые стали подразделяют иа три группы (А, Б и В). В вакуумной технике наиболее широко используют стали группы Б, поставляемые с гарантированным химическим составом.
В табл. 4.3 указано содержание элементов для спокойных сталей группы Б, полученных полным раскисле-, нием металла в печи, а затем в ковше. Это стали с минимальным содержанием,-железа (11) оксида (FeO), которое1 обеспечивает «спокойное» застывание; металла в изложнице и практическое i отсутствие пористости.	!
Скорость удельного газовыделения j для иизкоуглеродиетых сталей, из-) меряемая удельным потоком газа, десорбирующегося с единицы поверхности в единицу времени, составляет (4,12 ... 41,2) IO'5 Па-м3/(м<с).
Углеродисты» стали
77
Таблица 4.3
Сталь	Массовая доля, %		
	' . с	Мп	Si
— —— БСтОсп БСт1сп БСт2сп БСтЗсп БСт4сп БСтбсп БСтбсп	Не более 0,23 0,06 ... 0,12 0,09 ... 0,15 0,14 ... 0,22 0,18 ...0,27 0,28 ... 0,37 0,38 ... 0,49	0,25 ... 0,50 0,25 ... 0,50 0,40 ... 0,65 . 0,40 ... 0,70 0,50 ... 0,80 0,50 ... 0,80	0,12 ... 0,13 0,12 ... 0,30 0,15 ... 0,35'
Стали группы Б хорошо сварнва- . процента. Низкоуглеродистые стали ются, поддаются горячему деформиро- 08; 10; 15; 20; 25 применяют, когда ваиию и термообработке Из этой требуются малая прочность и высокая группы наибольшее применение иа- эластичность. Из среднеуглеродистых ходит сталь БСтЗ.	сталей 30; 35; 40; 45; 50 после норма- Качественные углеродистые стали лнзации, улучшения и поверхностной поставляют с гаранжрованными хими- закалки изготовляют разнообразные ческим составом к механическими детали. Механические .свойства угле-свойствами. Их маркируют цифрами родлстой качественной стали должны 08; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45 и т. д., соответствовать ГОСТ  1050—83 которые соответствуют среднему со- , (табл. 4.4). держанию угАерода в сотых долях Т а б л и да 4.4								
	Механические свойства					Физические свойства,		•1
Сталь	°в	°т	6	М»	НВ	р, г/см’	X, Вт/(м. К)	а. 10е,
	МПа		•	К,				К -
08 10 15 20 25 30 f 35 40 45- 50	330 340 380 420 460 500 540 580 610 640	200 210 230 250 • 280 300 320 340 360 380	33 31 27, 25 23 21 20 • 19 16 14	60 55 55 50 50 45 - 45 40 40 40	131 143 149 163 . 170 179 1 187 197 207 217	7,830 7,830 . 7,820 7,820 7,820 - 7,817 . 7,817 7,815 7,814 7,811	77,2 77,2 74,0 74,4 72,0 72,0 72,0 56,8 64,8 64,8	11,6 11,6 . 11,6 11,1 11,1 12,6 11,1 12,4 11,6 12,0
*х Для изделий диаметром или толщиной до 80 мм после отжига.
*2 Значения % и а соответствуют температуре 293 К-
Примечаний. Здесь и далее: ф — относительное сужение поперечного сечеиия после разрыва; р — плотность; X — теплопроводность; а — относительный температурный коэффициент линейного расширення.
78
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Т а б л и ц а 4.5
Примечания: 1. Для всех сталей, кроме ЗОХГС, содержание кремния 0,17 ... 0,37%. 2. Тв и Тв характеризуют порог хладноломкости (Тн н Тв — температура, соответственно ниже и выше которой излом полностью хрупкий).
Коррозионно-стойкие спали
79
4.4.	Легированные стали
Легированные стали после термической обработки имеют лучшие механические свойства, чем углеродистые стали. Основные легирующие элементу хром, никель, кремний и марганец. Вольфрам, молибден, ванадий, титан, бор и другие легирующие элементы вводят в сталь в сочетании с хромом, никелем и марганцем. • Из легированных сталей изготовляют различные изделия: от крупногабаритных корпусных до малогабаритных сложной формы.
Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами, например 15Х, 40ХФА, 12ХЫЗА, 20Х2Н4А, 18ХГТ, 10Х14АГ15. Первые две цифры соответствуют среднему содержанию углерода в сотых долях процента. Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент (В — вольфрам; Г — марганец; Д — медь; Е — селен; К — кобальт; Н — никель; М — молибден; П — фосфор; Р — бор; С — кремний; Т — титан; Ф — ванадий; X — хром; Ц — цирконий; Ч — редкоземельный металл; Ю — алюминий). Буква А в середине обозначения указывает наличие азота, специально введенного в сталь. Цифры, после букв примерно соответствуют содержанию соответствующего легирующего элемента в целых единицах; отсутствие цифры означает, что в стали содержится до 1,5% этого элемента. Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки добавляют букву А, для обозначения особовысококачествеиной стали — букву Ш (через дефис). Химический состав и механические свойства легированных сталей приведены й табл. 4.5.
4.5.	Жаропрочные стали и сплавы
Жаропрочные стали и сплавы способны работать при высокой нагрузке и температуре выше 773 К. Повышение температуры влияет на механические свойства (уменьшает модуль упругости, пределы текучести и прочности).
Нагружение деталей в течение длительного времени при повышенной температуре вызывает явление ползучести. Сопротивление металла пол
зучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще всего жаропрочность характеризуют условным пределом ползучести и пределом длительной прочности. Условный предел ползучести — напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную ско-. рость ползучести^ Пример обозначения предела ползучести в соответствии с ГОСТ 3248—81: 0^2/100— пРе" дел ползучести при допуске на деформацию 0,2% за 100 ч испытания при температуре 973 К- Рабочие температуры современных жаропрочных сталей и сплавов составляют (0,45 ... 0,8) ТПл (где Т'пл — температура плавления).
Для работы при температуре до 1223 К используют жаропрочные сплавы на основе железа, никеля, кобальта, при температуре до 1773 К — сплавы на основе молибдена и.других тугоплавких металлов.
4.6.	Коррозионно-стойкие стали
Стали, содержащие более 12% хрома, относятся к коррозионно-стойким. Применяют хромистые коррозионно-стойкие стали трех типов — с содержанием хрома 13, 17 и 27%. В стали, содержащие 17 ... 18 и 25 ... 28% хрома, иногда вводят небольшие добавки титана и никеля. Хромистые стали широко используют в вакуумной технике.
Температуры термической обработки и механические свойства хромистых коррозионно-стойких сталей приведены в табл. 4.6.
Введение 8... 15% N! в сталь, содержащую 18% Сг, переводит ее в аустенитное состояние во беем диапазоне температур. Это обеспечивает лучшие механические свойства, меньшую склонность к росту зерна, повышает коррозионную стойкость, снижает хладноломкость.
Коррозионно-стойкие стали, содержащие 18% Сг и 10% N1, получили в настоящее время большое распространение. Недостаток хромоникелевых сталей — склонность к межкри-
80
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Таблица 4.6
Сталь	Температура,			К	НВ.		’в		в		Я и
	закалки (3) или отжига (О)		отпуска		не	более	МПа			%	S? Q
12X13	1273	... 1323	973	.. 1063	187	... 121	600	420	20	60	90
20X13	1273	... 1323	933	.. 1043	197	... 126	660	450	10	50	60
30X13	1223	... 1293	473	.. 573	207	... 131	950	800	9	45	50
40X13	1273	... 1323	473	.. 573	229	... 143	950	750	9	40 ... 45	30
12X17	1033	... 1053				197	... 126	400	250	20	50	—
14Х17Н2	1248	... 1313	548	.. 623	285 *		1100	850	10	30	50
15Х25Т	1003	... 1043		—		—	450	300	20	45	—
* Не более.
сталлитной коррозии. Это явление устраняют уменьшением содержания углерода и введением элементов-стабилизаторов — титана или ниобия, которые, соединяясь с углеродом, препятствуют образованию хромистых карбидов и появлению межкристаллитной коррозии.
Аустенитные коррозионно-стойкие стали 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т широко применяют в вакуумной технике благодаря высоким антикоррозионным, технологическим и механическим свойствам. Эти стали хорошо поддаются прокатке, в горячем и холодном состояниях, в холодном состоянии выдерживают глубокую вытяжку и профилирование, хорошо свариваются с образованием вакуумно-плотного соединения. Термотеская обработка коррозионно-стойких сталей аустенитного класса сравнительно проста и заключается в закалке, отжиге и отпуске (см. табл. 4.6). Аустенитные коррозионно-стойкие стали в закаленном состоянии имеют низкие пределы текучести и прочности и очень высокую пластичность. . Так, для сталей 04Х18Н10. 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и 17Х18Н9 временное сопротивление соответственно <тв = 450; 500; 520 и 580 МПа. Для стали 04Х18Н10 предел текучести <тт = 160 МПа, для остальных трех сталей <тт = 200 МПа. Для сталей всех четырех марок 6 = 40%, ф = 55%.
4.7.	Стали и сплавы для работы при низких температурах
Металлические материалы, эксплуатируемые при низких температурах (от нормальной до температуры кипения жидкого гелия 542 К), подразделяют на три группы, соответствующие следующим температурным диапазонам: 293...213; 293... 193; 293... 13 К.
Основное требование к сталям и сплавам, предназначенным для работы при низких температурах, — высокая механическая прочность. Известно, что при снижении температуры  прочность возрастает, а пластичность и вязкость уменьшаются. Таким образом, прочность должна гарантироваться при нормальной температуре. При расчете элементов криогенных систем и установок на прочность следует учитывать свойства материалов при нормальной температуре.
Для. работы при низких температурах наиболее широко используют аустенитные стали 12Х18Н10Т,-08Х18Н10, 12Х18Н9.
Хромоникелевые аустенитные стали Имеют высокую ударную вязкость при нормальной температуре. По мере, снижения’температуры кипения жидкого азота эти стали сохраняют свою пластичность/ а ударная вязкость хотя и уменьшается, но до Т = 20 К сохраняет высокие значения. Вследствие
Титан и его сплаеы
81
относительно невысокой прочности аустенитных сталей (от ~ 250 МПа) пазработаиы высокопрочные стали, например 07Х21Г7АН5 (<гт ж 400 МПа).
4.8.	Титан и его сплавы'
В высоковакуумной технике (в первую очередь для изготовления деталей газоулавливающих насосов) широко применяют титан и его сплавы, имеющие ’ высокие прочность, плотность, жаропрочность и коррозионную стойкость при температуре до 773 К- При более высокой температуре титан и его сплавы легко окисляются и погло
щают водород, который вызывает охрупчивание. Технический титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается в среде аргона, но плохо обрабатывается резанием.
Для получения сплавов титаи легируют алюминием, молибденом, ванадием, марганцем, хромом, оловом, цирконием, ниобием и кремнием.
Титан имеет две аллотропические модификации: а и 0. Наибольшее промышленное применение получили а- и а -f- Р-сплавы.
В табл. 4.7 приведены содержание элементов и механические свойства
Т а б л”и ц а 4.7
Модификация	Сплав	Содержание элементов •1, %					
		А1		Мо		Другие элементы	
а	ВТ5 ’ ВТ5—1 ОТ4	4,3 ... 6,2 4,3 ... 6,0 3,5 ... 5,0		—		(2,0 ... 3,0) Sn (0,8 ... 2,0) Мп	
а + р	ВТЗ—1' ВТ9 ВТ14 ВТ22	5,5 ... 7,0  5,8 .,. 7,0 3,5 ... 6,3 4,4 ... 5,9		2,0 ... 3,0 2,8 ... 3,8 2,5 ... 3,8 4,0 ... 5,5		(0,2 ... 0,7) Fe; (0,8 ... 2,3) Сг; (0,15	0,04) Si	
						(0,20 ... 0,35) Si; (0,2 ... 2,0) Zn	
						(0,9 ... 1,9) V	
						(4,0 ... 5,5) V; (0,5 ... 2,0) Cr; (0,5 ... 1,5) Fe	
Модификация	Сплав	Механические свойства **					Вид полуфабриката
		ав» МПа	в, %		ан, Дж/см*		
а	ВТ5 ВТ5—1 ОТ4	750 ... 900 800 ... 950 700 ... 900	10 ... 14 10 ... 15 10 ... 20		30 ... 60 40 ... 80 40 ... 100		Поковки, штамповки, прутки
* « + ₽	ВТЗ—1 ВТ9 ВТ14 ВТ22	1100 (1200) 1100 (1300) 1000 (1300) 1150 (1450)	17 (12) Ю(6) 12(8) 15(6)		35 30 70 (50) 30 ' (не менее)		Штамповки, поковки
							Штамповки Прутки
* Остальное титаи.
*2 Механические свойства указаны после отжига, в скобках — после за. Калки и старения.
82
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
наиболее распространенных титановых сплавов, обрабатываемых давлением. Высокая пластичность титановых сплавов при низкой температуре позволяет применять их в вакуумной и криогенной технике.
Титан и а-сплавы титана не упрочняются- термической обработкой: их подвергают только рекристаллизаци-' оиному отжигу. Температура отжига а. + [5-сплавов должна быть выше температуры рекристаллизации, но не превышать температуры фазового превращения, так как и в Р-сплавах происходит сильный рост зерна. Отжиг а- и а + Р-сплавов лучше проводить в вакууме. Для снятия напряжений неполный отжиг при Т = 823 ... 873 К; а -|- Р-сплавы можно упрочнять закалкой с последующим старением.
Титановые сплавы имеют низкие антифрикционные свойства, Титан, и его сплавы, предназначенные для деталей узлов трения, азотируют при 7= 1123... 1223 К, в течение 30... 60 ч в среде азота. После азотирования по такому режиму толщина диффузионного слоя титановых сплавов составляет 0,05... 0,15 мм, твердость по Виккерсу 750...900 HV.
,	4.9. Тугоплавкие металлы
\ К тугоплавким относятся металлы с температурой плавления, превышающей 1973 К.
В вакуумной технике в качестве конструкционных материалов применяют вольфрам, молибден и их сплавы, ниобий, тантал.
Вольфрам, как? правило, используют в виде проволоки в качестве тел нагрева различного назначения; в вакуумных приборах, термическом оборудовании, насосах. При этом одно из наиболее важных для вакуумной техники свойств вольфрама — его взаимодействие с газами. При температуре 573... 773 К в присутствии кислорода образуется оксид вольфрама WtOn, а при более высокой температуре — триоксид WO3, который легко испаряется в вакууме.
Вольфрам имеет исключительно высокие временное сопротивление и модуль упругости; так, ов = 114 МПа при температуре 2200 К- Близок по
своим свойствам к вольфраму молибден. В отличне от вольфрама полуфабрикаты из молибдена приобретают пластичность после отжига, что позволяет обрабатывать их методом пластического деформирования н резанием. Молибден хорошо сваривается в инертных газах, а также электронно-лучевым методом.
Применяют чистый беспрнсадочный молибден М4 н вакуумно-плавленый — М4ВП. Из молибдена получают полуфабрикаты в виде проволоки (ТУ 48-19-203—76),	прутков (ТУ
48-19-247—77) и трубок. В вакуумной технике их используют для изготов
ления вакуумно-плотных спаев с алю-
мосиликатными стеклами.
Сплав вольфрама и молибдена ВАМ-5 поставляют в виде проволоки, главным образом для вакуумных приборов различных типов. Сплав молибден— цирконий—титан ЦМ-2А применяют для изготовления деталей, от которых требуется повышенная жаропрочность. Его поставляют в виде прутков диаметром 8 ... 60 мм, листов толщиной 0,3... 20,0 мм и шириной 100... 400 мм, а также поковок диаметром 65... 180 мм (ТУ 48-19-273—77).
Один из самых пластичных тугоплавких металлов — тантал. Его можно
подвергать практически всем видам механической обработки в холодном состоянии и сваривать со всеми металлами, с которыми он образует сплавы (железом, никелем, цирконием, титаном, ниобием, вольфрамом). При этом применяют аргонодуговую, ультразвуковую и электронно-лучевую сварку.
При температуре 973 ... 1473 К тантал поглощает активные газы, а при температуре 1473 ... 1713 К — хорошо, обезгажнвается.
Тантал ТВЧ н ТВЧ-1 получают методом вакуумной ляют в виде листов
10 мм и шириной 30 ... 150 мм (ТУ 95-311—75), проволоки диаметром 0,05 ... 3 мм (ТУ 95-353—75) и прутков диаметром 3...50 мм (ТУ 95-234—80). Технический тантал марки Т поставляют в виде прутков (ТУ 11 Су 0.021.041—74), ленты (ТУ 11 Су 0.021.016—77) и проволоки (ТУ 11 Су 0.021.032—77).









плавки, поетав-толщиной 0,01 ...




Цветные металлы и сплавы
83
Таблица 4.8
Металл	Температура, К			Г/СМ1	X. Вт/(м. К)	а ». 10», к-1
	рекристаллизации	плавления	кипения			
Вольфрам	1838	3653	6203	19,3	192	4,5
Рений •	1673	3443	6143	21,0	68,0	6,7
Тантал	1273	3269	6373	16,6	52,0	6,6
Молибден	1403	2898	5073	10,2	140,0	5,4
Ниобий	383	2688	3573	8,6	48,0	7,1
Гафний	 "	2248	5673	13,4	21,0	6,0
Ванадий	—	2173	' 3623	6,1	29,6	9,7
Хром	1073	2163	. 2742	7,2	64,0	6,2
Цирконий	—	2128	3850	6,0	16,0	5,8
* При температуре 293 К.
Сплавы тантал—вольфрам марок ТВ-5, ТВ-10 и ТВ-15 поставляют в виде полос толщиной 0,1 ... 10 мм и шириной не менее 100 мм (ТУ 48-4-312—74) и прутков диаметром 3...80 мм (ТУ 48-4-311—74).
Применение ниобия и его сплавов в вакуумной технике обусловлено его способностью к газопоглощению, высокой температурой плавления (2688 К), низким давлением пара. Ниобий используют в качестве припоя для соединения более тугоплавких металлов. Его поставляют в виде прутков Н6П1 и Н6П2 диаметром 3 ... 100 мм (ТУ 48-4-241—73), фольги и листов Нб-1 и Нб-2 толщиной 0.1 ... 10 мм и шириной 30 ... 150 мм (ТУ 95-311—75).
Физические свойства тугоплавких металлов приведены в табл. 4.8.
4.19. Цветные металлы  сплавы
Из- Цветных металлов и сплавов в вакуумной технике наиболее широко применяют алюминиевые литейные сплавы АЛ2, АЛ5, АЛ9, а также сплавы алюминия с марганцем или магнием, широко используемые в качестве конструкционных материалов для изготовления вакуумных камер, корпусой вакуумной запорной арма-ТУРЫ, вакуумных трубопроводов и др.
Сплавы, свойства которых приведе-ИЫ в табл. 4.9, легко обрабатываются
давлением, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Для аргонодуговой сварки наиболее приемлемы сплавы АМц и АМгб.
В технике высокого и сверхвысокого вакуума широко прйменяют медь (МОб, Ml, МООб). Благодаря высокой теплопроводности медь широко используют в охлаждаемых устройствах; высокая пластичность медн позволяет изготовлять из нее’ уплотнители прогреваемых высоковакуумных разъемных соединений. Недостатки меди: . склонность к водородной «болезни», приводящей к образованию мельчайших трещни и вызывающей хрупкость материала, и высокая активность по отношению к кислороду, особенно при повышенных температурах, что ухудшает свойства медных уплотнителей и ограничивает их повторное использование.
Несмотря на недостатки, такие характеристики меди, как высокая пластичность, нцзкая газопроницаемость, низкое давление пара (10~9 Па при Т — 773 К), соответствие по температурному коэффициенту линейного расширения коррозионно-стойкой стали (12Х18Н10Т), являются решающими прн выборе ее в качестве уплотняющего материала для сверхвысоковакуумных разъемных соединений, прогреваемых до 723 К.
Основные физико-механические свойства технической меди Ml при-
84
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Таблица 4.9
< Сплав	Содержание элементов, %		°в> МПа	«, %	р, г/см*	X, Вт/(м. К)	а • • 10«, к-*
	Мп	Mg					
АМц	1,0 ... 1,6			130	23	2,73	188,5	24,0
АМг2	0,2 ... 0,6	1,8 ... 2,6	190	23	2,67	142,4	23,8
АМгЗ	0,3 ... 0,6	3,2 ... 3,8	190	15	2,67	146,6	23,8
АМг5	0,3 ... 0,8	4,8 ... 5,8	260	22	2,65	117,3	24,3
АМгб	0,5 ... 0,8	5,8 ... 6,8	300	18	2,63	293,3	24,0
При температуре 293 К-
Примечание. Механические . состоянии.
свойства — для сплавов в отожженном
ведены ’ниже (здесь и далее рэл — удельное электрическое сопротивление):
Температура, К: плавления . '............. 1356
кипения' ................ 2873
р при Т = 293 К,	г/см3. .	8,96
<х-106, К'1, в 'интервале температур, К:	к
273 ... 373 ...........' 16,4
398 ... 573 ............. 17,7
273 ... 873 . . . ,. . . .	18,6
273... 1073 .............. 19,3
X, Вт/(см-К) ............... 3,95
Рэл при Т = 273 К, Ом-м 1,67-10" 8
ов, МПа . •.................. 220
б, % . . . ................. 60
НВ ............. .	36
Применение латуни в вакуумной технике ограничивается изготовлением мелких деталей, не подвергающихся нагреву в вакууме, поскольку при нагреве в вакууме из латуни начинает выделяться цинк, загрязняя систему и постепенно превращая латунь в пористый металл. По этой же причине рекомендуется применять бронзы, не содержащие цинка. ’ .
Никель мало применяют в вакуумной технике; исключение составляет изготовление гальванических покрытий в сложных паяных узлах. Проволоку из алюмеля (НМцАК2—2—1), хромеля (НХ9,5), копеля (МНМц43—05),	ферронихрома
(Х15Н60), нихрома (Х20Н80), кон
стантана (МНМц40—1,5) применяют для изготовления термоэлектродов термоэлектрических преобразователей (термопар). Высоковакуумные спаи с тугоплавкими стеклами изготовляют нз ковара (Н28К.18), в состав которого входят никель, кобальт и железо.
4.11.	Стекло, керамика, ситаллы
Стекло представляет собой аморфный, обычно прозрачный материал., По химическому составу стекло является сплавом ряда оксидов. Основная составляющая стекла — диоксид кремния. Введение в состав свинца, цинка, магния, кальция и других веществ придает ему особые свойства.
Важнейшая характеристика стекла — температурный коэффициент' линейного расширения. В зависимости от его значения стекло подразделяют на тугоплавкое или твердое (а = 5,5Х X 10~6 К-1) и легкоплавкое [а = = (5,5... 11) 10“6 К-1].
Наиболее тугоплавким является кварцевое стекло, содержащее 98,8% SiO2. Оно обладает высокими прочностными свойствами и прозрачностью для ультрафиолетовых лучей. Стекло активно сорбирует газы и поэтому обладает значительной способностью к газовыделению. В поверхностном слое стекла может быть сорбировано более 59 мономолекулярных слоев. При этом преимущественно сорбируются пары воды и незначительное коли-
Стекло, керамика, Ситаллы
, 85
Таблица 4.10
Стекло	а *.10’, К"*	Предел прочности, МПа		К Вт/(м. К)	Температура размягчения, К	Термостойкость, к	Температура отжига, К
		при разрыве	при сжатии				
С37-2 С39-1 С40-1 С47-1 С49-1 С87-1 , С89-5 Кварцевое прозрачное	33 ... 36 38 ... 41 40 47 ... 48 48 ... 52 86 ... 90 87 ... 91 5,5 ... ' 6,1	84 78 70 905 30 ... 50 40 ... 60 70 ... 120	1106 1090 1090 850 1600 ... 2000	1,257 0,87, 0,67 1,382 ... 2,680	863 ... 893 903 ... 923 893 853 ... 873 843 ... 863 753 ... 773 803  1773	250 230 240 200 180 100	693 ... 823 678 ... 823 683 ... 803 683 ... 838 673 ... 823 623 ... 733
* При Т= 293 ... 573 К.
чество диоксида углерода и азота.
При нагреве стекла в вакууме большая часть адсорбированных газов выделяется в течение первых 2 ... 3 мин; поверхностная десорбция газов завершается при нагреве до Т = 573 К-При Т 773 К происходит интенсивное газовыделение из стекла главным образом паров воды, оксида и диоксида углерода и в незначительных количествах водорода.
Для формообразования стекла используют его термопластические свойства, определяемые характером зависимости вязкости стекла от температуры.
Основные физические свойства технического стекла по ОСТ 11 027.010—-75 приведены в табл. 4.10.
По многим свойствам стекло существенно уступает керамике. Большая часть свойств керамики незначительно зависит от температуры в интервале Ю73... 1273 К. Стабильность свойств керамических материалов обеспечивает длительную работоспособность выполненных из них изделий при Т =
1673... 1873 К- Высокая прочность керамики позволяет получать жесткие и механически прочные вакуумные соединения керамических деталей с различными металлами и сплавами медью, никелем, молибденом, воль-
фрамом, коваром и др.). Керамику используют в производстве изоляторов, металлокерамических узлов различного назначения, в энергетических герметичных вводах и др. '
Основные свойства вакуумно-плотной керамики различных видов приведены в табл. 4.11. Газовыделение для керамики значительно меньше, чем для стекол. При обезгаживании керамики преимущественно выделяются небольшие объемы Н2О, О2, СО, СО2 и Н2, причем состав газа зависит от .предварительной поверхностной обработки. На газовыделение керамики наибольшее влияние оказывают процессы адсорбции и десорбции поглощенных из атмосферы газов.
Керамические материалы, содержащие SiO2, интенсивно поглощают влагу, причем интенсивность поглощения тем больше, чем больше пористость и шероховатость поверхности. С увеличением содержания SiO2 вакуумные свойства керамики ухудшаются — повышается ее склонность к сорбции газов.
В производстве вакуумной аппаратуры все шире применяют стеклокристаллические материалы — ситаллы и цементы. Ситаллы получают на основе неорганических стекол полной или частичной кристаллизацией. По структуре ситаллы занимают промежу-
Таблица 4.11
Пластмассы
Таблица 4.12
Показатель	СТ 32-1	СТ 38-1	СТ 50-1 |
Диэлектрическая проницаемость при частоте, Гц: 106 1ОВ * 10	10,0 100,0	7,35 7,25	8,5 8,5
tg 6 не более, при частоте, Гц: 106 1О10	20,0 5,0	30 . 3,0	15 35
Удельное электрическое сопротивление - рэл, Ом-м, не менее, при температуре, К: 373 573	1016 101а	101’ ' 101а	101’ 1013
р, г/см3	3,17	2,90	2,65
а-10’, К-1 в интервале температур 293 ... 573 К,	.32	38	52
^и» МПа	150	100	180
точное положение между стеклом и керамикой.
Ситаллы изготовляют плавлением стекольной шихты специального состава с добавкой катализаторов, охлаждением расплава до пластичного состояния и формованием из него изделий методами, применяемыми при изготовлении стекла. В состав стекла, применяемого для получения ситал-лов-, входят оксиды LiO2, А12О3, SiO2, MgO, CaO и др. В качестве катализаторов используют золото, серебро и
В отлнчие от обычного стекла, свойства которого определяются в основном его химическим составом, для
ситаллов решающее значение имеют структура и состав. Ценные свойства
ситаллов обусловлены их исключитель-
ной мелкозернистостью, почти идеальной поликристаллической структурой. Ситаллы обладают изотропией всех свойств, а также высокой вакуумной плотностью.
В вакуумной технике наиболее распространены ситаллы СТ 32-1; СТ 38-1; СТ 50-1, свойства которых приведены в табл. 4.12. Ситаллы имеют высокую химическую стойкость к кислотам и щелочам даже при высоких температурах. Из ситаллов изготовляют вакуумно-плотные оболочки, трубы, детали радиоэлектронной аппаратуры.
Стеклокристаллические материалы используют для получения цементов. Их разделяют на низкотемпературные (температуры .кристаллизации и склеивания ниже 823 К) и высокотемпературные (указанные температуры выше 823 К). Свойства стеклокристаллического цемента СЦ 90-1 приведены ниже:
Температура деформации, К 753 Электрическая прочность, МВ/м...................... Ю
рэл при Т = 373 К, Ом-см Ю11 а при Т = 293 ... 573 К, К"1 95-IO"’
4.12.	Пластмассы
Пластмассы — искусственные материалы, получаемые на основе органических полимерных связующих веществ. В качестве связующих для пластмасс чаще всего используют синтетические смолы, реже — эфиры и целлюлозы. Многие пластмассы (например, полиэтилен, органические стекла) состоят из одного связующего вещества. Другой важный компонент пластмасс — наполнитель. Свойства пластмасс определяются свойствами компонентов и их количественным соотношением.
По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют' на термопласты и термореактопласты (на основе синтетических смол).
Термопласты применяют в качестве прозрачных органических стекол, высоко- и низкочастотных диэлектриков и др. Изделия, выполненные из таких материалов, имеют' ограниченную рабочую температуру. В вакуумной технике используют термопласты типа
88
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
полиэтилена, политетрафторэтилена (ПТФЭ), органического стекла, полиуретанов. Из полиэтилена изготовляют шланги и трубы для вакуумных трубопроводов, из полиуретана — герметичные деформируемые камеры, например, в безмасляных вакуумных насосах, ПТФЭ используют в качестве уплотнителей в разъемных и подвижных соединениях, а также в качестве изоляторов.
В вакуумной технике наиболее широко применяют фторопласт-4 (ПТФЭ), обладающий исключительной химической стойкостью по отношению к химически активным реагентам. Практически он разрушается только под действием расплавленных щелочных металлов и отличается сравнительно высокой термостабильностью. При температуре до 523 К его механические свойства почти не меняются; при этой температуре его можно длительно эксплуатировать. ПТФЭ негигроскопичен и практически не смачивается водой. ПТФЭ — один из лучших диэлектриков (особенно в полях высоких и сверхвысоких частот). Его диэлектрические свойства мало изменяются в широком диапазоне температур, ПТФЭ имеет очень низкий коэффициент трения по стали (/ = 0,04), который не зависит от температуры в диапазоне, рекомендуемом для эксплуатации (до 523 К). Недостатки ПТФЭ — хладотекучесть под нагрузкой и выделение токсичного фтора при высокой температуре.
Газонаполненные пластмассы (пенопласты) широко используют в качестве теплоизолирующих прокладок в криогенных системах и-установках. Для большей части пенопластов нижний предел рабочей температуры 213 К, верхний 333 ... 573 К.
4.13.	Резины
Резины — наиболее распространенные вакуумные уплотнители. Вакуумная резина (ТУ 38-105376—72) имеет незначительную пористость и сравнительно малое газовыделеиие.
Белая вакуумная резина 7889 наиболее эластична. Ее используют в качестве уплотнителей, работающих в диапазоне температур 283 ...293 К-
Таблица 4.13. j
Резина
g; •	Интервал
н “	рабочих
2.	о	темпера-
gg ТУР. К
7889
9024
ИРП-1015
55Q —
350 238
400 248
3431
3631
3431
* При разрыве.	1
Эту резину выпускают в виде пЛастии.Я шнуров круглого или прямоугольного! сечения и трубок. Черная резина 90241 менее эластична, чем резина 7889,1 обладает примерно вдвое меньшим | газовыделением. Ее выпускают только’! в виде пластин.	|
При более низких температурах! (до 213 К) используют .резины’ ИРП-1118 и ИРП-1289. Резины; ИРП-1345, ИРП-1399 и 51-1433 наи- .! более термостойки, но неустойчивы < по отношению к растворителям. У ни-., версальна резина ИРП-2043 на основе j Фторкаучука.	(
* Ниже указаны значения удельного ) потока q' проницаемости резин по) азоту при Т = 298 К и перепаде дав- ] леиий' Др = 102 Па:	1
Резина . .	9024	7889 ИРП-2043
<?',	I
Па-м8/(ма-с) 1-Ю-10 1-10~9 5-1011 j
Физико-механические характери- | стики резин, применяемых для изго- ; товления' пластин, приведены в табл, i 4.13.
Сортамент резиновых пластин уста- ! новлен ТУ 38-105116—81, где преду-, смотрены толщины 3; 3,5; 4; 5: 6; 7; ] 8; 9; 0; 10; 12; 15; 20; 25; 30; 40 мм' и размеры пластин 250X250 и 500Х j Х500 мм.	!
Из резиновых пластин изготовляют; уплотнительные прокладки иеподвиж-1 ных соединений вакуумных систем. Широко используют прокладки из резиновых шнуров круглого и прямо-! угольного сечений (ТУ 38-105108—76). 1
Легкоплавкие металлы и сплавы
89
Для круглых шнуров установлен еле-, дующий ряд диаметров, мм: 3; 3,5; 4; 4,5; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 12; 18; 20; 25; 30. Для шнуров прямоугольного сечения установлены следующие номинальные размеры (ширина X высота): 3X3) 5X5; 8X7; 8X8; 8X10; 12X12; 12X15 мм.
В качестве форвакуумных трубопроводов широко используют резиновые трубки, изготовляемые по ТУ 38-105881—75. Размеры трубок, мм, приведены в табл. 4.14.
4.14.	Клеи
В вакуумной технике клеи различного типа широко применяют в качестве вспомогательных материалов, а также для получения непрогревае-“ых вакуумно-плотных соединений.
Для склеивания резин холодным способом, приклеивания резины к металлу, стеклу и другим конструкцион
ным материалам широко используют клей 88-Н (ТУ 38-1051061—82). Недостаток клея 88-Н — нестойкость к бензину, минеральным маслам. Кремний — органический клей КТ-30 (ТУ 6-02-760—78) применяют для склеивания вулканизированных резни на основе силиконового каучука и соеди- ' нения их с металлом, а также для склеивания керамических и стеклянных деталей с металлом. Рабочая температура соединения от 213 до 573 К. Клей ВК-2 (ТУ 6-05-1214—76) предназначен для склеивания различных сталей, сплавов титана, а также приклеивания к этим металлам неметаллических теплостойких материалов, работающих при Т = 673 К в течение 250 ч и при Т = 1273 К — в течение 5 мии. Этот клей используют также для получения уплотнительного материала, работающего при температуре до 623 К. При Т = 293 К предел прочности при сдвиге не менее 8 МПа, при Т = 673 К — не менее 3,5 МПа.
Для склеивания сталей различных марок, сплавов титана, магния, алюминия и химически обработанного ПТФЭ рекомендуется клей К-300-61.
Клей МПФ-1 (ТУ 6-05-1865—78) предназначен для склеивания металлов между собой и с неметаллическими материалами. Рабочая температура соединения 213... 333 К.
Для герметизации межшовного пространства клеесварных соединений из стали, алюминия и других сплавов, а также для склеивании металлов и неметаллов применяют клей ФЛ-4с.
4.15.	Легкоплавкие металлы и сплавы
Легкоплавкие металлы и сплавы используют в вакуумной технике в качестве припоев и уплотнителей для разъемных соединений. В соответствии с этим к их вакуумным и механическим характеристикам предъявляют особые требования. К легкоплавким металлам, удовлетворяющим эти требования, относятся галлий, висмут, индий, кадмий, олово, свинец, таллий и цинк. Из большого числа требований, предъявляемых к метал-лам-уплотнителям, основным является требование недопустимости нарушения
90
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Таблица 4.15
Показатель	/	Значение показателя для							
	галлия	висмута	ИНДИЯ	кадмия	олова	свинца	таллия	цинка
Температура, К:								
плавления	302,8	544	429,4	594	504,9	601	576	692,5
кипении	2373	1779	2370	940	2073	2013	1830	1179
р, г/см8, для ме-								
талла:								
в твердом состоянии	5,97	9,8	7,36	8,6	7,3	11 ;3	11,84	7,1
в жидком состоянии	6,09	10,1	7,03	8,0	7,0	10,3	11,35	6,7
Давление пара, Па:								
при температу- ре плавления	io-1»	2-Ю"8	10-и	13,3	2-10”12	1Ь~в	2-Ю-8	0
при температуре 750 К	Ю-io	5-Ю"1	5-10-’	6-Ю3	IO’11	5-10-*	3-10-»	0
Удельная тепло-	336	126	239	321	232	327	303	419
емкость прн Т — =293 К,Дж/(кг-К)		—3,32						
Изменение объема,. % Динамическая вяз-	—3		2,5	4,74	2,6	3,6	—	6,9
								
	0,0017	0,0015	0,0015	0,0023	0,0017	0,0011		0,0028
кость прн температуре плавленая, Па-с а-10е, К~1, при Т= 293 ... 373 К Поверхностное натяжение, Н/м:	18,3	12,1	33	—	34	28,3	—— /.	39,5
ра сплава	0,735	0,380	0,340	0,560	0,540	0,450		0,760
кристалла иа границе с расплавом	—	0,018	—	0,029	0,011	0,012	—	0,057
кристалла t	—	0,39	—	0,62	0,56	0,49		0,86
состава -остаточной газовой среды н Загрязнения вакуумных объемов.
Из анализа физических свойств металлов (табл. 4.15) следует, что для сверхвысоковакуумиых систем по совокупности свойств в качестве метал-ла-уплотнителя с обеспечением герметизации в жидкой фазе можно использовать галлий, индий и олово.
Для исключения влияния вредных примесей желательно использовать металлы высокой чистоты такие как олово ОВЧ ООО, в котором содержание сурьмы и цника не превышает ЗХ
X 10-6 % согласно техническим условиям (ГОСТ 860—75). Металл-уплот-иитель также должен быть свободен от загрязнений. В связи с этим при пайке или облуживании деталей, работающих в вакууме, применение флюсов не рекомендуется. Индий и галлий не образуют с металлами непрерывный твердых растворов.
Большой растворимостью в индии в твердом состоянии отличаются все металлы, окружающие его в периодической системе: галлий, таллий, олово, свинец, висмут, кадмий, ртуть, в
Вакуумные свойства материалов
91
меньшей степени цник. Инднй легко растворяется в твердом состоянии в металлах группы меди, а также в никеле, марганце, палладии, титане, олове, свинце и таллии.
Следует отметить, что чистый галлий при высоких температурах обладает высокой химической активностью по отношению к большей части металлов, что делает его непригодным для использования в качестве металла-уплотнителя.
Наряду с чистыми металлами в качестве легкоплавких металлов-уплот-нителей широко применяют многокомпонентные соединения. Это, как правило, мягкие припои с температурой плавления ниже 673 К, компонентами которых являются такие металлы, как галлий, индий, медь, олово, серебро.
Сплавы, используемые в качестве уплотнительного материала, должны быть эвтектическими во избежание разделительной диффузии прн кристаллизации, существенно изменяющей линейную усадку, усадочные напряжения-, прочностные характеристики.
В качестве металла-уплотнителя можно использовать эвтектические сплавы индий—олово, свинец—олово, серебро—свинец, галлий—индий. Из них наиболее широко применяют припои системы олово—индий, обладающие достаточными прочностью и коррозионной стойкостью. Этот сплав с 48,7% олова образует эвтектику с температурой плавления 390 К; его можно успешно применять для получения уплотнений, основанных на адгезионном взаимодействии с твердой уплотняемой поверхностью.
4.1,6. Вакуумные свойства материалов
Вакуумная техника предъявляет к конструкционным материалам ряд специальных требований, которым оии Должны удовлетворять наряду с традиционными прочностными и физико-химическими характеристиками. В со-гветствии с этим материалы должны вечать следующим требованиям: иметь давление паров ппн рабочей мпературе значительно меньше ражего давления;	Р
Рис. 4.1. Зависимость давления пара от температуры
характеризоваться минимальным га-зовыделеиием при рабочих давлении н температуре;
иметь минимальную проницаемость в рабочих условиях;
обеспечивать вакуумную плотность при малой толщине;
быть коррозионно-стойкими, иметь повышенные- пределы выносливости и ползучести.
Материал, давление насыщенного пара которого при рабочей температуре сравнительно велико, в вакууме испаряется. При этом существенно сокращается срок службы тел нагрева. Частицы испаряемого материала, взаимодействуя с обрабатываемым в вакууме изделием, нарушают технологический процесс, приводят к снижению качества обработки, а осаждаясь, например, на поверхностях изоляторов, делают их электропроводными.
На рнсг 4.1 и 4.2 приведены температурные зависимости давления пара
О 500 1000 1500 2000 2500'5000 5500 Г,К
Рис. 4.2. Зависимость скорости испарения от температуры
92
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
tEa'10S, 7»
Рис. 4.3. Обобщенная диаграмма кривых усталости по критерию герметичности (Л'1( — число циклоп; еа — амплитуда деформации; Q — поток проницаемости); сплошные, штриховые и штрихпунктир-ные линии — для стали соответственно 12Х18Н10Т, 20X13 и 36НХТЮ
иг скорости испарения для некоторых материалов.
Материалы элементов установок, работающих на границе раздела вакуумной и окружающей сред (вакуумные камеры, вакуумные трубопроводы, корпуса вакуумной запорной арматуры, разделительные оболочки механических вакуумных вводов), должны обладать высокой вакуумной плотностью, низким газосодержанием, легким обез-гаживанием, хорошими свариваемостью с образованием вакуумно-плотного соединения и обрабатываемостью.
Газовыделение материалов при рабочих давлении и температуре зависит от Количества газов, растворенных в нх объеме и адсорбированных. Уровень газовыделения существенно зависит от способа предварительной обработки.
Проницаемость свойственна многим материалам, однако сильно зависит от рода газа. Так, серебро проницаемо для кислорода, железо, никель, платина, палладий •— для водорода, стекло — для гелня и водорода, резина — для гелня, водорода . и азота. ' 1
Для функциональных узлов, содержащих тонкостенные элементы и особенно гибкие деформируемые оболочки (сильфоны, мембраны, трубчатые элементы), очень важно обеспечить герметичность в течение требуемого срока службы, в том числе в условиях периодического нагружения. При этом следует учитывать, что критерием работоспособности является не сопротивление усталости, а допускаемый газовый поток, проникающий через оболочку. Этот поток, в свою очередь, зависит от прочностных параметров материала.
В качестве иллюстрации этого утверждения на рис. 4.3 приведена экспериментальная диаграмма, отражающая зависимость потока проницаемости Q для. сталей 12Х18Н10Т, 20X13 и 36НХТЮ от деформации и числа циклов в диапазоне температур 373... 673 К при допускаемом суммарном потоке проницаемости 1-10~4 ... 2-10-8 Па-м3/с.
Литые материалы не удовлетворяют требованиям герметичности, так как для них характерна пористая структура. Листовой н сортовой прокат имеет различную вакуумную., плотность в разных направлениях. Наибольшей вакуумной плотностью обладают материалы, подвергнутые переплаву в вакууме.
Требования коррозионной стойкости материалов обусловлены недопусти мостью образования оксидов на поверхности, которые легко разлагаются и имеют более высокое давление пара, чем основной металл. Таким образом, коррозия увеличивает газовыделение материалов, уменьшает прочность тонкостенных деталей, вызывает при соприкосновении с окисляющими газами межкристаллитную коррозию и появление натеканий. Требования коррозионной стойкости наиболее критичны для сверхвысоковакуумных систем, регулярно прогреваемых до температур 673 ... 773 К-
В ряде случаев (например, в магнитных электроразрядных насосах, магнитных вводах движения, манометрических преобразователях) необходимо применять немагнитные материалы.
В табл. 4.16—4.23 приведены некоторые наиболее важные вакуумные характеристики материалов.
Вакуумные свойства материалов
93
Таблица 4.16
Материал		Предварительная обработка материала	\ Удельный поток газовыделення, Па» м’Дм*. с)	Длительность предварительной откзчки, ч
Низкоуглероди-		.—	4.12-10-4	1
стая сталь			2,4-10'4	2
			1,08-10~4	4
			7,35-10~6	6
			5,36-IO”6	8
			4,12-10-6	10
		Отжиг в вакууме при Т = 693 К	4-Ю-10 1,2-10-в	Любая
Коррозириио-		-—	2,4-10-4	1
стойкая сталь			1,08-10~4 '	2
			5,94-10-6	4
			4,12-10-5	6
			3,09-10-6	8
			2,54-IO"6	10
			' 1,07-10-4	1
		ч	1,97-10-8	5
		Отжиг в вакууме при Т = 673 К	4-Ю-10 1,2-10-в	Любая
Медь		Травление,. промывка	1,11-10-8	' . 1
	/	в бензоле и ацетоне	8,35-10"’	•	' . 5
		Промывка в бензине и	6,12-10-8	• Г
		ацетоне	1,03-10-8	5
		Отжнг в вакууме при Т = 693 К	. ноб-ю-1» 9,3-10-’	Любая
Латунь		Травление, промывка	1,95-10-8	\ 1
		в бензоле и ацетоне	1,53-10-»	5
		Промывка в бензоле и	2,22- Ю-4	1
		ацетоне .	-	8,9- IO-»	г	5
		I	3,34-1О-4	Т
			. ’ 12-10-4		5 •
Дюралюминий		Травление, промывка	. 4,73-10-8	1
		в бензоле и ацетоне	3,9-10-8	5
		Промывка в бензоле и	2,8-10-4 ’	•1
		ацетоне	1,4-IO*4	5
		—	5,57-10-4	1
			1,9-10-4	5
94
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Продолжение табл. 4.16
Материал	Предварительная Обработка материала	Удельный поток газовыделеиня, Па« м,/(м2. с)	Длнтель-ность предварительной откачки, ч
Алюминий		(4 ... 9) 10-е	2
, Никель		(6,5 ... 8,0) 10-«	2
Вольфрам		1,3- 10-е	2
Тантал		6-10-»	2
Молибден ,		(4,6 ... 8,5) 10~*	2
Резина вакуум-	—	1,24-10-*	10
иая для уплотне-' НИЯ			
Полистирол		2,67-10~6	10
Полиэтиленовая		9,3-10~6	10
пленка Целлофан		1,35-Ю-*	10
Ткань Петрянова		9,3-10-*	10
Таблица 4.17?
Материал \ г	Температура, К	Удельный поток газовыделеиня, Па- м’/(м*- с)	Температура, К	
			начала выделения фторида водорода	резкого увеличения v газовыделеиня
Фторопласт'-З	393 423	6,7-10-* 8-10-*	—	
Фторопласт-4	493 548	(2,6 ...4,0) 10-* 8-10-*	513 513 !	593 593
Фторопласт-42	423 •	.6,7-10"*	458	—
»
Таблица 4.18
Стекло	-t			 Максимальная температура обезгажнваиия, К	Количество выделившегося газа, Па. м*/м*	Массовая доля, %			
			Н,О	СО + N,	со,	другии газов
С49-2	723	4-10-1	65,6	12,9	16,9	4,6
С87-1	723	5,33-10-1	23,0	18,0	56,0	3,0
С48-1	873	8-IO"*	21,8	26,5	42,2	9,5
С48-3	1053	6,7-10-1	20,5 .	30,5	47,0	3,0
П-15	773	4,65-10-1	36,0	37,0	22,0	5,0
Вакуумные свойства материалов
95
Таблица 4.19
Сталь	Газосодержаиие,		Па. м*/кг
	о,	N,	Н.
12Х18Н10Т	2,3	5,1	6,5 ... 11,0
10	9,0 .	3,5	2,2
20	2,3	3,5	2,2
ЗОХГСА	3,0	’	3,4	1,3
Таблица 4.20
Газ	Материал	Температура, К	Па»	с)	Газ	Материал	Температура, К	Па- м^/(м*. с)
на	Fe	298 323	4-10-8 ... 1 • ю-и 5-Ю-8 ... 6-10"»	На	Сталь *	298 323	7-Ю-11 ... 7-Ю-14 2-Ю"10 ... 5- 10-и
N.		1095 1387	2,22-10"» 2,22- 10-е		Мо .	298 323 471 1860	1-1 о-1* 2-10"1* 2,22-10-8 2,22-10-*
СО		965 1266	2,22-10-’ 2,22-10-»				
					Си	298 323 813 1048	5-10-1» ... ... 1-Ю"1» 2-10“14 ... ... 4-10-1» 2,22-10“ • 2,22.10"»,
	Ni	681 889	2,22- IO-’ 2,22.10-»				
	Pd ' ,	298 323	(5 ... 8)-IO*’ (5 ... 8)-10-»	°а.	Ag	z 913 1119	2,22-10-8 2,22 • IO-»
	Al .	298 773 873	1 - ю-ц 2,295-10-8 2,265- IO-8	На	Pt	293-702 844	1 - ю-11 2,22-10-’ 2,22-10-»
* Коррозионно-стойкая.
Примечание, q' — удельный поток, определяемый проницаемостью и Др =10» Па).
96
МАТЕРИАЛЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ
Таблица 4.21
Газ	Материал	Температура, К	Па.м8/(ма.с)
	Стекло	473	ю-’
	С38-1	673	5,9-10-’
	Стекло	473 •	1,172-Ю-1»
	С40-1	673	1,181-10-’ .
	Стекло	373	1,14-10-ц
	С48-1	•673	1,39-10-’
	Стекло	373	7,6-10-»
	С49-2	673	1-10-’
	Стекло	373	 6,05-10"1*
	С47-1	673	7,25-10-“
	Стекло	473	3,1 • 10-и
	С87-1	673	8,5-10-и
	Стекло	423	6,4-10-13
	С88-1	673	i-io-“
Не	Стекло	423	4,0-10'13
	С89-1	673	8,0-10’11
	Стекло	423	2,7-10"18
	С89-2	623	2,0-10’11
	Стекло	423	' 7.1-10-1*
	С90-1	623	2,0-10"11
Г	Стекло	523	2,3-10-“
	С48-3	723	1-ю-11
	' Стекло	573 '	5,3-10-3
	С39-2	723.	1,8-10-и
Продолжение табл. 4.21 1
Газ	Материал	Температура, К	Па.м3/(м3. с)
Не	Кварц	423 473 573 673 773 873 973 1073 1173 1273	7,82-10-10 1,49-10-’ -. 3,38-10"’ 6,6-10-’ \ 1,11-Ю"8 ! 1,76-10’8 2,35-ю-в : 3,06-10"8 1 3,88-1О"8 „ 4,86-10~8
н.		873 973 1173	1,34-10-’ 1 2,25-10-’ ! 6,85-10-’ 1
0,		973 1173	<10-16 9-Ю-13	]
Аг		1173 873	5,8-10-10 I з,о-ю-“ J
Ne		973 1173	4,5-10-’® 1 1,27-10-’ j
Воздух	Керамика	1173	4,2-10-“ 1
Примечание. Для кварца зна-| чення q' получены при Др = 103 Па,| для керамики — при Др = 1 Па, ос-1 тальные значения — при Др = 105 Па.1
Таблица 4.221
Газ	f	Материал	Темпера* * тура, К	Па.м?/(М*-С)	Давление, V Па 1
Нг		293 323	3,2-10-’ 1,1- 10-“	108 1
Не о, -	Фторопласт-4	293	3,2-10-» 1,1. ю-10 2,5-10-“	1,33.10® 1
на	Полиэтилен высокой плотности	298	, 2,1-10-’	/ я  106 I
Н. .	Полиамид	298 323	7,3-10-’ 2,3-10"’	
на	Полиэтилен (пленка)	- 298 323	4,4-10“8 9,4-10-®	
Общие сведения и классификация
97*
Таблица 4.23
Коэффициенты диффузии газов в металлах и сплавах
Газ	Металл	Температура, К	Коэффициент диффузии, мг/с
	Коррозионно-стойкая сталь	1023	3,4-10“»
Н,	i	355 398 ' 438 498 553	8,6-10~18 3,4-10~18 1,05-1О"11 6,41 -10—11 1.19-10-10
О8	Ni	1173 1223 1273 1323	1.5-1О-1* 6,8-10-14 2,36-10-18 7,8-10"18
СО		298 973 1223 1323	2-10-84 ' 2,5-1О-18 4-Ю"18 1,4-Ю-11,
Продолжение табл. 4.23
Газ	Металл	Температура. К	Коэффициент днффузнн, м*/с
Из	Сплав АМц	723	2,1,10"»
	W	550 600	Ю-is 10"*и
	Pd	350 600	10-» 10-*
Оз	Ti	1500 2000	5,65-10-18 6,8-10“и
	Си	900 1270	IO”18 . 10-ю
Глава 5. Вакуумные герметичные соединения
6.1. Общие сведении и. классификация'
По конструктивным признакам ва-куум-плотные герметичные соединения подразделяют на три группы: неразъемные, разъемные и подвижные.
Неразъемные вакуум-плбтные соединения получают сваркой, пайкой, склеиванием и герметизацией эпоксидными смолами. К разъемным относят штуцерные, штуцерно-ниппель-НЫе и фланцевые соединения, уплотненные резиновыми или металличе-
П/р Е. С. Фролова
скими прокладками, расплавляемыми металлами-уплотнителями, а также герметичные муфтовые соединения. В подвижных соединениях для уплотнения используют жидкие металлы, масла, прокладки из антифрикционных вакуумио-плотных материалов, манжеты, шлифованные и притертые контактные поверхности.
Выбор вида соединения, способа его конструктивной реализации и материала определяется назначением соединения. При этом основными критериями служат: степень вакуума, ра
98
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ- СОЕДИНЕНИЯ
бочая температура, условия взаимодействия с окружающей Средой, влияние излучений.
В зависимости от степени вакуума применяют уплотнения для низкого, среднего, высокого и сверхвысокого вакуума.
В вакуумных системах, подвергаемых обезгаживанию при Т — 723 ... 773 К, неразъемные вакуумные соединения. выполняют сваркой или пайкой высокотемпературными припоями, для разъемных соединений применяют металлические уплотнения или термостойкие вакуумные резины с местным-охлаждением. Низкотемпературные неразъемные соединения выполняют сваркой, пайкой и склеиванием.
В вакуумных герметичных соединениях наиболее часто применяют следующие сочетания материалов: металл—металл, металл—стекло, стек-' ло—стекло, металл—керамика, стекло—керамика.
Качество уплотнения определяется допускаемым потоком натекания, составляющим для сварных соединений металл—металл и металл—стекло соответственно 5-10~9 н 8-10-11 Па-м3/с.
Для динамической вакуумной системы допускаемый удельный поток натекания q, Па-м3/(с-м), предельное давление р, Па, скорость откачки S, м3/с, и длина соединения L, м, связаны зависимостью pS/L.
Для изолированных вакуумных систем допускаемый удельный поток натекания определяется допускаемым повышением давления в единицу времени (dp/dt), объемом сосуда V и длиной уплотнение L: q<L (dpldt) [VlL).
Допускаемые значения удельного по-. тока натекания, Па-м3/(с-см), для наиболее распространенных вакуумных соединений приведены ниже: Высоковакуумное уплотнение с медными прокладками 3-10“9 Уплотнение на основе эластомерных прокладок . . .	6-10“9
Сверхвысоковакуумное уплотнение ................1,5-Ю-18
5.2.	Сварные соединения
Способы сварки, используемые в вакуумной технике, можно разделить на две группы.
a)	S)	в)
Рис. 6.1. Виды проплавления при дуговой сварке:
а — глубокое, узкий шов (постоянный ток, прямая полярность); б — неглубокое, широкий шов (постоянный ток, обратная полярность); в — среднее (переменный ток)
Первая группа объединяет способы сварки плавлением, осуществляемой нагревом кромок свариваемых деталей до расплавления и соединением их без механического воздействия. К этой группе относится газовая, дуговая, электронно-лучевая, лазерная и плазменная сварка. Вторая группа объединяет способы сваркй давлением, осуществляемой сжатием свариваемых деталей с нагревом или без него. К этой группе относятся различные виды контактной и холодной сварки.
Для получения вакуумно-плотных соединений в вакуумной технике наиболее распространена дуговая сварка в защитных газах. Для дуговой сварки используют плавящиеся и неплавя-щиеся электроды. В последнем случае шов образуется из присадочного металла или вследствие оплавления стыковых кромок. Дуговую сварку ведут как постоянным, так и переменным током.
При сварке постоянным током используют две схемы подсоединения детали и электрода к источнику питания; прямой и обратной полярности. В первом случае электрод является катодом, деталь — анодом, во втором — наоборот. Так как большая часть тепловой энергии выделяется иа положительном полюсе, дуговая сварка постоянным током по схеме прямой полярности характеризуется глубоким проплавлением и узким швом (рис. 5.1, а). Такой способ целесообразен для сварки массивных деталей. Сварка по схеме обратной полярности характеризуется неглубоким проплавлением и широким швом (рис. 5.1, б), поэтому рекомендуется для соединения тонкостенных деталей. Сварка постоянным током предпочти-
Сварные соединения
99
тельна для немагнитных металлов и сплавов.
При дуговой сварке переменным током образуется узкий сварной шов средней глубины (рис. 5.1, б). При дуговой сварке в защитных газах тепловая энергия выделяется в виде дуги переменного тока, горящей между двумя неплавящимися электродами в среде водорода, и переносится иа свариваемый металл в результате дис-социации и рекомбинации молекулярного водорода. Молекулярный водород, подаваемый через держатель электродов, диссоциирует в дуге до атомарного водорода, который рекомбинирует при контакте с более холодным свариваемым металлом. При этом температура в зоне сварки может достигать 4273 К.
Дуговую сварку в среде водорода применяют для соединения трудио-свариваемых материалов, в том числе алюминия и хрома, однако этот способ непригоден для получения вакуумноплотных соединений сплавов, содержащих никель и склонных к растворению водорода с последующим образованием трещин н пор (например, сталь 12Х18Н10Т).
При дуговой сварке в защитных газах (аргоне, гелии) тепловая энергия создается дугой, горящей между неплавящимся вольфрамовым электродом и свариваемыми деталями. В установках переменного тока используют ток напряжением около 100 В, силой 250 ... 300 А, в установках постоянного тока — напряжением 45 ... 75 В, силой 15... 175 А (в мощных установках—' до 300 А). Преимущество использования инертных газов — их химическая инертность и нерастворимость в металлах.
Наибольшее применение на практике нашла аргонодуговая сварка. В зависимости от материала аргонодуго-вую сварку ведут постоянным или переменным током.
Для сварки алюминия и магния обычно используют переменный ток, Для сварки коррозионно-стойких сталей, никеля, меди, серебра и титана — постоянный. При сварке алюминия постоянным током используют схему обратной полярности, так как в этом случае электронная эмиссия металла
4*
в области сварки и бомбардировка поверхности положительными ионами способствует удалению оксидной пленки и повышению качества соединения.
Особенности дугового разряда в среде аргона — высокое напряжение зажигания вследствие высокого ионизационного потенциала этого газа и малое напряжение горения (12... 24 В) при длине дуги 1 ... 3 мм, объясняемое повышенной подвижностью электронов в аргоне, отсутствием расхода энергии на диссоциацию молекул газа и другими факторами.
В вакуумной технике распространены две разновидности аргонодуговой сварки: в воздухе с местным обдувом кромок соединяемых деталей аргоном и в камерах, наполненных аргоном.
При сварке в воздухе кромки соединяемых деталей обдуваются аргоном, который подается между центральным вольфрамовым электродом н керамическим наконечником сварочной горелки под небольшим избыточным давлением (порядка 1 кПа) и не только защищает от окисления нагретый и расплавленный металл в зоне сварки, ио и способствует ионизации пространства, в котором горит дуга.
Сварку в воздухе с местным обдувом аргоном, характеризуемую высокой производительностью, используют, когда к чистоте шва (отсутствие загрязнений н оксидов) не предъявляют повышенных требований. Если к чистоте швов предъявляют высокие требования, применяют сварку в камере, нз которой предварительно откачивают воздух до давления 1,33 ... 0,133 Па и наполняют ее аргоном с минимальной долей примесей (0,01% О»; 0,01% N2). В камере размещают приспособления для закрепления деталей и электроды.
Аргоиодуговую сварку не рекомендуют для выполнения конструкций с толщиной кромок более 4 мм. Прн использовании медных охладителей или специальных накладок можно сваривать тонкостенные детали (до 0,15 мм).
Электроино-лучевая сварка основана иа использовании энергии, образующейся прн столкновении потока ускоренных электронов со свариваемыми деталями. При этом электроны
100
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Ри<. 5.2. Схема расплавления материала при сварке (F, и Т2 — площади расплавленной: зоны при электронно-лучевой н дуговой сварке)
передают часть своей энергии атомам и молекулам материала деталей; в результате температура в зоне действия потока электронов повышается. Электронно-лучевую сварку выполняют в вакууме (5-10'3 Па), что позволяет сохранить чистоту свариваемых металлов. Кроме того, отсутствие деформации свариваемых деталей и высокие физико-механические характеристики материала сварного шва исключают его последующую механическую и термическую обработку. По прочности сварные соединения, получаемые электронно-лучевой сваркой, значительно превосходят аналогичные соединения, выполненные аргонодуго-вой сваркой.
Локальный нагрев зоны сварки позволяет сваривать тонкостенные детали. В этом случае можно создать пятно фокусировки луча площадью 0,1 мм2 и менее, что позволяет достичь высокой точности сварки. Глубокое проникновение электронов в материал, подвергаемый электронной бомбардировке, позволяет резко уменьшить площадь зоны расплава (рис. 5.2).
Электронно-лучевую сварку применяют для получения вакуумно-плотного соединения изделий из коррозионно-стойких сплавов, вольфрама, молибдена, титана, бериллия и тантала, а также различных сочетаний конструкционных материалов.
При лазерной сварке используют как твердотельные, так и газовые лазеры. Плотность лазерного потока, иаправлеииого иа свариваемые детали, может достигать 10’ ... 108 Вт/см2. Излучение может быть как непрерывным, так и импульсным. При лазерной обработке отсутствует механический контакт между соединяемыми деталями и устройствами, служащими для передачи энергии к месту сварки.
Это исключает возможность попадания в зону шва посторонних примесей при газовой, аргонодуговой и контактной сварке. Малая площадь поперечного сечения сфокусированного светового пучка позволяет проводить сварку в труднодоступных местах. Кроме того, лазерный луч проходит через любую пропускающую ' свет среду. Так, лазером можно сваривать детали, находящиеся в замкнутом оптически прозрачном объеме. Лазерной сваркой как в вакууме, так и в обычной атмосфере можно соединять детали толщиной 0,01 ... 1,0 мм из любых металлов в любых комбинациях. Технологию лазерной сварки используют для соединения стекол. При лазерной свалке основной задачей управления лазерным лучом является уменьшение его энергии до такого значения, при котором материал свариваемых деталей нагревается до температуры плавления, но не испаряется.
Для получения необходимой энергии излучения . Й7 в оптической системе лазерной сварочной установки используют линзы с большим фокусным расстоянием или смещают свариваемые поверхности относительно фокальной плоскости (дефокусировка АЛ). На рис. 5.3 заштрихована область оптимальных соотношений W и А/, при которых обеспечивается качественная лазерная сварка.
Плотность потока энергии излучения <р, Вт/см2, в месте падения луча связана с размером фокального пятна соотношением
ф = ^/Пи^ф).
где W — энергия излучения с учетом потерь в оптической системе, Дж; ти—время импульса, с; Лф— площадь фокального пятна, см2.
Из бесконтактных методов сварки весьма распространены плазменные методы. Плазменно-дуговой нагрев применяют для сварки практически любых материалов вакуумной техники. При плазменной сварке используют горелки с дугой прямого действия, в которых дуга горит между электродом и изделием и струя плазмы совпадает с дугой. Высокие напряжение и мощность при фокусированном факеле обеспечивают получение сварных
Сварные соединения
101
щВов высокого качества. При плаз-менно-дуговом нагреве наиболее целесообразна сварка оплавлением, при которой свариваемые детали перемещаются относительно струн плазмы. Сваопваемые кромки оплавляются: при необходимости их защищают инерт-ным газом (рис. 5.4).
Плазменная сварка характеризуется глубоким проваром н равномерностью шва при постоянном расстоянии от сопла до металла.
К. сварке давлением относятся способы соединения, при которых металлы сваривают в твердом состоянии при совместной пластической деформации, иногда сопровождающейся нагревом. К этому виду сварки относится элек-троконтактная, холодная, диффузионная в вакууме, а также ультразвуковая и термокомпрессионная.
Контактная сварка заключается в разогреве свариваемых деталей пропусканием тока и последующем механическом сжатии. Контактная сварка может быть точечной, шовной и стыковой. В вакуумной технике точечную сварку применяют лишь как вспомогательное средство для предварительного соединения и взаимной ориентации соединяемых деталей, так как этот вид сварки не позволяет получить вакуумно-плотное соединение. Шовную сварку используют достаточно широко. Давление, прикладываемое к роликам, постоянно:' при этом сварочный ток может быть непрерывным или импульсным, так что области сварки от двух последовательных импульсов перекрывают одна другую (рис. 5.5).
Из некоторых металлов, таких, как медь, алюминий, коррозионно-стойкие стали, можно получать вакуумно-плотные соединения холодной сваркой. При этом свариваемые поверхности, тщательно обезжиренные и очищенные ОТ пленки оксидов, сжимают специальными приспособлениями (давление, для Алюминий (70...250 МПа, для меди ”00 ... 750 МПа). Контактирующие поверхности из коррозионно-стойких ста-Щи необходимо плакировать слоем ',еДн. Если в процессе сварки контак-’ирующие. поверхности, предохраняемые от загрязнений и окисления (например,1 в вакууме), нагревать, ка-
Рис. 5.3. Зависимость энергии цзлучени» W. от дефокусировки Д/
Рис. 5.4. Схема плазменной сварки:
1 — источник питания; '2 — высокочастотный генератор; 3 н 4 — сопла для подачи соответственно защитного и плазмообразующего инертных газов; 5 — электрод; € ~ трубка подачи охлаждающей воды;
7 — свариваемые детали
чество сварки повышается, и давле-ние, необходимое для сварки, уменьшается.
Температура и давление связаны уравнением
л — 7.	„	~ ч,
' j ПЛ °C. д
где М — коэффициент, зависящий от свариваемых материалов (для меди К — 20, для титана К = 28); Т — температура сварки, К; Тал— темпера-
Рис. 5.5. Схемы роликовой шовной сварки в импульсном (а) и непрерывном (<Г) режимах
102
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Паяные соединения
103
Рис. 5.3. Сварные соединения
тура плавления металла, К; о — удельная нагрузка, необходимая для сварки, Па; ос'_ я — сопротивление деформации металла, равное утроенному пределу текучести от металла при данной температуре, Па.
Широко распространена диффувион-ная сварка в вакууме. Процесс диффузионной сварки состоит из трех стадий: физического взаимодействия, свидетельствующего о фактическом контакте поверхностей; химического взаимодействия (схватывания) при необходимом уровне активации поверхностей; объемного взаимодействия в зоне контакта, определяемого диффузионными процессами и сопровождающегося равномерным распределением напряжений.
Процесс диффузионной сварки осуществляют в вакууме при давлении порядка 10~2 Па. Иногда вакуумные объемы заполняют инертным или восстановительным газами. Свариваемые детали нагревают в собранном состоянии до температуры, равной 0,5 ... 0,7 температуры плавления более легкоплавкого из соединяемых металлов при относительно небольшом давлении. Рабочая среда способствует удалению поверхностных оксидов благодаря их разложению (диссоциации) в вакууме или восстановлению, а также частичному растворению в основном металле.
Диффузионная сварка позволяет изготовлять вакуумно-плотные соединения как однородных, так и разнородных металлов, а также неметаллических материалов с металлами и сплавами. В вакуумной технике применяют
сварные стеклометаллические и ме- I таллокерамические соединения,, кото-Л рые требуют дополнительной подго-Я товки поверхности.	
Газовую сварку в вакуумной тех-Я нике ограниченно применяют вслед-Я ствие неизбежного интенсивного обра-Я зования оксидов или науглероживании^ металлов в зоне сварки, что исключаете возможность получения надежныхЯ сварных вакуумно-плотных соедине-Я иий. Примеры сварных соединений! приведены на рис. 5.6.	,	1
5.3.	Паяные соединении |
Пайку широко применяют для полу- 1 чения вакуумно-плотных соединений 1 металла с металлом, а также металла,] с керамикой и стеклом.	|
Пайка основана иа способности ме-1 таллов смачиваться расплавленным | припоем при проникновении его в за- ] зор между соединяемыми деталями и.-| последующей взаимной диффузии при-| поя в основной металл я основного| металла в припой с образованием спла-1 вов в виде твердых растворов или хи-| мических соединений. В вакуумной] технике широко применяют пайку-1 нагревом соединяемых деталей спе-.| циальными внешними нагревателями,] прямым пропусканием электрического] тока или токами высокой частоты (ии-] дукпионный нагрев) в среде водорода] или ь вакууме. Кроме того, для соеди-1 иеиня деталей используют электрокон-]  тактиую пайку в воздухе.	I
В среде водорода паяют никель, бес-1 кислородную медь, ковар, различны®] стали, железоникелевые сплавы, кон-1
стантан и другие металлические материалы, не вступающие в реакцию с водородом. Водород защищает  металлы от воздействия воздуха, восстанавливает оксиды и обеспечивает возможность пайки без применения флюсов. Наилучшим для пайки считается водород, осушенный до точки росы (233 ... 223 К) и содержащий не более 0,003 ... 0,005% кислорода. Так как тонкая очистка водорода требует частой регенерации или замены очищающих веществ, в производстве нередко используют водород с пониженными требованиями к содержанию примесей, достаточно активно вое--станавливающий оксиды таких металлов, как .никель, медь, константан. В таком водороде труднее восстанавливаются оксиды на поверхности деталей из ковара, железоникелевых, сплавов, железа, углеродистых сталей н особенно коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т и других сплавов, содержащих хром. При этом детали покрываются устойчивой, плотной и проч--ной пленкой, совершенно не смачиваемой припоями. Однако необходимо отметить, что пайка в водороде даже тонкой очистки может быть затруднена или невозможна-вследствие выделения паров, воды и кислорода из обрабатываемых деталей, внутренней арматуры или футеровки печей.
В вакууме паяют преимущественно детали из трудно обжигаемых (молибден, титан), в водороде или реагирующих с ним (бронза, медь) металлов, а также если к чистоте шва и прилегающих к нему зон предъявляют повышенные требования. Наилучшие результаты получают при пайке мало-и крупногабаритных деталей в вакууме со значительным газовыделением.
Для улучшения условий пайки в вакууме детали из молибдена и титана перед пайкой покрывают гальваническим способом последовательно слоями меди, никеля, а иногда и серебра. 1ак, для молибдена толщина' слоя меди 3 ... 5 мкм, слоя никеля 7 ... и мкм. Такие покрытия исключают ызывающую появление течей межкристаллитную коррозию таких елла-. щВ> как, например, ковар, и улучают смачиваемость молибдена и ти-
Растекэемость припоев и характер диффузионных процессов при пайке в значительной степени зависят от состояния поверхности деталей, их взаимного расположения и крепления, а также формы и размещения припоев. Пайкой целесообразно соединять детали с шероховатой поверхностью, так как микронеровности способствуют лучшему растеканию припоев вследствие капиллярного эффекта и получению более прочных соединений. Ра-стекаемость характеризуется отношением площади, занимаемой припоем до расплавления, к площади, занимаемой им после расплавления. Смачиваемость может быть удовлетворительной лишь при полном отсутствии на соединяемых поверхностях оксидов и других соединений, наличие которых на отдельных участках может привести к нарушениям .герметичности шва при его достаточной механической прочности. Перед пайкой детали очищают: обезжиривают в горячем трихлорэтилене, обрабатывают кислотами и щелочами.
Глубина проникновения расплавленного припоя в зону пайки под действием капиллярных сил зависит от зазора между деталями, который обычно составляет 0,05 ... 0,15 мм. Зазор принимают с учетом геометрических размеров и конструктивных особенностей деталей, а также свойств соединяемых металлов с учетом их температурного коэффициента линейного расширения. Слишком малые зазоры припой может не заполнить, что вызывает появление пустот в шве, уменьшает прочность, герметичность, ухудшает другие характеристики соединения. При больших зазорах действие капиллярных сил может оказаться недостаточным для затягивания припоя в шов, что также уменьшает прочность и вакуумную плотность соединений.
Обычно применяют припой в виде колец из проволоки или фольги. Проволочный припой лучше располагать над швом, по возможности ближе к зазору, что способствует действию капиллярных сил и позволяет одновременно использовать силу тяжести припоя. Припой в виде фольги целесообразно закладывать в зазор между плоскостями соединяемых деталей.
104	ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.1
Припой (состав)	Т’пл’ *	Соединяемые металлы	Ширина зазора, мм
Медиый	1356	Ковар—ковар, сталь—сталь	0 ... 50
Серебряный	1233	Медь—медь, медь— ковар	
Медно-сепебряиый эвтектический (72% Ag, 28% Си)	1053	Медь—медь, медь— ковар, медь—сталь	
Медно-серебряиый фосфор и? стый (15% Ag, 80% Си, 5% Р)	913 ... 973	Медь—медь,	ко- вар—молибден,	
		ковар—ковар	0 ... 45
Медно-серебряноиндиевый (85% Си. 10% Ag, 5% In) Индиевый (27% Си, 63 % Ag, 10% In)	1173 ... 1223 958 ... 983	Медь—медь, сталь—сталь, мець—сталь	
Индиевый (30% Си, 65% Ag,	1043 ... 1073	Медь—ковар, •	
5% In)		медь—медь, медь— сталь	
Золотомедный (63% Си, 37% Аи)	1233	*	25 ... 65
В зависимости от назначения паяных соединений применяют пайку твердыми или мягкими припоями. При пайке твердыми припоями с температурой плавления выше 823 К соединение имеет значительную механическую прочность. Соединения, получаемые пайкой мягкими припоями, которые плавятся при температуре ниже 673 К, имеют незначительную прочность.
При пайке твердыми припоями получают прочные вакуумно-плотные швы, способные выдерживать нагрев и сохраняющие необходимые теплопроводность и электрическую проводимость. Давление паров припоев в вакууме не должно быть выше давления паров соединяемых металлов при минимальном содержании в них примесей.
Пайку мягкими припоями применяют для получения вакуумно-плот-иых соединений, в том числе при периодической разгерметизации соединения нагреванием до температуры плавления припоя.
Для пайки деталей электровакуумных приборов применяют припои иа' основе серебра, меди и золота (табл. 5.1).
Для улучшения смачиваемости используют флюсы на основе тетрабората натрия Na3B4O7.- В зависимости от соединяемых материалов в состав флюсов вводят интенсификаторы, например фторид кальция CaF3. Так, для пайки медных деталей применяют флюс, содержащий 40% Na3B4O7, 40% борной кислоты Н3ВО3 и 20% соды Na2CO3, а деталей из стали 12Х18Н10Т — Флюс, содержащий 20% Na.,B4O7, 70% Н3ВО3 и 10% CaFa.
Скорость взаимной диффузии и смачиваемость увеличиваются с повышением температуры и времени пайки. Однако во избежание структурных изменений и возможных деформаций деталей температура пайки должна не более чем на 313-.,. 323 К превышать температуру плавления припоя. Продолжительность иагрева и выдержки деталей при температуре пайки должна быть достаточна для завершения диффузионных процессов и определяется размерами соединений, их расположением по отношению к источнику теплоты, активностью среды, размерами зазоров н др.
Паяные соединения
105
Рис. 6.7. Паяные соединения
Примеры паяных соединений, широко используемых в вакуумной технике, приведены на.сис. 5.7.
Для получения качественнц? паяных вакуумно-плотных соединений существенное значение имеет правильный выбор зазора и допусков на размеры сопрягаемых деталей. При пайке мягкими припоями оптимальный зазор между соединяемыми деталями составляет 0,05 ... 0,15 мм. Ориентировочные зазоры при пайке твердыми припоями указаны в табл. 5.1..При выборе допусков соединения для пайки деталей из однородных металлов температурное влияние не учитывают. Для пайки деталей из разнородных металлов допуски рассчитывают с учетом температурного расширения материалов каждой из' сопрягаемых деталей.
Пример. Определить допуски соединения (рис. 5.8), если известны: номинальный диаметр D соединяемых пайкой поверхностей, наибольший 5 и наименьший а зазоры между деталями при пайке, температурные коэффициенты линейного расширения материалов вала и втулки а,; температура пайки Тп = Гпл -г 20 К (г^е — температура плавления ма-ФеРиала).
Наибольший S и наименьший а зазора • язана с наибольшими и &а и наи-. еньшими в, и в. допусками зависй-м°стями:
s =Р + Да) С +«2ГП) - (О - дх) М
+ Да (1 — а,Гп) 4-Aj (1+а^н);
» = (D 4-ва) (1 4-а,Тп) — (D — 6t) X
х(1+«1гп) = (“а~«1)гп +
+ в2<1 + “агп) + в1(1+»1^п)-
Отсюда можно определить допуски на размеры сопрягаемых деталей. По исход* ным данным выбираем допуски на охватывающую деталь по системе вала.
Масса припоя, кг, необходимого для образования качественного слоя,
М = l.SVp,
где V — объем максимального зазора между деталями при температуре пайки, ма; р — плотность материала припоя, кг/ма.

Рис. 5.8. Схема к расчету допусков соединения из двух деталей, материалы которых имеют различные температурные коэффициенты линейного расширения:
1 вал; 2 — втулка
106
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЕ
5.4.	Вакуумноплотные соединения на основе глазурей, снталло-цементов и эпоксидных смол
Высокотемпературные глазури, изготовляемые из различных порошкообразных стекол, иногда называют стеклянными припоями. Глазури предназначены для соединения деталей из стекла, керамики, металлов; температура размягчения глазурей значительно ниже температуры размягчения соединяемых деталей, которые при сборке не должны деформироваться .
К свойствам глазурей предъявляют ряд требований, которые трудно удовлетворить одновременно. Так, глазурь должна быть однородной по составу и не расстекловываться после расплавления (т. е. не переходить из стеклообразного состояния в кристаллическое) даже при длительном нагреве, иметь вязкость (при температуре пайки) 103 ... 106 Па-с и при этом обладать достаточной, но не слишком высокой, текучестью и хорошо смачивать место спая. Глазурь и соединяемые материалы должны быть подобраны по температурным коэффициентам линейного расширения. Стеклянные глазури должны активно взаимодействовать с поверхностями соединяемых деталей, т. е. образовывать химические
соединения, твердые растворы и не разлагаться при нагревании в вакууме. Газовыделение при этом должно быть минимальным'.
Этим требованиям наиболее полно отвечают глазури на основе оксида бора (температура размягчения 713 ... 623 К), бариевые и цинк-боридные (823 ... 883 К).-
Глазурь получают йз смеси размягченного стекла и 5%-ного спиртового раствора полиамидной смолы (соотношение 2:1). В вакуумной технике стеклянные глазури используют, па-пример, для получения вакуумноплотных соединений стеклянных деталей между собой, а также с металлическими нли керамическими дета-, лями. Металлические детали рекомендуется изготовлять из железоникелевого сплава, а поверхность их мед-иить.
Для получения вакуумно-плотных соединений широко используют си-таллоцементы. Применение ситалло-цементов позволило устранить основной недостаток глазурей — невозможность нагрева соединений до температуры выше 573 К.
Ситаллоцементом можно соединять детали при сравнительно низких температурах (например, ситаллоцементом СЦ 90-1 при Т = 713 К). При .термообработке происходит кристаллизация ситаллоцемента, после чего его можно применять без опасения деформаций шва при температуре на несколько десятков градусов выше температуры, при которой выполнено соединение деталей. При температуре ниже 713 К предпочтительнее применять ситаллоцемент СЦ 90-2, так как он имеет более низкую температуру кристаллизации (693 ±5 К).
Эпоксидные смолы все чаще используют для получения неразъемных вакуумно-плотных соединений. Выбор смолы в каждом конкретном случае зависит от типа уплотнения, толщины клеевого слоя и возможности его нагрева для полимеризации.
Для склеивания материалов с одинаковыми' или незначительно различаю-•щимися температурными коэффициентами линейного расширения предпочтительны смолы, отверждающиеся при нагреве; в противном случае следует
Разъемные соединения
107
применять смолы, полимеризующиеся при нормальной температуре.
Наиболее надежны охватывающие соединения, характеризующиеся взаимным перекрытием двух деталей, связанных находящейся между ними пленкой клея. Их применение особенно целесообразно при соединении трубопроводов. Охватывающие соединения могут быть телескопическими (рис. 5.9, а), ступенчатыми (рис. 5.9, б), с внешней (рис. 5.9, в) или внутренней (рис. 5.9, г) муфтой.
При конструировании клеевых соединений необходимо учитывать, чта оии хорошо работают на срез и плохо — на разрыв, поэтому уплотнения на эпоксидной смоле, которые могут быть подвержены растяжению или сжатию, ие следует выполнять торцовыми. В этом случае необходимо использовать конструкцию с перекрытием, например охватывающего типа. Торцовые соединения (рис. 5.9, д) применяют, когда детали подвергаются сдвигу или кручению.
Уплотнения иа основе эпоксидных смол успешно применяют прн изготовлении смотровых окон, а также вводов электродов и термопар.
5.5.	Разъемные соединения
Разъемные вакуумно-плотные соединения предназначены для обеспечения свободного доступа к внутренним устройствам вакуумных установок, облегчения монтажных работ и замены вышедших из строя элементов.
Выбор конструкции разъемного соединения для работы в конкретной вакуумной системе определяется предельным давлением в откачиваемой вакуумной камере, материалами и размерами соединяемых деталей, чистотой сборки, температурным режимом, условиями проверки на герметичность и условиями работы вакуумной установки.
В разъемных вакуумных соединениях используют как неметаллические, так и металлические уплотнители.
Соединения с неметаллическими уплотнителями (чаще всего резиной) просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, но имен»' ограниченную
Рис. 5.10. Оливка для уплотнения вакуумного шланга
термостойкость и повышенные газо-ныделение, проницаемость, хрупкость при низких температурах, что несколько сужает область их применения. Соединения этого типа применяют в вакуумных системах при давлении ие менее 5-10~5 Па и температуре не выше 473 К (термостойкие резины).
Степень сжатия резиновых уплотнителей зависит от марки резины, требуемой герметичности и 'вида соединения.
Резины практически несжимаемы, поэтому площадь сечения канавки под уплотнитель должна быть иа 2 ... 5% больше площади сечения уплотнителя. Для достижения вакуумной плотности соединения деформация резинового уплотнения и зависимости от его твердости должна составлять 20 ... 40% . Для того чтобы резиновый уплотнитель воспринимал только дозированное усилие сжатия и не влиял на точность установки деталей соединения, последние рекомендуется затягивать до соприкосиовеиня металлических поверхностей.
В установках с предельным остаточным давлением 5- 10~f Па, как правило, применяют вакуумные уплотнения с прокладками из резины марок 7889, 9024, ИРП-2043 и фторопласта-4. В сверхвысоковакуумных прогреваемых установках с предельным остаточным давлением до 5-10~5 Па используют уплотнения из полиамида, а также металлические прокладки из отожженной меди, индии, алюминия, а в некоторых ответственных случаях из золота.
Наиболее простой вариант уплотнения вакуумных шлангов форвакуумных систем (до 10~а Па) с использованием сливок. Геометрические размеры.
108
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.5jj —----:
Размеры корпуса (см. рис. 5.12, а)
Dy	D	D?	D,	D,	Dt
10	33	27X1,5	22	17	15
16	38	33X1,5	29	21	21
25	55	45X2,0	42	31	30
Примечание. Размеры в мм.
мм, оливок (рис. 5.10) рекомендуется выбирать из следующих соотношений: D = (1,5 ... 1,3) rf; = d + (1,5...
3,0); R --= сД- (0,3 ... 0,5) D, где d —
внутренний диаметр резинового вакуумного шланга. Если оливки гладкие, для надежной герметизации шлангов применяют гибкие ленточные хомуты.
Для уплотнения стеклянных и металлических трубок и стержней малого диаметра (до 25 мм) широко распространено зажимное штуцерное соединение с резиновым уплотнением.
ДИуцерные (рис. 5.11, 5.12), штуцерно-ниппельные п фланцевые соеди-
нения с резиновыми и металлическими уплотнениями выполняют по' ОСТ 11 868.003—76 ... ОСТ 11 868.010—76. В табл. 5.2, 5.3 приведены размеры корпуса, гайки и кольца, выполненных из сталей 20 и 12Х 18Н10Т, в табл. 5.4— размеры уплотнения из резины 9024.
Металлические детали штуцерно-ниппельного соединения (рис. 5.13— 5.14, табл. 5.5—5.7) выполняют из стали 20 или. 12XWTI0T, уплотне-
Dt	h	bi'	bt	L	I	h	S
18	24	20	12	40	16	4	30ц
23	29	24	13	46	21	5	3<
32	40	32	19	63	30	6	I
ние — из резины 51-1578.				марки		9024	j
Телескопическое бесфланцевое уплотнение (рис. 5.15) очень удобно для
регулирования длины трубопровода.
Для больших контуров (вакуумных камер, корпусов любых геометрических очертаний и др.) применяют бесфланцевые торцовые уплотнения (рис. 5.16). Ширина зоны уплотнения равна толщине обечаек Г, диаметр шнурового уплотнителя 2 больше толщины обечаек на 2 ... 4 мм. Оптимальная для надежной герметизации деформация уплотнителя достигается регулированием внешних упоров 3. Уси-
лие сжатия уплотнителя создается атмосферным давлением или специальными прижимами. Фланцевые соединения с резиновыми прокладками конструктивно просты, надежны в эксплуатации, ие требуют больших усилий сжатия.
На рис. 5.17—5.18 показаны конструкция и элементы быстроразъемного фланцевого соединения с накид-
Таблица 5.3
Рис. 5,11. Штуцерное соединение с резиновым уплотнением:
1 — корпус; 2 — гайка; 3 кольцо; 4 — уплотнение
Размеры
гайки
(см. рис. 5.12, 6}
кольца (с^« рис. 5.12, в)
10
16
25
М27Х 1,5
МЗЗХ 1,5
М45Х 2,0
5,5
6,5
8,0
Примечание. Размеры в мм.
н
Разъемные соединения
109
Рнс. 5.12, Элементы
штуцерного соединения:
а — корпус; б — гайка; е — кольцо; г — уплотнение
ными хомутами и резиновым уплотнением, работающего в диапазоне дав-лений 1-(О6 ... 1,3-10~6 Па при температуре окружающей среды 281 ... 343 К. Размеры элементов соединения установлены ОСТ 11 868.005—76 (табл. 5.8—5.10).
Конструкция и элементы фланцевого соединения с центрирующим кольцом
и резиновым уплотнением для давлений' 1-103... 1,3-10~е Па приведены на. рйс. 5.19—5.20 (табл. 5.11—5.19).
•В сверхвысоковакуумных и специальных установках, в которых применяются длительный прогрев для обезгаживапия вакуумной системы, используют металлические прокладки. Для вакуумных систем, прогреваемых до температуры не выше 423 К
Таблица 5.4
^ис, 5.13. Штуцерно-ниппельное соединение с резиновым уплотнением:
1 — штуцер; 3 — гайка; 3 ниппель; 4 —
Оу	Размеры уплотнения (см. рис, 5.12, г)		
	D	а	н
10	22±0,4	16±0,3	6±0,3
16	29±0,4	19±0,4	8±0,3
25	42±О,5	30±0,4	№±0,3
Примечание, Размеры в мм.
уплотнение
110
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.5
Dy	Размеры штуцера (см. рис. 5.14, а)											
	D	Dt	D,	D,	Dt	D,	L	S	1	It	h	ht
10	М20Х 1,5	12	17	16	12	25,4	30	22	13	6	9	14
16	М27Х 1,5	18	24	22	18	34,6	30	30	15	6	10	15
25 П	М39Х1,5 р име ч ан	28 я е. Р	34 азмерь	32 в мк	28 I.	47,3	33	41	17	7	13	19
Таблица 5.6
Размеры
Dy
гайки (см. рис. 5.14, б)
ниппеля (см. рис. 5.14, о)
10
16
25
М20Х 1,5
М27Х 1,5
М39Х 1,5
23
30
43
12,5
18,5
28,5
31,5
36,9
53,1
16
18
21
27
32
45
14
16
18
18
27
12 16
18 22
27 32
Примечание. Размеры в мм.
<0	//	ij
Рис. 5.14. Элементы штуцерно-ннппелъиого соединения: а — штуцер; б — гайка; в — ниппель; е — уплотнение
Разъемные соединения
111
Рис. ,5.16. Бесфланцевое торцовое уплотнение для больших контуров
10
16
25
40
, Т а б л в ц а 5.8
(рнс. 5.21, табл. 5.20), достаточно надежны и удобны уплотнения 'с прокладками из индия, которыми можно герметизировать не только металлы, но и стекло, керамику, фарфор и другие хрупкие материалы; Удельное усилие, необходимое для обеспечения герметичности, составляет 50 ... 60 Н/см при ширине уплотнения 1 мм.
Таблица 5.7
	Размеры уплотнения (см. рис. 5.14,г)	
	D	d
10	12	2,0
16 •	18	2,0
25	27	2,5
Примечание. Размеры в мм.
Размеры
полукольца (см. рнс. 5.18, а) из алюминиевого сплава АЛ9
.базового фланца (см. рис. 5.18, 6} из стали 20
62 22
17 26 30
22 I 34
30 j 40
14	12,2
20	18,2
30 . 27,2
45	42,2
Примечание. Размеры в мм.
Т а б л.и ц а 5.9
Dy	Размеры переходного фланца		
	(см.	DHC.	5.18. в»
	из стали 20		
соеди-	пере-			
			
фланца	D		D,
16 ’	10	30	14	18,2
25	16	40	20	27,2
40	25	. 55	30	42,2
Примечание. Размеры			В мм.
Таблица 5.10
ПУ	Размеры						
	' Серьги (см. рис. 5.18, г) из стали 45					заглушки (см. рис. 5.18, 9) из стали 20	
	L	В	S	А	d	D	Di
10 16 25	24	10	3,5	14	4	30	12,2 18,2 27,2
40	29	12	4,5	17	5	55	42,2
Примечание. Размеры в мм.
112
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Рис. 5.17. Фланцевые соединения с накидными хомутами:
/ — полукольцо; 2— гайка; 3 — болт; 4 — шайба; центрирующее кольцо; 5 — уплотнение; 9
5 — штъфт; 6t 10 — фланцы; — серьга; 11 — заглушка
Рапеяны» cotdmmu»
113
Таблица 5.И
р.		
	.D	о.
10	55	40
16	60	45
25	70	55
40	’ 100	80
63	130	ПО
100	165	145
160	225	200
250	335	310
400	510	480
Размеры фланца (см. рис. 5.20, а) из стали 20 или 12Х18Н10Т
12,2	14	22
18,2	20	28
27,2	30	38
42,2	45	53
66,0	70	78
103	110	118
—	170	178
255	260	168
405	410	418
8	И	2,5
12	14	
16	17	4,5
20	21	
1,5	6,6	4
3,0	9,0	8
4,0	11,0	12
	14,0	16
Позиционное отклонение отверстий диаметром d
0,3
0,5
1,0
* Здесь и далее п — число отверстий под болты. Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.12
оу	Размеры резьбового фланца (см. рис. 5.20, б) из стали 20 илн 12Х18Н10Т											Позиционное отклонение отверстий диаметром d
	D	D,	D,	D,	Dt	н	Н1	h	А,	d	п	
10	55	40	12,2	14	22							
16	60	45	18,2	20	28	8	И		1,5	Мб		0,15
25	70	55	27,2	30	38			2,5			4	
40	100	80	42,2	45	53							
63	130	110	66,0	70	78	12	14		3,0	М8		
100	165	145	103	ПО	118							0,25
160	225	200	—	170	178	16	17	—		М10	8	
250	335	310	255	260	268			4,5	4,0		12	
400	510	480	405	410	418	20	21			М12	16	0,5-
Г	р и м	е ч а	и и е.	Зазме,	)Ы в	ЛМ.						
Таблица 5.13
Оу	Размеры опорного фланца (см. рис. 5.20, е)						из стали 20 илн 12Х18Н10Т			
	D	D,	D,	D,		Н	Hi	h	hi	Г
63	95	70	66	92	90			2,5		1,5
100	130	ПО	103	127	125	12	14		5,0	
160	180	170	—	175	175			—		2,5
280	290	260	255	285	285			4,5		
400	450	410	405	442	445	17	18		7,5	4,0
Примечание. Размеры в мм.
114
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.14
Оу	Размеры накидного фланца (см. рнс. 5.20, г) из стали 20									Позиционное отклонение отверстий диаметром
	D	D,	D,	D,	н	h	Г	d	п	
✓ 63	130	НО	95,5	98,5	12	5,5	1,5	9	4	
яоо	165	145	130,5	133,5					8	0,5
160 250	225	200	180,7 290,7	185,7 295,7	16	6,5	2,5	11,0		
	335	310							12	
400	510	'480	450,8	458,8	20	10,0	4,0	14	16	1,0
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.15
Dy	' Размеры центрирующего кольца (см. рис. 5.20. д) из стали 20 или 12Х18Н10Т							
	D	о.	D,	D,	Н	S	ь	Л
10	18	10	12	15,3.				
16	24-	16	18	18,5				
. 25	33	25	. 27	28,5	8,0	3,4	1,0	2,5
40	49	40	. 42	43,0				
63	76	63	66	78,0				
100.	. 113	100	103	110,0				
160	177	157	1.60	165,0	10,0	4,3		3,0
250	271	250	255	273,0	14,0	5,9	2,0	4,0
400	427	400	405	412,0				
Применение. Размеры в мм.
Таблица 5.16'
Dy	Размеры пружинного кольца (см. рис. 5.20, е) из проволоки класса I (ГОСТ 9389—75)		
	D	d	b
63	92	3,0	
100	127		. 3
160	175	5,0	
250	285		
400	442	8,0	4
Примечание. Размеры в мм.
Разъемные соединения
115
Таблица 5.17
Dy	Размеры уплотнения (см. рис. 6.20, ое) из резины 7889, 9024 нлн 51-1578	
	D	d
10	14	
16	18	
25	28	5,0
40	42	
63	75	
100	105	
160	160	6,0
250	260	8,0
400	400	
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.18
Dy	Размеры заглушки (см. рис. 5.20, з) из стали 20 или 12Х18Н10Т	z							
	D		D,	Н	h	d	п	Позиционное отклонение отверстий диаметром
10 16 25 40 63 100 160 250 400	55 60 70 100 130 165 225 335 510	40 45 55 80 110 145 200 310 480	12,2 18,2 27,2- 42,2 66,0 103,0 160,0 255,0 405,0	8	2,5	6,6	4	0,3
				12		9,0		0,5
							8	
				16	4,5	11,0		
							12	
				20		14,0	16	1,0
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.19
°у
63
100
160
250
400
П
Размеры промежуточной шайбы (см. рис. 5.20, и) из стали 20 или 12Х18Н10Т
римечанне. Размеры в мм.
Примечаиия: 1. Размеры в мм.
2. Для соединений обоих нидов (см. рис. 5.21, б) Л* = 0,3 мм.
Таблица 5.21
•	Вид соединении	Схема				Dy> мм	Диапазон рабочих температур, к	Удельное усилие эксплуатации, Н/мм
	Ка найочн о- кл и и овое Коническое: с проволочным уплотнителем с плоским уплотнителем	1 Ф2	Z да	1		10... 700 10 ...250 . 16 ... 250	117 ...723 117 ...723 253 ... 723	260 ... 330 88 ... 150 150
с симметричными фланцами
Угловое:
с проволочным уплотнителем
с фасонным уплотнителем
Уилера
. 10 ... 250 '	253 .	..723	150
до 40	293 .	.. 523	280 ... 500
400 ... 630	117 .	. 723	200
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ		Разъемные соединения
Вид соединения
Ступенчатое:
с зазором между уплотняемыми деталями
с перекрытием уплотняемых деталей
С серповидным профилированным выступом
С уплотнением встречными высту-1 нами:
с серповидным профилем
на упругом основании
с выступом в виде разнобокой трапеции
Продолжение табл. 5.21		
Dy, мм	Диапазон рабочих температур, К	Удельное усилие эксплуатации, Н/мм
		75 ... 150
10 ... 160	293 ...723	120
		300 ... 350
		
		
16 ... 100		150
16 ... 100
100 ... 400
253 ... 723
100
150
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ	
_________________ _____ м	Разъемные соединения
<о
Продолжение табл. 5.21
Вид соединения	Схема	Dy, мм	Диапазон рабочих температур, К	Удельное усилие эксплуатации, Н/мм
с симметричными фланцами
с несимметричными фланцами
е выступом треугольного сечения типа «коифлат»)
	-			
10 .	.. 160			170
10	..250			190
16	.. 250	253 .	.723	• 150
to
X ч ч % а: t гч
5 ч •S
Гч
с а; t t4
Гч 14 %
гч
S:
С выступом П-образиого сечения
С плоским уплотнением:
с универсальным вкладышем
с проволочным уплотнителем
10 ... 100
10 ... 400
250 ... 2000
200
300
122
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Рис. 5.19, Фланцевые .соединения с резиновыми уплотнениями:
/, 11 — опорные фланцы; 2 — центрирующее кольцо; 3 — уплотнение; 4 промежуточная шайба; 5 — болт; 6 — гайка; 7 — шайба; 8 — шпилька; 9 — резьбовой фланец;
10 —• пружинное кольцо; 12 — накидной фланец; 13 — заглушка
Для сверхвысоковакуумных соединений, прогреваемых до Т = 723 К, применяют фланцевые соединения с металлическими прокладками, в том числе с уплотнением канавочно-клнно-вым, коническим, угловым, ступенча-
тым, плоским, с профилированным выступом, с встречными выступами. Характеристики и схемы этих соединений приведены в табл. 5.21.
Из приведенных в табл. 5.21 соединений в отечественной практике
Рис. 5.20. Элементы фланцевого соединения с резиновым уплотнением: а — фланец; б — резьбовой. фланец; е — опорный фланец; г — накидной фланец; д центрирующее кольцо; е — пружинное кольцо; ою — уплотнение; а — заглушка; и — промежуточная шайба
Разъемные соединения
123
Рис. 5.2 1. Схемы установки индиевых прокладок под металлические фланцы (а) и фланцы из хрупких материалов (<Г)
наиболее распространены канавочио-клиновые и соединения типа «кон-флат».
Несмотря на распространенность ка-иавочно-клиновых соединений они имеют недостатки: жесткие допуски на размеры посадочных мест и уплотняющего профиля; сложность контроля геометрии профиля; наличие в пространстве между выступом и дном канавки замкнутого объема, который является потенциальным источником газо-выделения; сравнительно большие раз-
меры и масса фланцев, их несимметричность. Фланцевое соединение с уплотнением встречными выступами (типа «конфлат») регламентировано ГОСТ 26526—85 (СТ СЭВ 4773-84). Герметичность стыка достигается при вдавливании уплотняющих выступов в тело относительно толстого (1 ... 2 мм) уплотнителя, который, деформируясь, заполняет микронеровности уплотняемых поверхностей. Недостатки, присущие канавочно-клиновому профилю, в значительной мере относятся и к соединениям типа «коифлат»; преимущество — симметричность фланцев.
Конструкции фланцевых соединений каиавочно-клинового типа показаны на рис. 5.22—5.23., Конструктивные размеры элементов соединения приведены в табл. 5.22—5.28. Для скобы (рис. 5.24), выполненной из стальной ленты 12Х18Н10Т, при диаметре фланцевых соединений Dy 250 и 400 мм размер L = 16 мм. В табл. 5.29 приведены размеры шпилек (рис. 5.25). Для достижения необходимой деформации уплотнителя момент затяжки
Исполнение /	исполнение 2	Исполнение 3
Рис. S.22. Фланцевые соединения с металлическим уплотнением:
~ фланец с зубом; 2 — фланец с канавкой; 3 — уплотнение; 4 — шпилька; S —гайка. 6 — шайба; 7 — скоба
124
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

Разъемные соединения
125
Таблица 5.22
	Раамеры фланца с зубом (см. рнс. 5.23, а)											
	D	Dt	D,	D,	D,	De	D<	н		ь	d	п
10	58	40	14	52	20	15±0,12	40				9	
16	65	45	20	60	25	20±0,14	45	21	26	6		4
25	85	62	30	80	35	30±0,.14	65				11	
40	НО	80	45	105	50	45±0,17	90				13	8
63	130	100	70	125	73	68±0,20	НО	22	27	7		
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.23
Dy	Размеры фланца с канавкой (см. рнс. 5.23,6)											
	ь	Dt	D,	D,	D.		Н	Н,	ь	ь,	d	п
10	58	40	14	52	20	15±0,12	10	15			9	
16	65	45	20	60	25	20±0,14			5	3		4.
25	85	62	30	80	35	30±0,14	12	17			11	
40	НО	80	45	105	50	45±0,17	14	19			13	8
63	130	100	70	125	73	68 ±-0.20	15	20	6	4		
Примечание. Размеры в мм
Т а б л и Ц а 5.24
Dy	Размеры фланца с зубом (см. рнс. 5.23. в) X										
	D		D,			Ds	D.	н		d	п
100	200	148	108	190	130	125±0,13	180	16	18	14	12
160	280	215	168	270	195	' 190±0,15	250	19	21	16	16
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.25
Dy		.—- - /	-	— / Размеры фланца с канавкой (см. рнс. 5.23.2)									
	D	D,	D,	D.	D«	D,	H	Hi	d	n
100	200	148	108	188	130	125±0,13	16	18	14	12
160	280	215	168	268	195	190±0,15	19	21	16	16
Примечание. Размеры в мм.
126
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.26
Оу	Размеры фланца с зубом (см. рис. 5.23, е)									
	D	Оа	О,		О.	D,	Н	b	d	п
- . 250	410	332	258	400	310	300±0,17	19	8	18	28
 400	580	488	408	570	465	455±0,19	23	9	18	40
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.27
Оу	Размеры фланца с канавкой (см. рис. 5.23, яс)									
	D	О»	О,	°’	о.	D,	Н	Ь	d	п
250	410	332	258	398	310	300 ±0,17	19	7	18	28
400	580	488	408	568	465	455 ±0,19	23	8	18	40
Г
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.28
Оу	Размеры . уплотне- ’ ння (см. рнс. 5.23, д)			Оу	Размеры уплотве* ння (см. рис. 5.23, д)		
	D	Г>1	S		D	о,	S
10	20	10	0,4	100	130	115	
16	25	16		160	196	180	0,5
25	35	25		250	310	282	
40	50	40	0,5	400	465	437	
63	73	63					
Примечание. Размеры в мм.
Таблица 5.29
°У	Размеры шпильки (см. рис. 5.25)		
	' О	L	1
10; 16	М8Х 1,0	48	13
25	М10Х 1,26	55	15
40 . 63	М12Х 1,25	60 62	17
100 160	М14Х1.5	58 67	18 20
250 400	М16Х1.5	72 ' 80	22
Примечание. Размеры в мм.
Разъемные соединения
127
Таблица 5.30
Размеры неподвижных фланцев (см. рис. 5.27, а)
Dy	D	Do	D,	D,	D,	D.	H	Ht	d	<*>	 n	a
16	16,0	27,0	18,3	21,4	34	18,5	8	13,0	M4	4,4	6	60°
40	35,0	58,7	41,8	48,3	70	38,5	13	18,0	M6 | 6,6			
63	59,5	92,1	77,0	82,6	114	66,5.	18	23,0			8	45°
100	100,4	130,2	115,2	120,7	152	104,5	21	26,0			16	22° 30'
160	150,0	181,0	166,0	171,5	202	160,6	22	27,0	M8	8,4	20	18°
200	200,0	231,8	216,8	222,3	253	206,0	25	30,0			24	15°
250	250,0	282,6	267,5	273,0	305	256,0					32	11° 15'-
примечание, размеры в мм.
крепежных болтов следует Выбирать с учетом размера резьбы:
Резьба М4 Мб М8 М10 М12 М16
Момент затяжкн,
Н-м . . 3,5 10 23 40 60 150
Для облегчения демонтажа фланцевых соединений предусматривают отверстия для отжимных винтов (при Dy 160 мм достаточно одного отверстия) .
Фланцевые соединения с встречными выступами типа «конфлат» показаны на рис. 5.26. Можно применять как неподвижные вокруг оси соединения фланцы (рис. 5.26, а, б), так и поворотные, позволяющие поворачивать оба фланца один относительно другого
(рис. 5.26, в, г) или один из них (рис. 5.26, д. е). Использование поворотных фланцев облегчает сборку соединения, так как упрощается совмещение крепежных отверстий.
Конструкции элементов фланцевых соединений рассмотренных типов приведены на рнс. 5.27, 5.28, конструктивные размеры — в табл. 5.30—5.33. При Dy 400 и 630 мм диаметр прокладки (кольца) 3 (см. рис. 5.26, ж) принимают соответственно 436 и 635 мм (предельное бтклонение
128
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 5.32
°У	Размеры поворотных фланцев (см. рис. 5.28, а)									
	D	D.			н	h *	d	di	п	а
16	19,3	27,0	21,4	34	8	5,8	М4	4,4	6	60°
40	39,0	58,7	48,3	70	13	7,6	Мб	6,6		
63	67,0	92,1	82,6	114	18	12,7			8	45°
100	105,0	130,2	120,7	152	21	14,3			16	22° 30'
160	160,8	181,2	171,5	202	22	15,8	М8	8,4	20	18°
200 250	206,5 257,0	231,8 282,6	222,3 273,0	253 305	25	17,2			24 32	15° 11° 15'
* Предельное отклонение ±0,05 мм.
-Примечание. Размеры в мм.
±0,5 мм), а размеры фланцев — по ГОСТ 26526—85 (СТ СЭВ 4773—84).
Фланцы и крепежные детали (болты, гайки и шайбы) прогреваемых высоко-вакуумных и сверхвысоковакуумиых
соединений изготовляют из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, прокладки — из меди Ml, прокладочные кольца — из меди МОб (ГОСТ 859—78).
Рис. 5.26. Фланцевые соединения (ГОСТ 26526—85):
а, б — с неподвижными фланцами; а, г — с поворотными фланцами; д, е — с неподвижным и поворотным фланцами; м — с неподвижными фланцами на большой условный проход; 1, 6, 8—12 — фланцы (1, 8, 11, 12 — с гладкими отверстиями; 6, 10 — с резьбовыми отверстиями; 9 — опорный); 2 — болт; 3 — прокладка; 4 — гайка; 6 — шайба; 7 — шпилька
Рис. .5.27. Элементы фланцевого соединения с неподвижными фланцами: а фланца; 6 — прокладка
5 П/р Е« С* Фролова
130
ВЛКУУМВЫЯ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Исполнение 1
Исполнение 2
Рис. 5.28. Элементы фланцевого соединения с поворотными фланцами:
0^*45° 2 раски
а и б — поворотные н опорный фланцы
Сверхвисокоеакуумные разъемные соединения
131
Таблица 5.33
	Размеры опорного фланца (см. рнс. 5.28. б)					
	D	Du не более	Dt	D.	я, не менее	4*
16	21,4	18,5	16,0	1«,3	10	5,2
ч 40	48,3	38,5	35,0	41,8	15	7,0
63	82,6	66,5	59,5	77,0	20	12,1
100	120,7	104,5	100,4	115,2	24	13,7
160	. 171,5	160,6	150,0	166,0	25	15,2
200	222,3	206,0	200,0	216,8	26	16,1
250	273,0	256,0	250,0	267,5	28	16,6
* Предельное отклонение —0,05 мм.
Примечание. Размеры в мм.
5.6. Сверхвысоковакуумные разъемные соединения с расплавляемыми уплотнителями
Герметизация сверхвысоковакуумных разъемных соединений с расплавляемыми уплотнителями основана на адгезионном взаимодействии легкоплавкого металла-уплотнителя и твердых уплотняемых поверхностей [7, 32]. Герметичное соединение создается при заполнении в условиях смачивания расплавленным металлом-уплотнителем микронеровностей уплотняемых поверхностей, перекрытии газопроводящих каналов и охлаждении соединения. Разборка соединения требует нагрева и расплавления металла-уплотнителя.
Герметичность соединения любого узла уплотнения определяется в основном условием смачиваемости уплотняемых поверхностей. Критерием смачиваемости герметизируемых поверхностей является краевой угол 0 (рис. 5.29, а), который для идеальной поверхности определяется уравнением Юнга:
cos 0 = (от г — ат. ж)/ож. г> где от г, ат>ж и ож. г — поверхностные Натяжения, на границе соответственно твердое тело—газ, твердое тело—жидкость и ’ жидкость—газ.
5*
Таким образом, краевой угол смачивания 0 характеризует смачивающую способность жидкости (жидкого металла) по отношению к данной поверхности твердого тела при данной газовой среде.
Для шероховатых поверхностей (рис. 5.29, б) справедлива зависимость, учитывающая угол <р наклона выступа шероховатости, причем краевой угол смачивания шероховатой поверхности 0ш = 6 + ф-
Рис. 5.29. Схемы к определению угла смачивании:
а — схема сил поверхностного натяжения; б — схема смачивания шероховатой поверхности; /, II н III — области соответственно газа, жидкости и твердого тела
132
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Рис. 5.30. Сверхвысоковакуумное разъемное соединение с расплавляемым метило м-уплотннтелем:
I — перед первой герметизацией; II — загерметизированное; III — разгерметизированное; IV — повторно загерметизированное; 1 — система охлаждения; 2 — электронагреватель; 3 — металл-уплотнитель; 4 — уплотнительный диск; 5 — оксидная пленка;
6 — слой полуды
I
В соответствии с рис. 5.29, б tg ф = = —dz/dx.
Наличие выступов на шероховатой поверхности приводит к изменению, площади контакта жидкого металла по7 сравнению с идеально гладкой поверхностью в раз из-за неполного смачивания впадин:
К'ь = Яд — л; Яд = Sk/Sk>
v n = S'K/SK,
где Sk — фактическая площадь контакта жидкого металла с поверхностью; SK — площадь контакта жидкого металла с гладкой поверхностью; SK — площадь контакта жидкого металла с газом, находящимся во впадинах.
Коэффициент /?д связан с краевым углом 0 и 0Ш зависимостью cos 0Ш = — /?д cos 0 — Т].
Для большей части расплавов поверхностное натяжение на границе жидкость—газ ож г= 0,1 ... 1,0 Н/м. Поверхностное натяжение расплавов зависит от температуры и является ее линейной функцией: для олова оЖ1,= — 539,8 Н/м при Т — 505 К; для индия ож г = 559,2 Н/м при Т = 429 К.
Поверхностное натяжение расплавов существенно зависит от состава газовой среды, так как на границе фаз протекают физические и химические процессы взаимодействия. Установлено [46], что окисление расплавов легкоплавких металлов-уплотнителей
приводит к понижению их поверхностного натяжения. Однако после восстановления окисленной поверхности вновь достигаются исходные значения о. При взаимодействии металлов и сплавов с остаточной газовой средой их поверхность покрывается пленкой оксида. При этом происходит физическая адсорбция, хемосорбция, растворение или образование объемного соединения.
Молекулы кислорода, поступающие из остаточной газовой среды, образуют монослой адсорбированного газа на поверхности приблизительно в тече-. ние 1 с при комнатной температуре и давлении газа 1,33-10-4 Па. Этим и объясняется очень быстрый рост первичной оксидной пленки при давлении порядка 1,3-10~2 ... 1,3-10~5 Па. Первоначальный рост оксидной пленки происходит во времени по линейному закону, при этом скорость роста пропорциональна давлению кислорода. Наличие оксидной пленки нарушает герметичность соединения. В соединениях с расплавляемым металлом-уплотнителем важна первая стадия герметизации, в результате которой на уплотняемых поверхностях образуется тонкое покрытие из металла-уплотни-теля.
Первую стадию герметизации (рис. 5.30, /, II) выполняют в вакууме при давлении не более 10-4 Па.
Режим первой стадии обеспечивает требуемое адгезионное взаимодействие расплавленного металла-уплотни-
Сверхтсокоеакуумные разъемные соединения
133
рнс. 5.31. Принципиальная схема узла уплотнения с защитой герметизируемых поверхностей:
а — в открытом положении; б — в закрытом положении; 1 — металл-уплотинтель;
2 — кольцевая ванна; 3 — фасонная шайба; 4 — слой полуды; 5 — кольцо; 6 — экран; 7 — оксидная пленка
теля и твердых уплотняемых поверх-ностей. При многократной герметизации на покрытии уплотняемых поверхностей в результате их контакта с остаточной газовой средой вакуумного объема или атмосферой образуется оксидная пленка (рис. 5.30, III), которая в дальнейшем может служить причиной появления течей (рис. 5.30, IV).
В связи с этим наиболее перспективны принципы герметизации, основанные на разрушении оксидной пленки, исключении возможности ее образования или на использовании оксидной пленки при условии применения специальных материалов в качестве уплотнителей, например легкоплавких стекол.
Узел уплотнения с защитой герметизируемых поверхностей от окисления (рис. 5.3!) имеет фасонную шайбу 3, предохраняющую поверхность кольца 5 экрана 6 от возможного контакта в разгерметизированном состоянии с атмосферой и, следовательно, от окисления.
По периметру спая вследствие объемной усадки металла-уплотнителя образуется полый канал высотой h и шириной L, покрытый оксидной пленкой 7. При перемещении в расплав спаянного экрана 6 натекание (поток Qo) происходит по поверхности оксидной пленки 7. Уменьшение натекания обеспечивается разрывом пленки при перемещении кольца 5 относительно шайбы 3 на расстояние 6 >
2L + h. Значение L с достаточной
точностью можно определить из зависимости
РУ « ndLh, где р — коэффициент объемной усадки; V — объем металла-уплотнителя; d — диаметр шайбы.
Разъемное соединение рассмотренного типа, применяемое для уплотнения рабочих объемов вакуумных установок, показано на рис. 5.32. Камера установки состоит из герметизированных уплотнителями 7 наружной оболочки 9 и уплотнительного экрана 1, между которыми расположен нагреватель 10 для обезгаживания поверхностей.
Для герметизации разъемного соединения через штуцер 6 или через зазор между металлом-уплотнителем 3 и торцом уплотнительного экрана 1
Рис. в.32. Сверхвысоковакуумное разъемное соединение
134
ВЛКУУМНЫВ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
откачивают полость а. При этом наружная оболочка 9 уплотняется атмосферным давлением. Затем металл-уп-лотнитель нагревают в вакууме электро нагревателем 5 до температуры иа 50 ... 100 К выше температуры его плавления и после расплавления опускают в ванну 2 уплотнительный экран 1 с защитным кольцом 8. Опор-' иый диск кольца 8 упирается в неподвижную стенку корпуса установки, а экран 1 опускается; при этом между его торцом и защитным кольцом 8 образуется зазор 3 ... 4 мм. После опускания уплотнительного экрана в крайнее нижнее положение металл-уплотнитель через штуцер 4 охлаждают и при температуре 323 ... 333 К в одни из объемов, расположенных внутри или снаружи экрана 1, можно напускать атмосферный воздух. Подъем и опускание камеры происходит от электромеханического привода. Привод позволяет перемещать уплотнительный экран, связанный со штоком 11 и кронштейном 12, относительно наружной оболочки, а также поднимать их вместе после напуска в рабочий объем атмосферного воздуха. Шток 11 уплотнен сильфоном.
При разгерметизации камеры полости, расположенные по обе стороны от уплотнительного экрана, откачивают до давления не менее 10 Па, расплавляют металл-уплотнитель и поднимают экран, внутренняя уплотнительная поверхность которого, находясь в расплавленном уплотнителе, входит в контакт с поверхностью защитного кольца. Дальнейший подъем экрана происходит вместе с кольцом до разгерметизации соединения. После этого металл-уплотнитель охлаждают. Таким образом, в разгерметизированном состоянии поверхность уплотнительного экрана защищена от соприкосновения с газами защитным кольцом, что способствует надежной герметизации при повторном уплотнении.
Сверхвысоковакуумное фланцевое соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве, показано на рнс. 5.33. В этом соединении расплавляемый металл-уплотнитель и герметизируемые им поверхности не кон
тактируют с атмосферой и, следовательно не окисляются, что способствует надежной герметизации. Соединение (рис. 5.34, положение /) состоит из верхнего фланца 1 с накидной гайкой 13 и нижнего фланца 10 с герметично закрепленной обечайкой 11, имеющей резьбу на внешней поверхности. На фланце 1 концентрично проходному отверстию расположена кольцевая полость, внутри которой размешен кольцевой клапан 12, герметично соединенный с фланцем 1 полой упругой оболочкой 2 и уплотняющий кольцевое отверстие торца полости. Часть кольцевой полости заполнена металлом-уплотнителем 7.
На фланце 10 против полости вдоль оси проходного отверстия размещена подвижная герметичная кольцевая ванна, образованная полой упругой оболочкой 6. Последняя герметично соединена с одной стороны с фланцем 10, а с другой — с подвижным диском 4. Диск имеет кольцевое отверстие, уплотненное неподвижным клапаном 3, который размещен внутри оболочки 6 и контактирует с кольцом 5. Полость ванны заполнена металлом-уплотнителем.
При герметизации фланцевого соединения гайку 13 навинчивают ручкой 14 на обечайку 11 до достижения плотного контакта торца кольцевой полости с диском 4 фланца 10. Прн этом <иеталл-уплотнитель, находящийся в полости и кольцевой ванне в твердом состоянии, препятствует перемещению клапана 12 и диска 4.
Затем электронагревателем 9 расплавляют металл-уплотнитель 7, вследствие чего появляется возможность перемещения клапана 12 н диска 4, и продолжают навинчивать гайку 13 на обечайку 11. При этом торец колец полости, воздействуя на подвижный диск 4, опускает его, сжимая упругую оболочку 6, и кольцо 5 поднимает клапан 12, сжимая упругую оболочку 2. В результате в кольцевой зазор (рис. 5.34, положение II) нз кольцевой полости и кольцевой ванны начинает поступать чистый неокислен-иый металл-уплотнитель 7, что приводит к образованию надежного герметичного соединения. Сжатие кольцевых упругих элементов 2 и 6 про-
Сверхвысоковекуумные разъемные соединения
135
Рнс. 5.33. Разъемное фланцевое'соединение с защитой герметизируемых поверхностей от окисления, работающее при произвольной ориентации в пространстве (/ и II — соответственно открытое и закрытое положении)
исходит до упора обечайки 11 в ограничительный буртик на верхнем фланце 1. При этом прекращают навинчивать гайку 13 на обечайку 11, выключают электронагреватель 9 и включают систему охлаждения 8. Разгерметизацию фланцевого соединения выполняют в обратной последовательности.
Другой принцип создания герметичного соединения — герметизация с разрушением оксидной пленки на гер
метизируемых поверхностях. Для разрушения оксидной пленки на поверхности герметизирующего экрана можно применять способ герметизации с использованием вязкостного трения [4] или гидростатического давления (рис. 5.34).
При нагревании герметизирующего экрана до температуры выше температуры плавления уплотнителя получают слой полуды металла-уплотнителя 3
136
ВАКУУМНЫЕ ГЕРМЕТИЧНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
а — в разгерметизированном состоянии; б — в герметизированном состоянии; 1 — ванна; 2, 4 •— электронагреватели; 3 — металл-уплотнитель; 5 — герметнзирую-/ щнй экран; 6 — слой полуды; 7 — система охлаждения
на экране в жидкой фазе с вязкостью Па-с. Металл-уплотнитель в ванне 1 нагревают до температуры начала изменения фазового состояния, прн котором вязкость уменьшается на несколько порядков.
Нагретый герметизирующий экран 5, опущенный в металл-уплотнитель ванны, в момент начала изменения фазового состоянии перемещается в среде, во много раз более вязкой по сравнению с расплавленным металлом-уплотнителем на самом герметизирующем экране. Это приводит к разрыву 1 оксидной пленки и очищению от нее всего экрана и дозволяет получить во внутренних слоях металла-уплотнителя в ванне неокисленную поверхность герметизирующего экрана, взаимодействующую с неокисленным мета ллом-уплотннтелем ванны. После- .
дующий нагрев соединения до температуры выше температуры плавления металла-уплотнителя необходим для обеспечения максимального смачивания и, следовательно, герметичное^ соединения.	-Я
Сверхвысоковакуумное разъемное ссН единение с расплавляемым металлом^ уплотнителем и разрушением на герметизируемых поверхностях образовавшейся оксидной пленки показано на рис. 5.35. При герметизации такого соединения под действием сил гидростатического давления расплавленный металл-уплотнитель / перетекает из кольцевой ванны 2 в кольцевой объем уплотнительного диска 4. В результате металл-уплотнитель 1 заполняет свободный внутренний объем уплотнительного диска 4 и на поверхности металла-уплотнителя, расположенного во внешнем сосуде, оксидная пленка 3 разрывается. При этом неокисленный металл-уплотнитель в кольцевой ванне 2 контактирует с неокисленным металлом-уплотнителем в кольцевом объеме уплотнительного диска, что позволяет многократно воспроизводить надежную герметизацию.
Эту схему -уплотнения можно эффективно использовать в конструкциях фланцевых соединений и клапанов. В’ сверхвысоковакуумных .разъемных соединениях в качестве уплотнителя используют также легкоплавкие не-окнеляемые материалы, например стекло. Соединения этого типа имеют простую конструкцию и не требуют дополнительных элементов для предотвращения разрушения оксидной пленки, так как окислительные процессы не влияют в этом случае на герметичность соединения.
'Эксплуатация фланцевых и клапанных соединений с расплавляемым уп
Рнс. 5.35. Разъемное сверхвысоковакуумное соединенне с разрушением оксидной пленки в открытом (а) и закрытом ((Г) положении
Классификация камер	137
лотнителем показала их высокую надежность.
Суммарное натекание через рассмотренное герметичное соединение после длительной работы (1000 циклов) составляет 5-10~10 Па-м3/с. Малые усилия, необходимые для герметизации, позволяют применять маломощные при
воды, существенно уменьшить металлоемкость конструкции. Уплотнительные элементы могут иметь любую геометрическую форму (круглую, прямоугольную, эллипсную и др.) и допускают обезгажнвающий прогрев в закрытом положении до температуры 673 ... 723 К.
Глава 6. Вакуумные камеры
6.1.	Классификация камер
Вакуумные камеры предназначены для создания определенных «чистых» условий исследования, проведения процессов в вакууме или контролируемой среде либо для изоляции технологических процессов (операций) от окружающей среды.
Вакуумные камеры представляют собой часть вакуумной системы, к которым предъявляют следующие основные требования: обеспечение необходимых для проведения технологического процесса остаточного и парциального давлений (р0 и pt)-, получение необходимых вакуумных условий в заданное время t. Для выполнения этих требований при проектировании вакуумной системы определяют поток Q откачиваемого газа во времени, по которому рассчитывают быстроту откачки So системы и выбирают насосы, обеспечивающие необходимые значения So, р0, р; и t.
Для определения значений Q в общем виде необходимо знать объем Ув. к, площадь Ак поверхности, находящейся в вакууме, материал и температуру камеры н ряд других параметров, характерных для каждой конкретной установки и влияющих на значение Q.
В зависимости от требований вакуумные камеры подразделяют на низко-, высоко- и сверхвысоковакуумные. Кроме того, к ннм могут быть предъявлены требования по «чистоте» вакуума, т. ;е. допустимо или нет наличие углеродсодержащих компонентов в остаточном газе. Для получения чистого и сверхвысокого вакуума камеры прогревают, что накладывает дополнительные требования к их конструктивным элементам.
Обычно различают два типа камер: непрогреваемые и прогреваемые. Вакуумные камеры, как правило, изготовляют из металлов, хотя в лабораторной практике для этих целен часто применяют стекло.
К основным конструктивным элементам вакуумных камер следует отнести обечайки, днища, крышки, патрубки, фланцы. На рнс. 6.1 показана прогреваемая вакуумная камера для получения сверхвысокого вакуума.
Рис. 6.1, Сверхвысоковакуумная камера: 1 — днище; 2 — обечайка; 3 — крышка; 4, 5 — патрубок; 6 — фланец; 7 — Внутренний полый сосуд; 8 — нагреватель
138
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРН
6.2.	Обечайки
Обычно вакуумные камеры воспринимают внешнюю распределенную нагрузку, как правило, не более 105 Па, т. е. атмосферное давление. Исходя из этого, стенки вакуумных камер можно делать сравнительно тонкими. Однако для вакуумных камер с металлическими уплотнителями не допускаются деформации мест соединения во избежание появления течей.
При конструировании камер предпочтение отдают осесимметричным кон-' струкциям, поверхности которых образованы телами вращения. Это относится и к присоединительным патрубкам, и к разборным фланцевым соединениям. Из требований назначения установки, а также конструктивных соображений камеры по форме могут быть цилиндрическими, коническими, коробчатыми, сферическими или эллиптическими.
Цилиндрические обечайки наиболее Широко распространены, отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала н рекомендуются к применению при отсутствии особых требований к форме камер. Прн конструировании цилиндрических обечаек, независимо от материала и технологии изготовления, внутренний базовый диаметр Ds следует выбирать из ряда (ГОСТ 9617—76). мм: для сварных обечаек из стали — 400; 500; 600 ; 700; 800; 900; 1000; 1400; 1600; 1800; 2000; для сварных и паяных обечаек нз цветных металлов н сплавов — 100; 150; 200; 250;.300; 350; 400; 450; 500; 550; 600; 650;*700; 750; 800; 850;
Рис. 6.2. Типовые конструкции конических обечаек:
а — без отбортовки кр аев; б — с отбортовкой краев; в — с фланцами
900; 950; 1000; 1100; 1200; 1300; 1400; | 1500; 1600; 1800; 2000.	1
Развернутую длину цилиндрической 1 обечайки определяют по среднему дна- ‘1 метру Пср = 0,5 (DH + Г>в), где DH 1 и DB — наружный и внутренний диа- J метры обечайки соответственно.	1
В зависимости от назначения цилнн- J дрические камеры могут быть верти- d кального или горизонтального испол- И нения. Предпочтение следует отдавать И вертикальному исполнению; в этом -1 случае исключаются дополнительные напряжения изгиба от силы тяжести, ; характерные для горизонтальных камер.	'
. На практике толщину элементов" вакуумных камер определяют не' только расчетами на прочность, / Но также из технологических соображений, конструктивных решений и т. д.
Конические обечайки применяют, как ; * правило, как переходную часть цн-лнндрическнх вакуумных трубопро-: водов с различными диаметрами. По ’ технологии изготовления конические обечайки аналогичны цилиндрическим. ]. На рис. 6.2 показаны основные кон- и струкцин конических обечаек.	I
Сферические обечайки наиболее pa- 1 цнональны с точки зрения устойчивости и минимального расхода материала, однако трудоемкость изготовления ограничивает их широкое применение. Технология изготовления сферических обечаек состоит преимущественно из штамповки и выдавливания полушарий с последующей их стыкш|| вон сваркой или, при наличии отбояИ товкн, с оплавлением кромок. СфериИ ческне вакуумные камеры обычно в£цВ полняют диаметром не более 300 ... 500 мм.
В табл. 6.1 даны рекомендуемые J8, 16] толщины стенок обечаек и крышек для установок, работающих без повышенного давления, а также толщины выпуклых крышек, отличающихся повышенной надежностью.
Коробчатые обечайки в вакуумном аппаратостроении значительно меньше распространены по сравнению с цилиндрическими, как относительно металлоемкие и более сложные в изготовлении. Однако в ряде случаев необходимо конструировать камеры ио-
Обечайки
139
Т а б л и ц а 6.1
Диаметр цилиндрической обечайки	Толщина •			
	стенки обечайки	эллиптического днища	конического динща	стенки ' водяной рубаш ки
400	2,5; 5,0; 5,0	3,0; 5,0; 5,0	2,5	1,5
500	3,5; 5,0; 6,0	3,5; 5,0; 6,0	'	3,0	2,0
600	4,0; 6,0; 6,0	4,0; 6,0; 6,0	3,0	2,0
700	4,5; 6,0; 6,0	4,5; 6,0;’6,0	3,5	2,5
800	4,5; 8,0; 6,0	4,5; 8,0; 6,0	4,0	2,5
900	5,0; 8,0; —	5,0; 8,0; —	5,0	
1000	5,0; 8,0; — .	5,0; 8,0; —	5,0		
1200	' 6,0; 10,0; —	6,0; 10,0; —	6,0		
1400	7,0; 10,0; —	7,0; 10,0; —	6,0		
1600	8,0; 12,0; —	8,0; 12,0; —	8,0		
1800	8,0; 12,0; —	8,0; 12,0; —	8,0		
2000	10,0; 14,0; —	10,0; 14,0; —	10,0	—
* Три значения для обечайки и днища соответственно из стали, алюминия и меди.
Примечания: 1. Размеры в мм. 2. Днища из меди М3 и МЗС по МН 3035—61. 3. Днища из алюминиевых сплавов АД1, АМЗ и АМцС по МН 3034—61.
робчатой формы, так как в них удается более рационально разместить виутри-камерные технологические устройства. Водяное охлаждение коробчатых камер выполняют, как правило, в виде трубчатых змеевиков. Коробчатые обечайки изготовляют либо полностью сварными, либо гнутыми нз листового проката. Радиус гиба выбирают из соотношения R Js 5s (где s — толщина обечайки).
Для уменьшения толщины стенок камеры их укрепляют ребрами жесткости, которые в вакуумной аппаратуре располагают снаружи камеры.
|>Ис.	6.3. ’ Схемы укрепления ребрами
плоских прямоугольных стенок
Основные схемы укрепления прямоугольных стенок ребрами показаны на рнс. 6.3, типовые конструкции коробчатых камер одинаковых размеров — на рнс. 6.4.
При конструировании коробчатых камер руководствуются следующим: размеры отдельных плоских примо-
рие. 6.4. Типовые конструкции коробчатых камер:
а — е фланцами; б — с приварными днищами
140
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ
угольных участков выбирают как можно меньшими; плоские стенки больших размеров укрепляют ребрами жесткости; сварка должна быть стыковой, причем шов должен находиться вие зоны плавного перехода по радиусу.
6.3,	Ди ища
• Составными конструктивными эле-, ментами вакуумных камер, связанными с обечайкой, являются днища. Днищем называют деталь (конструктивный элемент) камеры, которая ограничивает корпус снизу, сверху или сбоку и неразъемна с обечайкой. Форма днища определяется формой сопрягаемой с ним обечайки, технологическими требованиями, предъявляемыми к камере, и может быть эллиптической, полушаровой, сферической, конической, плоской (круглой или прямоугольной).	5
Для цилиндрических обечаек наиболее широко распространены эллиптические днища, штампованные из листового проката, так как они наиболее рациональны с точки зрения восприятия давлений. Рекомендуемые соотношения размеров эллиптических днищ (рис, 6.5): Лв = 0,25Ов, но не
Рис. б.в. Плоское днище с ребрами жесткости
менее 0,2£)в; для днищ из листового проката h 2s, но не менее 25 мм. Толщины эллиптических днищ из стали, алюминия и меди, сопрягаемых с цилиндрическими обечайками, приведены в табл. 6.1.
Конические днища применяют в цилиндрических камерах вертикального исполнения, главным образом в нижней их части, в случаях, когда это обусловлено технологическим процессом, исключающим применение эллиптического днища.
Конические днища используют достаточно редко; конструктивно оии сходны с коническими обечайками. Угол конуса принимают обычно а = = 60 или 90°, редко до 150°. Данные по толщине конических днищ из сталей приведены в табл. 6.1.
Плоские, днища изготовляют значительной толщины; при этом расходуют в 3 ... 5 раз больше металла, чем для выпуклых днищ. Камеры с плоскими днищами имеют наименьшую длину, а изготовление плоских днищ не требует специального оборудования и может быть осуществлено на любом механическом заводе, имеющем металлорежущие станки.
Для уменьшения толщины плоских днищ нх снабжают ребрами жесткости (рис. 6.6), которые располагают радиально и приваривают к днищу прерывистым двусторонним швом. Число ребер должно быть не менее 6. Обычно плоские днища применяют для днищ диаметром 1,0 ... 1,5 м.
Конструктивные формы сварных соединений днищ с цилиндрическими обечайками показаны в табл. 6.2.
6.4. Крышки
В отличие от днищ, неразъемно соединенных с обечайкой камеры, крышки являются разъемными элементами камеры, закрывающими герметично корпус камеры. Форма крышек зависит от конструкции и назначения камеры и может быть идентична форме днищ. Способ уплотнения крышек с обечайкой зависит от типа установки и периодичности разгерметизации. Крышки непрогреваемых камер, кая правило, соединяют с обечайками с
Крышки
141
Таблица 6.2
Варианты соединения днища с обечайкой до сварки (слева), после сваркн (справа)
Назначение
При сварке эллиптических днищ. Стыковой шов без разделки кромок;
а 0,3 мм
Без расточки* при плоских краях диища и обечайки;
b = 0,2 ... 0,3 мм
Для толстых днищ (sj > 5 мм). Сварка с.оплавлением кромок;
b = с = 1,0 ... 1,5 мм;
D — 0,5 (Z^max *4“	(0,3 ... 1,0) ММ
Дли тонких выпуклых диищ (sj < 5 Мм);
z Ь = с = 1,0 ... 1;5 мм;
Z) = 0,5 (Z^max *4“ Z^mln) (0,3 ... 1,0) Мм
142
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ
Продолжение табл. 6.2
Варианты соединения днища с обечайкой цо сварки (слева), после сварки (справа)
Назначение
Для высоковакуумных систем; сварка угловым наружным швом;
D == 0,5 {Dffiax “Ь И min) (0,3 ... 1,0) мм
Стыковой шов без разделки кромок. Для сверхвысоковакуумиых систем; .
a 0,3 мм; з; = s;
2
-у st, но не менее 5 мм
Для сверхвысоковакуумных систем;
а 0,3 мм; b = 0,2 ... 0,5 мм
Вварка днищ (D < 0,4 м) с отбортовкой оплавлением кромок;
b = с ~ 2 ... 4 мм
1
Прогрев и охлаждение калер
143
Рис. 6.7. Сварные крышки больших диаметров:
а — сферическая; б — эллиптическая; е — эллиптическая с лепестковым уплотнением
помощью стандартизованных уплотни-телен. Редко вскрываемые крышки большого диаметра (£>в	1,2 м) про-
греваемых камер целесообразно соединять с обечайкой сварным лепестковым уплотнением; при вскрытии его срезают и затем заваривают.
В лабораторной практике и для единичных образцов крышки чаще всего выполняют точеными; прн серийном производстве, а также для камер большого диаметра круглые крышки, как правило, изготовляют сварными из стандартных выпуклых днищ и точеных фланцев. На рис. 6.7 даны примеры конструкции крупных крышек.
в.5. Прогрев и охлаждение камер
Практикой установлено, что оптимальная температура прогрева примерно 573 К.
Наиболее широко применяют наружные нагреватели. Простейшую конструкцию имеет коробчатый на
греватель из асбоцементных плит с крючками для крепления спирального нагревателя (рис. 6.8).
Более удобный и компактный — наружный нагреватель из керамических трубок и нихромовой проволоки (рис. 6.9).
Наиболее прост в изготовлении нагреватель из термостойкого кабеля типа КНМС. Кабель размещают непосредственно на камере и ее элементах и крепят узкой стальной лентой, привариваемой к основному металлу точечной сваркой. Радиус изгиба кабеля 7?и 3d (где d — наружный диаметр кабеля — рис. 6.10). Затем укладывают теплоизоляцию и сверху закрывают алюминиевой или коррозионно-стойкой фольгой.
Нагревательные кабели с минеральной изоляцией в стальной оболочке с жилами из нихрома, коррозионно-стойкой стали и никеля [кабели типа соответственно КНМС (НХ), КНМС (С), КНМС (Н) выпускают по ТУ 1606/467—69 (7тах = 873 К)]. В табл. 6.3 приведен сортамент термостойких кабелей КНМС.
Пример обозначения: КМНС (НХ) 1X0,283 — нихромовый нагреватель в оболочке из коррозионно-стойкой стали одножильный, площадь сечения 0,283 мм2.
В качестве теплоизоляции в лабораторной практике часто используют теплоизоляционные маты АТМ-3, АТИМС-5 длиной 1100 мм (табл. 6.4); рабочая температура 213... 723 К;
Рис. ?.8. Коробчатый нагреватель:
— токоввод; 2 — корпус; 3 — нихромовая спираль; 4 — теплоизоляция; 5 — асбоцементная плита
144
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ
Рис. 6.9. Схема нагревателя:
/ — лента крепления керамических трубок к корпусу; 2 — нихромовая проволока; 3 — керамическая трубка; 4 — обечайка;
5 — теплоизоляция; 6 — фольга
' Табл и ца 6.3
Напряже-. кие, В
ч ° го
2
Л ж .
“ ч «
0,070 >0,283
0,502 0,785 1,131
115
600
220 ______
1000
450
100
50
30
20
РнС. в.10. Узел ввода кабеля типа КНМС в вакуумную камеру:
1 — фланец; 2 — кабель; 3 — втулка (сталь 12Х18Н9Т); 4 — керамические бусы
Таблица 6.4
Марка	Ширина, мм	Толщина, мм	Толщина волокна наполнителя, мкм
АТМ-З	550	3; 5; 10; 15; 20	2
АТИМС-5	840	5; 10; 15	5 ... 7
обшивка из стеклосетки. Теплопроводность А = 3,95-10"2 Вт/(м-К). По требованию заказчика Серпуховская фабрика выпускает маты и полосы следующих размеров, мм:
Маты	Полосы
Длина ... 1000 ... 3000 5000 ... 6000
(через 50 мм)
Ширина ... 200 ... 750 30 ; 50; 75; 100;
150; 200; 250
Толщина ... 10; 15; 20	10; 15; 20; 30
Часто нагреватели помещают внутри камер; в этом случае стремятся к тому, чтобы нагреватели ие загрязняли прогреваемый объем. Для этого в конструкциях нагревателей используют конструкционные и изоляционные материалы с малым газовыделе-иием. Для этих целей наиболее подходят нагревательные кабели КНМС. Некоторые трудности возникают при выводе кабеля из камеры (см. рис. 6.10). Сварка аргоиодуговая, с оплавлением кромок.
Используют нихромовые нагреватели (рис. 6.11), которые крепят внутри камеры иа мииалуидовых изоляторах. Последние в свою очередь крепят на стеики камеры и ее элементах метал-
Рис. 6.11. Нихромовый нагреватель:
/ — нихромовая проволока; 2 — минаун-довый изолятор; 3 — лента крепления изолятора
Проерев и охлаждение камер
145
1
Таблица 6;5
Тип лампы	Цветовая температура тела накала, К	Средняя продолжительность горения, ч	Диаметр оболочки, мм	Длина лампы, мм	Диаметр тела накала, мм	Длина тела накала, мм
КГ 127-500		. 5 000		250	1,3	. 190
КГ 220-1000-1	2500	10 000		375	1,3	300
КГ 220-2000		5 000		500	1,5	425
КГО 220-2500-8	2650			440	, 1,6	435
КГО 220-2500-2	2650		11	470	1,6	480
КГТД 220-600	2200			500	1,1	425
КГТД 220-1000	2400	- 2000		500	1,3	425
КГТД 220-1000-1	2600			375	1,4	300
КГТ 220-1000	2600			500	1,1	430
КГТ 220-600	2000			500	1,1	430
КГТД 220-400-1	2350	3000	9	280	1,1	245
Примечания: 1. Условные обозначения в типах ламп: К — кварцевая, Г — галогенная, О — с отогнутыми концами, Д — дифференциальное тело накала (с чередующимися спиральными и прямолинейными участками),? — термоизлучатель. Первая цифра после букв — номинальное электрическое напряжение в вольтах; вторая — номинальная электрическая мощность в ваттах, цифра после второго дефиса — модификация лампы. 2. Для ламп всех типов цоколь плоский металлический.
лическими лентами, привариваемыми к стенке точечной сваркой. Шаг изоляторов выбирают с учетом прогиба проволоки, определяемого ее толщиной и температурой. Во избежание деформации нагревателя из-за температурного удлинения иа одной из коротких сторон изоляторы не закрепляют на камере.
В последнее время .для прогрева камер и внутренних элементов используют инфракрасные-лампы накаливания (иодные) и их модификации — галогенные источники света. В инфракрасных лампах около 80% потребляемой энергии передается излучением, оии имеют большую плотность лучистого потока и являются практически безынерционными. Лампы серии И К (СТУ 104.693—65) представляют, собой кварцевые трубки диаметром 10 мм и длиной 200 ... 5000 мм; бы^госГ напРяжеине 22® В’ СРОК служ-
В табл. 6.5 и 6.6 приведены данные По кварцевым лампам, рекомендуемым
к использованию в нагревателях излучением.
Для получения особо чистых контролируемых вакуумных условий применяют вакуумные установки с двойным, или раздельным, вакуумом. По существу, это камера в камере, каждая со своей системой откачки. Наружная камера воспринимает всю силовую нагрузку, поэтому ее рассчитывают на прочность, как обычную камеру; внутреннюю камеру, как правило, выполняют с тонкими стенками. Если внутренняя камера не рассчитана по прочности иа атмосферное давление, то для защиты ее от разрушения во время аварийной разгерметизации внутри наружной камеры на внутреннюю камеру ставят предохранительные мембраны. Для обезгажи-вання таких систем нх прогревают различными способами. Например, для прогрева тороидальной термоядерной установки Токамак используют индукционный метод; внутренняя камера служит одновитковой вторичной
146
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ
Таблица 6.6
Тип ламп	ОСТ		Напряжение * *1, В		Мощность кВт	Средняя продолжительность горения, ч
КГ 110-500 КГ 220-2000-5 КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-1 КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500	16 0.535.013—75		ПО		0,5 2,0 1,0 1,0 0,4 2,5 2,5	400 450 2 000 10 000 3 000  2 000 2 000
			220			
	16 0.535.024—76					
Тип ламп	Цветовая температура. К	Размеры, мм, не более				
		длина нагревателя		общая длина		диаметр
КГ 110-500 КГ 220-2000-5 КГТ 220-1000 КГТ 220-1000-1- КГТД 220-400 КГТО 220-2500-2 КГТО 220-2500	3200 3200 2600 2500 2350 2650 2650	67 163 457 300 245 175 *2 190 *2		J32 262 (470 *3) 500 375 280 470 500		11 11 12 12 9 12	1 12
V *1 Номинальные значения; при установке ламп в вакуум мощность следует’ уменьшать в 2 раза.	'
*2 Габаритная длина с учетом длины гибких выводов.
*8 Длина отогнутых концов.
обмоткой трансформатора. В линейных протяженных системах иногда внутреннюю камеру прогревают прямым пропусканием тока по ее корпусу. Чаще всего в си<?гемах с двойным вакуумом нагреватель крепят на наружной стороне внутренней камеры; если внутренняя камера выполнена в виде тонкостенного цилиндра с полыми стенками, нагреватель располагают внутри полой стенки. Например, в сверхвысоковакуумной камере (см. рис. 6.1) нагреватель 8 (типа показанного на рис. 6.11) расположен во внутреннем полом сосуде. В табл. 6.7 приведены параметры типового режима высокотемпературного обезгажи-вания 139].
Охлаждение камер необходимо для снятия тепловой нагрузки со стеиок
или других элементов камер. Чаще всего применяют два варианта охлаждения навивкой трубок или созданием водяных рубашек. Иногда комбинируют эти способы. Выбор способа для каждой конкретной установки зависит от требований, конструкции, тепловой нагрузки и др. В связи с этим нет типовых решений систем охлаждения, ио разработаны общие рекомендация по проектированию охлаждения для вакуумных систем. Если позволяют тепловые нагрузки, для охлаждения следует использовать трубки, припаянные или приваренные к корпусу. При больших тепловых нагрузках вместо сплошных водяных руба' шек следует приваривать уголки, создающие секционированную рубашку-При необходимости или целесообраз-
Расчет на прочность
147
Таблица 6.7
Предельное остаточное давление, Па	Параметры режима		
	температура, К		продолжительность, я
1,3-10-6	283 .	. 333	2... 5
1,3-10-’	333 .	. 573 •	До 20
10“8 и меиее	673 .	. 773	До 150
Примечание- Скорость повышения температуры в зависимости от конструкции камер 10 ... 50 К/ч;
ности применения водяной рубашки не рекомендуется располагать ее на сварных швах.
Выполнение этих рекомендаций позволяет свести к минимуму возможность появления течей через систему охлаждения. Наличие такой системы чрезвычайно усложняет поиск и устранение мест негерметичности.
6.6. Расчет на прочность
Рассчитанные иа прочность цилиндрические обечайки, нагруженные наружным давлением, иногда без видимой внешней причины подвергаются опасным деформациям и даже разрушению. Это явление аналогично явлению продольного изгиба стержней и называется устойчивостью обечаек. Давление, при котором могут возникнуть такие деформации и искажается первоначальная форма цилиндрической обечайки, называется критическим. Критическое давление зависит от геометрической формы и размеров обечайки, а также от физико-механических свойств материала.
Расчет цилиндрической обечайки, Работающей под наружным давлением, сводится к определению допускаемого наРУЖного давления.
Допускаемое наружное давление, Па
(61>
где 1р]р — допускаемое давление из Условия прочности, Па; [р ]я — до
пускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости, Па.
2 [о] (s- с) .
~ £>в + (s — с) ’
где Jo] — допускаемое напряжение при расчетной температуре, Па; s — толщина обечайки, м; с — сумма прибавок к расчетной толщине для компенсации коррозии, эрозии, минусового допуска иа изготовление, м; DB — внутренний диаметр обечайки, м.
18-10~в£ £>в - /гуВ1 I х
Г100 (s —с) "|2 , Л1оо> —cj”.
XL Ов J V . DB
где Е — модуль упругости при расчетной температуре, Па; пу — коэффициент запаса устойчивости по нижним критическим напряжениям в пределах упругости (для рабочих условий ду = = 2,4, для условий испытания и моита-(	D3
жапу = 1,8);51 = mini 1,0; 8,15-уХ Х Vloo (^_ с~} - безразмерный коэффициент; I — расчетная длина гладкой обечайки, м.
Расчетную длину цилиндрической обечайки принимают равной: при наличии фланцев иа обечайке — расстоянию между фланцами; прн ограничении обечайки эллиптическим (сферическим) днищем — длине цилиндрической части обечайки и днища плюс 1/3 высоты выпуклой части эллиптической (сферической) части по-
/
148
ВАКУУМНЫЕ КАМЕРЫ
следиего; при ограничении обечайки плоским днищем — длине цилиндрической части обечайки до днища; при наличии на обечайке колец жесткости — расстоянию между осями колец; при ограничении обечайки коническими днищами — длине цилиндрической части обечайки и диища плюс D/(3 tg а), где а — угол при вершине конической обечайки.
Расчет коробчатых обечаек сводится к расчету плоской прямоугольной стенки с закрепленными краями, нагруженной давлением. Стенки считают закрепленными по краям при наличии иа них фланцев и укрепляющих ребер, а также при сопряжении стенок под углом.
Допускаемое давлейие из условия прочности
[р]р = М(з-с)«/(0,256»), (6.2) где b — ширина (меньшая сторона) прямоугольной стенки.
Для уменьшения расчетной толщины плоской прямоугольной стенки ее необходимо укрепить ребрами. Ребра могут быть параллельны большей или меньшей стороне стенки. Предпочтительнее укрепление поперечными ребрами, параллельными меиьшей стороне. При укреплении плоской прямоугольной стенки ребрами в формулу для определения допускаемого давления (или допускаемой из условия прочности толщины) подставляют меньшее значение расстояния между осями укрепляющих ребер.
Расчет эллиптических и полусферических обечаек, работающих под наружным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления по формуле (6,1), в которой
- г I 2М (*— LPlp- R + (S_C) .
где R =ь 0,25Ой/йв — радиус кривизны в вершине выпуклой обечайки по внутренней поверхности, м (DB — внутренний диаметр обечайки, м; hB — высота выпуклой части обечайки без цилиндрической части, м).
Для этого случая допускаемое давление из условия устойчивости в пре
делах упругости, Па [см. формулу (6.1)]:
26-10-’£ Г 100 (s —с) 12
Нк- пу	L кя	j ’
где Ка = [1 + (2,4+ 8х) х]/[1 + + (3,0+ 10х)х] — коэффициент приведения радиуса кривизны;
х = 10 (s~c) /рв	2ft \
Рв	k 2ft	Рв I '
Расчет конических обечаек, работающих под наружным давлением, заключается в определении допускаемого наружного давления для гладкой конической обечайки по формуле (6.1). При этом допускаемое давление из условия прочности, Па, г2 tql (s — с) '/’Ip Ол/cos а + (s — с) ’
где Рк — расчетный диаметр гладкой конической обечайки, м (для конической обечайки без тороидального перехода £)к == Рв — 1,4а sin а (а = = 0,7 "]/(DB/cosa) (s—с) — расчетная длина переходной части, м); a — половина угла при вершине конической обечайки.
Допускаемое давление из условия устойчивости, Па,
fol = l8-i0~eE DB Г100 (s —С) ]2
Е п-уВ-i lE I РЕ J
Г100 (з — с)
х У de г
где De и 1е — эффективные диаметр и длина конической обечайки, м;
n f ^в + А> . Дв ~ тах j 2 cos a ’ cos a
— 0,31 (DB+ Po) ]/ -^7Z-~tga};
, ___ pb — о» .
*B ~ 2 sin a ’
(	De
== min 1 1,0; 8; 15 — X I	lE
1/	I.
X V	100 (s — c) J ’
Do — диаметр меньшего основания конической обечайки, м.
Расчет на прочность
149
Вариант конструкции
Таблица 6.8
Соотношение размеров
а 0,85s; £>в= D
0,50
£>в = D 0,41
Рис. в.12. Схема к определению максимальной суммы диаметров или длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении

где К — коэффициент конструкции плоских круглых диищ и крышек (принимают по табл. 6.8); Ко — коэффициент ослабления плоских диищ и крышек отверстиями; £)в — внутренний диаметр днища (крышки), м; р — расчетное давление, Па.
Для диищ и крышек с отверстиями
Ре
Г
а
> 0,856s;
DB = D
0,50
Du — De
0,40
Формула для Dr применима при «	75°.
Расчет на прочность днищ и крышек заключается в определении допекаемой толщины s; плоских круглых диищ и крышек вакуумных ка-МеР по формуле
*t~K.K0DB У +
где 2//; (или bi — рис. 6.12) — максимальная сумма диаметров или длин хорд отверстий в наиболее ослабленном диаметральном сечении, м.
Для диищ и крышек без отверстий коэффициент ослабления Ко = 1. Во всех случаях присоединения днища к обечайке минимальная толщина s( плоского круглого диища должна быть больше или равна толщине s обечайки.
Эллиптические, сферические, полусферические и конические диища- и крышки рассчитывают по аналогии с обечайками. Во всех случаях толщина диища должна быть ие менее толщины обечайки. Плоские прямоугольные диища и крышки рассчитывают как плоские прямоугольные стенки коробчатых обечаек.
9
150
ЗАПОР HO-РЕГУЛ И РУ ЮЩАЯ АППАРАТУРА
Глава 7. Запорно-регулирующая аппаратура
7.1.	Классифи наци я и предъявляемые требования
Запорно-регулирующая аппаратура представляет собой комплекс функциональных средств вакуумных систем, предназначенных для перекрытия газовых потоков, дозирования потоков газа, стабилизации давления газов в вакуумных системах и камерах, аварийной защиты вакуумных систем при разгерметизации, коммутации системы многопозиционной последовательной откачки и т. д.
Для перекрытия газовых потоков используют вакуумные клапаны и затворы, классифицированные по ряду признаков конструктивного и эксплуатационного характера. В конструктивном отношении клапаны и затворы подразделяют на угловые и проходные, по типу привода — на электромеханические, электромагнитные и электропневматические. В угловых клапанах и затворах газовый поток меняет направление, встречая препятствие в виде уплотнительного клапана н стенок корпуса, в проходных — направление потока не меняется. В проходных клапанах отверстия полностью освобождены от уплотнительного диска.
Основные эксплуатационные характеристики клапанов и затворов:
степень герметичности; определяемая потоком натекания газа через уплотнительную ПЬру, и составляющая в зависимости от эксплуатационных требований 10"7... 10-11 Па^/с;
проводимость в открытом положе-. нии, определяемая отношением потока Q газа, проходящего через полость вакуумного клапана, к разности давлений рг—р2 в его входном и выходном отверстиях;
быстродействие, определяемое временем герметичного перекрытия;
ресурс, определяемый числом циклов перекрытия уплотнительной пары с обеспечением заданной степени герметичности.
В зависимости от типа вакуумной системы и поддерживаемого в ней ра
бочего давления применяют непро-греваемую или прогреваемую вакуумную аппаратуру. Непрогреваемую вакуумную аппаратуру используют в вакуумных системах с давлением более 5-10“6 Па, прогреваемую (до температуры 723 ... 873 К) — в сверхвысоко-вакуумных системах с давлением менее 5-10-5 Па. ,
Одно из важных требований, предъявляемых к вакуумной запорной аппаратуре, — минимальный поток газо-выделения.
Газовый поток выделяющийся из основных элементов клапана, можно представить в виде суммы потоков:
^2 =	+ ^М’
где QH — поток, натекающий через механический вакуумный ввод, разъемные и неразъемные вакуумные соединения; Qr— поток, формирующийся проницаемостью через стенки и уплотнения клапана; Qn — поток, создаваемый газовыделением с поверхностей клапана, обращенных в вакуум; QM — молекулярный газовый поток из диффузионно-щелевых каналов, образующихся при сборке клапана.
Для уменьшения суммарного газового потока следует применять соответствующие конструктивные средства, снижающие потоки QH и QM, а также рационально выбирать конструкционные материалы с целью уменьшения потоков Qr и Qn- Запорную аппаратуру иепрогреваемых вакуумных систем изготовляют из алюминиевого сплава АМгб, дюралюминия, стали 20 с защитными металлическими покрытиями. В качестве уплотнительных элементов в этом случае чаще всего применяют вакуумную резину. Прогреваемую аппаратуру изготовляют из коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т. Для герметизации клапанов используют металлические или полимерные (например, фторопласт-4) уплотнения с малым газовыделением.
Высокие требования, предъявляемые к сверхвысоковакуумным клапанным соединениям, объясняются необходимостью их многократного срабатыва
Классификация а предъявляемые требования
151
ния, в том числе при прогревах в закрытом положении. При этом усилие герметизации должно быть минимальным, так как от него зависят коиструк- . ция и мощность привода, а также размеры и масса клапана. Такие факторы, влияющие иа усилие герметизации, как прочностные свойства материалов, площадь и состояние коитактируемых поверхностей, а также вид соединения, взаимосвязаны и должны быть учтены наиболее рационально. '
Распределение усилия герметизации по контуру стыка должно быть равномерным при каждом цикле «срабатывания клапана. Неравномерность распределения усилий приводит к перенапряжению уплотнителя в одних местах и недостаточной нагрузке в других, что обусловливает появление течей. В связи с этим необходимо обеспечивать центральное, перпендикулярное плоскости разъема, воздействие усилия иа уплотнительные элементы и не допускать появления усилий, вызывающих их смещение один относительно другого. Для компенсации погрешностей изготовления и сборки, а также различных микросмещеиий, возникающих при эксплуатации клапанов, предусматривают возможность самоустановки элементов уплотнительной пары. На надежность герметизации значительно влияют отклонения формы и расположения поверхностей уплотнительных пар (например, отклонение от плоскостности), которые должны быть минимальны. В противном случае один из элементов уплотнительной пары упруго деформируется.
Элементы уплотнительных пар должны быть точно центрированы один относительно другого, так как многократное воспроизведение герметичности при постоянном усилии герметизации возможно при контактировании одних и тех же участков поверхности от Цикла к циклу.
Необходимое условие длительной работы уплотнительных пар — постоянство усилия герметизации; поэтому, Клапаны снабжают устройствами и элементами для автоматической компенсации термических и механических Деформаций, возникающих при эксплуатации и отрицательно влияющих
на стабильность усилия герметизации.
Материалы элементов уплотнительных пар должны быть строго согласованы по физико-химическим свойствам, так как важным эксплуатационным фактором является прогрев клапанов в закрытом положении (значения температурных коэффициентов расширения' материалов уплотнительных пар должны быть равны или близки). Кроме того, для одинакового распределения теплоты седло и клапан или уплотнительный диск необходимо согласовывать по размерам и массе. При прогреве клапанов в закрытом положении уплотнительные элементы пар не должны схватываться.
При конструировании клапанов следует предусматривать простую замену клапана или уплотнительного диска и восстановление седла. С этой целью конструкции клапанов необходимо снабжать элементами, обеспечивающими соосность клапана и седла. В некоторых случаях для повышения ремонтопригодности и ресурса целесообразно использовать сменные элементы седла.
Уплотнительные пары сверхвысоко-вакуумных цельнометаллических угловых клапанов показаны на рис. 7.1 £26]. Чаще всего вакуумно-плотный контакт получают при смятии мягкого материала уплотнительного диска (рис. 7.1, а, в—д, з, и). Для уменьшения усилия герметизации профилированный выступ седла заостряют. Однако в клапанах без компенсаторов при повторных уплотнениях площадь контакта увеличивается, что требует повышения усилия герметизации.
Вариант, приведенный иа рис. 7.1, г, отличается тем, что независимо от глубины внедрения выступа в уплотнительный диск площадь контакта не. изменяется и обеспечивается стабильность усилия герметизации. Уплотнительные пары, показанные на рис. 7.1, б, ге, характеризуются само-установкой соединяемых элементов, причем вариант, данный иа рис. 7.1, к, предпочтительнее, поскольку седло деформируется упруго, следовательно, конструкция более долговечна.
 Усилия герметизации минимальны при разрушении поверхностного слоя
Рис. 7.1. Уплотнительные пары сверхвысоковакуумиых систем (а и Р — угол соответственно клапана и седла):
1 — уплотнительный диск; 2 — седло
одного из элементов уплотнительной парй профилем другого элемента. При этом более мягкий элемент работает на срез (рис. 7.1, е, ж). Уплотнительная пара, показанная на рис. 7.1, ж, предпочтительнее, так как имеет упругое седло.
Уплотнительные пары сверхвысоковакуумных цельнометаллических проходных клапанов показаны на рис. 7.2, их характеристики приведены в табл. 7.1.
Особенность уплотнительной пары, показанной на рис. 7.2, а, — наличие кольцеобразной проточки на обратной стороне уплотнительного диска 3 с выступом, имеющим золотое пле
ночное покрытие 2 толщиной 50 мкм. Проточка упруго компенсирует неровности поверхности уплотнительного диска 3 и седла 1.
Уплотнительная пара с титановым диском 3, имеющим выступ шириной 0,25 ... 0,30 мм (покрыт слоем 2 серебра) и седлом 1 из коррозионно-стойкой стали (рнс. 7.2, б) чувствительна к отклонению от плоскостности поверхностей контакта. Недостаток конструкции — значительное различие температурных коэффициентов расширения а используемых материалов.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.2, в, на уплотнительном диске 3 по периферии имеется выступ,
Классификация и предъявляемые требования	153
Табл и ца 7.1
Вариант конструкции уплотнительной пары	Поток натекания, Па. м*/с	Рабочая температура, К	Число циклов	Удельиое усилие герме* тнзации, Н/мм
Рис. 7.2, а	10-10 ... 10~и	573	.	4 500	200
Рис. 7.2, б	10“ 7		250	Г
Рис. 7.2, в	10-11 ... 10-1»	523	2000 ... 8000	100
Рис. 7.2, е	10-10 ... 10-и	573		
Рис. 7.2, д *	Ю-ч	673	1000 •	
Рис. 7.2, е		573		50 ... 80
Рис. 7.2, Ж	10-11	523	500	100
Рис. 7.2, з ,	10-ю		250	80
Рис. 7.2, и	10-11 ... 10"и	' 723	200 ... 600	200 ... 300
Рис. 7.2, к		393	1000	5 ... 10
Рис. 7.2, л	10-12	50 ... 200 323 ... 473	100 ...500	\
покрытый золотой пленкой 2 толщиной 50 мкм. Выступ герметизирует цилиндрическую поверхность седла 1 из коррозионно-стойкой стали.
Диски уплотнительных пар, показанных . на рис. 7.2, а—ж, выполнены из меди или алюминия и отличаются формой выступа. Так как ответная уплотняемая поверхность плоская, соблюдение большой точности совмещения осей уплотнительного диска 3 и седла 1 при повторном срабатывании клапана не требуется. Однако, при прогреве клапана вследствие текучести материала диска герметичность стыка может быть нарушена. При эксплуатации клапанов с такими уплотнительными парами из-за возрастания площади, контакта приходится увеличивать усилие герметизации.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.2, з, уплотнительный диск 3 имеет сферическую поверхность, что обеспечивает небольшие усилия герметизации. В уплотнительных парах, показанных на рис 7.2, и, к, герметизация стыка происходит при внедрении выступа А диска 3 или седла 1 в мягкий материал ответной детали. -Основной недостаток этих конструк-, Нии — нестабильность усилия герме-нзации при повторных уплотнениях.
Для уплотнительной пары, показанной иа рис. 7.2, л, не требуются значительные усилия герметизации, так как расплавленный металл 4, находящийся в ванне седла 1, не оказывает значительного сопротивления уплотнительному диску 3.
Размеры и масса клапанов, а также мощность привода зависят от необходимых усилий герметизации уплотнительной пары. Уплотнительные пары с уменьшенным усилием герметизации вдоль осей проходных отверстий показаны на рис. 7.3. Уменьшение усилия герметизации в уплотнительных парах, показанных на рис. 7.3, а—г, обеспечивается специальной формой уплотнительного диска. При приложении к диску осевого усилия Q создается превышающее его в несколько раз усилие герметизации Р.
Особенность уплотнительной пары, показанной иа рис. 7.3, а, — наличие двухзвенного шарнира, состоящего из двух сферических опор 1 и сопряженного с ними компенсатора 2, что позволяет диску 3 самоустанавливаться относительно седла 4 не только при угловом, но и при параллельном смещении осей и значительно повышает надежность клапана, а также упрощает его сборку.
154
ЗАП0РН0-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
В уплотнительной паре, показанной иа рис. 7.3, б, уплотнительный диск 3 имеет глухую диафрагму 5 из меди или алюминия, снабженную выравнивающим кольцом 6, которое уплотняется коническим седлом 4.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.3, в, уплотнительный диск 3 с Прокладкой 7 соединен со штоком 8 через плоские пружины 9, которые под действием усилия уплотнения упираются в проточку в седле 4 и обеспечивают его герметизацию.
Особенность уплотнительного диска 3 уплотнительной пары, показанной на рис. 7.3, а, — упругое воздействие иа седло 4 с небольшим осевым усилием.
В уплотнительной паре, показанной на рис. 7.3, д, уплотнительный диск 3 имеет два выступа, объем между которыми откачивается через выполненные в седле 4 каналы, что значительно уменьшает натекание и усилие герметизации. Самоустановка диска 3 отио-: сйтельио седла 4 обеспечивается сферическим шарниром 10.
Как отмечено, сверхвысоковакуумные клапаны для поддержания постоянного усилия герметизации при Изменении температуры эксплуатации снабжают компенсирующими элементами, повышающими надежность и увеличивающими срок службы уплотнительных пар. Чаще всего в качестве компенсаторов используют пружины,
подпружиненные седла, пружинные штоки. Пружинные компенсаторы должны иметь пологую упругую характеристику и небольшие размеры, что трудно получить при больших усилиях герметизации.
Недостатки сверхвысоковакуумиых клапанных соединений — большие усилия герметизации, малая долговечность, высокая точность изготовления. Этих недостатков можно избежать, используя металлические уплотнители из легкоплавких материалов.
7.2.	Затворы
Для перекрытия трубопроводов больших сечений устанавливают затворы, оказывающие минимальное сопротивление потоку откачиваемых газов. Серийно выпускают затворы нескольких типов, предназначенные для использования в вакуумных системах со средним, высоким и сверхвысоким вакуумом.
Вакуумные затворы ЗЭПл (затворы q электромеханическим приводом плоские) предназначены для герметичного перекрытия высоковакуумиых систем в диапазоне давлений 106 ... 6.65Х X 10~6 Па, в интервале условных пр°" ходов 100 ... 400 мм (рис. 7.4). Особенность затвора этого типа — лере" меиная кинематическая структура си-
Затворы
155
Рис. 7.4. Высоковакуумиый затвор типа ЗЭПл
стемы перемещения и уплотнения клапана.
Клапан 1 перемещается кривошипно-ползунным механизмом 2, уплотняется кулачково-рычажным механизмом, действующим от кулачка 3. Все перемеще-пия обеспечивает электромеханический привод 4.
Основные технические характеристики затворов типа ЗЭПл приведены в табл. 7.2.
При перепаде давлений 0,1 МПа атворы типа ЗЭПл обеспечивают гер
метичность (поток газа через уплотнение заслонки 10~’ Па-м’/с) с любой стороны уплотнительного диска. Время срабатывания затвора 7 с.
Конструкция электромеханического привода обеспечивает возможность точного и легкого регулирования усилия герметизации и рассчитана на создание крутящих моментов, необходимых для герметизации эластичного уплотнения.
Затворы этого типа поставляются в исполнении У, категории 4.2
156
ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Таблица 7.2
Тип затвора	3 3 X Q	Проводи -мость, м’/с	Габаритные размеры, мм	м 3 10 £
ЗЭПл-100	100	1.5	330Х245Х Х195 .	11
ЗЭПл-160	160	5,1	430Х 275Х Х200	17
ЗЭПл-250	250	15,0	635 Х 360Х Х225	35
ЗЭПл-400	400	52,0	905Х 500Х Х245	77
(ГОСТ 15150—69) для работы при температуре 281 ...283 К, относительной влажности воздуха 65 ... 80% (при 293 К). Затвор можно эксплуатировать
Рис. 7.5. Плоский маятниковый затвор типа ЗПТ
в средах, ие воздействующих иа материал конструкции при вибрации в диапазоне частот до 3 Гц. Затвор ЗЭПл можно использовать в АСУТП.
Затворы ЗПТ (рис. 7.5) предназначены для герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций в диапазоне давлений 1-106 ... 6,65-10~7 Па. В корпусе 1 затвора расположены заслонка 2 и рычажная система, состоящая из рычагов 3, 5, 6, 11. С одной стороны рычажная система заканчивается роликом 4, с другой — роликом, взаимодействующим с копиром 7. Последний связан с приводом карданным шарниром 9 и пружиной 10. При включении электродвигателя 8 начинает вращаться копир 7, происходят разгерметизация затвора и отведение заслонки 2. В крайних положениях привод затвора автоматически отключается сдвоенными конечными выключателями, один из которых подает сигнал на управляющее устройство (например, ЭВМ).
В табл. 7.3 приведены основные технические характеристики затворов типа ЗПТ.
Для перекрытия вакуумных коммуникаций в диапазоне давлений IX X 106 ... 1-10-6 Па применяют затворы типа ЗПП и 23ВЭ, по конструкции во многом идентичные затворам типа ЗПТ. Технические характеристики затворов типа ЗПП приведены в табл. 7.4.
Затвор типа 23ВЭ (рис. 7.6) состоит из корпуса 2, электромеханического привода 7, приводной шток 6 которого сиабжеи сильфонным узлом (или уплотнением), рычагов 5 и 1, заслонки 12, обоймы 4, втулки 11, в пазах которой расположены шарики 3 и 10. При движении штока привода рычаг 5, вращаясь вокруг оси 9, поворачивает обойму 4. При этом шарики опускают или поднимают заслонку, в результате чего происходит уплотнение или разуплотнение затвора. При дальнейшем движении штока система рычагов поворачивается вокруг оси 8 и отводит заслонку. Закрытие происходит в об-ратном порядке.	J|l
Технические характеристики творов типа 23ВЭ приведены в табл.
Затворы
157
Таблица 7.3
Параметр	Зиачеиае параметра для аатвора (см. рис. 7.5)		
	ЗПТ-100	ЗПТ-160	ЗПТ-250
Проводимость (ие менее), м’/с	1,0	1,5	2,5
р мм Присоединительные разме-	100	160	250
ры1: £), ММ	130	192	306
d, мм	М8	М8	М10
п	16	20	32
Габаритные размеры (£ХВХ ХЯ), мм	430Х 400Х 200	518X440X220	690X 665X 265
Масса, кг, ие более	36	57	116,5
1 D — диаметр осевой окружности; d и п — диаметр и число крепежных отверстий.
Примечание. Для всех приведенных в таблице моделей затворов: допускаемый поток иатекаиия в вакуумную полость затвора не более 1,ЗЗХ X 1О-10 Па. м3/с; время открытия (закрытия) затвора не более 40 с; максимальная мощность, напряжение и частота для электродвигателя и нагревателя соответственно ие более 30 Вт, 380 В и 50 Гц и 2000 Вт, 30 В и 50 Гц; наработка на отказ ие менее 1000 циклов, средний ресурс ие менее 10 000 циклов, среднее время восстановления ие более 8 ч.
Таблица 7.4
П араметр	Значение параметра для затвора			
	зпп-юо	ЗПП-160	ЗПП-250	, ЗПП-400
Пу, мм Проводимость, м3/с	100	160	250	400
	1,0	2,5	15,0	46,0
Поток натекания через Уплотнитель, Па-м^с	2,2-10~11	6,65-10"12	5-10-11	5-10-4
“Ремя срабатывания, с	2,5	2,5	3,0	4,0
абарнтиые размеры, мм ^асса, кг	410Х442Х X 160	507 Х 540Х Х170	605Х 670Х X 152	785Х 890Х Х152 
	20	30	43	78
Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: привод лектропневматический; питание постоянным током (24 В); потребляемая мощность 8 Вт; наработка на отказ 20 000 циклов; средний ресурс 120 тыс. циклон
158
ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Рис. Т.6. Затвор типа 23ВЭ
Таблица 7.5
Параметр	Значение параметра для затвора				
	23ВЭ-100	23ВЭ-160	23ВЭ-250	23ВЭ-400	23ВЭ-630
Dy, мм	100	160	250	400	630
Поток натекания, Па-м*/с	2,66-КГ7	2,66-10-7	4.10-’	8-10-’	6,6-10-®
Проводимость (по воэду-	1,2	3,34	13,4	46,25	146,0
ху), м®/с Бремя срабатывания, с-	15	15	25	30	55
Потребляемая мощность,	63	100,	100	200	460 Л
Вт Присоединительные размеры (см. рис. 7.6): D, мм	145	210	300	455	695
d, мм	М10	М10	М12	М16	М16
п	4	8	8	8	12
Габаритные размеры, мм .	570 X	660Х	780 X	1400Х	1890Х
	Х290Х X 100	Х370Х X 100	Х510Х Х140	Х750Х X 160	хпзох Х200
Масса, кг	17	22	46	115	350
Примечание. Для всех указанных в таблице типов затворов: иапря' жеиие 220/380 В, средний ресурс 3200 циклов.
Клапаны
159
7.3. Клапаны
Для герметичного перекрытия вакуумных коммуникаций при давлении Ю"4...6,55-10"11 Па широко применяют вакуумные клапаны различных типов, серийно выпускаемые отечественной промышленностью. На рис. 7.7 показан угловой клапан типа КПУ (клапан пневматический угловой) с электро-пневматическим приводом для герметичного перекрытия коммуникаций при давлении 10"°...10"4 Па.
При открытии клапана через электромагнитное золотниковое устройство 9 поступает сжатый воздух, который, воздействуя на поршень 2 цилиндра 3, поднимает диск 7 с уплотняющей резиновой прокладкой 8. В крайнем положении штока 4, герметично уплотненного сильфоном 6, конечный выключатель I подает сигнал об открытии клапана. Для закрытия клапана подается ток на устройство 9, которое выпускает сжатый воздух, и шток 4 с диском 7 под воздействием пружины 5 опускается, герметично уплотняя прокладкой 8 седло клапана.
В табл. 7.6 приведены технические характеристики клапанов типа КНУ-
Электропневматический привод обеспечивает работу клапанов типа КПУ в любом пространственном положении.
Рнс. 7.7. Вакуумный клапан типа КПУ
Угловые клапаны типа КВУМ (клапан вакуумный угловой магнитный) с электромагнитным приводом предназначены для работы в том же диапазоне давлений, что и клапаны типа
Таблица 7.6
Параметр .	Значение параметра для клапана		
	КПУ-25Л 	КПУ-40Л -	КПУ-63Лу
Пу, ММ Проводимость в молекулярном режиме (не менее), м3/с	25	40	63
	0,016	0,030	0,045
Время срабатывания, с, не более	0,2	0,3	0,5
Габаритные размеры, мм	170Х75Х	195Х90Х	245Х 135Х
	Х210	X 260	Х355
Масса, кг, не более	2,2	3,6		7,5
Примечание. Для всех указанных в таблице клапанов: допускаемый еРепад давлений не более 10® Па; допускаемый поток натекания через уплот-итель 5-Ю"10 Па-м3/с; максимальная потребляемая мощность 7,2 и 12.7 Вт Ри напряжении постоянного тока соответственно 24 и 127 В; напряжение пере-енного тока. 220 В; наработка на отказ не менее 1000 циклов; среднее время Становления ие более 5 ч; средний ресурс не менее 100 000 циклов.
160
ЗА ПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩА Я А ППА РА ТУРА
Таблица 7.7
	Значение параметра для клапана			
Параметр	квум-16л	кВ УМ-25 Л	кВ УМ-40 Л	КВУМ-63Л
4>у, мм Допускаемый поток нате-	16	25	40	63
	1,33-10-»	... 1-10-*	1-10-» ...	1,3310-8
кания во внутреннюю полость клапана при воздействии перепада давления				
в направлении разгерметизации (открытия) запор-				
ной пары, Па-м3/с Время, с, (не более):		/		
открытия	0,1		0,15	
закрытия Сила тока электромагнита, А, не более:	0,08	0,1	0,12	0,12
при пуске	4,0	5,3	6,8	9,5
при удержании	0,3	f 0,4	0,5	0,7
Допускаемое число циклов в минусу, не более	17	' 15	10	10
Ход уплотнительного ди-		7	11	16
ска, мм, не менее				
Наработка иа отказ,	30	25	15	7,5
тыс. циклов, ие меиее Ресурс, тыс. циклов, ие	300	250 '	150	75
менее				
Габаритные размеры, мм	105Х 55Х	125Х70Х	145Х90Х	185Х 120Х
	X 160	XI90	Х230	Х310
Масса, кг	1,2	2,4	5	13
Примечание. Для всех указанных в таблице типов клапанов: среднее время восстановления ее более 2 ч; средний србк службы не менее 10 лет.
КПУ. Особейиость клапанов типа КВУМ — высокое быстродействие; их основные технические характеристики приведены в табл. 7.7.
Клапан типа КВУМ (рис. 7.8) состоит из корпуса 6, соединеииого через уплотнительную прокладку 7 с корпусом 10 электромагнита 9. На якоре 8 электромагнита закреплены уплотнительный диск 3 и уплотнитель 4. Между торцами корпуса, электромагнита и диска 3 размещена возвратная пружина 5. В корпусе 6 установлено седло 2, герметично уплотненное прокладкой 1. Для контроля положения клапана в электромагните размещен магнито-управляемый контакт.
При открывании клапана иа катушку электромагнита 9 подается импульс пускового напряжения, и якорь 8 с
уплотнительным диском 3 поднимается, сжимая пружину 5. Затем пусковое напряжение автоматически снижается до величины, достаточной для удержания якоря в открытом положении клапана. Закрытие клапана происходит при отключении электромагнита. При этом пружина 5 прижимает якорь с диском к седлу 2 усилием, необходимым для герметизации.
Для герметичного перекрытия вакуумных систем при давлении 1 • 10"*•4-10® Па используют малогабаритные угловые клапаны с ручным,’ электро" магнитным и электромеханическим управлением (соответственно типа КВР, КВМ и КВЭ). Эти клапаны 8 принципе аналогичны по конструкций клапанам типа КПУ (см. рис. 7.7)-
Технические характеристики клана"
Клапаны
161
Рис. Т.8. Клапан типа КВУМ
Рис. 7.10. Присоединительные размеры клапанов типа КВМ
иов типа КВР, КВМ и КВЭ приведены соответственно в табл. 7.8, 7.9, 7.10, присоединительные размеры — иа рис. 7.9—7.11 и в табл. 7.11.
Универсальные вакуумные клапаны типа КЭУи (рис. 7.12) (клапан электромеханический универсальный) с электромеханическим приводом и системой автоматики 2 имеют комбинированный (прямой и угловой) проход и предназначены для герметичного перекрытия вакуумных систем при давлении 106... ',3-10~6Па. Принцип действия клапанов этого типа состоит в следующем. На больших, перемещениях при открытии и закрытии проходных отверстий Для ускорения срабатывания быстро Перемещается уплотнительный диск (ревизуется механизм с передаточным отношением, равным 1); иа малых пере-
6 П/р Е. С. Фролова
мещениях при герметизации уплотнительной пары для выигрыша в силе реализуется механизм с возможно меньшим передаточным отношением.
В корпус 5 с проходными отверстиями а через ввод вращения 3, размещенный в крышке 4, герметично введена ось 7 с кулачком 6, который через ролик 11 воздействует иа уплотнительный диск 10 с прокладкой 9. При открытии или закрытии проходного отверстия а ролик 11 находится во впадине кулачка 6, образуя фиксированное соединение уплотнительного диска с кулачком. В этом случае на угле поворота 90°, необходимом для закрытия или открытия проходного отверстия, привод непосредственно воздействует на диск 10. Передаточное число механизма клапана равно 1.
162	ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Т а б л и ц а 7.8
Параметр г	Значение параметра для клапана		
	КВР-25	КВР-63	КВР-100
Dy, мм Габаритные размеры, мм	25	63	100
	40X50X105	95Х 90Х 200	130X110X250
Масса, кг	' 0,65	3,8	6,5
Примечание. Для указанных в таблице типов клапанов: поток натекания ие более 7,5-10-8 Па-м3/с; наработка иа отказ 20 000 циклов; средний ресурс 100 000 циклов.
Таблица 7.9
Параметр	Значения параметра для клапана	
	КВМ-25	КВМ-63
Dy, ММ	к Проводимость по воздуху, м3/с	25	63
	0,0142	0,0148
Габаритные раз-	87Х	150Х
меры, мм	Х67Х	Х86Х
	Х225	хзоо
Масса, кг г	2,0	5,2
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания 1,33-10-’... 1,33-10-’ Па-м3/с; время срабатывания 0,5 с: напряжение, частота и сила тока электромагнита 220 В, 50 Гц, 9 А (при открытии); ресурс 32 000 циклов.
Рас. 7.11. Присоединительные размеры клапанов типа КВЭ
Таблица 7.10
Параметр	Значение параметра для клапана		
	КВЭ-25	квэ-бз	КВЭ-100
Dy, мм Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг	25 3 25 110X40X260 3,2	63 5 25 155X95X325 5,2	100 8 60 200Х 130X450 11,6
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: поток натекания не более 7,5-10“8 Па-м®/с, напряжение 380 В; наработка иа отказ 10 000 циклов; средний ресурс 50 циклов.
Клапаны
163
Таблица 7.11
Значение, мм, размера для клапана (см. рис. 7.9—7.11)
Размер
Диаметр присоединительного флан-	40	95	130	70	120
ца D Расстояние от оси клапана до плоско-	50	90	но	50	90
сти фланца Li
40 95 130
50 90 НО
При уплотнении пары прокладка S—уплотнительная поверхность корпуса 5 поворот системы кулачок 6 — диск 10 ограничен взаимодействием штыря 8 с прямым пазом б в крышке; поэтому вращение вала 1 приводит к выходу ролика 11 нз впадины кулачка. Поднимаясь по профилю кулачка, ролик перемещает диск 10 поступательно вдоль оси от проходного отверстия а, уплотняя его резиновой прокладкой 9.
Таким образом, в области уплотнения или разуплотнения между осью 7 и диском 10 реализуется кулачковый механизм, который обеспечивает передаточное отношение, необходимое для герметизации уплотнительной пары.
В табл. 7.12 приведены основные технические характеристики клапанов типа КЭУн. Средний ресурс клапанов типа КЭУн не менее 20 тыс. циклов при сохранении герметичности. Натекание через уплотнительный диск менее 10~4Па-м3/с при перепаде давлений 0,1 МПа с любой стороны от уплотнительного диска.
Электромеханический привод позволяет располагать клапаны в любом положении в пространстве. Уплотнение ввода вращения позволяет применять клапаны в системах с регламентированным составом остаточной газовой среды. В клапанах можно использовать также уплотнительные прокладки, допускающие прогрев.
Для герметичного перекрытия сверхвысоковакуумных систем при давлении
<?	7
7.12. Вакуумный клапан типа КЭУн
КЭУи-25
КЭУи-40
КЭУи-63
6*
Клапан
25 0,02
40 0,07
63 0,19
Т а б л и ц а 7.12
Габаритные размеры, мм
124Х 112Х X 181 127Х 112Х Х186 190Х225Х
Х200
2,3
2,4
7,5
Примечание. Время срабатывания 5 с. '
8
Клапаны
165
3
Рис. 7.14. Сверхвысокова» куумный клапан типа КЭУТ: / — электродвигатель; 2 — червячное колесо; 3 — конечные выключатели; 4 — гайка; 5 — корпус; 6 — клапан; 7 — сильфон; 8 — шток клапана
Ю5...6,65- 10_10Па используют угловые клапаны типа ТРУ с ручным управлением и КЭУТ с электромеханическим приводом.
Конструкция клапана типа ТРУ (термостойкий ручной угловой) показана на рис. 7.13. В корпусе 1 расположен клапан 2, шарнирно установленный на приводном штоке 6 через замко-в°е соединение; последнее состоит из °поры 3, промежуточной шайбы 4 и крышки 5.
Шток связан с червячным редуктором. Гайка 10 связана с блоком тарель-атых пружин и штоком индикатора 'На рисунке не показан) положения
заслонки'2. Для герметизации приводного штока 6 предназначен сильфон 7.
Клапан работает следующим образом. Червяк 11, вращаемый рукояткой, воздействует на червячное колесо 9 и гайку 10 и перемещает шток 6 с клапаном 2 в направляющей втулке 8 до тех пор, пока в зоне контакта клапана 2 и седла корпуса не будет создано необходимое для герметизации усилие. При этом блок тарельчатых пружин деформируется на величину, соответствующую усилию герметизации, а шток индикатора показывает положение «герметично».
166
ЗАПОР HO-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Таблица 7.13
Параметр	10ТРУ
Dy, мм Проводимость (по воздуху), м’/с Габаритные размеры, мм Масса, кг	10 0,001 83Х Х58Х Х124 2
Примечание. Для указанных времи срабатывании 10 ... 15 с.
В отличие от рассмотренных клапаны типа КЭУТ (рис. 7.14) имеют электромеханический привод и усовершенствованную конструкцию уплотнительной пары. Для уменьшения усилия герметизации седло корпуса имеет режущую кромку, которая под действием усилия герметизации врезается в нижний диск клапана. Наличие конечных выключателей позволяет использовать клапаны типа КЭУТ в автоматизированном оборудовании.
Основные технические характеристики клапанов типа ТРУ и КЭУТ приведены в табл. 7.13 и 7.14.
Для герметизации высоконадежной сверхвысоковакуумиой запорной арма-
Значение параметра для клапана
15ТРУ	25ТРУ	50ТРУ	iootp||
15 0,002 310Х X 105Х X 140 6 в таблице туры,щ НИИ до т нально	25 0,0045 ЗЗОХ Х112Х Х175 8 клапанов: югреваемо емператур ИСПОЛЬЗОВс	50 0,024 480Х X 140Х Х200 14 ресурс 7Е й в закрыт я 723...793 >ть узлы у	658Х ji X32OXIS X270J 43 1 >0 цикля •ОМ состоя-К, рацио-плотнений
из легкоплавкого металла, принцип действия которых основан на эффекте разрушения оксидной пленки методом гидростатического давления (см. гл 5). С использованием узла уплотнения этого типа в запорной арматуре созданы параметрические ряды сверхвысоковакуумных клапанов на Dy 25; 100; 160 и 400 мм и плоские затворы на Dy 100 и 200 мм.
Угловой клапан КРУЛП-160 с ручным приводом (рис. 7.15) состоит из корпуса 1 с фланцами, внутри которого расположена ванна 2. Снаружи корпус
Таблица 7.14
♦ Параметр	Значение параметра для клапана	Я|		
	КЭУТ 25-1	КЭУТ 50-1	КЭУТ Ю0.-|
Dy, мм Проводимость (по воздуху), м3/с Времи срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг	25 0,018 30 60 180X424X380 22,3	50 0,094 55 70 180Х 390Х 235 23,5	100 0,3 65 250 270X 519 X 500 52,8
Примечание. Дли указанных в таблице клапанов: поток натекания ие более 6,6-10"12 Па-м’/с; напряжение 220/380 В; наработка иа отказ 2000 ни*' лов; средний ресурс 20 000 циклов.
Натекатели
167
Рис. 7.16. Сверхвысоковакуумный клапан типа КРУЛЛ
снабжен системами нагрева 3 и охлаждения 4. Клапан перемещается центральным винтом 5, связанным с рукояткой 6 ручного привода. Герметизацию ввода движения обеспечивает сильфон 7.
7.4. Натекатели
При работе с газоанализаторами, Испытаниих вакуумной аппаратуры, а также для технологических целей Часто требуется плавное регулирование Давления рабочего газа. Это необходимо, например, для эффективной и качественной очистки подложек в тлеющем разряде, прн проведении процес-' са катодного распыления и др. В этих случаях применяют натекатели.
Одна из конструкций натекатели Показана на рис. 7.16 Клапан 1 натекатели изготовлен из стали 40X13 в
виде длинной конической иглы. Шероховатость конической поверхности клапана соответствует Rz 2,5- Герметичность обеспечивается плотным прилеганием клапана к конической поверхности седла 8, изготовленного из более мягкого материала (фторопласт, медь, сталь 12Х18Н10Т). При медленном повороте головки 2 игла перемещается । и. результате поступательного движения штока 4 в резьбе гайки 3. Таким образом плавно регулируется зазор между иглой и седлом и соответственно поток газа, пропускаемого натекателем. Для компенсации мертвого хода в конструкции натекатели предусмотрена пружина 5, исключающая влияние зазора в резьбе на точность перемещения штока и обеспечивающая плавность его движения в осевом направлении. Соосность иглы и седла, необходимаи для плавного регулирования, обеспечивается установкой шайбы 7, в которой расположено седло. Со стороны атмосферы натекатель имеет фильтр 6, установленный на патрубке подачи газа в рабочую камеру.
Серийно выпускают несколько типов натекателей: НДЗ; НЭТ; НМБ-1; НК-2Р; НРП-1,6; в табл. 7.15 приве-
Рнс. 7.16. Натекатель
168
ЗАП0РН0-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Т а б л и ц а 7,15
Натекатель	Привод		Поток натекания, Па- м’/с	Средний ресурс, цикл	Габаритные размерь^' мм	| Масса, кг
	Тип	Напряжение, В (частота, Гц)				
ндз	Комбинированный (руч-	127 (50)	1,3-10"» ...	1000	380Х 84Х X 182	7,25'
НЭТ	ной и электромеханический)	127 (50)	6,65-10-*	250	293Х 233Х Х103	5,00
НМБ-1	Электромагнитный	24	—	104 250	70Х 40Х 80 232X83X83	0,35 2,50
НК-2Р; НРП-1,6	Ручной	—	1,3-10-* ... 66,5-10“8	104	60X30X80	0,20
дены их основные технические каракте-ри стики.
Широко распространенный вакуумный натекатель НРП-1,6 (рис. 7.17) с ручной подстройкой предназначен для плавного регулирования потока газа в вакуумную среду при давлении 1О6...1О~4Па. Натекатель можно эксплуатировать при любом положении в ^пространстве в средах, не воздействующих на материал конструкции, при температуре не выше 333 К-
Допускаемый перепад давлений при открытии натекателя не более 106 Па. Натекатель состоит из корпуса 1 с фланцами 2, уплотнительного узла, включающего уплотнитель 3, коническую иглу 4, крышку 8 с размещенной на ней гайкой 11 и ручной привод. Последний сост<Лт из штока 5 резьбовой втулки 7 и рукоятки 9, зафиксированной на втулке винтом 10. Герметизацию обеспечивают резиновые уплотнители штуцеров присоединительных фланцев, прокладка 6 крышки, сильфон 12 и уплотнитель 3 седла. Принцип работы натекателя основан на установлении определенного потока газа изменением положения конической иглы по отношению к седлу и проходному отверстию корпуса натекателя. При вращении рукоятки 9 по часовой стрелке игла плавно поднимается, проходное отверстие натекателя открывается, и поток газа плавно увеличивается в зависимости от высоты подъема иглы
от\минимального до максимального по линейному закону.
Кроме рассмотренных, применяют' натекателя и других видов. Принцип действия диффузионного натекателя (ркс. 7.18) основан на значительной и постоянной во времени диффузии газа
П ротивоаварийные и напускные устройства а системы
169
рис. 7.18. Схема диффузионного натекателя
Рве. 7.19. Схема термоднффуааонного на» текателя
Малое время срабатывания и высокая надежность устройства для аварийного перекрытия трубопроводов приобретают особую важность при использовании этих устройств в магистралях централизованных форвакуумных систем (ЦФС) для исключения выхода из строя всей ЦФС и подключенных к ней установок.
В настоящее время в промышленности эксплуатируют защитные устройства разного принципа действия (рис. 7.20). Защитное устройство, показанное на рис. 7.20, а, содержит предохранительный кланаи 4 и линию акустической задержки. Предохранительный клапан состоит из камер 1 и 5, изолированных одна от другой резино-
через трубку 2, герметично введенную • в заполненный газом баллон /. Для гелиевого диффузионного натекателя используют кварцевую трубку 2, впаянную в стеклянный баллон.
Действие термодиффузионных нате-кателей (рис. 7.19) основано на избирательной диффузии газов через некоторые материалы при иагреве. Если один конец палладиевой трубки 1 (другой закрыт) спаять со стеклянным баллоном 2, то ее можно использовать как фильтр, пропускающий только чистый водород. Последний диффундирует через стенки трубки 1, нагретой нагревателем 3 до температуры ие ниже 750 К. Можно использовать также никель, железо, платину, хотя скорость диффузии водорода через эти ' материалы значительно меньше, чем через палладий.
7.5. Противоаварийиые и напускные устройства и системы Обычно в вакуумных системах для перекрытия трубопроводов при аварии (вызывающей выход из строя вспомога-тельного насоса и др.) применяют быстродействующие электромагнитные клапаны. Прн этом клапан является лишь исполнительным органом системы, в составе которой предусмотрены измерительные и сигнализирующие средства (Манометрические преобразователи, блокировочные вакуумметры и др.). “Ремя срабатывания такой системы *°лжно составлять доли секунды.
Рис. 7.20. Принципиальные схемы устройств форвакуумной защиты
170
ЗАПОРНО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
Таблица 7.16
Устройство защиты	Элементы устройства	Проводимость, м’/с, не менее.	Время срабаты-вання, мс, не более	Поток натекания, Па. м’/с		' Масса, кг j
				прк прорыве	допускаемое	
C3-32	Узел задержки газового потока (Dy 32)	0,01	—	1,94.10“»	1,33.10"»	9,0
	Клапан быстродействующий КБ-32	0,02	8,0			
СЗ-80	Узел задержки газового потока (Dy 80)	0,07	—	0,145	10"»	15,0
	Клапан быстродействующий КБ-80	0,18	170,0			
вой мембраной 2. В камеру 5 через резиновую диафрагму введен рычаг 3, один конец которого соединен с мембраной, а другой — через систему передаточных устройств связан с рычагом клапана 4.
Линия акустической задержки состоит из последовательно соединенных коаксиальных камер, сообщающихся между собой соплами 6. В случае аварии воздух, прорвавшийся в камеру 1 со стороны откачиваемого сосуда, воздействует на мембрану 2, приводя в действие систему срабатывания клапана 4. При прорыве воздуха со сто-
роны магистрали ЦФС мембрана прогибается в противоположную сторону, также вызывая перекрытие клапаном 4 вакуумной системы откачиваемого объема. Число камер и диаметры отверстий в соплах подбирают так, чтобы наряду с достаточной задержкой поступления воздуха была обеспечена неооходимая проводимость устройства, которая для рассматриваемой схемы составляет (3...4) 10~3 м3/с при среднем давлении в системе 7,5 Па.
На рис. 7.20, б дана схема защитного устройства, действие которого основано иа принципе торможения потока. При
Таблица 7.17
♦ Параметр	Значение параметра для клапана	
	КМПН-1,6	КМПН-10
Проводимость, м»/с, не меиее Время срабатывания, с Потребляемая мощность, Вт Габаритные размеры, мм Масса, кг, ие более	6-10"» 15-10"» 2 55Х30Х 125 0,25	6-10"4 25-10"» 8 102X40X140 0,75
Примечание. Для указанных в таблице клапанов: допускаемый перепад давлений при открытии клапана не более 106 Па; допускаемый поток натекания через уплотнительную пару не более 5-Ю”10 Па-м3/с; наработка на отказ ие менее 1000 циклов; средний ресурс не менее 15 000 циклов; среднее время восстановления не более 18 ч; напряжение 220 В.
Противоаварийныв и напускные устройства и системы
171
прорыве атмосферного воздуха со стороны технологического оборудовании или ЦФС газ некоторое время накапливается в камере 2 блока задержки. В области электроразрядного датчика 1 давление в момент прорыва увеличивается практически мгновенно до 5... 8 Па. При этом появляется разряд и срабатывает тиристорное спусковое устройство в блоке управления защитой, освобождая стопор 4 крана 3, который перекрывает форвакуумную магистраль. Время срабатывания устройства 4...7 мс.
В устройстве. В. С. Кондрашева (Рис. 7.20, а) исполнительным элементом с высоким быстродействием служит свободно висящая заслонка 1, выполненная из очень тонкой и прочной поли-этилентерефталатиой пленки толщиной •0-..12 мкм. Под действием ударной волны заслонка мгновенно прижима-ется к перегородке 2 или 3 (в зависимости от направления потока) с мелкими сквозными отверстиями и перекрывает поток на время, достаточное КЛя закрытия аварийного клапана 4.
Суммарная проводимость отверстий в перегородках близка проводимости входного отверстия узла задержки, поэтому последний практически ие снижает общей проводимости вакуумной системы в период нормальной (безаварийной) откачки. Сигнал для закрытия аварийного клапана поступает от электроразрядного безынерционного датчика 5. Так как узел задержки рассчитан иа защиту от прорыва внезапных потоков противоположного направления, принята симметричная относительно заслонки конструкция, в каждой половине которой установлен независимый сигнализирующий датчик. На этом принципе основаны устройства защиты типа СЗ-80 и C3-32, технические характеристики которых приведены в табл. 7.16.
Для напуска в вакуумные системы воздуха и неагрессивных газов при давлении (0,85...1,05) 106 Па применяют серийные напускные проходные клапаны типа КМПН с электромагнитным приводом. Техническая характеристика клапанов этого типа приведена
172
ЗАП0РН0-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА
2
Рис. 7.22. Распределительные устройства откачных машин: 1,2 — золотниковые диски; 3 — гнездо; 4 — масленка; 5 — пружина
Механические вакуумные вводы
173
Таблица 7.18
Параметр	Значение параметра для клапана	
	КМАН-4	КМАН-10
Ру. Средний ресурс, гыс. циклов Габаритные размеры, мм	4 100 90Х55Х X 150	10 75 90Х55Х Х150
Примечание. Для указанных клапанов: поток натекания не более 7,5-10"• Па-м’/с; время срабатывания 1'с; мощность 25 Вт; напряжение 220 В; наработка на отказ 2000 циклов.
в табл. 7.17. Клапан (рис. 7.21) имеет корпус 1 с фланцами 2 и седло, герметизируемое резиновым уплотнителем 3, который закреплен иа икоре 5. Между якорем 5 и магиитопроводом 6 катушки 7 электромагнита размещена возвратная пружниа 4. Прн пропускании тока через катушку 7 сердечник якоря 5 втягивается, сжимая пружину 4, и открывает проход для напускаемого газа. При отсутствии тока под действием пружины 4 сердечник возвращается в исходное положение, проходное отверстие перекрывается с усилием, развиваемым уплотнительной пружиной. Питание к электромагниту подается через электрический разъем 8. Клапаны можно эксплуатировать в любом пространственном положении,
В качестве аварийио-иапускных используют клапаны типа КМАН с электромагнитным	приводом
(табл. 7.18).
Их применяют для напуска газов в вакуумные системы, в частности в
механические вакуумные насосы, при отключении электроэнергии. Клапаны работают от импульса электрического тока и потребляют электроэнергию только в момент срабатывания,
7.6. Распределительные устройства
Распределительные устройства являются коммутирующими элементами многопозициониых карусельных откачных машин и представляют собой прижатые одни к другому диски 1, 2 е притертыми поверхностями. В конструкции распределительного устройства, показанного иа рис. 7-22, а, диск 1 неподвижен, а диск 2 периодически поворачивается каруселью откачной машины. При неподвижной карусели отверстия дисков совмещены, и откач-,иые гнезда 3 через образовавшиеся в распределительном устройстве сквозные каналы сообщаются с вакуумной системой или с системой напуска рабочего газа.
Распределительные устройства откачных машин различают по форме поверхностей шлифа (плоские — рис. 7.22, а—в,	сферические —
рис. 7.22, г) и по способу осуществления уплотнения разъема (в виде кольцевых проточек — рис. 7.22, а, б) и кольцевых масляных затворов (рис. 7.22, в, г). Более надежное уплотнение может быть достигнуто при комбинации периферийного масляного затвора и канавок с промежуточной откачкой. В некоторых случаях для повышения надежности прилегания дисков подвижный диск поджимают пружинами 5. Диски изготовляют из стали 20Х, цементованной и закаленной. Рабочие поверхности дисков притирают.
Глава 8. Конструкционные элементы вакуумных установок
8-1. Механические вакуумные вводы
Для передачи движения механизмам я Узлам, находящимся в вакуумных Камерах технологических установок, используют вакуумные вводы. Движение в вакуумную камеру можно передавать через отверстие в стенке или
через сплошную стенку вакуумной камеры 129, 35]. Принципиальные схемы вакуумных вводов приведены в табл. 8.1.
Основные элементы механизма передачи движения через отверстие — сплошной вал или шток, проходящий из окружающей среды с атмосферным
 -м
Т а б л и ц а 8.1
Способ передачи движения	Уплотнение		Принципиальная схема		Ориентировочные допускаемые значения			Особенности передачи
	Тип 	Вад			р, Па	п, с-1	«о- ю-«, Н. м/м	
Через отверстие в стенке 1	Сальниковое \	Пластичное		$ Вакуум	10"*	2	70	Уплотнители — фторопласт, асбест, вакуумные резины. Недостаток — необходимость периодического поджима сальника
		Упругое		'тмесфера	10"*	50	15	Герметизацию движущегося контакта обеспечивают силы упругости сальника (манжеты с пружинящими кольцами), что позволяет уменьшить площадь движущегося контакта
		Комбинированное	Вакуум \\| Атмосфера Г		110"»	100	15	Высокие вакуумные свойства эластомеров в сочетании с каким-либо устройством (антимиграционные пояски, кольцевые сорбционные ловушки, поджимы н др.), позволяющим уменьшить поток выделяющихся или натекающих газов
							/	
Через отвер-• стие в стейке
Явление капиллярности позволяет уплотняющей жидкости удерживать атмосферное давление. Применяют хорошо смачивающие жидкости, в частности, легкоплавкие металлы и сплавы (ртуть, галлий, индий, олово, сплав, содержащий 62,5% Ga, 21,5% In, 16% Sn и др.)
Жнд- Снфон-
костное ное
50	2
Гидростатическое давление столба жидкости компенсирует разность давлений в сообщающихся сосудах. Для уменьшения размеров предусмотрена форвакуумная полость. Работает только в вертикальном положении
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК	I	Механические. вакуумные вводы
Импел-лериое
10-*
100	70
Включает устройства для принудительной подачи жидкости к краю или середине зазора, где находится резервуар с этой жидкостью. Необходимы дополнительные уплотнения для обеспечения герметичности в статических условиях
сл
Продолжение табл. 8.1
Уплотнение
Способ передачи движения
Пряиципиальиаи схема
Тип
Гндро-струй-иое
Жидкостное
Через отверстие в стейке
Коническое смазываемое
Ориентировочные допускаемые значения			Особенности передачи
р, Па	Я, С-1	м,-10-», Н-м/м	
10-*	30	5	Струя уплотняющей жидкости вытекает из кольцевого сопла, перекрывает зазор и исключает проникновение воздуха в вакуумную камеру. Вал имеет специальное профилированное утолщение, обеспечивающее непрерывность струи у края зазора
10-»	1	2	Притертое коническое соединение с использованием вакуумного масла
Ограничение газового потока (дифференциальная откачка при быстроте откйчки Sj, S2, .... Sn-i)( проходящего через зазор между отверстием и валом
Через сплошную стенку
Струйные уплотнения с циркуляцией уплотнителя (струя газа или пара) вне зазора, подобные эжекторному или диффузионному насосу с подвижными относительно корпуса соплами. Для высокоскоростных и мощных приводов
Волновое
3
Передача движения от ведущего звена к ведомому волнообразными упругими деформациями, генерируемыми в герметизирующем звене передачи
С эластичной стенкой
Сильфонное
Трубчатое упруго-дефор-мируе-мое
10"»
ю-»
2 Стандартные эластичные герметизирующие элементы (сильфоны) в процессе работы совершают колебательные движения при передаче вращения или растягиваются и сжимаются при передаче воз-вратио-поступательиых движений
0,5 Принцип пневматических пружин (трубок Бурдона). При подаче энергоносителя (воздуха или жидкости) с повышенным давлением во внутреннюю полость трубки она стремится выпрямиться, и конец трубки, являющийся ведомым звеном механизма, совершает движение по определенной траектории
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК	Механические вакуумные вводы
3
Продолжение табл. 8.1
Через сплошную стейку
Через сплош-
ную стейку
Способ передачи движения
* Уплотнение		Принципиальная схема
Тип	Вид	
С эластичной стенкой
Мембранное
С жесткой стенкой
Электромагнитное
Электр оста-тиче-ское
Ориентировочные допускаемые значения
р, Па	п, с-»	м0- ю-*, Н- м/м
ю-6	50	5
10-8	50	0,05
Особенности передачи
Мембраны из эластомерных материалов (часто из вакуумной резину)
Принцип магнитного притяжения разноименных полюсов постоянных магнитов, разделенных немагнитной герметизирующей стенкой, один из которых закреплен на ведущем валу в атмосфере, а другой — на ведомом валу в вакууме
>5 О ft
Ч X ft ft О ft ft и ft
fe Sa ft It ft ft
2 ft ft 4 4 £ ft
ft
Ч
4
		;		1				— ___ 			 —
	io-8	100	0,05	Принцип короткозамкнутого асинхронного двигателя, у которого ротор с валом отделены от статора и атмосферы герметичной стенкой из материала с низкими электрической проводимостью и магнитной проницаемостью
10-8
0,03
Электростатическое взаимодействие во вращающемся электростатическом поле в статоре или при подведении постоянного потенциала к вращающемуся многолепестковому ведущему валу прн наличии ведомого вала подобной формы
Примечание, п — частота вращения или число возвратно-поступательных движений в единицу времени; М0______________
относительный крутящий момент, Н-м/м (отношение передаваемого момента к диаметру наиболее удаленной вращающейся или колеблющейся точки).	н
*
%
I §
i к
§ S’
180
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
12	3	4 5	6 7
Рис. 8.1. Сальниковый ввод вращения с манжетным уплотнением
давлением и передающий требуемое усилие или крутящий момент, и уплотнение, герметизирующее зазор между отверстием и подвижным валом. Механические вакуумные вводы для передачи движения через отверстие применяют обычно в динамических вакуумных системах, так как они обладают значительным газовыделением. Эти вводы позволяют передавать практически любые усилия и крутящие моменты и обеспечивать высокие кинематическую точность и жесткость. Наиболее широко используют вакуумные вводы с сальниковыми уплотнениями, реже — с жидкостными и газообразными.
Механические вакуумные вводы для передачи движения через сплошную стенку имеют разделяющий герметичный элемент (обычно тонкостенный), являющийся продолжением стенки вакуумной камеры. Эти вводы характеризуются низким газовыделением, поэтому их применяют^ статических (иногда прогреваемых) высоко- и сверхвысоковакуумных системах. Из-за разомкну-
Рис. 8.2. Сальниковый ввод с комбинированным фторопластовым уплотнением
тоста вала через эти вводы нельзя передавать большие крутящие моменты. Наиболее распространены вводы через сплошную стенку с сильфонными и магнитными уплотнениями [16].
Расчет механических вводов сводится к расчету суммарного потока газовыде-ления и механических параметров (расчет на прочность и долговечность).
Ниже приведены конструкции наиболее часто применяемых вакуумных вводов.
На рис. 8.1 показан ввод вращения, в котором в качестве упругих уплотнений использованы резиновые манжеты 1 и 10 со спиральными кольцами для прижима манжет к валу 6. Манжета 1, обращенная в вакуумную камеру, является рабочей, манжета 10 — защитной; последняя предохраняет движущийся контакт рабочей манжеты с валом от загрязнения. Фетровое кольцо 4, пропитанное вакуумным маслом, обеспечивает постоянное смазывание движущегося контакта. Наружный бортик манжеты 1 должен быть вакуумноплотно прижат к корпусу 2. Усилие прижима, создаваемое гайкой 7, передается через наружные кольца подшипников 9 и втулку 8 нажимной втулке 5. Компактная конструкция унифицированного ввода упрощает крепление корпуса 2 в расточке стенки вакуумной камеры 3. При использовании подшипников качения и постоянной циркуляции смазочного материала допускаемая частота вращения вала может достигать 1300 с”1.
Уплотнения такого типа могут компенсировать некоторые погрешности изготовления и сборки узла. Их применяют в механических вакуумных насосах, коммутирующей'вакуумной аппаратуре, технологических вакуумных установках и других устройствах при давлении до 10“* Па.
Уплотняющий элемент ввода с комбинированным уплотнением (рис. 8 2) выполнен из фторопласта в виде тонкостенной втулки 5 толщиной 0,5-.. 1,0 мм с утолщением со стороны, обращенной в вакуумную камеру. Для обеспечения надежной герметизация контакта с поверхностью вращающегося вала 1 служит набор резиновых колец 2, поджимаемых в осевом направлении втулкой 3 через упорный стакан
Механически! вакуумные вводы
181
4 и фланец. Таким образом, в вакуумную камеру обращена лишь часть торца фторопластовой втулки, обладающей малым газовыделением, что допускает применение такого уплотнения до давления 10~6 Па.
Ввод вращения с сильфонным уплотнением (рис. 8.3) представляет собой муфту, состоящую из вращающихся в неподвижных опорах ведущего 1 и ведомого 2 эксцентриковых (или кривошипных) валов. Рабочий момент передается от ведущего вала, находящегося в атмосфере, ведомому, находящемуся в вакууме, через промежуточную втулку 3. Последняя имеет перегородку, отделяющую ведомый вал от ведущего, и герметично соединена с неподвижным корпусом ввода 4 сильфоном 5. При вращении ведущего вала втулка 3 совершает круговое движение и передает вращение ведомому валу. Корпус 4 соединен с вакуумной камерой.
Из волновых передач наиболее распространены зубчатые волновые пере? дачи (рис. 8.4), которые состоят из генератора (вал 1, корпус 4 подшипника), гибкого 2 и жесткого 3 зубчатых колес. В герметичных (вакуумных) зубчатых волновых передачах гибкое колесо 2 выполнено за одно целое с гибким стаканом. Стенки последнего представляют собой продолжение стенок вакуумной камеры, так как герметично соединены с ними переходными фланцами с вакуумным уплотнением. В большинстве конструкций гибкое колесо имеет меньше зубьев, чем жест-' кое. Генератор, установленный внутри гибкого колеса, упруго деформирует его так, что в зоне большой оси генератора зубья гибкого' и жесткого колес находятся в зацеплении, а в зоне малой оси зацепление отсутствует (между вершинами зубьев имеется зазор). При вращении генератора зона зацепления зубьев перемещается в соответствии с Волновой деформацией гибкого колеса.
Перспективны механизмы на основе трубчатых упругодеформируемых вводов. Их выполняют одно- и многоцелевыми. Так, конечное звено манипулятора с тремя степенями свободы (Рис. 8.5) совершает перемещение по круговой-траектории в горизонтальной Плоскости, по осям х иг и по прямоли-
Рнс. 8.3. Эксцентриковый сильфонный ввод вращения
нейной траектории в вертикальной плоскости по осям хну [2 J.
Горизонтальное перемещение по круговой траектории, т. е. по осям х и z, формируется элементом 1 и рычагом 3 (соединительной трубкой) при подаче во внутреннюю полость элемента сжатого воздуха по несущей трубке 10, герметично введенной в вакуумную камеру. Перемещение в вертикальной плоскости по оси у формируется эле-
Ркс. 8.4. Волновая зубчатая передача
182 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
ментами 4 и 9, имеющими автономную систему подачи сжатого воздуха по трубке 2 с компенсационными витками , а по оси у — двумя упругодеформи-руемыми пневматическими пружинами-захватами 7, в которые сжатый воздух поступает по трубке 8.
Последовательность движений манипулятора, предназначенного для захвата изделия, переноса его в горизонтальной плоскости на заданный угол, перемещения в вертикальной плоскости вдоль осей х и у, определяется циклограммой работы, которая является основой для программного управления системой питания энергоносителя. Фиксация относительно изделия двух крайних положений главного исполнитель
Рис. 8.5. Конструктивная схема манипулятора с тремя степенями подвижности
ного органа захвата достигается установкой упоров 5 и 6 в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
Применяют разные конструктивные схемы вводов движения в вакуум с сильфонным уплотнением, обеспечивающие большие перемещения.
На рис. 8.6, а показан ввод, в котором для увеличения рабочего хода гибкого звена использованы последовательно соединенные сильфоны. Подвижный шток 4 имеет на своем конце утолщение. К этой части штока приварен сильфон 5, другим концом приваренный к втулке 3. Второй сильфон 2 одним концом приварен к втулке 3, а другим — к ограничивающей втулке 1. При перемещении штока в направлении, указанном стрелкой, сильфоны сжимаются, при этом их деформации (ход ввода) ограничены упорами на втулке 3 и штоке 4.
Так называемая телескопическая конструкция (рис. 8.6, б) состоит из двух сильфонов, вставленных один в другой и закрепленных на фигурной втулке. Так как здесь применены сильфоны 2 и 5 разных геометрических размеров и различной жесткости, то их рабочий ход ограничивается упорами на втулке 3 и штоке 4.
Конструкция ввода, позволяющая получать однонаправленные шаговые перемещения на расстояние больше хода сильфона, приведена на рис 8.7.
Рис, 8.в. Сильфонные узлы с увеличенным рабо-
чим ходом
Механически* лакуржкы* вводы
183
Устройство работает следующим образом. В первый момент вал 1 перемещается в сторону вакуумного объема на ход сильфона 2 вместе с гильзой 3. В это время втулка 6 находится в верхнем положении на валу и удерживается байонетным зажимом. При этом шарики 4 под действием пружин 5 заклинены между конической поверхностью вала и внутренней поверхностью гильзы, а пружина фиксатора 8 сжимается поддействием приложенного усилия. Затем вал перемещается от вакуумного объема в обратную сторону; при этом гильза, удерживаемая фиксатором, неподвижна; связь с валом через шарики нарушается. Затем все повторяется L/h раз, где L — длина рабочей части сильфона; Л — ход сильфона. В результате гильза оказывается выдвинутой в вакуумный объем на расстояние, равное длине L.
После разгерметизации вакуумного объема втулку специальным ключом поворачивают на валу и опускают иа шайбу 7; при этом пружины разжимаются и шарики 4 расклинивают вал и гнльзу. Затем гильза занимает первоначальное положение, а втулка устанавливается в верхнем положении.
Вакуумный ввод с постоянным магнитом (рис. 8.8) включает следующие основные части. Во втулке 10 на подшипниках установлен ведомый вал 1 с закрепленным на его конце якорем 4. В качестве герметизирующего элемента использован стакан 3 из коррозионно-стойкой стали. Толщина стенки стакана, расположенного в магнитном промежутке, составляет 0,5 мм. Вакуумная полость стакана герметизирована прокладкой 2. На конце ведущего вала 6 закреплены башмаки постоянного магнита 5.
Через мягкую муфту 7 ведомый вал 1 соединен с ротором электродвигателя
Корпус 9 ввода прикреплен к стенке Ч вакуумной камеры гайкой 12.
При вращении магнитов 5 (от электродвигателя) под воздействием маг-внтного потока якорь и, соответствен-а°. ведомый вал следуют за вращением магнита 5, обеспечивая крутящий рабо-чии момент на ведомом валу 1. Такой Вв°Д может передавать сравнительно ««большой крутящий момент с часто-т°и вращения порядка 3000 об/мин.
Рис. 1.7. Сильфонный ввод с шаговым перемещением
А-А
Рис. 8.8. Вакуумный ввод с постоянным магиитом
184 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
8.2.	Прецизионные манипуляторы
Прн проведении научно-экспериментальных работ часто возникает необходимость точно устанавливать и перемещать исследуемые образцы в вакуумном пространстве. Для этих целей разработан ряд прецизионных манипуляторов.
' Манипулятор, реализующий возвратно-поступательные линейные перемещения, показан на рис. 8.9. На фланце 6 винтами 4 закреплена скоба 2. В скобе имеется отверстие, в которое проходит шток 1 с микрометрической резьбой. Под скобой на подшипнике 5 расположен маховичок 3 с резьбой дли штока, рифленой насечкой (в верхней части) и шкалой (в няжней части). Вращением маховичка можно переме-
Рис. 8.0. Манипулятор для реализация возвратно-поступательных линейных перемещений
<
Рис. 8.10. Манипулятор для реализации вращения образца
щать шток, причем перемещение контролируют по шкале. Для герметизации манипулятора предназначен сильфон 8, приваренный одним концом к неподвижной втулке 7, другим — к подвижной втулке 9. Максимальное перемещение определяется допускаемым ходом сильфона.
Манипулятор, позволяющий вращать образец на угол до 360° (рис. 8.10), состоит из маховичка 16 с насечкой и шкалой, соединенного с фигурной шайбой 12 штифтом 14 и винтом 15. Маховичок вращается на подшипнике 10, укрепленном в корпусе 9 манипулятора разжимным кольцом 11. На фигурной шайбе через подшипник 1 укреплена втулка 2, в которую входит ведущий валик 3 шаринра. Ведомый валик 6 размещен во втулках 7 и 8, жестко соединенных с фланцем 5 манипулятора. Уплотнение обеспечивает сильфои 4. При повороте маховичка движение через ведущий валик передается ведо; мому валику. Угол поворота отсчитывают по шкале; положение образца может быть зафиксировано впитом 19-
Электричгски» »акууяныг моды
185
Комбинированный манипулятор обес* печивает перемещение образцов по осям х, у, г (рис. 8.11, а), поворот на угол а, а также вращеняе на 360®. Длд вращения образцов предназначен манипулятор вращения I (по конструкции идентичный показанному на рис. 8.10) — Рис, 8.11,6. Манипулятор перемещения 12 с приводным маховичком я шкалой отсчета на штоке 11 позволяет перемещать образец в вертикальном Направления. Движение в направлении осей х и у обеспечивает каретка 10, перемещаемая по поверхности Б с помощью винта 8 и пруживного подпора 5. Угловые движения образца определяются движением сферической ®айбы 3 по сферической поверхности Л каретки с помощью винта 9 и пружинного подпора 4. Для герметизации “инипулятора предназначен сильфон  На фланце 6 манипулятора возможва Установка и других элементов, иапри-"еР электрического ввода 7.
8.3.	Электрические вакуумные вводы
Электрические вакуумные вводы служат для подачн электропитания к нагревательным устройствам, датчикам, двигателям' и другим объектам, расположенным в вакуумных камерах. Их подсоединяют к вакуумвым камерам стандартными вакуумными соединениями. Материал для токоподводящих элементов и изоляторов, а также вид вакуумного уплотнения выбирают в-соответствии с конкретными условиями эксплуатации: напряжением, силой тока, частотой и температурой ввода. В зависимости от электрических параметров вводы подразделяют на низковольтные («сильноточные» и «слаботочные»), высоковольтные и высокочастотные. Конструкции электрических вводов показаны на рис. 8.12. Плотность тока низковольтных (до 250 В) иеохлаждаемых вводов не должна пре-
186 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
вышать: для меди и стали 5, для алюминия 4, для никеля и молибдена 3 А/мма. Конструкция разборного сильноточного ввода (до нескольких десятков ампер) показана иа рис. 8.12, а. Изолирующими и уплотняющими элементами между шпилькой и фланцем 1 в таких вводах являются резиновое кольцо 3 и втулка 2.
Низковольтные вводы, предназначенные для пропускания тока силой более 100 А, как йравило, снабжают водяным охлаждением токоввода ‘
(рис. 8.12, б). При этом плотность тока не должна превышать 1О...12А/мм-Уплотняющими и изолирующими элементами являются кольцо 2 и втул-
ка 3.
Электрические вакуумные вводы
187
Таблица 8.2
Посадочный диаметр корпуса ВИЛКИ или розетки, мм	Число контактов					Максимальная сила тока в контакте, А	Суммарная сила тока на соединитель, А	Рабочее напряжение постоянного или переменного (амплитудное значение) тока, В
	общее Допускаемое	диаметром, мм						
		1,0	1,5	2.0	3,0			
14	4	4	—	—	—	6	20	560
18	7	7		—	—	5	30	
22	4	—	—	2	—	13	55	
		—	—	—	2	- 20		
	10	10	—	—	—	5	42 '	
24	19	19	—	—	,—	4	63	
27	7	5	—	—	—	6	45	700
		—	2	—	—	10		
	24	24	—	—	—	4	80	560
30	32	32	—	—	—	3		
33	20	18	—	—	—	4	76	
		—	—	—	2	20		
		8	—	—	—	4,5	75	
		12	—	•—,	—			700
36	22	5	—	—	—		83	560
		17	—	•—	—			700
	20	16	—	’ —	—	4	80	560
		10	—	—	—			700
		—	4	—	—	8		560
39	<45	30	—	—	.—	3	125	
		10	—	—	—			700
		—	5	—	—	6		560
		45	—	—	—			
42	50	33	—	—	—	3 '	142	
		11	—		—			700
		—	7	—	—	6,0		560
	30	15	—	—	—	3,5	130	700
		—	15	—	—	7.0		560
188 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Рис. 8.13. Соединитель типа 2РМГ
Для прогреваемых высоковакуумных установок используют металлокерамические вводы (рис. 8.12, в), состоящие из штыря 3 и керамической трубки 1, к концам которой вакуумноплотно припаяны втулки 2 из ковара. Пайку выполняют твердыми припоями в вакуумных или водородных печах. Ввод с помощью переходной втулки приваривают к фланцу. Конструктивные размеры, мм, металлокерамических вводов, применяемых при напряжении 4 кВ и силе тока соответственно 35, 250 н 850 А, приведены ниже:
Di............	5;	10;	15
Ds....................20;	45;	55
D3....................22;	46;	57
В ............ 35; 40; 45 Lmax.................30; 50; 50
T-min................... 8;	8;	8.
Таблица 8.3 '
D	• °*	А	В
М18Х 1	М20Х 1,0	20	27
М24Х 1	М27Х 1,5	26	33
М27Х 1	МЗОХ 1,5	29	36
МЗОХ 1 	МЗЗХ 1,5	31	38
МЗЗХ 1 '	М36Х 1,5	32	40
М36Х 1	М39Х 1,5	35	43
М39Х 1 '	М42Х 1,5	37	46
М42Х 1	М45Х 1,5	40	49
Примечания:!. Размеры в миллиметрах. 2. Резьба D левая. 3. При диаметре контактов 1,0 н 1,5 мм длина L = 26 мм, при диаметре контактов 2 и 3 мм — L — 28 мм.
Металлостеклянные вводы (рис. 8.12, г), используемые в электровакуумном приборостроении, представляют собой вакуумно-плотные спаи стеклянного элемента 2 с металлическим элементом 1 и переходной втулкой 3. Для металлостеклянных вводов наиболее часто используют платинит, ковар, вольфрам. Применяют также многоштырьковые вводы, расположенные иа едином изоляторе или в одном фланце (рис. 8-6, д).
Высоковольтные вводы (рис. 8.12, е) применяют при напряжении более 250 В, а также при необходимости исключить утечки в измерительных цепях. При напряжении больше 1,5 кВ изоляторы 1 выполняют ребристыми для увеличения площади изолирующей поверхности. Для защиты изолирующих поверхностей от пыли устанавливают экраны 2.
Высокочастотные вакуумные вводы (рис. 8.12, ж) используют для подвода тока высокой, частоты (свыше 1500 Гц) к индуктору, помещенному в вакуумной камере. Такой ввод состоит из фланца 2, к которому приварена втулка 3. В керамической изолирующей шайбе 4, вакуумно-плотно припаянной к втулке, имеется два отверстия, через которые введены концы трубок индуктора 1. Через них подается ток высокой частоты и вода для охлаждения. Часто высокочастотные вводы конструктивно выполняют коаксиальными для уменьшения потерь энергии.
В цепях с наприжением до 700 В постоянного и переменного тока и частотой до 3 МГц применяют вакуумно-плотные серийные соединители типа 2РМГ. Они имеют блочные герметичные вилки и сочленяются с кабельными негерметичными розетками соединителей типа 2РМ. Блочные и кабельные части соединителей могут быть без патрубка и с прямым патрубком. Кабельные части имеют прямые или угловые патрубки. Техническая характеристика соединителей 2РМГ дана в Табл. 8.2. Размеры блочной части соединителей без патрубка (рис. 8.13) приведены в табл. 8.3. Условия эксплуатации: температура окружающей среды 213...473 К; перепад давлений 1,5 X X 10* Па.
Вакуумной окна
189
8.4.	Вакуумные окна
Вакуумные окна служат для пропускания излучений (видимого света, инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского, гамма-, альфа-, бета-ней-тро иного) из вакуумной камеры в окружающее пространство (или из окружающего пространства в камеру) без нарушения вакуумных условий. Окна должны удовлетворять следующим требованиям: выдерживать перепады давлений; допускать применение уплотнений без образования течей; не пропускать нежелательные виды излучений; обладать высокой устойчивостью к воздействиям, вызывающим изменение прозрачности.
Окна изготовляют в виде плоских или выпуклых пластин и закрепляют на вакуумных камерах с помощью уплотнений, обычно используемых в вакуумной технике и электровакуумном приборостроении. Некоторые специальные уплотненяя рассмотрены в работе [38]. Материалы, примениемые для изготовления окон при излучении различных видов, указаны в табл. 8.4. Зависимость прозрачности стекла от энергии электронов приведена на рис. 8.14.
Окна для пропускания видимого света (смотровые) используют в вакуумно-технических установках дли постоянного или периодического наблюдения за процессами или работой устройств в вакуумных камерах. Через смотровые окна по цвету электрического разряда можно визуально оценить, в каком газе происходит разряд, а также по свечению разогретого тела ориентировочно определить его температуру. Свечение в положительной области (плазме) возникает при рекомбинации ионов с образованием нейтральных атомов. Ниже указаны цвета электрического разряда в различных газах;
Воздух . . . Голубой Аг ..... . Фиолетовый “®г..........Голубовато-зеленый
........Белый
Ме	От красно-фиолетово-
го до желтовато-розо-н	ватого
• •.......От красновато-розово-
го до оранжевого
Ne ..........Кроваво-красный
Na ...... . Оранжевый или крас-, ио-желтый
О»...........Желтый с красноватым
оттенком
Пары воды . . Голубовато-белый
В табл. 8.5 указаны длины волн X, при которых пластина из соответствующего материала толщиной 5 мм пропускает примерно 50% инфракрасного излучения, а в табл. 8.6 — толщины пластин различных материалов, пропускающих би и 80% электронов различной энергии.
Типичная конструкции смотрового окна для непрогреваемых систем показана иа рис. 8.15. Толщину hc смотрового стекла выбирают в зависимости от диаметра Dc свободной поверхности: hc « (0,15...0,20) Dc.
В прогреваемых сверхвысоковакуумных системах стекла смотровых окон впаивают в металлические оправы (стаканы), причем температурные коэффициенты линейного расширения стекла и материала оправы должны быть достаточно близки [16]. В спаях, прогреваемых до температуры 523... 573 К, используют плоские стекла (рис. 8.16), в спаях, прогреваемых до
Рис. 8.14. Зависимость относительной прозрачности стеклянной пластины от энергии электронов Еъ при различной толщине 4 пластины, нм:
/ — при А < 1 нм; 2 — прн Ь = 210 нм: 3 — прн Д = 360 нм; 4 — прн А = 760 нм: 5 — прн А = 990 нм
190 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Таблица 8.4
Вид излучения	Материал	Примечание
Видимый свет	Стекло (обычное, оптическое, жаропрочное), кварц, пластмассы	Потери излучения составляют 6...20; 10... 30 и 20 ... 40% при толщине обычного стекла соответственно 1 ... 2; 2 ...4 и 4 ... 8 мм. Для оптических стекол подобные потери соответствуют толщинам примерно в 20 раз больше
Ультрафиолетовое	Для длины волны % = 0,3 ... 0,4 мкм слюда, специальные , фосфатные стекла, акриловые пластмассы (плексиглас); при Х = 0,2 ... 0,3 мкм .кварц, сапфир, соли (хлориды натрия и калия, фториды кальция и лития)	Стекло не должно содержать железа, хрома, свинца, титана, сурьмы
Инфракрасное Г	Боросиликатные стекла (не более 10% SiO2H В2О3; 3% А12О3); кварц, слюда, сапфир, различные соли	См. табл. 8.5
Рентгеновское	Фольга из легких металлов, алюминий, бериллий, оксиды легких металлов (бора, лития, бериллия), слюда, пластмассы, цветные стекла	Для поглощения рентгеновского излучения применяют окна из стекол с оксидами тяжелых металлов (свинца, бария, висмута, тория, урана, титана, вольфрама)
Поток Р-частиц (электронов) 	Фольга толщиной несколько микрометров (слюда, алюминий н его оксиды, тантал, золото, стекло)	См. рис. 8.14, табл. 8.6
Поток а-частнц	Фольга толщиной несколько микрометров (целлофан, алюминий, слюда, тантал, золото, тонкие стекла)	Например, а-частица с энергией 8,8-10 Дж (длина свободного пути X = 25 мкм в целлофане, X = 22 мкм в алюминии, = 17 мкм в слюде, X = 9,3 мкм в тантале, X = 8,4 мкм в золоте)
Поток нейтронов	Обычные стекла, содержащие оксиды кремния, алюминия, свинца и магния	Стекла, предназначенные поглощения нейтронов, должны содержать оксиды гадолиния, индия, лития, европия и кадмия
Вакуумной окна
191
более высоких температур, — выпуклые. Оправы сваривают с фланцами, соединяемыми с вакуумными камерами через металлические прогреваемые прокладки (рис. 8.17, а). При циклических высокотемпературных прогревах используют конструкцию из нескольких коваровых герметично сваренных колец (рис. 8.17, б).
Многие технологические процессы, проводимые в вакууме (вакуумная плавка, электронно-лучевая сварка, нанесение тонких пленок, вакуумная дистилляция, зонная очистка и др.), сопровождаются интенсивным испарением или ионным распылением веществ. При этом на смотровых стеклах образуются осадки, снижающие прозрачность стекол и ограничивающие срок службы смотровых окон. Смотровые стекла приходится периодически протирать или снимать для удаления осадков механическим или химическим способом, а также применять защитные устройства (табл. 8.7). Эффективность защиты смотрового окна от запыления характеризуют коэффициентом Ка = — ts/to, гДе Ъ и t0 — срок службы окон соответственно с защитным устройством и открытых (без защитного устройства).
Устройства для защиты окон можно подразделить на две группы: устройства для обновления запыленных участков защитных прозрачных материалов; устройства, уменьшающие интенсивность потока напыляющих молекул.
В приспособлениях первой группы прозрачный защитный материал, который во время измерений остается чистым, располагают перед основным смотровым окном. Как правило, этого достигают механическим перемещением защитного материала относительно визируемого канала. Устройства второй группы обеспечивают уменьшение потока молекул, защищая основное смотровое стекло от запыления. Обычно зтого достигают механическим, электрическим или газовым воздействием иа летящие молекулы.
° зависимости от конструкции установки и ее назначения устройства Должны обеспечивать возможность периодического или непрерывного наблю-
Таблица 8.5
Материал	%, нм	Материал	I, им
Стекло	2,2 ... 2,5	MgO	7,0
СаСО3 .	2,5	CaF2	10,0
Кварц	3,8 ... 4,4	NaF	10,0
Слюда	5,3	AgCl	28,0
Сапфир	. 6,5	CsBr	50,0
LiF	7,0	CsI	60,0
Таблица 8.6
Толщина, мкм, пластины 1 из
	1,6	0,12	0.08	0,07	0,05
oft	3,2	0,60	0,43	0,37	0,26
OW	6,4	1,90	1.20	1,00.	0,74
1	12,8	6,60	4.20	3,60	2,50
	1,6	0,55	0,35	0.30	0,20
50'	3,2	1,80	1,10	0,96	0,68
	6,4	5,80	3,70	3,10	2,20
	12,8	17,80	11,30	9,60	6,80
1 В скобках указана плотность ма териала, г/см3.
Рис. 8.15. Смотровое окно с резиновым уплотнением:
1,3 — прокладки; 2 — стекло; 4 — виит;
5 — зажимное кольцо; 6 — стейка камеры
192 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Рис. 8.18. Оконные спаи с плоскими (а) и выпуклыми' (tf) стеклами
РИС. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем:
1 — стекло; 2 — стакан из кварца; 3 — фланец; 4, 3 н 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;
7 — место сварки; а — угол зрения
Рнс. 8.18. Смотровое окно с протнром: 1 — протир; 2 — шток; 3 — уплотнение;
4 — стекло
На рис. 8.18 показано смотровое окно с протнром и системой водяного охлаждения для исключения перегрева уплотняющих прокладок.
Другое конструктивное решеняе, обеспечивающее длительный срок службы смотрового окна, — применение пово-
ротных дисков со сменными защитными стеклами. После загрязнения стекла, расположенного против смотрового отверстия, диск поворачивают, подводя к смотровому отверстию незагрязненное стекло (рис. 8.19). В этой конструкции вместо диска можно использовать большое поворотное стекло, так как давления по обе стороны от него одинаковые н, следовательно, оно ие подвергается воздействию силовых нагрузок. В связи с этим требования прочности н. термостойкости стекла явля-
ются второстепенными; можно использовать даже оконное стекло. Толщина защитных стекол обычно незначительна, поэтому доля поглощаемой в стекле энергии излучения незначительна. К преимуществам этого способа следует отнести то, что срок службы смотрового окна пропорционален числу защитных стекол при весьма простой конструкции устройства.
В смотровых окнах с вакуумным затвором, расположенным между смотровым стеклом и камерой (рис. 8.20), наличие затвора позволяет заменять стекла без разгерметизации рабочей камеры.
В устройстве другого типа для защиты смотрового стекла 2 (рис. 8.21), укрепленного в держателе 1, используют прозрачную пленку. Устройство состоит из днища 3 и корпуса 4\ по патрубку / скользит прозрачная пленка 6 из лавсана. Пленка перематывается с катушки 5 на катушку 8, которая приводится от двигателя и редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.
Срок службы смотрового стекла увеличен, так как загрязняющие частицы задерживаются прозрачной пленкой. Скорость движения ленты подбирают с учетом ее термостойкости, а также того, что за время прохождения смотрового канала ее запыленность не должна превышать допускаемой.
Один из способов уменьшения интей- сивности потока частиц на стекло — защита его струей инертного газа. Пря определенной плотности струя газа, омывающая смотровое стекло, рассеивает поток загрязненных частиц, ® результате чего уменьшается загрязнение. Сама струя инертного газа пр0' зрачиа, но инертный газ может значительно увеличить давление в системе-
Вакуумной окна
193
Защитное устройство
.схема
конструктивные особенности
Таблица 8.7
Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения
Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 1 во время наблюдения должно иметь ввод движения ' в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки
>100
Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным участкам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения
5 ... 10
Окно с зеркалом 4 н экраном 2, защищающим стекло 1 от прямого попадания частиц вещества нз источника загрязнения 3, Применяют при точечном источнике, когда осаждаемое иа зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами
100 ... 200
7 П/р Е. С. Фролове
192 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Рис. 8.1». Оконные спаи с плоскими (а)  выпуклыми (СГ) стеклами
Рис. 8.17. Смотровые окна для прогревав» мых систем!
1 — стехло; 2 — стакан иэ кварца; 3 — фланец; 4, S и 6 — соответственно наружное, внутреннее н промежуточное кольца;
7 — место сварки; а — угол зрении
Рис. 8;18. Смотровое окно с протиром;
1 — протир; 2 — шток; 3 — уплотнение;
4 — стекло
На рнс. 8.18 показано смотровое окно с протнром н системой водяного охлаждения для исключения перегрева уплотняющих прокладок.
Другое конструктивное решение, обеспечивающее длительный срок службы смотрового окна, — применение пово
ротных дисков со сменными защитными стеклами. После загрязнения стекла расположенного против смотрового от^ верстня, диск поворачивают, подводя к смотровому отверстию незагрязненное стекло (рнс. 8.19). В этой конструкции вместо диска можно использовать большое поворотное стекло, так как давления по обе стороны от него одинаковые и, следовательно, оно в» подвергается воздействию силовых нагрузок. В связи с этим требования прочности и термостойкости стекла являются второстепенными; можно использовать даже оконное стекло. Толщина защитных стекол обычно незначительна, поэтому доля поглощаемой в стекле энергии излучения незначительна. К преимуществам этого способа следует отнести то, что срок службы смотрового окна пропорционален числу защитных стекол прн весьма Простой конструкции устройства.
В смотровых окнах с вакуумным затвором, расположенным между смотровым стеклом н камерой (рнс. 8.20), наличие затвора позволяет заменять стекла без разгерметизации рабочей камеры.
В устройстве другого типа для защиты смотрового стекла 2 (рнс. 8.21), укрепленного в держателе 1, используют прозрачную пленку. Устройство состоит из днища 3 н корпуса 4; по патрубку 7 скользит прозрачная пленка 6 нз лавсана. Пленка перематывается с катушкн 5 на катушку 8, которая приводится от двигателя н редуктора, расположенных вне вакуумной камеры.
Срок службы смотрового стекла увеличен, так как загрязняющие частицы задерживаются прозрачной пленкой. Скорость движения ленты подбирают с учетом ее термостойкости, а также то-го, что за время прохождения смотрового канала ее запыленность не должна превышать допускаемой.
Один нз способов уменьшения интенсивности потока частиц на стекло^ защита его струей инертного газа. Пря определенной плотности струя газа-омывающая смотровое стекло, расе®®' вает поток загрязненных частиП, х результате чего уменьшается загрЯзЯ£ нне. Сама струя инертного газа пру зрачна, но инертный газ может зна® тельно увеличить давление в сист®**’
Вакуумные окна
193
.схема
Защитное устройство
конструктивные особенности
Окно с защитой смотрового стекла 1 легко съемным стеклом 2. Применяют в системах с низкой интенсивностью запыления. Обеспечивает постоянное наблюдение с большим углом зрения
Окно с открывающейся заслонкой 2 стекла 7 во время наблюдения должно иметь ввод движения в вакуум. Применяют поступательное, вращательное, маятниковое и другие устройства для перемещения заслонки
Окно с поворотным экраном 2, имеющим отверстие а, подводимое последовательно к незапыленным участкам стекла 1, должно иметь механический вакуумный ввод. Имеет малый угол зрения
Таблица 8.7
«а
>100
5 ... 10
Окно с зеркалом 4 и экраном 2, защищающим стекло 1 от прямого попадания частиц вещества нз источника загрязнения 3. Применяют прн точечном источнике, когда осаждаемое на зеркале вещество образует пленку с хорошими отражательными свойствами
100 ... 200
7 П/р Е. С. Фролова
194 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Продолжение табл. 8.7
Защитное устройство
схема	конструктивные особенности
з
Окно с защитой стекла 1 экраном 2 с малым отверстием. Применяют при наличии больших поверхностных источников загрязнения
Окно с защитным неподвижным конусом 3 н подвижным стеклом 1 на сильсЬоне 2 дает возможность подводить отверстие конуса к любому иезапылениому участку стекла
10 ... 50 (Ка > 50 при условии возврата отверстия в центральную часть при периодических наблюдениях)
Окно с защитой стекла 1 вращающимися дисками 2, имеющими прорези (селектор скорости). Обеспечивают малый угол зрения. Частоту вращения п подбирают так, чтобы большая часть потока частии не проходила через вторую щель, а осаждалась иа втором диске, т. е. б > 2пг, где о — средняя скорость частиц
Кз ~ Ю3 ... Ю4;
Ка — Kz exp (1/Ь)2Х
М (2лп)г
2RT ’
где z — число прорезей; -
К = 1 -
In [&/(2лгг)]_
in (1(>/1доп)
t'o н 1доп — начальная и минимальная допускаемая плотности светового потока
Окно с защитой стекла 1 вращающимся диском 2 с прорезями обеспечивает больший угол зрения, чем предыдущая конструкция, ио меньшее значение Кз
Ка ж 100 ... 300;
К3 = Ы(2яг) X
/1 1п [6/(2яг)И
V ~ 1П (10/|д0,<) '
Вакуумные окна
195
Продолжение табл. 8.7
•	Защитное устройство			*3
схема		конструктивные особенности	
« —**'		Окно с затвором 2 между смотровым'стеклом 1 и камерой открывают только во время наблюдения либо по окончании процесса	>100
			
2	|	'			
		Окно с протиром 2 стекла 1 применяют в случае легко удаляемого осадка. Имеется механический ввод в вакуум. Обеспечивают очистку стекла без нарушения вакуума	100 ... 200
	1		
1			
"*1	□Л '		
-1—1		Окно с защитой стекла / конденсирующимися ионами отклонением их в электри-	л? <530
гН 1 3 z	ъв	ческом поле цилиндрического конденсатора 2, установленного на изоляторах 3	
		Окно со стеклом I на длинном сильфоне 2, поворачиваемом в необходимое положение только в момент наблюдения. Не требует механических вакуумных вводов	>100
1 \ Z /			
7*
196 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Защитное устройство
конструктивные особенности
схема
>100
*3
6
Рве. 8.19. Смотровое окно с поворотным диском: сменные стекла; 2 — корпус; 3 — поворотный диск; 5 — ручка; 6 — смотро отекло
Окно с зашитой смотрового стекла 7 непрерывной прозрачной пленкой 2 и экраном 3
Продолжение табл. 8.7


Рнс. 9Л0. Смотровое окно е вакуумным затвором:
корпус; 2 —» вакуумный затвор; 3 — уплотнение; 4 = ручке; 2 * штуцер и фоР“ вакуумному насосу; 6 — смотровое стекло
Загрузочные вакуумные устройства
197
Рис. 8.21. Смотровое окно с движущейся прозрачной пленкой .
Частично эту задачу решают созданием области повышенной плотности газа непосредственно перед смотровым стеклом. Для этого газ подается через патрубок 2 в пространство перед стеклом. Устройство снабжено перегородкой 1 с диафрагмой малого диаметра (рис. 8.22). Чем меньше диаметр диафрагмы. тем меньше расход инертного газа в объеме а и тем меньше газа поступает в вакуумную систему. Кроме того, защита стекла сопряжена с увеличением производительности вакуумной откачной системы для поддержания разрежения внутри установки в заданных пределах. Для увеличения сопротивления потоку газа в вакуумный объем помещают не одну, а несколько диафрагм на некотором расстоянии одна от другой. Это уменьшает расход газа.
Преимущества метода — простота конструкции и отсутствие вращающихся частей, недостатки — поступление газа в вакуумный объем, а также
Рвс- в.22. Смотровое окно с газовой защитой
малый угол зрения из-за небольшого диаметра диафрагмы.
Такой способ защиты можно использовать в основном при визуальном наблюдении. Эффективность метода проверена при плавке ниобии в электронно-лучевых печах. Без защиты стекло в течение 2...3 мин становится совершенно непрозрачным. При подаче аргона в процессе плавки в течение 2 ч на стекле не обнаружено следов потемнения.
Если смотровое окно находится в труднодоступном месте или оператору опасно находиться около вакуумной установки, применяют различные перископические устройства. Объектив перископа устанавливают иа смотровом окне, а окуляр — в месте, удобном и безопасном для наблюдения.
8.5.	Загрузочные вакуумные устройства
Наибольшие непроизводительные потери времени при работе вакуумного технологического оборудования приходится на предварительную многократную откачку рабочих камер при загрузке и выгрузке обрабатываемых изделий. Кроме того, разгерметизация рабочей камеры не позволяет воспроизводить вакуумные условия от цикла к циклу. Для исключения непроизводительных потерь времени, а также обес-. печения идентичности вакуумных условий используют различные устройства для подачи веществ и образцов в рабочий объем без нарушении вакуума. Все эти устройства можно разделить иа три группы: магазинно-бункерные, шлюзовые и комбинированные [34 ].
Магазинно-бункерные устройства 1 (рис. 8.23. а) с загруженными в них материалами или изделиями 2 применяют в установках периодического действия и размещают непосредственно в рабочей камере 4установки. Загрузку и выгрузку магазинов или бункеров выполняют после разгерметизации камеры. Из устройств 1 изделия 2 периодически поступают на рабочую позицию 3 для проведения технологических процессов. После обработки изделия транспортируются в приемный магазин 5 или бунке.р. 1
Применение таких устройств практически не усложняет конструкцию ва-
198 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Рве. 8.М. Смаш выгрузочных вакуумных устройств
Загрузочные вакуумные устройства .
199
куумных систем и позволяет предварительно прогревать материалы для их ебезгаживання в процессе первоначальной откачкн рабочей камеры. Конструктивно устройства выполняют на базе обычных загрузочных устройств с учетом специфических для вакуумной техники требований. Основной недостаток магазинно-бункерных устройств — их ограниченная вместимость.
Шлюзовые загрузочные устройства (ШЗУ) представляют собой совокупность средств герметизации, транспортирования н откачки, обеспечивающих подачу изделий из области с атмосферным давлением в рабочую вакуумную камеру и обратно без напуска газов в рабочие камеры. Применение ШЗУ позволяет загружать практически неограниченное число изделий, но по конструкции эти устройства гораздо сложнее магазинно-бункерных. По виду герметизации ШЗУ подразделяют на закрытые н открытые.
Для закрытых ШЗУ характерна полная герметизация рабочей камеры с помощью затвора во время проведения технологического процесса. ШЗУ с одной шлюзовой загрузочио-выгоузоч-иой камерой (рис. 8.23, б) работает следующим образом. При закрытом откачном патрубке с клапаном 6 шлюзовую камеру 2 заполняют воздухом до атмосферного давления, а затем открывают крышку 1 и вводят в шлюзовую камеру изделие 7, после чего крышку закрывают. Далее, через клапан 6 откачивают воздух из шлюзовой камеры до давления, равного или близкого к давлению в рабочей камере 4. Затем открывают затвор 3 и через его проходное отверстие транспортируют изделия в рабочую камеру на позицию обработки 5. Обработанное изделие выгружают из рабочей камеры в обратной последовательности.
Для совмещения процессов обработки изделий и операций загрузки-выгрузки применяют шлюзовые устройства с двумя шлюзовыми камерами 2 (рис. 8.23, в).
В открытых ШЗУ иет уплотнитель-устройств. Многоступенчатой дифференциальной откачкой через диф-Фузионно-щелевые зазоры между стенками межкамёрного канала и транспор
тирующего устройства давление снижают от атмосферного до рабочего. С помощью устройств такого типа можно обеспечить непрерывное нлн дискретное транспортирование изделий с постоянными размерами и формой поперечного сечения (листы, полосы, проволока, лента, прутки н др.), а также кассет, спутников, цилиндрических носителей н других держателей изделий. Такие ШЗУ перспективны также для последовательной загрузки штучных изделий, которые следуют одно за другим непрерывно (торец в торец), образуя как бы непрерывный материал. Спутники, в которых эти изделия закреплены, по форме сечения должны быть идентичны каналу ШЗУ.
Для непрерывного ввода материала в рабочую камеру применяют так называемые динамические уплотнения — ряд последовательно расположенных вакуумных камер, давление в которых ступенчато уменьшают до значения, близкого к давлению в рабочей камере. Число ступеней откачки, зазоры в межкамерном канале и откачные средства выбирают в зависимости от заданного давления в рабочей камере. Межкамерный канал и транспортирующее устройство изготовляют из материалов с близкими температурными коэффициентами линейного расширения, применяя интенсивное охлаждение для исключения возможности изменения ширины канала вследствие температурного расширения. Конструктивная схема открытого ШЗУ дана на рис. 8.23, г. По форме сечения изделия 2. подаваемые в камеру /, идентичны транспортному каналу шлюза. В корпусе шлюза со стороны входа и выхода имеются по две кольцевые полости А и Б, которые попарно объединены трубопроводами, обеспечивающими ступенчатую откачку.
Открытое ШЗУ с поворотным ячейковым механизмом (рис. 8.23, д) предназначено для подачи сыпучих материалов. Из воронкн 1 материал поступает в дозирующее колесо 2 и далее через промежуточную камеру 3 в ячейки транспортного колеса 5 к выходному патрубку 4 в рабочую камеру. Дифференциальную ступенчатую откачку выполняют через трубопроводы 6.
200 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Иногда в открытых системах применяют уплотнители, «обжимающие» транспортирующее устройство; это позволяет значительно уменьшить поток воздуха из атмосферы через межкамерный канал, что, в свою очередь, приводит к уменьшению размеров шлюзовой системы, уменьшению мощности откачных средств, а также расширению допусков на точность зазора в межкамерных каналах. Недостаток таких устройств — частые повреждения уплотнителей из-за постоянного трения и попадания твердых частиц. Конструкция шлюза с уплотнителем показана на рис. 8.23, е. На полированной) штанге 1 имеется канавка для загрузки подаваемого материала. Штанга может вращаться и совершать возвратно-поступательное движение. Уплотнение прокладки 2 — из резины или фторопласта. Усилие сжатия прокладок должно обеспечивать как свободное перемещение штока, так й герметичность. Для загрузки штангу выводят в сторону атмосферы так, чтобы полость В оказалась снаружи фланца 3, закладывают подаваемый материал в канавку и подают штангу в сторону вакуумной полости. При этом вначале канавка оказывается в канавке Г полости форвакуумной откачки, затем — в рабочем объеме камеры. При повороте штанги на 180° подаваемый материал высыпается из канавки в соответствующее устройство рабочей камеры.
В ШЗУ для подачи ленточного материала (рис. 8.23, ж) лента 3 проходит из шлюзовой камеры 1 в рабочую камеру 4 через уплотнитель 2, который состоит из нескольких плоских эластичных мембран, одним концом закрепленных на стенке межкамерного канала, а другим — сжимающих поверхности ленты и приводного барабана. При изменении толщины ленты эффективность уплотнения не снижается.
Принципиальная конструктивная схема открытого ШЗУ роторного типа с пазами для переноса изделий в рабочую камеру показана на рис. 8.23, з. В положении I образец загружают в полость Д устройства. При повороте этой полости в положение II из нее через патрубок Е производят предварительную откачку. Далее, при пово
роте полости в положение III образец под действием собственной силы тяжести падает в вакуумное пространство иа рабочую позицию.
Комбинированные загрузочные системы — это сочетание шлюзовых и магазинно-бункерных устройств (рис. 8.23, и). Принцип работы такого ШЗУ заключается в том, что шлюзовая камера 1 может отделяться от рабочей камеры 10 затвором 11. После загрузки магазина 2 в ШЗУ давление в устройстве снижают до требуемого с помощью откачной системы, включающей затвор 4, ловушку 6. клапан 7 н форвакуумный насос 8. Затем открывается затвор 11 между шлюзовой и рабочей камерами, и изделия одно за другим подаются на обработку из магазина в камеру 10 с помощью резиновых пасиков 3 и шагового механизма 9. После окончания обработки всех пластин закрывают затвор 11, давление в ШЗУ повышают до атмосферного через натекатель 5, выгружают обработанный магазин и загружают новый. При линейной конструктивной компоновке установки на другом ее конце устанавливают такое же по конструкции приемное ШЗУ.
8.6.	Гибкие герметизирующие звенья
Гибкие вакуумно-плотные элементы используют для компенсации погрешностей изготовления и температурных деформаций вакуумных трубопроводов, облегчения их сборки и защиты установок от вибраций механических насосов. В вакуумной технике в качестве гибких элементов наиболее распространены резиновые диафрагмы, резиновые линзовые компенсаторы, а также металлические сильфоны.
На рис. 8.24 показано гибкое звено, в котором роль компенсатора играют резиновые мембраны 2, являющиеся одновременно уплотнительными элементами соединения. Их устанавливают между кольцами 3 и 4 и прижимают к промежуточному фланцу
Резиновые линзовые компенсаторы (рис. 8.25) обычно устанавливают на форвакуумных трубопроводах. На концах соединяемых труб 3 и 4 выполняют проточки для размещения резинового компенсатора 1. Наружный диаметр
Гибкие герметизирующие звенья
201
проточки на 2...3 мм больше внутреннего диаметра посадочного места компенсатора. Шероховатость поверхности проточки дблжна соответствовать Rz = == 10 мкм. Концы компенсатора закрепляют на трубе стяжными хомутами 2 [37].
В высоковакуумных, а также прогреваемых конструкциях используют сильфоны из коррозионно-стойких сталей (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т и др.), предназначенных для работы в средах, не вызывающих коррозии материала при Т — 73...673 К. Эти сильфоны изготовляют по ГОСТ 22388—77 в двух исполнениях — с внутренним н наружным посадочными диаметрами бортика. Основные параметры и размеры сильфонов (рис. 8.26) указаны в табл. 8.8 (исполнение 1) и табл. 8.9 (исполнение 2). Прн эксплуатации рабочий ход на сжатие сильфона должен составлять 70%, на растяжение — 30% максимального рабочего хода, указанного н таблицах. Стальные сильфоны соединяют с арматурой механическим способом, аргонодуговой или влектронно-лучевой сваркой. Не рекомендуется пайка высокотемпературными припоями (973... 1073 К), вызывающая нарушение структуры материала и изменение физических характеристик сильфона.
На рнс. 8.27 показано механическое соединение сильфона 4 с фланцем 2 с помощью разрезных колец /, закладываемых между гофрами сильфона. Соединение уплотняют резиновым, кольцом 3 круглого сечения, защемленным в бортике срезанного гофра
Рис. 8.24. Гибкое звено с резиновыми мембранами,
скльфона и прижатым к фланцу 2, Внутренний диаметр разрезного кольца
меньше диаметра кольца. Разрезйое входит во впаднну
I гофрами. Толщина
уплотнительиог о кольцо свободи о сильфона между выступа а — 2d/3
Рис. 8.35. Резиновый линзовый компен-
сатор
Исполнение 1
Исполнение 2
202 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Таблица 8.8
D		L0t мм (числитель —\ максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)	мм	Эффективная площадь, см’
ММ				
16±0,7	13+о,и	11,3 (0,6/0,7); 15,0 (1,1/1,3); 19,0 (1,7/2,0); 22,7 (2,2/2,6); 26,0 (2,8/3,3); 30,5 (3,4/4,0); 38,0 (4,5/5,3)	3,5±0,3	1,28
18±0,7	14+0>ls	12,2 (1.0/1,0): 16,6 (2,0'2,0); 19,0 (2,5/2,6); 19,0 (2,3/2,4); 19,0 (1.8/1,9); 20.5 (3,0/3,1); 20,5 (2,7/2,8); 20,5 (2,1/2,2); 25,4 (4.0/4,1); 30,0 (5,0/5,1); 30,0 (4,5/4,6); 47,0 (7,2/7,5); . 56,5 (8.8/9,1)	3,5±0,3	1,70 3
22±0,84	]6+0.1S	14,1 (1,1/1,0); 14,3 (1,0/0,9); 20,1 (2,2/2,0); 20,7 (2,0/1,8); 26,5 (3,3/2,8); 27,1 (2,6/1,9); 33,5 (3,5/2,7); 40,0 (4,4/3,2)	3,5iO,3	КЗ 00
28±0,84	20+вД* '	16,0 (1.2/0,8); 22,0 (2,4/1,6); 28,7 (3,6/2,4); 35,5 (4,8/3,2); 42,0 (6,0/4,0); 48,5 (7,2/4,9)	4,0±0,3	5! 4,06	;
38±1,0	32+0,17	18,0 (1,3/0,6); 18.4 (1,5/0,7); 22,0 (2,0/1,0); 22.0 (1,8/0,9); 27,4 (3,0' 1,5); 26,2 (2,6/1.3); 35.0 (3.9/1,9); 34,0 (3,6/1,8); 36,4 (4,5/2,2); 37,0 (4.2/2,4); 41,5 (4.8/2,91; 45,4 (6.0'3,01; 43.0 (5.6/2.7); 51,4 (6,5.-3.2); 49,5 (6,0/3,0); 55,0 (7,5/3.7); 55,0 (7,0/3,5); 60,0 (7,8/3,81; 58,0 (7,2/3,5); 73,5 (9,6/4,7)	4,0±0,3	7,94-	|  ! *
40±1,0	35+°'1’	60,0 (8,8/4,1)	5±0,3	9,42 -|1 __J|
45±1,0	39+0,1?	33,5 (5,0/2,3); 33,5 (4,8/2,0); 33,5 (4,5/1,8); 41,0 (6,0/2,4); 41,0 (6,4/2,6); 70,0 (12,0/4,8); - 74,0 (12,8/5,2)	5±0,3	‘ 12'00 и
52±1,2	45+о,п	25,0 (3,3/1,1); 39,0 (6,2/2,3); 52,0 (9,9/3,5); 52,0 (9,3/3,3); 75,0 (1,8/5,2); 75,0 (14,4/5,1); 88,0 (18,7/6,6)	5±0,3	15,80 Я
52±1,2	38+°Д’	98,0 (18,2/5,4); 99,0 (15,4/4,6)	5±0,3	14,40
Гибкие герметизирующие эеенъя
203
Продолжение табл. 8.8
				
D	‘ "в '	LQt мм (числитель — максималь* ный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)	1, мм	Эффективная
ММ				площадь, см*
63+ 1,2	. 55+°’20	42,5 (7,2/2,1); 53,0 (8,5/2,5); 58,0 (10,8/3,1); 58,0 (9,6/2,7); 58,0 (8,1/2,3); 88,5 (18,0/5,2); 88,5 (16,0/4,6)	5±0,3	24,00
	48+0,1?	44,0 (7,2/2,5)		23,10
65+ 1,2	57+0,20	36,0 (3,5/1,0)	7±0,3	26,10
78± 1,2	60+МО	87,5(11,8/2,8)	7±0,3	35,20
125± 1,6	104+0,46	75,6 (7,0/1,0)	12±0,7	100,20
100± 1,4	85,5+°>’3	55,5(11,8/2,8)	9±0,3	65,00
160+2,0	145±0,53	42,7(3,2/0,4); 61,9(6,4/0,7); 81,1(9,6/1,1); 100,3(12,8/1,5); 119,5 (16,0/1,8); 139,0(19,2/2,1)	10±0,7	165,00
При при D >	м е ч а н и е. 100 мм.	Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм прн	D < 100 мм; г = 2 мм	
			Та	блица 8.9
D	dH	LQt мм (числитель — максималь-	<t( мм	Эффектниная
ММ		знаменатель — максимальный угол изгиба, °)		площадь, см1
29±0,7 '	22-0,14	100,0 (11,0/7,2); 168,0 (0,33/21,8)	5±0,3	4,71
72±1,2	56_Qt2o	28,5 (4,0/0,8)	6±0,3	32,00
78±1,2	60-0,20	30,0 (3,5/0,8); 56,5 (9,2/2,1); 67,5(11,5/2,7); 51,0 (7,7/1,8); 67,5(11,0/2,6); 78,5 (13,2/3,1)	7±0,3	37,20
92± 1.4	76-0,20	78,0 (11,0/2,2)	7±0,3	55,0
100±1,4	76-0,20	49,0(8,0/1,5); 56,0(9,6/1,7); 63,0 (11,2/2,0); 70,0 (12,8/2,3); 78,0 (13,5/2,5); 65,0 (13,5/2,5); 78,0 (14,4/2,6); 78,0 (14,0/2,5); 93,0 (17,6/3,2); 88,0 (20.8/5,1); 107,0 (20,8/5,1); 107,0 (20,1/3,8); 107,0 (20,0/3,6)	7±0,3	60,0
204 КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК
Продолжение табл. 8.9
D	dH ММ	Lo, мм (числитель — максимальный рабочий ход на сжатие, мм; знаменатель — максимальный угол изгиба, °)	мм	Эффективная площадь, см>
126±1,6	96±О,46	63,0(5,9/1,8); 114,0(13,0/1,8)	12±0,7	96,8
145±1,6	116±0,46	.104,0(10,0/1,2)	12±0,7	132.6
		119,0(12,0/1,6)	7±0,7	
157±2,0	127±0,53	. 123,0 (14,8/1,6); 72,0 (7,3/0,8); 123,0 (14,8/1,6)	12±0,7	158,3 1
		127,0 (12,0/1,3)	10±0,7	
160±2,0	130±0,53	140,0 (24,7/2,7)	12±0,7	165,0
165±2,5	138±0,53	73,0(9,5/0,9); 99,0 (15,2/1,6)	12±0,7	180,2-.||
		110,0(17,5/1,8)	10±0,7	
180	160±0,53	106,0 (18,3/1,7); 123,0 (22,0/2,1)	12±0,7	212,4 1
190±2,9	150±0,53	131,5 (13,7/1,2); 164,0 (21,0/1,9)	16±0,7	227,0 Я
196±2,9	180,4±0,60	78,0 (13,5/1,2)	8-0,7	227,5 4
Примечание. Радиус г = 0,5 ... 1,0 мм при D < 100 мм; г = 2 мм при D > 100 мм.
Рис. 8Л7, Вариант механического соединения сильфонов
(где d— диаметр уплотнительного резинового кольца 3), толщина b выступа разрезного кольца и высота бортика сильфона должны обеспечивать необходимое сжатие уплотнительного кольца прн полной затяжке винтов, крепящих разрезное кольцо к фланцу.
Гибкое звено с монтажио-повороТ-ным фланцем представляет собой металлический сильфон I, приваренный Я фланцам 2 (рис. 8.28). Поворотный фланец 4, удерживаемый на фланце ‘ проволочным кольцом 3, при монтаже системы можно поворачивать на любо» угол. Сильфоны изготовляют нз коррозионно-стойкой стали, фланцы уплотняют медными или алюминиевый» прокладками.
В специальных случаях применяю сварные сильфоны, изготовляем^
Заглушки
205
Рис* 8.2м. Гибкое звено с нонтажно«по« воротным фланцем
Рис. 8,29. Сварной сильфон
8.7.	Заглушки
Для расширения технологических и диагностических возможностей установок в рабочих камерах предусматривают запасные отверстия, которые на заводе-изготовителе герметизируют заглушками или глухими фланцами. Через эти отверстия прн необходимости можно монтировать механические и электрические вводы, смотровые окна, загрузочные устройства и др. При изготовлении заглушек используют коррозионно-стойкую или углеродистую сталь, алюминиевые сплавы.
Заглушка с уплотняющей гайкой, расположенной со стороны атмосферы, и уплотняющей прокладкой показана на рис. 8.30, а, подобная конструкция, уплотняемая зажимным барашком, — на рис. 8.30, б. Часто в качестве заглушек применяют глухне фланцы (рнс. 8.30, в). Они могут, быть доработаны потребителем и приспособлены дли вводов, а также подсоединения вакуумметров. Заглушка грибкового вида показана на рнс. 8.30, а.
штамповкой мембран 1 нз листового материала с последующей их сваркой по внутреннему а и наружному б контурам (рис. 8.29). Поскольку прн изготовлении сварных сильфонов материал не претерпевает.болыпих пластических деформаций, выбор материала ограничен лишь эксплуатационными требованиями. Используют аустенитные коррозионно-стойкие стали, сплавы на основе хрома и никеля, титановые сплавы [40]. Сварные сильфоны изготовляют из листов толщиной 0,05... 1,00 мм.
Мембраны сильфона выполняют разнообразных конфигураций и ширины, что позволяет в широких пределах изменять их осевое перемещение л Кк^кость. Существенный недостаток сварных сильфонов — большое число сварных соединений, требующих тщательного контроля на герметичность.
Рнс. 8.30. Заглушки:
1 — заглушка; 2 — прокладка; 3 — стенка камеры; 4 — эажнмиая гайка; S — аажимной барашек
РАЗДЕЛ 3
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Глава 9. Механические вакуумные насосы
9.1. Поршневые васосы
. Для создания вакуума используют механические и немеханические вакуумные насосы. К механическим насосам относятся поршневые, жидкостно-кольцевые, плунжерные, пластинчато-роторные и двухроторные (низкого и среднего вакуума), турбомолекуляр-ные (высокого вакуума); к немехани-ческнм — эжекторные и бустерные (низкого и среднего вакуума), сорбционные (среднего и высокого вакуума); диффузионные, магнитные электрораз-рядные, геттерно-ионные, крионасосы и конденсационные (высокого вакуума).
На базе механических (плунжерных, двухроторных н др.), а также сорбционных, магнитных электроразрядных и диффузионных насосов выпускают типовые вакуумные агрегаты.
Насосы низкого вакуума создают предельное остаточное давление 102... 10* Па, насосы среднего вакуума — 100...0,1 Па, высокого вакуума — 10-?...10~8 Па и менее.
Поршневые вакуумные насосы (ПВН) широко применяют в промышленности для откачки сухих газов и газов с примесью капельной жидкости. Преимущества ПВН — высокие КПД н надежность работы, возможность длительной эксплуатации; недостатки — значительная металлоемкость, большие габариты, потребность в фундаментах или специальных опорных конструкциях из-за наличия неуравновешенных сил.
Для уменьшения давления всасывания в ПВН применяют перепуск газа высокого давления, оставшегося в мертвом объеме А (рис. 9.1) после процесса нагнетания, в полость В цилиндра, в которой закончился процесс всасывания. Для этого в цилиндре выполняют перепускные каналы Б. По ним газ перетекает из полости А в полость В,
и давления в этих полостях выравниваются. Таким образом, обратное расширение газа в полости А начинается с более низкого давления; ход поршня, соответствующий обратному расширению, уменьшается, в результате быстрота действия насоса, при определенном отношении давлений нагнетания и всасывания, увеличивается, а пре-- дельное давление всасывания уменьшается. Перепуск газа приводят к увеличению затрат мощности, так как энергия расширения газа, выделяемая в процессе выравнивания давления, не может быть возвращена в процессе обратного расширения. Введение перепускных каналов в ПВН с распределением газа самодействующими клапанами позволяет уменьшить предельное давление всасывания до 1...2 кПа.
Применение золотника поршневого типа с уплотнением поршневыми кольцами увеличивает среднюю скорость поршня, ограниченную допускаемой скоростью газа в окнах всасывания я перепускных каналах, а также неуравновешенными инерционными силами.
Принцип действия и теоретические индикаторные диаграммы ПВН системы МВТУ показаны на рис. 9.2 и 9.3. (Когда поршень находится в правой мертвой точке, золотник от среднего положения движется вправо (рис. 9.2, а), так как угол между коленом вала, к которому крепится шатун поршня, и эксцентриком золотника равен 90°, причем эксцентрик золотняка отстает. Перепускной канал Б в это время открыт. Происходит перепуск газа высокого давления из полости Aj в полость А и, где закончился процесс всасывания. Перепуск уменьшает давление газа в мертвом пространстве полости Aj и таким образом увеличивает быстроту действия насоса. Перепуск продолжается Д° тех пор, пока поршень, перемещаясь влево, не перекроет перепускные кв-
Поршнееыл насосы
207
налы, расположенные на зеркале цилиндра (рнс. 9.2, б).
При движении поршня объем замкнутой полости Ах увеличивается. Происходит процесс расширения 1—2 (см. рис. 9.3). При этом золотник движется вправо, перекрывая цилиндровый канал, так как необходимо исключить возможность одновременного протекания перепуска и всасывания.
Схема на рис. 9,2, в соответствует моменту окончания расширения газа в замкнутой полости С этого момента золотник, продолжая двигаться вправо, начнет открывать цилиндровый канал, через который полость сообщается с полостью всасывания. Начинается процесс всасывания газа (рис. 9.2, г). При этом золотник дости-
6
Рнс. 9.1. Схема перепуска газа so каналу на зеркале цилиндра
гает мертвой точки (рнс. 9.2, (?) н начинает двигаться влево. Процесс всасывания завершается в момент, когда золотник перекрывает цилиндре^ вый канал (рис. 9.2, е). На индикаторной диаграмме (см. рнс. 9.3) процессу всасывания соответствует кривая М-З.
Рис. 9.2. Схемы, иллюстрирующие принцип действие ПВН системы МВТУ
208
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рнс. 9.3. Теоретические индикаторные диаграммы ПВН системы МВТУ при двухступей чатом (а), одноступенчатом (tf) режиме
Поршневые насосы
209
Всасывание заканчивается немного раньше начала перепуска, поскольку необходимо гарантированно исключить возможность одновременного протекания процессов всасывания и перепуска. С момента, когда золотник перекроет цилиндровый канал, до момента, когда поршень начнет открывать перепускной канал (рнс. 9.2, ж), происходит расширение газа в замкнутой полости цилиндра Ai (кривая 3—4 — см. рнс. 9.3). Во время перепуска, который начинается с момента, когда поршень откроет перепускной канал, поршень достигает левой мертвой точки (см. рис. 9.2, з) и начинает движение вправо. Цилиндровые каналы во время перепуска закрыты. Процесс перепуска (см. рис. 9.3, кривая 4—5) продолжается до тех пор, пока поршень не закроет перепускной канал (см. рис, 9.2, и).
Золотник откроет цилиндровый канал, двигаясь ' влево от положения, изображенного на рис. 9.2, к, лишь через некоторое время после закрытия перепускного канала, В это время происходит процесс поджатия (см. рис. 9.3, кривая 5—б). После открытия цилиндрового канала (см. рнс. 9.2, к) полости цилиндра Ai и золотника Bi соединяются, давления в них выравниваются (см. рис. 9.3, кривые 6—7 и Ь—с). Газ, сжнмаясь, переходнт в золотниковую полость.
Сжатие газа в объеме полостей цилиндра и золотника протекает в два этапа. На первом этапе (см. рис. 9.2, к) объем полости Bj увеличивается, а полости Ai уменьшается, причем увеличение объема полости Bi происходит с уменьшающейся скоростью, так как золотник подходит к мертвой точке, а скорость уменьше-иия объема полости Aj возрастает по мвре приближения поршня к среднему положению. Первый этап длится до Момента достижения золотником мерт-в°й точки (рис. 9.2, л). Этому этапу сжатия соответствуют кривые 7—d Во~~d иа индикаторной диаграмме (см. Рис. 9.3). При движении золотника "Право происходит второй этап сжатия, "’’Личительная особенность которого — Дновременное сжатие в полостях ци-"НДра и золотника. Этот этап сжатия кривые d—8 и d—е) завершается,
когда газ из полости цилиндра переходит в золотниковую полость и золотник перекрывает цилиндровые каналы (см. рнс. 9.2, м).
Затем в цилиндре происходит поджатие (см. рис. 9.3, кривая 9—10), после чего мертвое пространство цилиндра соединяется через перепускные каналы с другой полостью цилиндра, в которой только что закончился’ процесс всасывания (см. рнс. 9.2, а). На индикаторной диаграмме (см. рис. 9.3, а) перепуску соответствуют кривые 10—1 и 4—5. После того как золотник, перекрыв цилиндровые каналы, отделит золотниковую полость от цилиндра, в ней последовательно происходят процессы дополнительного сжатия и нагнетания (кривые соответственно е — т и т—а на рис. 9.3, а). По окончании процесса нагнетания в золотниковой полости начинается обратное расширение газа мертвого пространства золотинка (кривая а—Ь).
В рассмотренном случае золотник служит дожимающей (второй) ступенью, поэтому такой режим работы называют двухступенчатым.
В одноступенчатом режиме работы вакуумного иасоса системы МВТУ сжимаемый газ достигает давления нагнетания уже при сжатии в объединенном объеме полостей золотника ’ и цилиндра. Поршень нагнетает сжатый газ в нагнетательный трубопровод до1 момента, которому соответствует схема на рнс. 9.2, л. После этого золотник выталкивает газ из золотниковой по-, лостн. Одноступенчатый режим сжатия в вакуумном насосе системы МВТУ возможен прн больших давлениях всасывания.
Использование золотника поршневого типа в роли дополнительного сжимающего органа приводит к улучшению объемных характеристик и уменьшению предельного остаточного давления.
Геометрическая быстрота действия ПВН .двойного действия
Sr = 0,25n^Snn(2-^T/Z?n),
(9.1) где £>п — диаметр цилиндра (поршня); Sn—полный ход поршня; п — час-
210
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9,4. Зависимость коэффициента откачки и его составляющих для ЗВНП-З от отношения давлений т при п — = 320 мин*-1 (а) и от частоты вращения л при т — 20 ((F)
тота вращения коленчатого вала; 4ШТ —-диаметр штока.
Идеальный вакуумный насос не имеет энергетических потерь, и работа,, затраченная им на сжатие н перемещение газа, равна изотермической работе сжатия от давления всасывания р до давления нагнетания рн.
Мощность идеального ПВН
Л'ид pSr In (рк/р).	(9.2)
Таким образом, работа и мощность идеального ПВН равны нулю при р = 0 и 1п (рн'р) = 0, т. е. прн р = = рн, и максимальны прит — рн/р = = 2,71.
По быстроте действия реальный ПВН уступает идеальному вследствие потерь, обусловленных мертвым объемом, подогревом и дросселированием газа при всасывании, наличием перепускных каналов и перекрытий, неполнотой процесса перепуска, внутренними перетеканиями и внешними натеканиями через неплотности рабочей полости, а также парообразованием.
Уменьшение быстроты действия S реального ПВН по сравнению с быстро
той действия Sr ядеального ПВН оценивают коэффициентом откачки
А = S/Sr.	(9.3)
Наиболее существенны потери бы/, троты Действия из-за подогрева и дросселирования газа при всасывании, внутреннего перетекания, а также наличия мертвого объема и перекрытий, поэтому коэффициент откачки упрощенно можно определить по формуле
X = ^Др\п	(9-4)
где АДр = р3!р — отношение давления газа в цилиндре в конце процесса всасывания к давлению всасывания, учитывающее уменьшение быстроты действия реального ПВН вследствие дросселирования газа при всасывании; Ат - 'i'n,'T3— Отношение температуры газа всасывания к температуре газа в цилиндре в конце процесса всасывания реального насоса, учитывающее уменьшение быстроты действия ПВН вследствие подогрева газа при всасывании; A,j — относительные потери быстроты действия, обусловленные наличием мертвого объема и перекрытий; Ар -- относительные потери быстроты действия, обусловленные внутренними перетеканиями.
Коэффициент А и распределение потерь между составляющими зависят от отношения т давлений всасывания и нагнетания и частоты вращения п вала (рис. 9.4).
Коэффициент откачки А можно рассчитать с достаточной точностью на базе экспериментальных данных 8 зависимости от отношения т и средне® скорости поршня ст (м/с) по эмпирической формуле
А — 0,94 — 2-10~3т ~0,09ст.
Теоретические индикаторные диа-граммы ПВН (см. рис. 9.3) строят в предположении изотермичности про-цессов сжатия и расширения, полнота выравнивания давлений при сообщении двух полостей, герметичности Ра' бочих полостей (газообмен возможен только через всасывающие окна, пере" пускные каналы и нагнетательные кла" паны без потерь).
Поршневые насосы
211
Давление всасывания р*, при котором происходит переход с одноступенчатого режима работы ПВН системы МВТУ на двухступенчатый,
p‘-ph(1-WC.
где
(1 + е» — еа) (1 + е0 —
— ве)/(1 -г 2ео)
еб + 8< + kv (80з + 8з) — ’
— О + во — еа) (во
4* е|)/(1 + 28о)
______________^рВрз______________
ео + et 4* kv (еОз 4- в') —
—(1 + В# — еа) (в0 4* в{)/(1-|-
4* 2е0)
При р < р* режим работы ПВН двухступенчатый, при р > р* — одноступенчатый. В конце процесса сжатия в цилиндровом и золотниковом объемах (процесс 7 — 8‘, с ~ а = е — см. рис. 9.3) прн двухступенчатом режиме давление р8 = Ср 4* DpR.
Давление выравнивания после полного перепуска в двух- и одноступенчатом режиме соответственно:
Ра = С1Р 4- PxPg и ра =
1 4- е0 — 8е е0 4- в; ~	1 4- 2в0 р + 1 4- 2е0 ₽н.
где
80 4- e.t 4- k0 (еОз 4- в;) С1 = С Г4-во-еа ’
Bi=D [в0 4* е^)/(1 4- 2в0).
Давление смешения в двух- н одноступенчатом режиме соответственно:
₽с = Сгр 4- D^pg и р0 = ар 4-
где	у
С, == с ео + 8< + (8оз + 8Q _
1 + 8q — 8/ 4-	(80з + ез)
= о —е°+ + (роз + в;)	,
”1 4-е0 —8<4-йо(е0э4-в;) »
„	(1 4-8» —8g)(l 4-80—8а) .
(1 4- 2в0) [1 4- еа — еа 4- kv х ’
Х (80з + еэ)1
а (1 + 8» -• 8а) (ер 4- 8<) (1 4" Евр) [1 4- е0 — го 4- ^»Х " х (воз 4- в;)]
Остальные точки теоретических индикаторных диаграмм находят, используя термодинамические зависимости. Основные размеры ПВН определяют по геометрическому объему. Так, для определения размеров ПВН системы МВТУ необходимо задаваться следующими параметрами в указанных пределах: средней скоростью поршня ст = 2...3 м/с; отношением хода поршня к его диаметру ф = SnIDn— 0,4... 0,6; отношением хода золотника к его диаметру ф3 = S3/D3 = 0,8...1,0; отношением геометрических объемов золотника и поршня ke — S3/Sr — 0,15... 0,20; относительным диаметром штока &шт“ ^штД^п— 0,1, где с1щт — диаметр штока; Dn диаметр поршня.
Остальные основные размеры и параметры определяют по формулам: диаметр поршня
DB=y8Sr/[ncm (2-^т)]; 
ход поршня Sn = ф£>п;
радиус кривошипа поршневой линии R = 0,5Sn;
частота вращения коленчатого вала л =з OtOc^/Sji;
геометрический объем золотника в единицу времени S3 = £0Sr;
диаметр золотинка
D3 = T/'2S3/(mp3n);
ход золотника S3 = ф3Р3;
радиус кривошипа золотниковой линии г3 = 0,5 S3.
Диаметры поршня и золотника округляют до стандартных. Площадь поперечного сечеиия перепускных каналов определяют по упрощенному соотношению
ри = (ст/си) рп>
где сц = 150...200— условная скорость газа в перепускном канале, м/с; Fn — площадь сечения поршня основного цилиндра.
212
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Табл и ца 9.1,
Параметр	Значение параметра для насоса j			
	звнп-з	ВНП-6	2ДВНП-6	ВН-120»
Число ступеней сжатия	1	1 .	2	1
Число цилиндров	1	1	2	1
Быстрота действия номинальная, м3/мин	3,7±6%	6±Ю%	6±10%	120
Давление всасывания при номинальной быстроте действия, кПа	5,0	' 5,0	1,0	8,0
Давление предельное остаточное, кПа	0,4	0,4	0,04	—
Диаметр цилиндра, мм	300	300	300	1150
Ход поршня, мм Частота вращения, с-1:	Г50	150	150	550
насоса	. 3,6	7,2	7,2	2,33
электродвигателя	12,5	25	25	9,75
Расход охлаждающей воды, м3/с .	0,14	0,22	0,25	9,35
Мощность номинальная, кВт	3,2	6,3	3.7	104
^Мощность электродвигателя, кВт	5,5	И	И	200
Общая масса агрегата, кг	840	840	900	1940
МОЩН1
Число перепускных каналов обычно больше шести. Способ выполнения перепускных каналов на зеркале цилиндра, как и конструкция поршия, влияют на проводимость этих каналов.
Нагнетательные клапаны подбирают по необходимой эквивалентной площади
^кл = °-25яОзстз/скл-
где стз— средняя скорость золотника, м/с; скл = А4н<?ав. н — допускаемая средняя скорость газа в клапане, м/с (М„ = 0,07...0,09 — критерий скорости газа в клапане; сэв. н '— скорость звука в газе в условиях нагнетания);
В ПВН чаще выполняют кольцевые нагнетательные клапаны.
Индикаторную мощность ПВН определяют по упрощенным индикаторным диаграммам, которые строят в предположении мгновенных в полных процессов перепуска и смешении, отсутствия мертвого объема и перекрытий, изотер-мнчности всех процессов расширения, политропности основного процесса сжатия, отсутствия перетеканий и гидравлических потерь.
При работе ПВН системы МВТУ
В режиме максимальной среднее индикаторное давление
Pi max	ApcS ~~ ВоРс.о ~~ С0'
где
Л0 — Р + е0 + kv (®0з + ®з)] Х '	п—I
Л	• п
ХГ=~Г₽" :
В0 = Р + е0 + kv (®0э + ®з)1
X “Г - р 4- 80 4- kv (80з + ва)1;
Г	7	®0з + ®з А	,
Со = Рн	I 8® 4- о®оэ In	(	.,	I	'
L	\	ь03	/
.LA	-JL1-
4" ®р®оз ~	’
Рс. о — давление смешения; п - показатель политропы, принимаемый равным показателю адиабаты.
В режиме максимальной мошиост давления смешения и всасывания соответственно:
п
Поршневые насоси
213
SZ6
Рнс. 9.5. Вакуумная установка с насосом ЭВНП-9 (ВНП-9): 1 — насос; У — электродвигатель; 3 — ремни клиновые; 4 — насос масляиыА
214
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.в. Вакуумный насос ЗВНП-Х (ВНП-6):
/ —• отаиииа; 2 — шариковый подшипник; 3 — коленчатый вал; 4 — шатун; 5 ползун; 6 — шток; 7 — сальниковое уплотнение; 8 — поршень; 9 — цилиндр; /0 — золотник; 11 — насос для подачи масла в механизм движения; 12 — эксцентрик
1 р
И Рве. О-------Р<-. О Ря-
Индикаторная мощность /V( =
= Pi тах^г-
Мощность иа валу
Ne~ Nг/т]мех>
гДе Л мех. ~	... 0,75 — мех;|нич>*
ский КПД.
Характеристики ПВН, выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 9.1.
ПВН типов ЗВНП-З, ВНП-6 и 2ДВНП-6 унифицированы, т. е имеют
Жидкостно-кольцевые насосы
215
одинаковые механизм движения, станину, смазочную систему н цилиндровую группу. Насосы ЗВНП-З и ВНП-6 унифицированы полностью (рис. 9.5 и 9.6) и отличаются только конструкцией приводного двигателя и частотой вращения коленчатого вала. Вакуумный насос 2ДВНП-6 (рис. 9.7) отличается от первых добавлением цилиндра простого действия второй ступени. В крышке цилиндра второй ступени имеются два кольцевых клапана, один из которых — байпасный, другой — нагнетательный второй ступени. Байпасный клапан служит для выпуска газа на нагнетание при режиме работы, когда не требуется сжатие газа во второй ступени.
Насосы ЗВНН-З, ВНП-6 и 2ДВНП-6 предназначены для откачкн неагрессивных по отношению к чугуну, стали и бронзе взрывобезопасных газов н воздуха, не содержащих капельной влаги и механических примесей, т. е. для создания вакуума в различных технологических процессах химической, пищевой и других отраслях промышленности.
9.2.	Жидкостно-кольцевые насосы
Жидкостно-кольцевые вакуумные насосы (ЖКВН) различают по числу рабочих циклов, тину подвода и отвода газа, используемой в жидкостном кольце жидкости.
По числу рабочих циклов ЖКВН Делят на вакуумные насосы простого И двойного действия.
В ЖКВН простого действия (рис. 9.8, а) рабочее колесо 1, состоящее из ступицы и отлитых заодно с ней лопаток, эксцентрично расположено в цилиндрическом корпусе 2. Рабочая жидкость залита в корпус До оси колеса. При вращении колеса Жидкость центробежной силой отбрасывается к корпусу и между ступицей Колеса 1 и внутренней поверхностью е Жидкостного кольца образуется серпо-°оразная полость, коюрая лопатками Длится на отдельные рабочие ячейки. 1ри увеличении объема рабочих ячеек них через всасывающее окно в оступает откачиваемый газ. При 'Ыеньщеиии . объема рабочих ячеек, Р°исходящем от момента прохожде-
/ Ряс. 9.8. Схемы ЖКВН простого (а) и двойного (в) действия
иля сечения II—II до соединения ячеек с нагнетательным окном г, газ в рабочих ячейках сжимается, т. е. происходит процесс внутреннего сжатия. Когда рабочие ячейки проходят мимо нагнетательного окна г, газ нз них поступает в нагнетательное окно, так как объем рабочих ячеек продолжает уменьшаться. Часть газа, оставшегося в мертвом объеме, возвращается через зазор д с нагнетания на всасывание.
В ЖКВН двойного действия (рис. 9.8, б) колесо 1 концентрично расположено в овальном корпусе 4 с двумя всасывающими в и двумя нагнетательными г окнами. Теоретически по быстроте действия ЖКВН двойного действия должны в 2 раза превосходить ЖКВН простого действия прн одинаковых размерах рабочих колес. Однако из-за потерь и особенно из-за переноса большого количества газа в зазоре д с нагнетания иа всасывание различие быстроты действия составляет лишь 40... 60%.
По типу подвода н отвода откачиваемого газа ЖКВН делят на насосы с осевым (рис. 9.9, а) и радиальным (рис. 9.9, б) подводом и отводом газа.
При осевом подводе газа в торцовых крышках 4 (рис. 9.9, а, вариант /) или в центральном корпусе 5 (вариант 2) выполняют всасывающие окиа в. Откачиваемой газ подается в рабочие ячейки в осевом направлении через всасывающий патрубок 2, полости е в крышках 4 или в корпусе 5 и вса-. сывающие окна в. После сжатия газ выбрасывается в осевом направлении через нагнетательные окна г, крышки 4 или корпус 5 в нагнетательный патрубок 1.
216
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
и радиальным (б) подводом
и отводом rasa
При радиальном подводе откачиваемого газа в корпусе ЖКВН устанавливают неподвижные конусы 8 (рис. 9.9, б) с всасывающими ж и нагнетательными окнами. В ступице колеса 6 между лопатками выполнены отверстия и. Когда отверстия и располагаются над всасывающим окном ж, газ через всасывающий патрубок, полости л торцовой крышки 7, всасывающую полость м корпуса 8, окно ж и отверстия и в радиальном направлении попадает в рабочие ячейки. Когда отверстия и располагаются над нагнетательным окном, газ выбрасывается в радиальном направлении из рабочих ячеек в нагнетательную полость к конуса 8 и оттуда поступает в нагнетательный патрубок.
ЖКВН делят на водокольцевые и жидкостно-кольцевые. В водокольцевых вакуумных насосах в качестве рабочей жидкости используют воду, в жидкостно-кольцевых — кислоты, щелочи, органические жидкости и др.
Благодаря наличию жидкостного кольца и большой поверхности теплообмена между газом и жидкостным кольцом процесс сжатия газа в ЖКВН
близок к изотермическому и показатель политропы сжатия в водокольцевых вакуумных насосах п~ 1,1 ... 1,15. Температура жидкости в жидкостном кольце поддерживается в заданных пределах благодаря подводу охлажденной жидкости и отводу нагретой. Рабочая жидкость обычно поступает через торцовые зазоры д (ем-рис. 9.9, а) или через всасывающее окно. Реже рабочую жидкость подводят через отверстия, в корпусе ЖКВН. Эти отверстия обычно выполняют 'непосредственно за нагнетательным окном, чтобы большую часть газа выбросить в нагнетательное окно и подать в область всасывающего окна наиболее холодную жидкость. Однако наиболее часто жидкость подают в тор-цовые зазоры, что приводит к их уплотнению и уменьшению перетеканий газа-
Жидкость отводится из жидкостного кольца через нагнетательное окно-Для того чтобы отделить откачивав' мый газ от жидкости, за иагнетател^ ным патрубком 1 установлен сборник жидкости (см. рис. 9.9, а).
ЖКВН просты конструктивно, _и дежиы в эксплуатации, отличают
Жидкостно-кольцевые насосы
217
низким уровнем шума при работе.
Процесс сжатия происходит с интенсивным теплообменом, это позволяет откачивать с помощью ЖКВН легко разлагающиеся, полимеризующиеся, воспламеняющиеся и взрывоопасные газы и смеси. Наличие жидкостного кольца позволяет откачивать газы, содержащие пары, капельную жидкость, твердые инородные включения типа пыли и даже абразивных частиц. Соответствующий подбор рабочей жидкости обеспечивает откачку агрессивных газов (например, для перекачки хлора используют серную кислоту концентрацией 97 ... 98%), исключает загрязнение откачиваемых газов и объемов парами масел.
Недостатки ЖКВН: высокие затраты мощности на вращение жидкост: ного кольпа и, как следствие этого, относительно низкий КПД; высокое предельное остаточное давление (2,66 ... 9,31 кПа для одноступенчатых вакуумных насосов, 0,133 ... 0,665 кПа для двухступенчатых); небольшая окружная скорость на периферии рабочего колеса, что приводит к увеличению габаритных размеров (например, по сравнению с пластинчато-роторными, двухроторнымн вакуумными насосами).	Т'
В СССР ЖКВН выпускают с бы- . строгой действия 0,0125 ... 5 м3/с и давлением всасывания 0,04 и 0,02 МПа.
ЖКВН применяют в химической, Целлюлозно-бумажной, горнодобывающей, текстильной, пищевой, металлур--гической, машиностроительной, фар-> мацевтической, энергетической промышленности, в коммунальном и сельском хозяйстве.
При расчете ЖКВН принимают следующие допущения: движение жидкости в ЖКВН установившееся; рас-код жидкости в любом сечении кольца постоянен вследствие неразрывности потока; давление газа на внутрен- . нюю поверхность жидкостного кольца На стороне всасывания (0^0^ 180°) Постоянно и равно давлению всасы-(0 — угол поворота ротора
*КВН — рис. 9.10); давление газа ,.3 внутреннюю поверхность жидкост-н°г° кольца в пределах нагнетатель-ог° окна (<рк — 4>сж) постоянно и авно давлению нагнетания; при дви-
Рис. В.IV. Принципиальная схема ЖКВН
жеиии жидкость ие отрывается от внутренней поверхности корпуса и не образуются обратные потоки; лопатки рабочего колеса погружаются в жидкостное кольцо или касаются его прн любом угле поворота рабочего колеса; осевая составляющая скорости потока жидкости в безлопаточном пространстве мала по величине, локализована в пограничном слое возле торцовых стенок и не оказывает существенного влияния на характер течения жидкости.
Быстроту действия ЖКВН определяют по формуле (9.3).
Геометрическая быстрота действия ЖКВН с радиальными лопатками кот леса, у которого угол всасывания <рвс = л — 0,5₽ ф — угол между лопатками рабочего колеса):
Sr = /тахгбофп = лфоф (1 — Vs) п,
(9.5) где fmax — максимальная площадь рабочей ячейки колеса, м2; г—число лопаток колеса; 60 — ширина колеса, м; ф — коэффициент, учитывающий влияние толщины лопаток; п — частота вращения колеса, с'1; т2 — наружный радиус колеса, м: v = Tj/r2 (Vi — средний радиус ступицы колеса, м).
Формула (9.5) получена из предположения, что в пределах рабочей ячейки максимальной площади внутренняя поверхность жидкостного коль-
218
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рве. В.11. Зависимость коэффициента от» качки X от отношения давлений Т: / — при п •=• 12,5 с-*; 2 — при л = =Ж 14,17 С-1; 3 — при п -» 18,33 с-*; i — при л ~ 15,83 о-1
При расчете ЖКВН геометрические размеры необходимо подбирать таким образом, чтобы они обеспечивали не только заданную быстроту действия, но и погружение лопаток в жидкостное кольцо на глубину а — г2 — г2г (см. рис. 9.10), где г22— радиус-вектор жидкостного кольца в сечении II—II. Значение а выбирают в пределах (0,01 ... 0,015) г2, что для ЖКВН составляет 1 ... 7 мм. В противном случае возможен выход лопаток из жидкостного кольца при падении давления рабочей жидкости в сети, что ведет к уменьшению ее расхода через жидкостное кольцо:
Гп = rt Vv2/kl + 4Ш2/ф -f *
ца цилиндрическая и описана радиусом г*.
Для вакуумных насосов двойного действия, в которых за один оборот колеса рабочий цикл (всасывание, сжатие, нагнетание) осуществляется дважды, геометрическая быстрота действия
Sj, = 2f шах^цИфЛ.	(^-6)
Геометрическую быстроту действия ЖКВН с лопатками, загнутыми вперед и назад и наклонными, определяют по формулам (9.5) и (9.6).
Коэффициент откачки учитывает уменьшение быстроты действия вакуумного насоса по сравнению с его геометрической быстротой действия, вызванное погружением лопаток рабочего колеса в жидкостное кольцо иа величину а в сечении II—II, перетеканием газа из ячеек сжатия я нагнетания в ячейки всасывания, натеканием газа в ЖКВН через сальники, обратным расширением газа, оставшегося в зазоре д (см. рис. 9.8), испарением рабочей жидкости в рабочие ячейки на стороне всасывания, потерей давления во всасывающем тракте ЖКВН и подогревом газа на всасывании [49].
Для ЖКВН обычно коэффициент откачки Х=0,4... 0,8. На рис. 9.11 приведена зависимость коэффициента откачки X вакуумного насоса ВВН1-12 от отношения т давления нагнетания ря к давлению всасывания р для различной частоты вращения п вала.
+ 2С6(Л2-0,5)/ф,	(9.7)
где ftj = ^/(г, + d) (здесь d — зазор между ступицей колеса и внутренней поверхностью жидкостного кольца в сечении I—I, м); | = ba/b (Ь — ширина корпуса ЖКВН, м); е = е/гг (е — эксцентриситет, м); £?. =
ср— средняя скорость течения жидкости в без лопаточном пространстве сечеиия II—II, м/с; и.2 = 2яг2п — окружная скорость на периферии колеса, м/с); 6 = Д/г2 (А — минимальный зазор между корпусом и колесом ЖКВН, м).
Выражение (9.7) имеет физический смысл в интервале г22 «7 г2. Коэффициент Ад и й2 определяют экспериментально [49].
Зависимость коэффициента k} от критерия Эйлера Ей =(рн— Р)/(рж'4) (где р1К — плотность рабочей жидкости, кг/м3) приведена на рис. 9.12. (Зависимость получена на вакуумном ' насосе, имеющем колесо с цилиндрической ступиией; выходные углы наклона лопаток колеса (32 = 90, 135 И 150°; относительные геометрические размеры: v = 0,5; 6= 0,0083;
= 0,153; £= 1;ф = 0,75. При рабочих температурах плотность рабочей жиД-кости изменялась от 980 до 1043 кг/м’, вязкость — от 1,002 до 37,8 мПа-с-Частоту вращения вала поддерживали В пределах 20 ... 32,5 с'1, что соответствовало окружной скорости иа периферии колеса u2 = Н.З ... 18,37 м/с-
Жидкостно-кольцевые насосы
219
Скоростной коэффициент
ь _ (1-^ + 6^)^ v
* .	2£(2е + 6)
X {[(8.37 — 0,465 ctg ₽,) в - 0,485] -
-3,59^},	(9.8)
где р2 — выходной угол наклона лопа* ток рабочего колеса, °; р.)И — дина* ' мическая вязкость рабочей жидкости, Па-с.
Эта эмпирическая зависимость справедлива при = 1,002 ... 78,5 мПа-с и р® = 980 ... 1050 кг/м3.
При расчете коэффициента k2 вязкость рабочей жидкости определяют по температуре к жидкости в жидкостном кольце.
Температуру Тж. к находят из уравнения
А(/ = А/// + А//// + Niv<
где W/ — мощность, подводимая к ЖКВН; Na — мощность, отводимая от ЖКВН рабочей жидкостью; A/rj7 — мощность, отводимая от ЖКВН газом; N/y — мощность. отводимая от ЖКВН в результате теплообмена между поверхностью вакуумного насоса и окружающей средой.	*
Экспериментально показано, что сумма Niii-]-Niv составляет 10% мощности Ые иа валу ЖКВН, а А/; с достаточной точностью можно привить равной А/е. Мощность, отводимая от ЖКВН рабочей жидкостью, кВт:
N п — 6жсж (Т'ж. к — Т’ж. в),
где Gjff — массовый расход жидкости через жидкостное кольцо, кг/с; cw — средняя удельная теплоемкость рабочей жидкости, Дж/(кг-К); Тж. в — температура рабочей жидкости на входе в жидкостное кольцо, К.
Тогда
т (0,9Л/е -|- ОжСж^ж. в) ,п п, 'ж. к=----------тс—---------• (9-9)
На глубину а погружения лопатки Даибольшее влияние оказывает относительный эксцентриситет е; при Увеличении е погружение лопаток в Жидкостное кольцо уменьшается, при Уменьшении е глубина а увеличива-
Эффектирная мощность на валу щКВН определяется мощностью, за-
Рнс. 9.12. Зависимость коэффициента Jfcj от критерия Ей
трачиваемой на сжатие, мощностью, затрачиваемой на перемещение жид-костного кольца (мощность гидродинамических потерь), и мощностью, затрачиваемой на преодоление трения в сальниках и подшипниках. Для определения степени энергетического совершенства ЖКВН используют изотермический КПД, так как процесс сжатия газа в ЖКВН близок к изотермическому. Эффективная мощность на валу ЖКВН
А/, = Л/ИзЛ1из, (9.10)
где А/из = pSr In т — изотермическая мощность сжатия газа; циз — изотермический КПД.
Для ЖКВН Пиз = 0,30 ... 0,45. Такие низкие значения КПД объясняются тем, что мощность, затрачиваемая на вращение жидкостного кольца, составляет 50 ... 60% эффективной мощности [49]. На рис. 9.13
Рнс. 9,13. Зависимость изотермического КПД ПИ8 от отношения давлений т:
I — при п = 12,5 с~'; 2 — при п ~ » 14,17 с“"’; 3 — при п « 15,83 с~>; 4 — при п — 18,33 с*1
220
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.14. Рабочее колесо без ребра жест* костя (а) » с ребром жесткости (<Г)
приведены экспериментальные ' зависимости т)иэ от отношения давлений т для вакуумного насоса ВВН1-12 прн различной частоте вращения вала.
Основные геометрические размеры ЖКВН определяют по формуле (9.3), ’’ предварительно задавшись коэффициентом откачки X, основными конструктивными соотношениями, значениями £ и v, окружной скоростью на периферии рабочего колеса и2 и коэффициентом^. Для литых колесф = 0,65... 0,85, для сварных колес с лопатками нз листовой стали значение ф обычно больше. Определив г2, 60, г2, л, рассчитывают радиус г22 по формуле (9.7). При этом необходимо задаться следующими основными конструктивными соотношениями: относительным эксцентриситетом е = е/г2, выходным углом наклона лопаток рабочего колеса р2 и относительной шириной £ = blb0. Для колес без ребра жесткости (рис. 9.14, а) £= 1, для колес с ребром жесткости (рис. 9.14, б) £ = 1,03 ... 1,04.
Если при расчете не достигнуто требуемое погружение лопаток в жид- > костное кольцо в сечении Л—II (см. рис. 9.10) а — 2 ... 7 мм, то изменяют относительный эксцентриситет е, относительный радиус ступицы колеса v илк относительный зазор 6.
Относительный эксцентриситет е == •« е/г2 значительно влияет на изотер, мический КПД т\„я и удельную мощ. иость Nya = NelS. При уменьшении относительного эксцентриситета из-за увеличения погружения лопаток в кольцо в сеченин II—II производительность и, следовательно, эффективная мощность уменьшаются. Но так как эффективная мощность уменьшается значительно медленнее, чем производительность, то удельная мощность увеличивается, а изотермический КПД уменьшается.
Прн увеличении относительного эксцентриситета растет, а Г|иэ уменьшается вследствие не только уменьшения производительности, но и увеличения эффективной мощности, что связано с затратами мощности на удар при входе лопаток в кольцо. Из этого следует, что существует оптимальное значение относительного эксцентриситета, при котором удельная мощность минимальна, а КПД максимален. Теоретически это возможно, когда глу-/бина а погружения лопаток в жидкост-‘ ное кольцо и зазор d равны нулю. Однако при проектировании ЖКВН стремятся обеспечить .гарантированное погружение лопаток в жидкостное кольцо, чтобы прн возможных колебаниях давления жидкости в сети лопатки из него не выходили.
При предварительных расчетах принимают относительный эксцентриситет е = 0,145 ... 0,125. Окончательное рассчитывают из условия соблюдения глубины а погружения лопаток в жидкостное кольцо.
Относительный зазор <5 = Л/г2 выбирают иа основе экспериментальных данных в пределах 0,011 ...0,03. При уменьшении относительного зазора возрастают гидравлические потери в зазоре между корпусом н ротором. Увеличение относительного зазора при неизменном относительном эксцентриситете может привести к выходу л0", паток из жидкостного кольца. .
Относительный радиус v = ri”2 ступнцы колеса принимают в пределах 0,4 ... 0,55. При v > 0.5 увеличивайся размеры насоса, при v < 0,4 возникает трудность размещения необходимого диаметра в ступице *°* леса.
Жидкостно-кольцевые насосы
221
Относительную длину колеса х = -= Ь0!гг на оснойе экспериментальных исследований выбирают в пределах 1,3 ...2,2..
Угол наклона ступниы колеса а (рис. 9.14, б) принимают в пределах 7 ... 10°, так как расстояние между жидкостным кольцом и ступицей в центре колеса больше, чем у торцов. При такой форме внутренней поверхности жидкостного кольца выполнение ступицы наклонной приводит к тому, что в зазоре д (см. рис. 9.8) остается меньше газа, а следовательно, увеличивается производительность по сравнению с ее значением для ЖКВН, имеющего рабочее колесо с цилиндрической ступицей (см. рис. 9.14, а).
Выходной угол р2 наклона лопаток колеса, выбирают в пределах 135 ... 150°. что объясняется рядом причин.
Газ в ЖКВН сжимается н выталкивается в нагнетательное окно за счет
энергии, которую получает от жидкостного кольца. К жидкостному кольцу энергия подводится от колеса иа стороне всасывания (0	0 <1 180°) в
виде кинетической энергии, которая пропорциональна квадрату абсолютной скорости жидкости на выходе из колеса са. Абсолютная скорость с2 максимальна при лопатках, загнутых вперед (Р2 > 90°) (рис. 9.15). Такие лопатки можно выполнять прямыми и плавно изогнутыми по радиусу. Как показывают результаты экспериментальных исследований, ЖКВН с
колесами, имеющими плавно изогнутые по радиусу лопатки, при прочих равных размерах имеют большую производительность и больший изотермический КПД.
В лопаточном пространстве жидкостного кольца жидкость совершает' тложное движение. При выходе с ло-патки колеса она совершает переносное движение со скоростью и2 (см.
Ис- 9.10), относительное — со ско-°стью с4<2; абсолютная скорость жидко-ги равна са. Траектории 5 движения иДкости в безлопаточном пространст-- а первом приближении можно приять эквидистантными радиусу R кор-.Уса. Тогда в той же точке А жидкостного пространства жидкость дол-" иметь скорость п2, направленную
' касательной к траектории В своего
Рис. 3.15. Схема определения абсолютной скорости жидкости ct при различном выходном угле 3, наклона лопаток рабочего колеса
движения. Разность скоростей са и и2 дает скорость wr. Наличие радиальной скорости wr приводит к образованию вихрей и пены при выходе жидкости с лопаток в безлопаточное пространство. что увеличивает потери мощности. На стороне всасывания (0^0^ О 180°) скорость wr минимальна при Ра — 135 ... 150° (рис. 9.16); этим объясняется минимум удельной мощности вакуумного насоса ВВН1-0.75 при номинальном давлении всасывания 40 кПа, работе на воде и использовании рабочего колеса с выходным углом наклона .лопаток ^2 ‘ 150° (рис. 9.17).
Окружная скорость и2 = 2яга« на периферии рабочего колеса ограничена устойчивостью жидкостного кольца, а также возникновением кавитационных явлений. Минимальная скорость иа, при которой образуется устойчивое жидкостное кольцо:
и» = 1/Зрн/Рж-— 2р/рж/ф, (9.11) где ф — коэффициент, учитывающий форму й число лопаток;
ф - V[1 —(1 —-v)/(nctg ₽s)] |Х2,
где ц2 = {1 — л cos Р2/ 12г (1 — v)]}-1. Зависимость удельной мощности от скорости иа имеет минимум. Оптималь: ные значения иа (когда удельная мощность минимальна) зависят от режима работы вакуумного насоса (давлений р
222
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.16. Зависимость радиальной скорости wr от угла в поворота колеса при различном выходном угле Эг наклона лопаток рабочего колеса:
Z — ири Р8 «* 45*; 2 — при ** 90е; 3 — при 0» = 135е; 4 — прн = 150е; 5 — при « 170е
и Рв)’ угла Р2 и вязкости рабочей жидкости. Зависимость удельной мощности иасоса ВВН 1-0,75 от окружной скорости Ug при различных отношении давлений т, выходном угле Р2 наклона лопаток рабочего колеса и при использовании в качестве рабочей жидкости дибутилфталата (цж = = 10,02 мПа-с, Рж = 1043 кг/м®) приведена на рис. 9.18. При увеличении вязкости рабочей жидкости (масло ВМ-4 — иж = 37,8 мПа-c, рж = = 980 кг/м®;	вода —	—
= 1,002 мПа-с, рж = 1000 кг/м®) удельная мощность увеличивается (рис. 9.19). С увеличением вязкости примерно в 40 раз оптимальное значение скорости и2 возрастает от 13,5 м/с
Рис. 9.17. Зависимость удельной мощности АС,- ЖКВН (р «и 98 кПя; рабочая жид-кость — вода) от давления всасывания р при различном выходном угле наклона лопаток рабочего колеса:
1 — прн ₽s « 150е; 2 — при р, — 135е; 3 ~ прн ~ 90°: 4 — при s= 168е;
5 — прн = 45е
для воды до 15.5 для днбутилфталата и 16,5 м/с для масла ВМ-4 при т = = Pulp — 3,7. При р2 = 150° и ц(в = = 10,02 мПа-c с увеличением т от 1,8 до 2,5 скорость «2 возрастает от 14 до 15,5 м/с (см. рнс. 9.18).
Физические свойства и температура жидкости. Такие свойства рабочей жидкости, как плотность и вязкость, значительно влияют на характеристики ЖКВН.
Увеличение плотности рабочей жидкости приводит к возрастанию производительности н мощности. Однако рост производительности опережает рост мощности, а это приводит к тому, что при увеличении плотности КПД возрастает, хотя и незначительно (рис. 9.20).
Использование рабочих жидкостей с вязкостью больше вязкости воды приводит к уменьшению производительности и увеличению эффективной мощности; в результате возрастает удельная мощность (см. рис. 9.1») и уменьшается КПД ЖКВН.
Для уменьшения влияния вязкости иа КПД необходимо при ее повышении увеличивать относительный эксиеН’ триситет так, чтобы глубина погрУ' жеиия лопаток в жидкостное кольИ не превышала 2...7 мм; окружную скорость на периферии рабочего и леса увеличивать от 12 ... 16 м/с Д®. воды до 15 ... 20 м/с для Pa£ga жидкости с вязкостью порял 40 мПа-с.
Жидкостно-кольцевые насосы
223
С понижением температуры рабочей жидкости производительность увеличивается. а давление уменьшается. На рис. 9.21 приведена зависимость температурного фактора kp (необходимого для пересчета быстроты действия одноступенчатых вакуумных насосов) от температуры воды, подводимой в ЖКВН (данные ОСТ 26 12-1113—83). '
Быстрота действия
S=S8s8fer, (9.12)
где 5гвв — быстрота действия ЖКВН рри температуре 288 К; &т — температурный фактор.
Зависимость остаточного давления р0 от температуры воды на входе Тж, в для ''одноступенчатых (кривая 1) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН дана на рис. 9.22 (по данным фирмы «Чемвак Пампе», Великобпитания).
Внутренняя кромка всасывающих и нагнетательных окон описывается радиусом rt (см. рис. 9.14, а) в насосах, имеющих колеса с цилиндрической ступипей, или радиусом г{ (рис. 9.14, б) в насосах, имеющих колеса с наклонной ступицей. В первом приближении внешняя кромка окон может быть описана (см. рис. 9.10) радиусом
Рис. 9.18. Зависимость удельной мощности
От окружной скорости и2 на у>ерифе-рии рабочего колеса (рн ~ 98 кПа, рабочая жидкость — дибутилфталат) при выходном угле наклона лопаток рабочего колеса ~ 150° (сплошные линии), (Зг « = 135° (штриховые линии), |3f — 90° (штрнхпунцтирные линии) и различном отношении г давлений:
/ — при т = 1.8; 2 —- при т = 2.0; 3 — при т = 2,5
б>=0,5 [<r1+d) + (г2 —а)], (9.13) определяющим усредненную форму внутренней поверхности жидкостного кольца, эксцентриситет которой е' — ~ 0,5 [(га — а} — (zy+d)]. Угол начала открытия всасывающего окна ф0 выбирают в пределах (2 ... 3) {$; угол закрытия всасывающего окна фЕС = =- 180° — 0,5$; угол закрытия нагнетательного окна принимают ф2 = ~ (1,0 .. 1,5) р; угол фс>к открытия иагнетательного окна зависит от от-вошения давлений т (фсж рассчитывают таким образом, чтобы давление в ра-6°чей ячейке, которая в следующее мгновение раскроется в нагнетатель-Ное окно, было равно давлению иагне-:ания).
^Ри давлении всасывания р = (' 35,5 ... 2.5 кПа, если требуется ' иачивать агрессивные взрывоопас-ц 1е’ запыленные, легко воелламеияю-н'’еся и разлагающиеся газы или
Кл*очается ’ загрязнение откачивав-
Рис. 9.19. Зависимость удельной мощности ЛУД ЖКВН (Р 26,6 кПа; РИ 98 кПа) от окружной скорости на периферии рабочего колеса для рабочих жидкостей с различной вязкостью:
/ __ вода; 2 — дибутилфталат; 3 — масло ВМ-4
Рис. 9.20. Зависимость КПД ЖКВИ or плотности рабочей жидкости
224
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 8.21. Зависимость температурного фактора Ау от температуры Т рабочей жидкости иа входе в ЖКВН
мых объемов парами масла, целесо-образно применять двухступенчатые ЖКВН. При создании двухступенчатых ЖКВН важно правильно выбрать промежуточное давление. Минимизируя удельную мощность, оптимальное промежуточное давление можно рассчитать по формуле
тг = 4,19+0,07туст, (9.14)
Где Tj — отношение давления нагне-. тания к давлению всасывания первой ступени: туст — отношение давления нагнетания двухступенчатого ЖКВН К его давлению всасывания.
Доверительный интервал Д — ±3,3 при доверительной вероятности р = == 0,9. Зависимость получена для ЖКВН, работающих иа воде при Туст= 5 ... 16,2 и на масле ВМ-4 при ТуСТ = 5,0 ... 50,7.
После определения отношения давлений в первой и второй ступенях каждую ступень рассчитывают отдель-
Рис. 8.22. График к определению остаточного давления р0 по температуре Гж в воды иа входе одноступенчатых (кривая 1) и двухступенчатых (кривая 2) ЖКВН .
но по методике расчета одноступенчатых ЖКВН. При этом, если обе сту. пени выполнены в одном корпусе рекомендуется из конструктивных сщ ображений радиусы г2 колес первой и второй ступеней выбирать одинаковыми. Однако, если стремятся полу, чить максимальный КПД, скорость на периферии колеса первой ступени следует выбирать меньше скорости ц, на периферии колеса второй ступени 149].
Конструкции и характеристики вакуумных насосов и установок. Технические характеристики жидкостно-кольцевых вакуумных насосов, выпускаемых в СССР, приведены в табл. 9 2 [33]. .
Условное обозначение жидкостно-кольцевых вакуумных насосов — ВВН или /КВН расшифровывают следующим образом: В — водокольцевой, Ж — жидкостно-кольцевой, В .— вакуумный, Н — насос. Цифры после букв перед тире обозначают исполнение насоса, которое определяет абсолютное давление всасывания при номинальной производительности: 1 — давление всасывания 0,04 МПа, 2 — давление всасывания 0,02 МПа; если цифры перед тире нет, то давление всасывания равно 0,03 МПа. Цифры после тире определяют производительность вакуумного насоса в м2/мин, буквы после цифр — материал детали проточной части. Например, ВВН1-50ТМ — водокольцевой вакуумный насос на давление всасывания 0,04 МПа, производительность 50 м3/мин, материал деталей проточной части — титан; ЖВН-12Н — жидкостно-кольцевой вакуумный насос на давление всасывания 0,03 МПа, производительность 10,5 м3/мии, материал деталей проточной части — сталь 12Х18Н9Т.
Вакуумные насосы имеют одинаковые конструктивные схемы.
На рис. 9.23 показана констру1®йЯ вакуумного насоса ВВН 1-12. Коле* со 11 насоса литое, эксцентрично 7^, тановлено в корпусе 12. Колесо имеет центральное ребро жесткости и заГИУ" тые вперед лопатки, отлитые заоДЯ со ступицей колеса. Для увеличеНВ жесткости лопаток предусмотрев кольца 20, отлитые вместе с ло0а
Жидкостно-кольцевые насосы
225
Значение параметра для насоса
Продолжение табл. 9.2
Параметр			Значение параметра для насоси »				
	ЖВН-12Н	ВВШ-50ТМ	ВВН2-5ОМ	ВВН2-50Х	ВВН2-50Н	ВВП2-15ОМ	ВВН2-300
Быстрота действия, м*/с, прн давлении, МПа: 0,02			0,833	0,75	0,75	2,6	5,67
0,03	0,175	—	—	—	—	--	—
0,04	— -	0,833	—	—	—	—	—
Мощность прн номинальной быстроте действия, кВт	21	70	70	63	63	180	401
Расход зоды, дм’/с, не более	0,83	2	1.165,	2	2	7,33	12
Электродвн гатель: твп	АО2-72-6 (4А20ОМ6УЗ)	A03-400S10	AO3-355M-10	A03-400S10	A03-400S10	СДН-t 5-29-20	С ДМ-215/26-24
мощность, кВт	22	132	ЦО	132	132	315	630
частота вращения, с-1	16,7	10	to	10	to	5	4,16
напряжение, В	220/380	380/660	220/380	380/660	380/660	6000	6000
Габаритные размеры, мм, не более	1820Х710Х X 1520	3300 X 1000Х Х1700	ЗЗООХ 1150Х X 2000	3400 XI000 X X 1700	3400 XI000 X XI700	5000X2900X X 2500	6000X2600 х Х2Б00
Масса, кг, не более	1040	3500	3500	'4000	4000	12 500	22 700
Рис. в.23. Вакуумный насос ВВН1-12
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ	Жидкостно-кольцевые насосы
228
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
ками. Для уменьшения торцовых перетеканий на торцовых поверхностях ступицы колеса выполнены кольцевые выступы а, которые входят в проточки на торцовых поверхностях крышек 1 и 14. Кроме того, для уменьшения перетеканий в торцовые зазоры подводят воду через отверстия в, из торцовых зазоров вода  поступает в жидкостное кольцо и сальник. Корпуса подшипников 2 и 19 крепят к крышкам 1 и 14 и центрируют относительно ннх по посадочным поверхностям б.
Подшипник 4 — роликовый радиальный. Нижнее кольцо его зажато между втулкой 3 и гайкой 5. Между корпусом 2, крышкой 8 н верхним кольцом подшипника 4 имеются зазоры. Подшипник 15 — радиально-'упорнын. Нижнее кольцо его зажато между втулкой 18 и гайкой 17. Верхнее кольцо подшипника 15 прижато к корпусу 19 крышкой 16 для фиксации положения колеса 11 в корпусе 12. Торцовые зазоры между колесом IV й крышками 1 и 14 регулируют подбором прокладок 10 н 13. Втулки 3 и 18 предохраняют вал 7 вакуумного насоса от нзнашнвання сальником.
Насос выполняют с уплотнением 9 •двух типов: механическим нлн с набивкой. В первом варианте уплотнение происходит по поверхностям трення стального кольца по кольцу из графита нлн фторопласта с наполнителями. Кольца прижимаются один к другому пружиной. Перетекание вдоль втулки ограничивает резиновое
кольцо. В сальник подается вода для охлаждения. Во втором варианте набивкой,сальника служит мягкий хлопчатобумажный просаленный шнур. Для уплотнения набивки периодически поджимают буксу. Нормально работающий сальник должен пропускать воду в виде отдельных капель. Вода собирается в нижней части корпусов 2 и 19 и отводится через отверстия.
Так как насос включают при атмосферном давлении, в торцовых крышках 1 и 14 перед нагнетательными окнами выполняют отверстия, перекрываемые резиновыми клапанами. При давлениях в рабочих ячейках выше атмосферного клапаны сжимаются, и газ выходит в нагнетательную полость.
Перед пуском ЖКВН в него необходимо подать жидкость. Корпус иа-соса должен быть заполнен жидкостью приблизительно до осн. Пускать ЖКВН следует прн закрытом вентиле на всасывающем трубопроводе во избежание попадания в него воды.
В ЖКВН, работающих на газах, которые не . могут быть выпущены в атмосферу, всасывающий н нагнетательный трубопровод необходимо соединять перепускной трубой, на которой должен быть установлен вентнль-Прн работе ЖКВН температура подшипников может быть на 15 ••• 20 К выше температуры окружа1°-шего воздуха, но не превышать 328 ... 333 К. Для уплотнения крышки 8 предназначен сальник 6.
Жидкостно-кольцевые насосы
229
Ряс. 9.25. Вакуумный насос ВВН-ЗН
В отличие от рассмотренной конструкции насос BBHl-0,75 — консольного типа (рнс. 9.24).
Все вакуумные насосы, за исключением BBHl-1,5, соединены с электродвигателем через муфту. Насос BBHl-1,5 имеет фланцевый двигатель.
Вакуумные установки с насосами ВВН1-1,5, ВВН-ЗН, ВВН1-3, ВВН1-6, ВВН1-12ТМ, ВВН1-12, ЖВН-12М, ВВН2-50М, ВВН2-50Х, ВВН2-50М снабжают отделителем жидкости, устанавливаемым на нагнетательном трубопроводе насоса (рис. 9.25). В вакуумных установках с насосами ВВН2-150, ВВН2-300 н ВВН1-50ТМ отделители жидкости монтируют на фундаментной плите.
В СССР выпускают также водокольцевые установки типа УНВ (установка насосная вакуумная, цифры после букв — номер установки). Техническая характеристика установок приведена в табл. 9.3 [25].
Установки предназначены для создания вакуума в бумаго- н картоно-Делательных машинах малой и средней мощности и в аппаратах целлюлозно-бумажной промышленности. Установки состоят из водокольцевого вакуумного насоса типа НВ и электродвигателя. И установках УНВ-01, УНВ-02, “НВ-03 и УНВ-04 насос соединен
с двигателем втулочно-пальцевой муфтой; вся установка смонтирована на общей раме. В установке УНВ-05 насос соединен с электродвигателем клиноременной передачей. Насос, электродвигатель и ограждение клн-ноременной передачи установлены на фундаменте.
Жидкостно-кольцевые вакуумные установки различают по системе подачи жидкости на открытые, с частичной рециркуляцией и рециркуляционные.
Прн открытой системе подачи вода подается в уплотнение и жидкостное кольцо из водяной сети и сливается в канализацию. Прн этом методе достигается наиболее интенсивное охлаждение насоса и откачиваемого газа, что важно для получения низкого давления всасывания.
В системах с частичной рециркуляцией в жидкостное кольцо н уплотнения вода подается из водяной сети и из отделителя жидкости. Оба водяных потока смешиваются перед вакуумным насосом для выравнивания температуры. Этот способ позволяет экономить воду и уменьшать эксплуатационные затраты.
В рециркуляционной системе подачи вся жидкость, подводимая в вакуумный насос, поступает из отделителя
230
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.3
Параметр	Значение параметра для установки	|				
	УНВ-01	УНВ-02	УНВ-03	УНВ-04	S'НВ-05 4
Быстрота действия, м3/с Электр одвигатель:	0,15	0,25	" 0,366	0,51	0,95
ТИП	АО2-72-6	4A-250-S8	4A-315-S10	4А-315М-10	4А-355М-10
мощность, кВт	22	37	55	75	ПО
частота вращения, с-1 Габаритные раз-	16,67	12,5	10	10	10
	1815Х	"2130Х	2770 X	3000Х	3400Х
меры, мм	X 615Х Х750	Х770Х Х885	Х950Х X 1120	X 1000Х : X 1120	Х2500Х X 1650
Масса, кг	810	1360	• 2730	3270	6110
Примечание. Для приведенных в таблице установок: номинальное давление всасывания 0,03 МПа; напряжение обмоток электродвигателя 220/380 В.
жидкости. Перед подачей в . вакуумный насос она охлаждается в теплообменнике, встроенном в отделитель жидкости или смонтированном отдельно на раме. Рециркуляционную систему подачн жидкости рекомендуется применять в следующих случаях: использование в качестве рабочей жидкости химических веществ;
конденсация и попадание в жидкость нлн раствореине в ней паров откачиваемых химических веществ;
необходимость подачн в жидкостное кольпо жидкости с инзкой температурой.
Циркуляцию жидкости обеспечивает жидкостно-кольцевой вакуумный насос и установка специального жидкостного насоса не требуется.
В системах с частичной рециркуляцией н рециркуляционных  воду в уплотнения иногда подают из водяной системы. При использовании жидкостей высокотоксичных, взрывоопасных, агрессивных, концерогеиных нлн с твердыми включениями рекомендуются сдвоенные механические уплотнения, в которые подается вода из водяной системы только для* отвода теплоты трения. Давление воды должно быть таким, чтобы она ие проникала между поверхностями трения уплотнения. Уплотнительные кольца, соприкасающиеся с рабочей жидкостью, рекомен
дуется выполнять нз химически стойких материалов (графита, керамики, коррозионно-стойкой стали).
В системах с частичной рециркуляцией н рециркуляционных уровень жидкости в отделителе не должен быть ниже осевой линии вакуумного насоса; поэтому в отделителе жидкости, смонтированном рядом с вакуумным на-сосом на фундаменте нлн раме, для поддержания уровня жидкости ре- . комендуется устанавливать регулятор уровня, а для контроля — указатель уровня.
В ЖКВН ограничивают расход жидкости н ее температуру. Повышение температуры жидкости обычно задают ие более 2 ... 5 К- Расход жидкости возрастает с увеличением быстроты действия, частоты вращения вала н температуры подводимой в вакуумный насос жидкости.
В системах с частичной рециркуляцией расход воды, подаваемой из водяной магистрали, и расход рециркуляционной воды зависит от разности нх температур.
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия S = 0,2 м8'с; давление всасывания р = 0,02 МП® давление нагнетания рн= 0,1013 МПа; откачиваемый газ — воздух; темпера' тура Т = 293 К; рабочая жидкость " вода; температура воды иа входе в
Жидкостно-кольцевые насосы
231
Таблица 9.4
Параметр	Способ определения	Результат
Быстрота действия S, м®/с Давление, МПа; всасывания р нагнетания рн Температура воздуха иа всасывании Т, К	Исходные данные	0.2 0,02 0.1013 293
Отношение давления нагнетания к давлению всасывания Т Коэффициент откачки X Геометрическая быстрота действия Sr, м3/с	т = рИ/р Принимают (см. рис. 9.11) Формула (9.3)	5,1 0,75 0.267
Относительная ширина колеса к Коэффициент ф, учитывающий влияние ширины лопаток Отношение v среднего радиуса ступицы к наружному радиусу колеса Окружная скорость на периферии колеса и2, м/с	Принимают	2 0,75 0,4 16
Расчетный наружный радиус колеса г2, м Наружный радиув колеса rs, м Расчетная частота вращения вала насоса пр, с-1 Частота вала насоса я,-с-1' Изотермическая мощность Миз, кВт Изотеомя чески й КПД т]из Эффективная мощность на валу насоса Ne, кВт Средний радиус ступицы колеса	_ 1/ 2S' г* V фи2х (1 — V2) Принимают лр = и2/(2лг2) Принимают равной частоте вращения вала двигателя /^из ~ Принимают (см. рнс. 9.13) Формула (9.10) Г1 = W,	0,163 0,16 15,92 16,7 8,7 0.275 31,6 0,64
Окружная скорость иа 1 периферии колеса и2, м/с	/ u2 =	16,78
Относительный зазор б Относительная длина колеса £ Относительный эксцентриситет е Выходной угол наклона лопатки Колеса град	Принимают	0.0125 1,04 0,145 150
Плотность рабочей жидкости рж, кг/м3 Вязкость рабочей жидкости Па-с	Исходные данные	10s ю
Критерий Эйлера Ей Коэффициент kx Коэффициент ki Радиус г22, м * Лубина погружения лопатки 8 Жидкостное кольцо а, м	Ей = (рн — р)/(рж«1) Принимают (см. рис. 9.12) формула (9.8) Формула (9.7) а =	0,29 0,86 0,86 0,1535 0,0065
232
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Продолжение табл. 9.4
Параметр	Способ определенна	Результат
Расчетный эксцентриситет ер, м Эксцентриситет е, м Относительный эксцентриситет Радиус г22, м Глубина погружения лопатки в жидкостное кольцо а, м Внутренний радиус корпуса R, м Ширина колеса 60, м Удельная мощность Ууд, кВт-с/м8 Геометрическая быстрота действия Sr .j, м’/с (sr - sr; р) 100/Sr, %	ep=Wj Принимают е = е/г2 Формула (9.7) а — Г2 ’— ^22 R = 0,5 (2г2+Д+2е) Ьд = ХГ2 уд = Ng/S Формула (9.5)	0,0232 0,023 0,1437 .. 0,153 i ' 0,07 I 0,184 1 0,320 Я 158 1 °-270 1 4 1
ЖКВН 288 К; расход воды 0,75 X X 10-® м’/с.
Определить геометрические размеры и мощность ЖКВН.
Данные расчета сведены в табл. 9.4.
9.3.	Двухроторные насосы
В двухроторных вакуумных насосах роторы 2 и 3 выполняют с прямыми двумя (рис. 9.26, а) или тремя (рис. 9.26, б) либо с винтовыми (спиральными) (рнс. 9.27) лопастями. Угол закрутки лопастей , (ие превышает 180°)—-это угол х, иа который
повернут вокруг продольной оси ротора один торец относительно другого. Роторы вращаются в корпусе 1.
Синхронное вращение роторов и зазор между ними обеспечивают синхронизирующие шестерни, смонтированные на валах роторов. Так как между роторами, а также между роторами и корпусом в рабочем состоянии поддерживается гарантированный зазор, в полости сжатия газа смазочный материал не подается.
Откачка газа происходит следующим образом. Полость / (рнс. 9.28, a) ffr-ходит от окна всасывания, но еще ие
Двухроторныс насосы
233
совпадает с окном нагнетания. В следующий момент времени (рис. 9.28, б) полость / совмещается с окном нагнетания и давления в полости 1 и линии нагнетания выравниваются, т. е. происходит процесс внешнего сжатия. После выравнивания давлений газ из полости / подается в полость нагнетания вместе с газом, находящимся в полости II (рис. 9.28, в). При повороте роторов на угол 90° (рис. 9.28, а) газ из полости 1 вытесняется роторами в полость нагнетания, процесс освобождения полости II от газа заканчивается н между ротором 2 и корпусом 1 образуется полость III, в которой с момента времени, соответствующего рис. 9.28, г, начнут осуществляться процессы, аналогичные произошедшим в полости I. В моменты времени, соответствующие рис. 9.28, д и е, газ из полости I продолжает подаваться в нагнетательное окно, а в момент времени, соответствующий повороту роторов на 180°, процесс вытеснения газа из полости / заканчивается. Далее процесс начнет повторяться (см. рис. 9.28, а), но место полости I займет полость IV, полости III — полость II, полости II —
Рнс. (.27. Винтовой ротор двухроторного
вакуумного насоса
полость III, полости IV — полость I. Таким образом, за один оборот каждого ротора в полость иагиетания ротором 2 подается газ нз полостей II и III, а ротором 3 — газ из полостей I и IV.
Процесс внешнего сжатия неэкономичен, поэтому двухроторные вакуумные насосы применяют при небольших перепадах давлений или при давлении всасывания 1,33 ... 133 Па. Относительно большие перетекания газа нз полости нагнетания в полость всасывания из-за наличия зазоров между роторами, а также между роторами и
Рве. 2.28. Прннцнпиальныв схемы действия двухроторного вакуумного насоса
234
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рве. 9.29. Окружные профили двух- (а) и трехлопастных (ff) роторов двухроторных вакуумных насосов
корпусом препятствуют получению меньшего давления, а при давлении около 100 кПа не позволиют достичь отношения давления нагнетании к давлению всасывания т > 1,8.
Однако полная уравновешенность и хорошая динамическая- сбалансированность роторов, обеспечиваемые в данных машинах, позволяют достигать высоких частот вращения роторов, а следовательно, высокой быстроты откачкя при сравнительно ма
лых габаритах. Кроме того, такие преимущества, как отсутствие трения между роторами, простота конструкции, простота технологической обработки роторов, определили широкое использование двухроторных вакуумных насосов в промышленности.
Двухроторные вакуумные насосы работают совместно с форвакуумными, в качестве которых используют плунжерные, пластинчато-роторные, жидкостно-кольцевые нли поршневые ва
Рис. 9.90. Циклоидально-окружные профили двух- (а) и трехлопаствых (<Г) роторов двух* роторных вакуумных насосов
Двухроторные насосы
235
куумные насосы. Форвакуумные насосы выбирают из условия постоян-ствя потока.
Двухроторные вакуумные . насосы обеспечивают быстроту откачкн от 0,0015 до 10 м’/с и остаточное давление до 0,5 Па.
Основы теории и расчета. Прн профилировании’ роторов по выбранной части профиля необходимо построить сопряженную с ней часть другого профиля. Задачу профилирования решают для теоретических профилей, т. е. профилей, между которыми нет зазора.
Профили роторов двухроторных вакуумных насосов выполняют двух типов: окружные и цнклондально-окружные (рнс. 9.29 н 9.30). Онн характеризуются следующими геометрическими соотношениями: а = = 0,5л/г (а = 45° прн числе лопастей ротора 2 = 2; а = 30° прн г = 3); г = R — Ь; с = 2а — г; b — (R* — —a2)/ 2R — а ”|/2) прн 2 = 2 и b — = (/?’ — a2)/ 2R — а ]/з) прн г = 3. В этих соотношениях: г — радиус головки ротора; R — наружный радиус ротора; с — ширина впаднны ротора; а — радиус начальной окружности; Ь — расстояние от центра ротора до центра окружности головки ротора.
Окружные профили — это профнлн> в которых головка ротора описывается окружностью радиуса г (см. рис. 9.29). Центр В этой окружности расположен на расстоянии b < а от Центра ротора О2. Эти профили характеризуются соотношениями: прн г = 2Ыа = 0,50 ... 0,9288;
Ria = 1,2368 ... 1,6698; cl а = = 0,7632 ... 0,3302; прн г = ЗЫа = ==0,50 ... 0,9670; Rla= 1,1196 ... 1,4770; с/а = 0,8804 ... 0,5230.
Задачу построения сопряженного профиля решают на плоскости, так Как по длине ротора его профиль не Меняется. В винтовом роторе профиль без изменений поворачивается на угол к = X//L, где I — расстояние от торца, йа котором угол закрутки принят Равным нулю, до рассматриваемого сечения, м; L — длина ротора, м.
Построение профилей проводят в подвижных системах координат и х2О2у2 (рис. 9.31). Система
Рнс. 9,31. Системы координат для построения исходного и сопряженного профилей
координат XjOji/j жестко связана с рассматриваемым ротором; ее центр Oj находится на осн ротора, угол поворота <р равен углу поворота ротора. Система координат х2О2у2 жестко связана с сопряженным ротором; ее центр О2 расположен на осн сопряженного ротДза, угол поворота <р равен углу поворота сопряженного ротора.
Углы ф поворота роторов и систем координат равны, так как роторы вращаются с одинаковой угловой скоростью е> = 2лп, где п — частота вращения роторов, с-1. Расстояние между центрами координат Oj и О2 равно межцентровому расстоянию между роторами А — 2а.
Уравнения окружности, которой описана головка первого ротора, в системе подвижных координат ХхО^:
хг = b + г cos ф; 1/1 = —г sin ф, (9.15) где ф — параметр окружной части профиля, принятый равным углу между общей нормалью к сопряженным профилям в точке их касания и положительным направлением осн Ол-Сопряженную часть (впадину) другого ротора находят в системе координат x2O2i/2 построением огибающей и определяют по уравнениям:
х2 — 2 a cos ф — b cos 2ф ;— г соэ 0;
у2 = 2а sin ф — b sin 2ф — г sin 0;
tg 0 = (6 sin 2ф—
— a sin ф)/( a cos ф — b cos 2<р).(9.16)
236
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Цнклондально-окружные профили характеризуются соотношениями: Ыа > 0,9288; Ria > 1,6698 и da < < 0,3302 прн 2=2; Ыа > 0,9670; Ria > 1,4770; da < 0,5230 при 2 = 3.
С технологической точки зрения наибольший интерес представляют роторы, для которых прн 2 = 2 — bia = = 1; Ria = 1,7654; da = 0,2346; прн 2 = 3 — Ыа = 1; Ria = 1,5176; da = 0,4834. В этом случае центр окружности радиуса г, которой описана головка профиля, находится на начальной окружности радиуса а, т. е. Ь = а. Уравнения этой окружности в системе координат XiOji/j:
Xj = а + г cos чр;
уг =—г sin ф. (9.17)
Сопряженная часть другого профиля — та же окружность, для которой в системе координат х2О2у2:
х2 = —а + г cos ф;
Уч =—г sin ф. (9.18)
Прн цнклондально-окружном профилировании на сопряженной части профиля в месте перехода впадины в головку появляется острый перегиб при Ыа = 0,9288 и bla— 0,9670 (соответственно при 2=2 н 3); прн больших отношениях bld — петлн на участках н X2L2 (см. рнс. 9.30). Прн обработке петлн срезаются, н прн обкатывании профилен в этом месте недопустимо возрастает зазор. Для его уменьшения на участке от начальной окружности радиуса а (точка Кл) до окружности радиуса г (точка LJ, которой описана головка ротора, профиль выполняют по эпициклоиде KiLlt находящейся снаружи окружности радиуса г н рассчитываемой по уравнениям:
х = а (2 cos 0 — cos 20);
у = а (2 sin 0 — sin 20),	(9.19)
где 0 — параметр эпициклондальной части профиля.
Прн построении профиля углом Р задаются.
Ради усы-векторы р точек эпициклоиды KjLj и нх углы Р':
р =
Р' = arctg (х/у).	(9.20)
Рекомендуется выбирать большие отношении Ыа н Ria н меньшие отношения da, так как прн этом площадь Fp торцового сечения ротора меньше, а коэффициент % = 1 — Др/(л/?®) качества профиля больше. Чем больше коэффициент %, тем меньше размеры н масса вакуумного насоса прн заданных условиях работы н быстроте действия. Однако прн больших значениях % ухудшаются прочностные характеристики ротора. Для эпнцнклои-дальных профилей с отношением Ыа~-= 1 длн двухлопастного ротора % = = 0,617, для трехлопастного — х = = 0,527.
 Для того чтобы в процессе работы роторы не заклнннло, прн проектировании между роторами, роторами н корпусом, роторами н торцовыми крышками необходимо предусмотреть зазоры, которые компенсируют погрешности изготовления н сборки вакуумных насосов, удлинение роторов, корпусов н изменение межцентрового расстояния нз-за нагрева деталей вакуумного насоса прн работе и деформации деталей, вызванные действием на них усилий прн работе.
Зазоры между роторами ор р и роторами н корпусом ор. к обеспечивают построением эквидистанты профиля, называемой номинальным про-, фнлем.
Для номинального профиля головка описывается радиусом гн ~ г — — 0,56р. р, а ширина впаднны определяется по формуле сн = с — 0,5бр, р. Прн окружном профилировании размеры сопряженной впаднны определяют по уравнениям (9.16), в которые вместо г подставляют г + 0,5<5р. р-Прн циклондально-окружном профилировании радиус впаднны определяют по зависимости гн = г + 0,55р. nl координаты точек эпициклоиды Asm (см. рнс. 9.30) рассчитывают из сооТ' ношений:
0,5бр р (cos 20— cos0) = х Н---------=====-------- ;
V2 — cos 0
0.5бр, р (sin 0 — sin 20)
Ув f= F Н----—=====----------,
у 2 — cos 0
Двухроторные насосы
237
где 0	< 45° при г=2иО^Р^
30° при г = 3.
~~3азор между роторами (профильный зазор):
монтажный
6р. р mln = АЛ 4- 0,5 | ДОдцп | 4" + 0,5 | Д (2cniin)|+
+ | ДЛпнр | -|- Д/? 4- Ас;
рабочий	'
6р. р max == 0,5 | ДИщах | 4“
4- 0,5 | Д (2сшах)| 4- | ДЛшах |, (9.22) где ДЛ = а А ЛТ — увеличение межцентрового расстояния вследствие нагрева крышек, в которых расположены подшипники (а — температурный коэффициент линейного расширении материала крышек подшипников; ДТ = = Тк. п — То; Тк. п— температура крышек подшипников в рабочем состоянии; То — температура окружающей среды); ДРш1п, ДПщах, Асшт/ Д^тах и ДЛШ1П, ДЛшах минимальный н максимальный допуски соответственно на диаметр, ширину впаднны ротора н межосевое расстояние (D = = 2R); , &R = ар/?р ДТр — удлинение ротора в радиальном направлении в рабочем состоянии (ар — температурный коэффициент линейного расширения материала роторов; Rp — радиус ротора; ДТр = Тр — То; Тр — температура ротора в рабочем состоянии); Де = арсДГр — удлинение впаднны.
Зазор между корпусом и ротором (радиальный зазор):
монтажный
6р. к min = 0,5 | ДОдйп -I 4т
4- 0,5 | ДОК ш1п | — Д7?к 4-
4- AR 4- 0,5ДЛ;
рабочий
6р. к max = 0,5 | АОщах | 4-
+ 0,5 | ДОК шах |,	(9.23)
гДе ДДК mln и ДОК max— минимальное и максимальное значения допусков на Диаметр расточки корпуса; ARK = °=ак$кДТк — удлинение корпуса 8 радиальном направлении в рабочем е?стояннн (ак — температурный ко; эФфнциейт линейного расшнреиня ма
териала корпуса; RK — радиус корпуса; ДТК = Тк — То, Тк — температура корпуса в рабочем состоянии).
Для вакуумных насосов, работающих прн давлении всасывания 1,33 ... 133,3 Па, на основании опытных данных можно принять: ДТ = ДТК = = 40 ... 60 К; ДТр = 70 ... 100 К-Для вакуумных насосов, работающих прн давлении всасывания 75 ... 100 кПа: ДТ = ДТК = 80 ... 100 К; ДТр= 130 ... 150 К.
Торцовые зазоры:
со стороны жесткой опоры (монтажный. и рабочий)
6т. ж = 0,5 (| ДТщш I 4- I АЬК mln |)> ^т. ж == 0,5 (| Д^гпах I 4“ / Д^-к max О»
(9-24)
ГДе Д7-т1п, Д£тах, АГкпцп, ДТКmax : минимальные н максимальные допуски, ца длины ротора и корпуса;
со стороны плавающей опоры монтажный н рабочий)
®Т. ПЛ — 0,5 (| Дб-mln I 4- I А6-В пцп |) 4"
4-1 дтй - ДТ |,
6т. пл ~ 0,5 (| ДТшах | 4-
4-| Д6-к max |),	(9.25)
где ДТК = aKLK ДТК — удлинение корпуса в рабочем состоянии (LK — длина корпуса); ДТ = арТДТр — удлинение ротора в рабочем состоянии.
Действительную быстроту действия определяют нз формулы (9.3). Геометрическая быстрота действия двухроторного вакуумного' насоса
Sr = 2nR2T%n. (9.26)
Из соотношений (9.3) н (9.26) определяют радиус ротора вакуумного насоса
R=yS/(X^jr,xu2)- (9.27) где Jfejr, ч= T/R — коэффициент длины ротора; u2 = 2nRn — окружная скорость на периферии роторов, м/с. Коэффициент откачкн на основе экспериментальных данных принимают X = 0,4 ... 0,9. Для вакуумных насосов с быстротой откачкн больше 0,'45 м3/с завнснмостн коэффициента откачки от давления всасывания при
238
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.32. Зависимость коэффициента откачки К двухроторных вакуумных насосов от давления всасывания р при работе на воздухе (сплошные .линии) и водороде (штриховые линии)
отношении давлений т = рн/р — 2 и 5, при работе на воздухе и водороде приведены на рис. 9.32 [49]. Коэффициент kL выбирают конструктивно в пределах от 2 до 4.
Окружную скорость (и2 = 30... 150 м/с) выбирают в зависимости от материала ротора. Для роторов, вы-иолненных из алюминиевых сплавов, _ й2 = 30 ... 80 м/с, для роторов из 'стали и2 = 50 ... 100 м/с, для роторов из титановых сплавов и2 = 80 ... 150 м/с.
Коэффициентом качества ротора из опыта проектирования задаются для двухлопастных роторов в пределах 0,617 ... 0,500, для трехлопастных — в пределах 0,527 ... 0,49.
После определения радиуса его округляют до целого числа (в миллиметрах), строят профиль ротора и определяют точное значение коэффициента %, длину ротора L и действительную быстроту действия
S = ST-U	(9.28)
Р 1 н
где U3 — проводимость зазоров; Т — температура газа за щелью, равная температуре газа иа всасывании; Тн — температура газа перед щелью, равная температуре газа на нагнетании.
Для вакуумных насосов, работающих при давлении всасывания 133,3 ... 1,333 Па, режим течения газа в зазорах является молекулярным и проводимость зазоров можно определить
из уравнения Кнудсена для провод^ мостя каналов:	Тя
С/8 = 36,4УОЙ х	j
X [£ (2Лр. к6р, к + Яр. рбр. р) 4-Я
4*	4* 2°) (Кт. ж6т, ж -|-	<
4" Кт. пл^т. пл)]>	(9.29)
где М — молекулярная масса; Яр Н1 Яр, р, Кт. ж, Кт, пл — коэффициент Клаузинга для радиальных, профильных и торцовых зазоров со стороны жесткой и плавающей опор; 6р. в, 6р, р> ^т. ж> ^т. пл — высоты зазоров, М.	J
По экспериментальным данным В, И. Кузнецова для вакуумных насосов с быстротой действия 0,25 ... 1,50 м®/с Кр.к = Яр. р = 0,23; считая, что торцовые зазоры имеют прямоугольную форму, и приняв усредненную по торцу ротора длину зазора в направлении перетекания I = = г 4- с, найдем
К _ вт. ж , I Ат. ж--------Т~ 1п 5	,
* От. ж
Кт. пл
®Т. ПЛ	I
I бт. пл
Формула (9.29) для проводимости зазоров получена в предположении, что газ перетекает через две щели высотой 6р. к, одну щель высотой 6Р. р и две торцовые щели высотами 6Т. ж и 6Т. пл и длиной D 4* 2а, т. е. прн положении роторов, показанном на рис. 9.33.
Для уменьшения проводимости зазоров иногда головку профиля ротора срезают радиусом Rr, проведенным из центра ротора (рис. 9.34). Тогда часть впадины АВС строят как огибающую участка DE головки исходного про-филя. Огибающей является окру»' * ность радиуса R" = 2а — R'. Для номинального профиля Rh — R — -— 0,56р. р; Rk = R — 0,56р. р-  Часто головку профиля ротора срезают по радиусу R', а впадину не изменяют. Благодаря срезанию головки ротора уменьшается проводимость радиальных зазоров, которую можно рассчитать для двух радиаль*
Двухроторные насосы
239
пых зазоров прн молекулярном режиме течения газа по формуле
21/р. в = 72,8 ]/ If-х
6р. к щах^ .	2R'a.'
2R а,'	6р. к щах ’
где 2а' — центральный угол срезания головки, рад (рис. 9.34).
Однако при срезании головки ротора появляются защемленные объемы ADB и ВСЕ или объем DFEB, в которых газ переносится со стороны нагнетания на сторону всасывания; это приводит к уменьшению А и быстроты действия. Быстрота действия возрастает только в том случае, если увеличение А из-за срезания головки ротора превосходит уменьшение А нз-за появления защемленных объемов. Для дальнейшего уменьшения проводимости радиальных зазоров по дуге DE выполняют канавки полукруглого, прямоугольного или треугольного сечений. Однако и в этом случае увеличивается перенос газа с нагнетания на всасывание в канавках, выполненных на дуге DE. Для уменьшения переноса газа в защемленном объеме боковую поверхность ротора между дугами окружностей, описанных радиусами R' и R", заменяют эпициклоидой и гипоциклоидой, которые плавно переходят одна в другую [49].
В двухроторных вакуумных насосах происходит процесс внешнего сжатия, который характеризуется тем, что в момент сообщения полостей /, //, III, IV (см. рис. 9.28) с нагнетательным окном давление в них в идеальном случае мгновенно повышается до давления нагнетания, т. е. индикаторная диаграмма имеет прямоугольную форму.
Мощность, затрачиваемая иа привод вакуумного насоса, по иидикатор-вой диаграмме
^e=[Sr(pH-p)]/in, (9.30) где т) — изохорный КПД (для двухроторных вакуумных насосов п = = 0,50 ... 0,85).
Конструкции и характеристики ва-иУУмиых- насосов и агрегатов. Двух-
Рис. 3.33. Схема к расчету проводимости зазоров
роторные вакуумные насосы предназначены для откачки воздуха и газов, не реагирующих с материалами, нз которых изготовлены детали вакуумных насосов, н с используемыми маслами.
Серийно выпускают вакуумные насосы 2ДВН-500 и 2ДВН-1500. Условное обозначение: 2 — порядковый номер модернизации, Д — двухроторный, В — вакуумный, Н — насос, цифры после букв — номинальная быстрота откачки, дм5/с, при номинальной скорости. Если насос укомплектован электродвигателем, скорость которого отличается от номинальной, то в конце обозначения насоса ставят шифр скорости, равный числу полюсов электродвигателя, например, 2ДВН-1500-4
Рис. V.34. Профиль с головкой, срезанной радиусом Д'
240
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСВ
или при двухскоростном электродвигателе — 2ДВН-1500-4/2.
Для повышения быстроты действия вакуумного насоса 2ДВН-1500 увеличивают длину ротора L от 280 мм в вакуумном насосе 2ДВН-500 до 700 мм в вакуумном насосе 2ДВН-1500. Насосы 2ДВН-500 и
Рис. В.Зв. Вакуумный насос типа 2ДВН
2ДВН-1500 работают с форвакуумными насосами НВЗ.
В расточке корпуса 12 иасосов типа ДВН (рнс. 9.35) вращаются два двухлопастных ротора 4 и 13. Синхронизацию вращения роторов обеспечивают косозубые синхронизирующий шестерни 3 и 8, изготовленные из цементированной сталн. Зубчатый венец закален и отшлифован. С помощью этих шестерен также регулируют профильные зазоры ^р. р mln ™ 0.35 ММ между роторами. Для облегчения сборки синхронизирующих шестерен момент с ротора 13 на шестерню 8 и с шестерни 3 на ротор 4 передается через специальные пружины 2. При этом для сохранения положения шестерен относительно вала во время работы в процессе сборки обеспечивают достаточные силы трения между пружинами, валом и заточкой в шестернях затягиванием болта 7.
Роторы вращаются в роликовых подшипниках качения 5, которые образуют плавающие опоры, не препятствующие температурному удлинению роторов, и в сдвоенных радиально-
Доухронюрныс насосы
241
упорная шариковых подшипниках 16, которые образуют жесткие опоры, способные воспринимать двусторон-нЮю осевую нагрузку. Минимальный торцовый зазор 6^. ж mjn 0,15 мм между роторами 4 и 13 и торцовой крышкой 14 н минимальный аазор 6, равный 6^. пл min ™ 0,4 мм для вакуумного насоса 2ДВН-500 и 6Т. пл mm = 0,9 мм для вакуумного насоса 2ДВН-1500, между роторами 4 и 13 и торцовой крышкой 11 регулируют во время сборки. Осевое смещение подшипников 16 регулируют подбором и установкой колец 23 из стальной ленты. Масло разбрызгивается дисками 1 н 22. Масляные полости э крышках 9 и 17 соединены наклонным трубопроводом 25 и трубопроводом большого диаметра, присоединяемым к крышкам 9 и 17 через отверстия виг. Масло заливают в масляные полости через отверстие а. В наклонный трубопровод 25 масло забрасывается диском 1 и течет в масляную полость в крышке 17. Из масляной полости в крышке 17 масло возвращается в масляную полость в крышке 9 по трубопроводу большого диаметра. Во время этой циркуляции масло охлаждается. Для предотвращения попадания масла в полость сжатия используют устройства типа винтового импеллера, втулки 10, 15, 24 и 26 которого расположены на резьбовых участках роторов 4 и 13. Уровень масла контролируют по маслоука-зателю 27. Масло заливают в масляные полости до уровня верхней риски на стекле маслоуказателя. При уровне масла ниже нижней риски работа вакуумного насоса категорически запрещается.
Для уплотнения вала ведущего ротора 13 предназначены резиновые манжеты 20 и 21, пространство между которыми заполняют маслом через отверстие б и маслоуказатель, который ввинчивают в это отверстие. Уровень масла в маслоуказателе определяется Риской на стекле маслоуказателя. Если Риски нет, масло заливают до иижней кРомки верхней крышки маслоука-®атели. Во время эксплуатации следует Регулярно доливать масло в камеру Уплотнения приводного вала. В двух
роторных вакуумных насосах используют масло ВМ-1, ВМ-4, ВМ-6.
Вал ведущего ротора 13 приводится от фланцевого электродвигателя через втулочно-пальцевую муфту 19. Двигатель крепят на фонаре 18.
Охлаждение вакуумного насоса 2ДВН-500 — воздушное, насоса 2ДВН-1500 — воздушно-водяное. Водяной холодильник 6 для масла смонтирован в крышке 9. Кроме того, водой охлаждается корпус на стороне приводного вала. Для увеличения теплопередающей поверхности корпус 12 оребрен.
При изнашивании подшипников в двухроторных вакуумных насосах ось вращения роторов опускается, что приводит к уменьшению радиального зазора 6р. к. При изнашивании синхронизирующих шестерен происходит поворот роторов, что приводит к уменьшению профильного зазора бр. р. Для исключения контакта роторов или роторов и корпуса прн эксплуатации приходится заменять изношенные шестерни и подшипники или регулировать их. Для этого зубчатый венец на одной из синхронизирующих шестерен желательно выполнять разрезным.
Характеристики и размеры установок с вакуумными насосамн 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 приведены в табл. 9.5 [3] и иа рис. 9.36 и 9.37.
На базе двухроторных вакуумных насосов выпускают агрегаты типа АВР-50 и АВР-150. Условное обозначение агрегата: АВР — агрегат вакуумный ротационный, цифра — бы-( строта действия, дм’/с, при рабочем давлении. Агрегаты предназначены для работы в стационарных условиях. Они откачивают из герметичных объемов газы, неагрессивные к материалам деталей агрегатов, пары и парогазовые смеси, предварительно очищенные от капельной жидкости и механических загрязнений. Агрегатами запрещается откачивать газ, содержащий более 21% по объему кислорода.
Агрегат (показан штриховой линией — рис. 9.38) состоит из последовательно работающих двухроторного вакуумного насоса 3 (типа ДВН-50 в агрегате АВР-50 и типа ДВН-150
242
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.5
Параметр	Значение параметра для насоса		
	2ДВН-500	2ДВН-500-4	2ДВН-500-4/2
j Быстрота действия, м3/с Электродвигатель: . тип мощность, кВт частота вращения, с-1 Габаритные размеры, мм	0,5 4А112МА2УЗ 7,5 48,3 1340X600X850	0,25 4А112А4УЗ 5,5 24,16 1340X600X850	0,25/0,5 4А112М4/2УЗ 4,2/5,0 24,16/48,3 1340X800X850
м	Параметр	Значение параметра для насоса		
	' 2ДВН-1500	2ДВН-1500-4	2ДВН-1000-4/2
Быстрота действия, м3/с Электр одв и гатель: тип мощность, кВт частота вращения, с-1 Габаритные размеры, мм	1,5 4А132М2УЗ 11,0 48,3 1840X580X850	0,75 4А112МА4УЗ 5,5 24,16 1840X580X850	0,75/1,5 4А132М4/2УЗ 8,5/9,5 24,16/48,3 1840x580X850
Примечание. Для приведенных в таблице насосов: остаточное давление 0,5 Па; напряжение электродвигателя 380 В; для насосов 2ДВН-500 тип форвакуумного насоса НВЗ-50Д, для насосов 2ДВН-1500—НВЗ-150; масса насосов 2ДВН-500 и 2ДВН-1500 соответственно 550 и 830 кг.
Рис. e.se. Характеристики вакуумных насосов 2ДВН-600 (сплошные линии), 2ДВН-1вм (штриховые линии)
Двухроторныв насосы
243
Рас. 9.37. Вакуумная установка с насосом 2ДВН-500 или 2ДВН-1500 (виды А и Б для насоса 2ДВН-500 совмещены, для насоса 2ДВН-1500 даны раздельно; на виде В подвод н отвод воды показаны для насоса 2ДВН-1500)
в агрегате АВР-150), который откачивает газ из вакуумной камеры 7, и форвакуумного насоса 12 (типа 2НВР-5ДМ в агрегате АВР-50 н типа АВЗ-20Д в агрегате АВР-150). Насосы установлены на общей раме 11.
Для обеспечения возможности запуска двухроторного вакуумного насоса прн давлении, превышающем рекомендуемое давление запуска (1.33 Па для агрегата АВР-50 и 0.66 Па для агрегата АВР-150), в двухроторном вакуумном насосе преду-. смотрена перепускная линия (рис. 9.39), в которой установлен клапан 1. При запуске клапан 1 перепускной линии открыт, н газ из нагнетательной полости а через канал б, клапан 1 и. канал в подается во всасывающую полость 2 двухроторного вакуумного пасоса. Перепускное устройство поз-°ляет включать двухроторный вакуумный насос 3 (см. рнс. 9.38) при атмосферном давлении во входном ПатРУбке ' камеры 7 одновременно с
включением форвакуумного иасоса 12. Перепускное устройство также защищает агрегат при аварии, внезапном повышении давления во входном патрубке агрегата, например прн разгерметизации вакуумной камеры 7.
Между двухроторным вакуумным насосом 3 н форвакуумным насосом 12 установлен манометрический прибор 9
Рис. 9.38.
Принципиальная схема агрегата типа АВР
244
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.39. Принципиальная Схема вакуумных насосов типа ДВН-50 н ДВН-150
для измерения межступенчатого дав-ления н сильфон 10, позволяющий компенсировать отклонение от соосности выходного патрубка двухроторного вакуумного насоса и входного патрубка форвакуумного насоса, тепловые деформации, обеспечивать взаимозаменяемость деталей и сборочных единиц, из которых состоит агрегат, н предотвращать передачу вибрации с одного вакуумного насоса на другой.
Сильфоны 4 и 13 установлены на входной и выходной линиях агрегата' и исключают передачу вибрации на вакуумную камеру 7 н в выхлопную магистраль, которая включает масло-
Рис. 9.40. Зависимость быстроты действия от давления всасывания для агрегатов АВР-50 (кривая 1) И АВР-150 (кривая 2)
для слива конденсата в. масла и трур0. провод 1 с запорным вентилем 2. Манометрический прибор 5 предназначен для контроля предельного остаточного давления и измерения давления на входе в агрегат. При закрытом запорном вентиле 6 через вентиль 8 напускают атмосферный воздух в агрегат для предотвращения попадания масла из агрегата во входную магистраль и вакуумную камеру 7.
Зависимость быстроты действия агрегатов типа АВР от, давления всасывания представлена иа рис. 9.40, а характеристики и размеры агрегатов в табл. 9.6 и на рис. 9.41 и 9.42.
На базе двухроториых вакуумных насосов разработаны агрегаты АВД-63 и АВД-160. Условное обозначение: АВД—агрегат вакуумный двухроторный, цифра — быстрота действия, дм3/с, при рабочем давлении. Агрегаты предназначены для откачки в стационарных условиях воздуха, пожаро-и взрывобезопасных газов, паров и парогазовых смесей от атмосферного до предельного остаточного давления. Характеристики и размеры агрегатов типа АВД даны в табл. 9.7. Нормативные параметры агрегатов обеспечиваются при работе на масле ВМ-1 прн температуре окружающей н отка-. чиваемой среды от 283 до 298 К.
Агрегат состоит из последовательно работающих двухроторного вакуумного насоса и двухступенчатого вакуумного пластинчато-роторного насоса с масляным уплотнением. В агрегаты встроены клапаны для отсоединения от откачиваемой системы в момент остановки. Агрегаты снабжены также встроенными фильтрами на линии нагнетания для отделения масла от нагнетаемого газа и встроенными вентиляторами для охлаждения. Соединения входных и выходных патрубков с рабочими магистралями флаи-цевые.
Агрегат АВД-160 имеет безрамную конструкцию, что позволило уменьшить массу н габаритные размеры-
Области применения агрегатов: откачка кольцевых люминесцентный ламп; электронно-лучевая сварка металлов; пайка ТВЧ; напыление тонкослойных, оптических н немагнитны* покрытий; плазменно-химическая °0"
. Двухроторные насосы
245
246
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
099
Рис. 9.42. Агрегат АВР-150
Дсухроторнм насосы
247
Таблица 9.6
Параметр	Значение параметра для агрегата	
	АВР-50	АВР-150
Быстрота действия, м’/с, прн давлении, кПа: 1,06-10’ ... 1,3-10'! 26,6 * Предельное остаточное давление, Па, не более: полное парциальное по воздуху Тип насоса: двухроторного форвакуумного Наибольшее давление запуска насоса типа ДВН, Па Установленная мощность электродвигателей насосов, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг	0,0045 0,050 1.3-10"1 1,3-Ю-» ДВН-50 2НВР-5ДМ 1,3-10’ 1,65 638X448X875 115	0,018 0,15 6,6-10-’ б.б-ю-» ДВН-150 НВЗ-20 6,6-102 3,3 896Х 444X1165 295
* Рабочее давление.
работка пластин; вакуумное напыление н ионное легирование в микроэлектронике; изготовление электронных трубок; откачка вакуумных печей и систем осушки; изготовление электрических ламп.
Работу двухроторных вакуумных насосов отличает значительный уровень шума. Аэродинамический шум в двухроторных вакуумных насосах возникает на всасывании и нагнетании из-за неравномерности заполнения рабочих ячеек и пульсаций газа. Механический шум возникает при работе синхронизирующих шестерен, подшипников качения н вибрации корпуса.
Наиболее распространенный метод снижения уровня шума — применение квуконзолнрующих кожухов. Двух-Роторные вакуумные насосы вместе с электродвигателем располагают внутри этих кожухов. Из кожухов выводят только всасывающие и нагнетательные трубопроводы и электроходы. Кожухи выполняют, как правило, нз металла или пластмассы и облицовывают изнутри звукопоглощающим материалом.
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия S = 1 м’/с, давление всасывания р — 1,33 Па и давление нагнетания рн == 133 Па. Температура откачиваемого газа Т =
Таблица 9.7
Параметр	Значение параметра для агрегата	
	АВД-63	АВД-160
Быстрота действия при рабочем давлении, м’/с Мощность электродвигателей, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг	0,063 1,85 710Х Х410Х Х760 112	0,160 2,80 890X Х345Х Х740 160
Примечание. Для агрегатов типа АВД предельное остаточное давление, Па: полное 1,3-10-1, парциальное по воздуху 1,3-10"В.
248
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.8
Параметр	Способ определения	Результат
1 Быстрота действия 3, м*/с		1
Давление, Па:		1,33
всасывания р	Исходные данные	
нагнетания ри		133
Температура всасывания Т, К		293
Коэффициент откачки X	Выбирают	0,6
Геометрическая быстрота откачки с м8/г	Формула (9.3)	1,67
□ р, м /с Относительная длина ротора kL	Выбирают	3
Коэффициент качества профиля %	Для циклоидально-окружного профиля (выбирают) с b/а = 1	. 0,617
Окружная скорость иа периферии	Выбирают	45
роторов иг, м/с Расчетный радиус ротора R, м		0,1416
	Формула (9.27)	
Расчетная частота вращения пр, С"1 Частота вращения вала п, с"*	пр = иа/(2лД)	50,6
	Принимают равной синхронной частоте вращения вала двигателя	50
КПД т|	Выбирают		0,5
Мощность, затрачиваемая на привод вакуумного насоса при работе	Формула (9.30)	212,66
иа расчетном режиме Ne, Вт		1,7654
Отношение R/a	Выбирают	
Расчетный радиус начальной окружности Пр, м	ар= R/1,7654	0,0802
Радиус начальной окружности а, м	Принимают	0,08
Межосевое расстояние А, м (ГОСТ 2185—66; СТ СЭВ 229—75)	А ?= 2а	0,160
Расстояние от центра ротора до центра головки ротора Ь, м	Ь = а	0,08
Радиус головки ротора г, м	r—R — b	0,0612
Ширина впадины ротора с, м Радиус ротора R', м	с — 2а — R	0,0188
	выбирают	0,140
Половинный угол головки ротора а, ° Построение участка	(см. рис. 9.30)	а == 0,5я/г	45
	Формула (9.19)	См. табл. 9.5
Площадь ротора Др, мг	Планиметрирование	0,0236
Расчетная длина ротора £р, м	Lp = 5г/(2лР’хп)	0,4397
Длина ротора L, м Плотность материала (сплав АЛ1) р, кг/м’ Предел текучести для сплава АЛ1 ат, МПа	Выбирают	0,44 2,7-Ю’ 2-Ю2
Объем ротора	м’	КР = FpL	0,0104
Расстояние от оси ротора до центра тяжести половины ротора Дд. Т * м	Принимают Rn. т—Ь	0,08
Пластинчато-роторные и г пластинчато-статорные насосы
249
Продолжение табл. 9.8
.	Параметр	Способ определения	Результат
угловая скорость ротора <в, рад Центробежная сила, действующая на половину ротора Рд, Н Диаметр вала под ротором DB, м	ш = 2лге	314
		110 743
	Принимают	0,027
Напряжение при разрыве в цен-	о = Rn/\L (2с - О,)]	23,74
тральном сечении впадины о, МПа Коэффициент запаса прочности п	п = аг/а	8,4
Таблица 9.9
9	9	в
0	0,08	0
2	0,0801	0
4	0,0804	0,00003
6	0,0809	0,00009
8	0,0815	0,00024
10	0,0824	0,00042
12	0,0834	0,00073
14	0,0846	0,00114
16	0,0860	0,00197
18	0,0875	0,00242
20	0,0895	0,00330
22	0,0908	0,00440
24	0,0926	0,00560
26	0,0945	0,00710
28	0,0965	0,00880
30	0,09856	0,01070
= 293 К. Материал роторов и корпуса — алюминиевый сплав АЛ1 (ГОСТ 1583—89), материал крышек подшипников СЧ18 (ГОСТ 1412—85).
Определить основные размеры и мощность двухроторного вакуумного насоса, предназначенного для откачки воздуха.
Последовательность и данные расчета сведены в табл. 9.8, 9.9.
9.4. Пластинчато-роторные и пластиичато-статориые насосы
Пластинчато-роторные вакуумные асосы — ПРВН (со смазочным материалом и без него, маслозаполиениые с масляным уплотнением) выпускают
с числом пластин четыре и более. ПРВН предназначены для откачки воздуха и неагрессивных газов, предварительно очищенных от механических загрязнений и капельной жидкости .
ПРВН с масляным уплотнением выполняют обычно с двумя пластинами в роторе, а пластинчато-статорные — с одной пластиной в корпусе. Эти насосы предназначены для откачки воздуха, газов, не вступающих в реакции с маслами и материалом деталей насосов, и парогазовых смесей, предварительно очищенных от капельной влаги и механических примесей, а также для поддержания низкого и среднего вакуума в герметичных объемах.
В цилиндрической расточке корпуса 1 ПРВН (рнс. 9.43, а) эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2. В роторе выполнены пазы, в которые вставлены пластины 3 из металла, асботекстолита или пластмассы. При вращении ротора пластины под действием центробежной силы выходят из пазов н прижимаются к цилиндрической поверхности расточки корпуса. При этом серпообразное пространство между ротором и цилиндрической расточкой корпуса делится на отдельные рабочие ячейки. При угле поворота ротора <р = 180°... О объемы рабочих ячеек увеличиваются, оии соединяются со всасывающим окном и заполняются откачиваемым газом. Когда объем рабочей ячейки достигает максимального значения, она отходит от всасывающего окна. При дальнейшем вращении ротора объемы рабочих ячеек уменьшаются и в них происходит процесс внутр ен-
250
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. (.43. Схемы ПРВН с радиальными (и) и наклонными (5) пластинами
него сжатия. При соединении рабочих ячеек с нагнетательным окном начинается процесс нагнетания, в течение которого газ подается в нагнетательный трубопровод. В вакуумных насосах выполняют перепускной канал, через который газ из «мертвого» объема
2 1 10 9	8	7
Рис, (.44. Схема пластинчато-роторного вакуумного насоса
поступает в первую ячейку сжатия. Перепуск газа увеличивает коэффи-циент откачки, а следовательно, и быстроту действия вакуумного насоса.
Пластины ПРВН выполняют ради-альиыми (рис. 9.43, а) и наклонными (рис. 9.43, б). Выполнение пластин наклонными позволяет увеличить их длину, а следовательно, срок службы. уменьшить вероятность заклинивания пластин в пазах ротора (с этой точки зрения наиболее предпочтительно значение угла наклона пластин ф = 8 ... 15°), уменьшить мощность, затрачиваемую на преодоление трения при движении пластин в расточке корпуса и в пазах ротора (при ф = = 8 ... 15° это уменьшение не превышает 1 ... 2% и достигает 30...40% при ф= 40... 50°). В СССР ПРВН выполняют, как правило, с радиальными нли наклонными пластинами (с ф = 8... 15°), с водяным или воздушным охлаждением.
В маслозаполиениых насосах масло отводит теплоту сжатия, смазывает трущиеся детали и уплотняет зазоры. Температура газа иа линии нагнетания в этих насосах в пределах 333... 373 К
В машинах со смазочным материалом последний только смазывает трущиеся поверхности.
В пластинчато-роторных вакуумных насосах маслозаполнеииого типа внутри цилиндрической расточки корпуса 1 (рис. 9.44) эксцентрично расположен цилиндрический ротор 2. В пазу ротора размещены две пластины 8 и 9 с пружиной 7 между ними. При вращении ротора пластины центробежными силами и силон упругости пружины прижимаются к внутренней расточке корпуса и делят серпообразную полость между ротором и расточкой корпуса иа две полости. При вращении вала объем одной полости периодически увеличивается и в нее всасывается газ; в это же время объем другой полости периодически уменьшается и в ней происходит сжатие газа. ПРВН выполняют одно-и двухступенчатыми. В двухступенчатых насосах для уменьшения потерь между первой н второй ступенями их соединяют каналом а. Клапан 6 в* линии нагнетания второй ступени и
Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы
251 '
гружен в основной масляный резер-вуар Ю. В двухступенчатых насосах геометрические размеры ступеней одинаковые, но пластины смещены одна относительно другой иа 90°;
В пластиичатб-статориых насосах пластина 3 (рис. 9.45) движется возвратно-поступательно в пазу корпуса /, прижимается к ротору 2 рычажным механизмом 5 и делит серпообразную полость между ротором 2 и корпусом 1 на две рабочие ячейки Газ всасывается через входной патрубок 4, который перекрывается ротором. Когда входной патрубок 4 открыт, газ входит в рабочую ячейку приблизительно в течение одного оборота ротора. При отделении входного патрубка от рабочей ячейки в ней происходит сжатие газа. Когда разность давлений газа в рабочей ячейке н в нагнетательном патрубке превысит потери давления в клапане 6, последний откроется, и газ вытесиится в нагнетательный патрубок.
Характерная особенность пластнн-чато-статорных и  пластинчато-роторных вакуумных насосов маслозаполненного типа — наличие масла в рабочих полостях, заполняющего зазоры и исключающего перетекание газа через них. Кроме того, клапаны этих насосов работают под заливом масла, что повышает их герметичность, практически сводит к нулю мертвые объемы, увеличивает быстроту действия насосов и создаваемый вакуум.
Применяемые для насосов масла должны Иметь определенную вязкость как при комнатной температуре, чтобы ие затруднять его пуск, так и при рабочей (333 ... 343 К) температуре, при которой не должна ухудшаться смазывающая способность. Кроме того, масла не должны окисляться и разлагаться при рабочей температуре, воздействовать иа детали насосов; давление паров масла Должно ' быть невелико, чтобы насос обеспечивал низкое предельное остаточное давление. Для рассматриваемых вакуумных насосов используют РДкуумные масла ВМ-1 и ВМ-5 (°СТ 38 01402—86).
в момент запуска вакуумного насоса аело часто выбрасывается во всасываний трубопровод; после остановки
Рис. (.45. Схема пластинчато-статорного
вакуумного насоса
насоса, если не обеспечено равенство давлений во всасывающем н нагнетательном патрубках, масло под действием атмосферного давления может выдавливаться в вакуумную систему. В связи с этим иа всасывающий патрубок 5 устанавливают электромагнитные клапаны 4 и 3 (см. рис. 9.44).
Обычно в дасосы заливают ограниченное количество масла, поэтому для защиты от заброса масла в вакуумную систему можно использовать также предохранительную емкость, предусматриваемую непосредственно в насосе или вне его. При остановке насоса масло выдавливается в . эту емкость. На всасывающем патрубке насосов можно, предусматривать емкости с поплавковым клапаном. Когда масло выдавливается в эту емкость, оно поднимает поплавковый клапан, который перекрывает вакуумную систему. Однако из-за ограниченных объемов такая система защиты недостаточно надежна.
Иногда насосом с масляным уплотнением необходимо откачивать пары, ограниченно растворимые в масле (например, водяные), легко растворимые в масле (трихлорэтилен), и пары или газы, которые химически взаимодействуют с маслом вакуумного насоса.
При откачке паров, ограниченно растворимых в масле, при каждом ходе сжатия, когда давление в рабочей ячейке достигает давления насыщения паров при данной температуре, пары конденсируются. Образовав-
252
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
шинся конденсат вместе с маслом выбрасывается в основной масляный резервуар 10 (см. рнс. 9.44). По мере загрязнения масла в основном резервуаре конденсатом все большее его количество поступает в вакуумный насос. Здесь конденсат на стороне всасывания испаряется н создает противодавление, препятствующее поступлению в насос новых порций смеси пара и газа. Кроме того, нз-за образования водомасляной эмульсин .< ••  ухудшается смазывание поверхностей трения, что приводит к их быстрому изнашиванию. Прн откачке легко растворимых в масле паров растворяется не только конденсат, но н пар. Прн этом пар и конденсат равномерно распределяются в масле основного резервуара и не оседают на дно, как это бывает при откачке водяных паров. При откачке газов н паров, реагирующих с маслами, образуются шлам, осадки и др.
Для паров наиболее эффективна от- качка с газобалластом; можно использовать прогреваемые насосы, наружную очистку масла. При откачке неагрессивных газов с незначительными примесями паров илн газов, взаимо- действующих с маслами или материалами деталей насоса, используют ловушки на стороне всасывании, а прн откачке паров или- газов, взаимодействующих с маслами и деталями насоса, следует использовать масла с соответствующими добавками.
Основы теории и расчета.
Быстроту действия определяют по 4 формуле (9.3). Геометрическая быстрота действия зависит от геометрических размеров и частоты вращения ротора ПРВН:
Прн г > 12 можно принять коэффициент С = 4л. Значения коэффициента С в зависимости от числа пластин прн относительном эксцентриситете в = e/R = 0,09 ... 0,15 приведены ниже:
а ....... 2	3	4	5
С...............9,9	11,3	11,8	12,1
г............... 6'	8	10	12
С..............12,2	12,3	12,4	12,5
Коэффициент откачкн А учитывает объемные потерн прн всасывании, обусловленные: перетеканием газа нз рабочих ячеек сжатия н нагнетания, в рабочие ячейки всасывания; натеканием в ячейки всасывания воздуха из атмосферы; дроссельными потерями на всасывании; подогревом газа прн всасывании; испарением рабочей жидкости в ячейках всасывания; переносом газа из защемленного объема в ячейки всасывания. Защемленный объем равен объему рабочей ячейки, которая в данный момент отошла от окна нагнетания. В защемленном объеме газ имеет такие же давление и температуру, как в линии нагнетания. Коэффициент откачки ПРВН А, = = ОДО ... 0,85.
Эффективная •' мощность на валу . ПРВН
= jVCHtА^тр> (9.32) где NC>K — мощность, затрачиваемая на сжатие н перенос газа; Л'мех— мощность,, теряемая в уплотнениях н подшипниках: <VTp— мощность, затрачиваемая на преодоление трения прн движении пластин в пазах ротор? н по цилиндрической расточке корпуса.
- Для ПРВН со смазочным материалом
5Г = zfmisxln = CReln, (9.31) где г — число пластин; fmax — максимальная площадь сечення рабочей ячейки, м2; I — цлнна пластины, м; п — частота вращения ротора, с-1; С — коэффициент, учитывающий влияние числа ‘ пластин; R — радиус цилиндрической расточки корпуса, м; е — эксцентриситет (расстояние между осью ' цилиндрической расточки корпуса н осью ротора), м.
ь
N CHt ~ 1	1 х
k-i
(9.33)
।
где k — показатель адиабаты отка,ч,у ваемого газа (для воздуха k == 1»4,£ р, рн — давление соответственно вса-
сывания н нагнетания.
Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы	253
Для маслозаполненных ПРВН
Меж = KifpS-------г X
• — * 
nj— 1
Me пТ = In (рн/рП1п (Рн/Р)-— In (Та/Т)\~1 — условный показатель политропы сжатия; Тв, Т — температура газа соответственно на нагнетании и всасывании; — эмпирический коэффициент (можцо принять Кдг — 1,18),
Как показывают эксперименталь? ные и практические данные, мощность, затрачиваемая иа преодоление трения в уплотнениях и подшипниках, не превышает 1,5 ... 2,0% мощно-, сти Ne.
При движении пластины в пазах ротора и по цилиндрической расточке корпуса силы трения возникают от действия внешних сил: сил инерции и сил перепада давлений, действующих на пластину. Массовыми силами в расчетах обычно пренебрегают из-за их малости. Мощность, затрачиваемая на тпение,
WTp = Wn. и + Nn. и +
-|- Мц. Др Мп. др, (9.35) где Мд. и и Мп. и— мощности, затрачиваемые на преодоление трения соответственно при движении пластины по цилиндрической расточке корпуса и в пазу ротора при действии на пластину только сил инерции;
Др, Мп др — то же, при действии на пластину сил от перепада давлений.
Для машин с радиальными и наклонными (при ф</ 15°) пластинами:
Мц. и = 2л/тг<й2/?2гр.ц/г х
Х|1 — 0,5/i/T? ф-2е2//?2]; (9.36) ^п. и = 8лт(о2/?ггЦцрр [ 1 — 0,5Л//? -J-+ 2е2//?г] (1 -|-e//i)/(l — е/й); (9.37)
Мц. Др = ЦрРц/е/?рпй0-528 X xl0i,24e/h+!,4 ig^yp); (9.38) Nп. Др ~ juipZ^praA0’291 X
X (О1.П5е/Д+1,325 Jg (рн/д)( (9.39)
где m — масса пластин, кг; ы = = 2лге — угловая скорость ротора, рад/с; н цр коэффициенты трения пластины соответственно по цилиндрической расточке корпуса и в пазу; h — высота пластины, м.
Для насосов маслозаполненных -и насосов со смазочным материалом, имеющих чугунные корпус и ротор и стальные пластины, = 0.06 ... 0.08; Цр—0,21; если пластины выполнены из асботекстолнта (Тн = = 398 ... 433 К), то Цц = р.д = 0,08 ... 0,09.
Для маслозаполиенных . насосов с пластинами из асботекстолита: прн использовании вязких масел
|хц -. рр = 0,103 (1g шг0-461;
при использовании масел с малой вязкостью
Цц = Ир = 0,0945 (1g®)-"0-461, где ш — средняя скорость скольжения пластин по цилиндру, м/с.
Методика расчета геометрических размеров .состоит в следующем. Задавшись коэффициентом откачки X, из уравнения (9.3) определяют Sr и из уравнения (9.31) определяют R по формуле
7? = V2nSr/(CeJt6), (9.40) где I = Z/7? = 3,5 ...5,0 — относительная длина ротора
Среднюю скорость скольжения пластин по цилиндру принимают, исходя из требования обеспечения заданного срока службы пластин: для стальных пластин w = 12... 13м/с, для асбо-текстолитовых — w = 15 ... 18 м/с.
Определив радиус 7? по формуле (9.40), его округляют до ближайшего значения из ряда нормальных линейных размеров по ГОСТ 6636—69 (СТ СЭВ 514—87) и определяют частоту вращения ротора 
и = ®/(2л/?).	'	(9.41)
По полученной частоте вращения ротора подбирают асинхронный двигатель; при этом мощность определяют, задавшись изотермическим КПД риз = 0,25 ... 0,60, Эффективная мощность
N е — //из/т)нз, гДе Агиз = pSrln (рн/р) — изотермическая мощность сжатия.
254
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Затем определяют эксцентриситет е — bR, длину ротора по формуле (9.31), радиус ротора r = R — е, высоту пластины h = (3,5 ... 4,0) е, глубину паза hn — h + (0,5 ... 1,0) X X 10-s. Рассчитывают мощность, затрачиваемую на сжатие, по формулам (9.33) и (9.34), мощность на трение пластин по формуле (9.35), эффективную мощность по формуле (9.32), приняв = (0,010 ... 0,015) Ne.
Угол закрытия всасывающего окна (см. рис. 9.43, а) принимают: 8, = (0,6 ... 1,0) ₽, где р — угол между «двумя соседними пластинами.
Угол 62 открытия нагнетательного окна определяют, исходя из условия обеспечения заданного' отношения давлений о в вакуумном насосе, под которым понимают отношение давления рг в рабочей ячейке, расположенной непосредственно перед нагнетательным окном, к давлению pj в рабочей ячейке, в данный момент отсоединенной от всасывающего окна. Для ПРВН с достаточной точностью давление pj можно принять равным давлению всасывания р, а давление р2 — равным барометрическому при т = = рн/р < 3 и р2 = (3,0 ... 4,5) р при т > 3 (р2 = 4,5р при т = 8 ... 9).
Предположив, что в рабочей ячейке сжимается постоянное количество газа, отношение давления ря в текущей ячейке к давлению всасывания р для маслозаполненных машин можно определить по формуле
Ря/Р =
₽ 4-2 sin (0,50) 4-,4- 0,5esinP//? — 0,5еР//? Р 4- 2 sin (0,50) cos <р 4-4- 0,5е sin Р cos (2<p)/7? —
~-0,5eP/R
Пр
(9.42)
Для машин со смазочным материалом и бе? него пт = k. Отношение давлений ря/р = а, когда рабочая ячейка поворачивается иа угол <р = = <рк. Тогда
cos <рк == —О.бГ ± "l/o>25f — £,
(9.43)
где F = 2R sin (0.5Р)/(е sin Р); Е = = MR/(e sin Р) (Af = Р — 0,5ep/R— _
- 1
— 0,5е sin 0/7? — Alo т; А = р 4.
4- 2sin (0,50) 4- 0,5е sin $/R — О,5е0//?; 0 = 2л/г]. Угол 62 == ак 4- 0,50, где cos ак = cos <р„ — (е sin2 <рк)//?.
Угол закрытия нагнетательного окна 8S предпочтительно принимать равным 0,50, так как в этом случае защемленный объем минимален. Однако нз-за перетекания газа через радиальный зазор между цилиндрической расточкой корпуса и ротором S3 увеличивают до Р, а угол 64 принимают в пределах (1,5... 2,5) Р при числе пластин г > 10; при г 10 принимают 63+64= (1,0 ...2,5)0.
Геометрическая быстрота действия насосов маслозалолненного типа:
пластинчато-роторных
s,=д+4 4sin +
(9.44)
пластинчато-статорных
Sr = л/?2 [1 — (г//?)2] In, (9.45)
где R — радиус цилиндрической расточки корпуса насоса, м; е — эксцентриситет, м; z — число пластин; I — длина ротора, м; b — толщина пластин, м; п — частота вращения вала насоса, с-1; г — радиус ротора, м.
Коэффициент откачки Л оценивает потери объемного потока газа на стороне всасывания вследствие расширения газа из мертвого объема, дросселирования в линии всасывания, перетеканий между рабочими ячейками, натеканий извне и подогрева газа в процессе всасывания. Коэффициент откачки пластинчато-роторных насосов с масляным уплотнением практически постоянен до давления всасывания 0,133 Па, а затем падает до нули при предельном остаточном давлении всасывания.
При расчете вакуумных насосов принимают коэффициент откачки = 0,70... 0,85 и из формулы GWj определяют геометрическую быстрот» действия. Затем задаются относительными параметрами: эксцентриситет0
Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы
255
Таблица 9.10
Параметр	Значение параметра для насоса			
	РВН-6М	РВН-6ИМ	РВН-25	РВН-50
быстрота действия при давлении	всасывания 13 кПа, м3/с	0,11	0,11	0,42	0,833
Потребляемая мощность при давлении всасывания 13 кПа, кВт	9,2	9,2	28,75	60,0
Расход масла, кг/ч Расход охлаждающей воды 0-10, м»/с	0,15	0,15	0,25	0,30
	0,83	0,83 .	1,8	3,6
ДВИ! а 1сЛЬ • ТИП	4A160S4Y3			A3-315S-10	AO3-355S-12
мощность, кВт	15	—	55	75
частота вращения, с-1	25	24,17 *!	10	8,33
напряжение, В	380	—	380	380
Габаритные размеры, мм	1500Х X 740х 700	850х770Х< Х510 *«	2250X X 1000Х X 1100	зооох X 1200Х X 1500
Масса, кг	523	- 298	2200	4500
*! Частота вращения вала иасоса.-
*• Габаритные размеры иасоса.
Примечание. Для указанных насосов давление всасывания 40 ...
10 кПа.
elR — 0,1 ... 0,3; длиной ротора в ступени UR = 1,5... 3,5; отноше-
нием толщины пластины к радиусу расточки корпуса blR = 0,02... 0,1 Для металлических пластин, b!R С 0,25 для неметаллических пластин, обычно асботекстолитовых (для ко-'
торых толщина пластин Ь = 5 ... 6 мм); отношением радиуса ротора к радиусу расточки корпуса r/R =
0,7 ... 0.9. Частоту врашения ро-1?Ра принимают п= 8.3... 46,7 с-1.. При этом максимальная скорость скольжения пластин в пластинчато-
Риорных насосах итах = 2л (/?-)-? О п < 16 м/с. Частота вращения Ротора в насосах ограничена повышенным износом движущихся элементов (пластин, эксцентрика и дру-Тел детале^)- После выбора отиоси-и щНЫХ параметров по формулам (9.44) on' -45) для соответствующего насоса и Ределяют радиус расточки корпуса остальные размеры иасоса.
Максимальная эффективная мощность при давлении всасывания р = = 26,7 ...40,0 кПа
= Л(из/т), (9.46)
где 1). — условный изотермический КПД, характеризующий термодинамическое совершенство рабочего процесса, газодинамические н механические потерн (для пластинчатороторных вакуумных иасосов ц = = 0,30 ... 0.65; для пластинчато-статорных — г] = 0.40 ... 0,55).
Конструкции и характеристики вакуумных насосов. Характеристики ро‘ тационных вакуумных насосов приведены в табл. 9.10. Условное обозначение: Р — ротационный, ВН — вакуумный насос, цифры после тире — номинальная быстрота действия, м3/мнн, буквы И после цифры — насос используют в передвижных установках с приводом от двигателя ходовой части, М — насос модернизирован.
256
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Ротор 2 вакуумного насоса (рнс. 9.46) эксцентрично расположен в цилиндрической расточке корпуса 1 и вращается в роликовых подшипниках 6, которые выполнены разборными для облегчения сборки насоса. Внутренние кольца подшипников имеют бурт, в который упираются ролики; это ограничивает осевое перемещение ротора и исключает контакт ротора
и торцовых крышек. Наружные кольца подшипников смонтированы в торцовых крышках 5, внутренние — на валу ротора. Подшипники закреплены иа валу гайкой 8 и шайбой 10. В продольных пазах ротора размещены пластаны 3. Для уменьшения перетекания газа через торцовые зазоры 62 и 62 установлено уплотнительное кольцо 4. Механическое уплотнение торцового
Таблица 9.11
Параметр	Значение параметра для насоса		
	2НВР-5ДМ	НВР-16Д	ЗНВР-1Д
Быстрота действия в диапазоне давле-	0,005	0,0176	0,001
ний на входе от атмосферного до 0,26 кПа, м8/с Предельное остаточное давление прн использовании масла ВМ-1 илн ВМ-5, кПа: парциальное без газобалласта полное с. газобалластом полное без газобалласта Мощность двигателя, кВт Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более	1,3-Ю-» 2,6-10“* 6,7-10"* 0,55 550Х 170Х Х280 27	6,7-Ю"» 1,7 790Х 265Х Х415 72	1,06-Ю” 0,25 320Х 130Х Х200 9,5
Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы
257
1500
Рис. ».47. Насос РВН-в
® П/рВ. С, Фролова
258
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.12
Параметр	Способ определения	Результат
( Быстрота действия S, м*/с		0.1
Давление всасывания р, кПа		40
Температура воздуха на ^всасывании Г, К	Неводные данные	293
Давление нагнетания рн, кПа		101,3
Температура нагнетания TR, К		363
Угол наклона пластин ф, °	Принимают	12
Отношение давления нагнетания к дав* леи ню всасывания т	’ = Р^Р	2,53
Коэффициент откачки к	Принимают	0,5
Геометрическая быстрота действии Sr, м*/с	Sp ==“ S/X	0,2
Относительный эксцентриситет е		0,13
Относительная длина ротора 1		4
Окружная скорость конца пластины (0, м/с	Принимают	18
Число пластин г	•	6
Коэффициент С		12,2
Расчетный радиус расточки корпуса	Формула (9.40)	0,1048
Яр. И	•	
Радиус расточки корпуса Rr м	Принимают	.	0,11
Расчетная частота вращения вала ро-тора Пр, с”1	Пр = w/(2nR)	26,06.
Частота вращения вала ротора п, ,с~3	Принимают	25
Окружная скорость конца пластины wt м/с	w = 2иДп	1	17,27
Расчетный эксцентриситет «р, м	ер =еЛ	. 0,0143
Эксцентриситет е, м	Принимают	.	0,015
Радиус ротора г, м	г = R е 	0,095
Высота пластины h, м	h — 4е	0,06
Глубина паза в роторе Лп, м	Ап —- Л + 0,001	0,061
Расчетная длина ротора 1^» м	lp = Sr/(CRen)	0,3974
Длина ротора м	Принимают	0.40
Угол между пластинами °	Р = 360/z	60
Угол закрытия всасывающего окна °	Принимают	50
Условный показатель политропы ежа»	пт = (,п (₽н/р)1 х	1,3
ТИЯ Пр	* [(1п (₽н/Р) -	(Тп/Т)]-'	0,079075
Косинус угла сжатия <ри	Формула (9.43)	
Косинус угла аи	cos аи = cos фке sin* Фи/Я	—0,065'74
У ГОЛ. ССК* °	—	93.2°
Расчетный угол открытия нагнетательного окна бар, °	йгр = «к + 0,5₽	123,2
Угол открытия нагнетательного окна Л °	' z	J 20
Угол закрытия нагнетательного окна 68, °	Принимают	зо,
Угол открытия всасывающего окна 6<f °		90
Коэффициент		1.18
Мощность, затрачиваемая на сжатие н перенос газа WCH<. кВт г	Формула (9.34)	4,89 0,093
Коэффициент трения пластины по расточке корпуса	н в пазу ротора Цр	Цц = Цр = 0,103 1g	
			 	
Плрнясерныс насосы
259
Продолжение табл. 9.12
Параметр 1	Способ определения	Результат
Плотность материала пластины р, кг/м’	Исходные данные	1400
Толщина пластины s, м	Принимают	0,005
Масса пластины т, кг	m « pft/s	0,168
Составляющие мощности трения, кВт:		
и	Формула (9.36)	3,55
	Формула (9.37)	0.091
др	Формула (9.38)	0,14
Др	i	Формула (9.39)	0,0062
А'тр	Формула (9.35)	3,59
Мощность на валу вакуумного насо-	Ne - Ne* + *тр + °-02"в	8,65
са Ие. кВт .		
типа размещено в крышке 7 и предотвращает подсос воздуха в вакуумный насос. Насос имеет водяное охлаждение. Вода подается в полости Ь в корпусе и торцовых крышках. Обычно ПРВН непосредственно соединяют с двигателем через упругую муфту 9.
Из защемленного объема в первую ячейку сжатия перепуск газа проис
ходит через отверстия а в торцовых крышках и нижней части цилиндра и через канал б в корпусе насоса. Во время работы ПРВН смазочный
материал подается плунжерным иасосом 1 (рис. 9.47). Перед пуском ПРВН после монтажа или длительного
перерыва в работе в камеры подшипников заливают вручную 200 ... 300 г масла через специальные отверстия (см. рис. 9.46) в крышках 7 и 12.. После заливки масла эти отверстия закрывают пробками 11. Затем в ПРВН подают масло из масляного насоса,
Для чего вручную проворачивают его РУКОЯТКУ.
Характеристики пластиичато-ро-торных вакуумных иасосов с масля-ным уплотнением приведены ® табл. 9.11. Условное обозначение
®акуумных иасосов: Н — насос,, ° — вакуумный, Р — ротационный, №фра перед буквами — номер модификации, цифра после букв — быстрота Дииствия, дм®/с, буквы после цифры — ^ — двухступенчатый, М — модернизованный.
стпДРЯмер Расчета. Исходные данные: бывай а ДаНстаия S = 0,1 м’/с прн давле-всасыванин р = 40 кПа н давлении 9»
нагнетания рв -= 101,3 кПа; откачиваемый газ — воздух, Т = 293 К: вакуумный насос — маслозаполненный; температура воздуха на выходе нз вакуумного насоса 7"н = 363 К; материал пластин — асботекстолнт.
Определить геометрические размеры в мощность ПРВН.
Данные расчета сведены в табл. 9.12
9.5. Плунжерные насосы
Плунжерные вакуумные насосы предназначены для обеспечения н поддержания в замкнутом герметичном объеме низкого и среднего вакуума; диапазон давлений откачиваемой среды для одноступенчатого варианта составляет 2-10*...6,7 Па, для двухступенчатого — 2.10* ... 1,1-10-® Па. Быстрота действия насосов 1 ... 500 дм®/с.
В герметичном корпусе 1 одноступенчатого плунжерного насоса (рис. 9.48) расположен ротор 2, который получает движение от эксцентрика 3, установленного на валу 4. Ротор совершает поступательно-вращательное перемещение, причем его плоский участок движется в цилиндрических направляющих 5, вращающихся вокруг оси.
При вращении ротора в определенные моменты времени зона всасывания насоса через всасывающее окно в пластине сообщается с рабочей полостью и последняя заполняется откачиваемым газом. Всасывание заканчивается при разъединении указанных полостей, при этом ротор совершает практически
260
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рве. 8.48. Коаструктиаиая схема плун* верного насоса
полный оборот. Во время следующего оборота замкнутый объем, занимаемый откачиваемым газом нлн парогазовой смесью, уменьшается, происходит сжатие до некоторого давления, при котором открывается выпускной клапан 6, н газ нагнетается через маслоотделитель в атмосферу. Таким образом, полный цикл работы плунжерного вакуумного насоса совершается еа два оборота вала.
Для рассматриваемого насоса характерны значительная надежность, сравнительно высокая быстрота действия, малый износ поверхностей ротора и корпуса насоса (вследствие бесконтактного скольжения ротора в цилиндре). Вакуумное масло, заполняя зазоры между движущимися частями, препятствует перетеканию газа через них. Размещение выпускного клапана в масляной ванне также повышает его герметичность. Однако наличие масла в вакуумной полости насоса увеличивает предельное остаточное давление из-за выделения растворенных газов и наличия различных примесей. К недостаткам такой конструкции насоса следует отнести также значительную неуравновешенность движущихся масс.
Особенность конструкции плунжерного вакуумного насоса НВЗ-500 (рис. 9.49) состоит в наличии двух роторов, эксцентрики которых, смещенные один относительно другого
на 180°, расположены на общем валу Образуемые ими рабочие полости под. соединены к всасывающему патрубку Такая конструкция насоса характер ризуется высокой удельной быстротой действия, равномерностью откачки и несколько сниженной неуравно. вешенностью движущихся масс.
Насос 3 (рис. 9.50) установки НВЗ-500 с вакуумным клапаном 4 и дозаторным устройством 6 уставов-лен на плите 1, укрепленной на фунда-менте. На плите размещены также электродвигатель 2 и масляный бак 5. Предусмотрено специальное устройство для смещения электродвигателя на плите с целью регулирования натяжения ремней, клиноременной передачи.	I
Основные параметры агрегатов типа НВЗ и АВЗ (рис. 9.51), выпускаемых отечественной промышленностью на базе плунжерных вакуумных насосов, приведены в табл. 9.13, откачные характеристики — на рис. 9.52.
Определение основных размеров. Теоретическая быстрота действия, м’/с,
Sr = nVK,
где п — частота вращения вала, с-1;
= FKl — объем рабочей камеры насоса при отсоединении от всасывающего патрубка, м3 (FK — площадь поперечного сечения камеры при соответствующем положении ротора, I — длина камеры).
Объем рабочей камеры плунжерных насосов
Ув = л/?2 |1 - (г//?)2] /,
где R — радиус цилиндрической расточки корпуса насоса; г — радиус ротора.
Теоретическая быстрота действия,
8Г== л/?2 |1 - (r/R)2] In.
Соотношение между действительной быстротой действия S (с учетом потерь производительности иа всасывании) и теоретической 8Г оценивают коэф фициентом откачки Х= S/Sr.
Типичная зависимость коэффициента откачки 1 от давления всасывания Р (рис. 9.53) показывает, что при возрастании р коэффициент 1 увеличивается, а затем практически не изме-
ПлуноЛерньи насасы
261
00Й1
Рис. 9.49. Плунжерный вакуумный иасос НВЗ-500: корпус; 1 — гаэобалластное устройство; 3 — клапан; 4 — шкив; 5 — эксцентрик; в— мл: 1 — колот ив к; в — пластина тора; 9 — ротор
262
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.13
	Значения		параметра для насоса			
Параметр	нвз-зоо	НВЗ-500		АВЗ-20Д		АВЗ-вЗД
Быстрота действия S-103, м^с, пря р > 0,26 кПа Предельное остаточное давление, Па: парциальное без газобалласта полное без газобалласта полное с газобалластом Объем масла, заливаемого в насос, дм3 Расход воды в рубашке охлаждения при температуре ниже 293 К, м3/ч Мощность электродвигателя, кВт Число ступеней Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более	380  1.0 6,7 4-Ю2 120 5 37 1 1895Х X 1510Х X 1720 2200	560 1,0 - 6,7 4-10* 150 6 55 1 2765 X X 1760Х X 1330 4000		20 1,3-Ю-2 1,1 6,7 . 3,5 2,2 2 650Х Х400Х Х665 175		63 6,7-10“» 6,710-т 6,7 10 0,6 7,5 2 юоох X 575 X /X 1040 580
Параметр	Значения		параметра для			насоса
	АВЗ-90		АВЗ-125Д			АВЗ-180
Быстрота действия S-103, м3/с, при р > 0,26 кПа Предельное остаточное давление, Па: парциальное без газобалласта полное без газобалласта полное с газобалластом Объем масла, заливаемого в насос, дм3 Расход воды в рубашке охлаждения при температуре ниже 293 К, м3/ч Мощность электродвигателя, кВт ' Число ступеней Габаритные размеры, мм Масса, кг, не более	90 6,7-10 ’» 6,7 4-Ю2 14 0,6 11 1 1000Х X 575 X 1040 580		125 6,7-Ю-3 6,7-10"1 6,7 . ' 20 1,25 15 2 1070Х X 875X1055 920		180 6,7- Ю"1 6,7 4-10s '	28 1,3  ' 15 1 107ОХ г, X 875X 1055 870	
Примечания: 1. Для насосов типа НВЗ и АВЗ частота враШенИ* ротора соответственно 16,7 и 25 с"1. 2. Для агрегата АВЗ-20Д охлажден*^ воздушное.
Плунжерные насосы
263
Рис. (.50. Вакуумная установка с насосом НВЗ-500
Няется. Обычно X = const и S = S, при р у> 0,13 ... 0,26 кПа (где SH — поминальное значение Действительной быстроты действия).
Максимальные значения коэффициента откачки для вакуумных насосов с масляным уплотнениемХтах— 0,70 ... 0,85 [14]; такими, значениями слезет задаваться при определении основных размеров насосов. Методика Расчета состоит в следующем. Выбрав оэффнциент откачки в указан-°м диапазоне, определяют теорети-ескУЮ быстроту действия Sr при за
данном значении S. Частоту вращения ротора вакуумных насосов с масляным уплотнением выбирают в интервале п - 8,3 ... 46,7 с-1 (для обеспечения надежности их работы).
'Задаются значениями относительных параметров: отношением радиуса ротора к радиусу цилиндра r/R = 0,7 ... 0,9, относительным эксцентриситетом e/R — 0,1 ... 0,3 (интервалы изменения параметров позволяют уменьшить габаритные размеры насоса при достаточной степени уравновешенности движущихся элемеи-
Плунолерные насоси
265
тоа), относительной длиной ротора в ступени 1/R — 1,5... 3,5. По выбранным значениям относительных параметров н рассчитанной теоретической быстроте действия насоса определяют радиус цилиндра R, а затем остальные основные размеры насоса: е, г и I-
Эффективную мощность на валу насоса определяют при его работе в режиме максимальной мощности. Мощность Ne зависит от давления всасывания р; обычно максимальные значения Ne соответствуют р = 26,7 ... 40,0 кПа.
Эффективная мощность, Вт,
Ne = (р5г/т]) 1п (Рн/р), где г] — условный полный изотермический КПД; рн — давление нагнетания.
Л = ЧиаЛперЛмех»
где т]ия — изотермический КПД, характеризующий степень термодинамического совершенства рабочего процесса; т]Пер — коэффициент, учитывающий влияние перетеканий; Чмех — коэффициент, учитывающий механические потери мощности на тренне (для плунжерных вакуумных насосов г] —- 0,40 ... 0,55 [14]).
Газобалластные плунжерные насосы. При откачке сред со значительным содержанием парогазовых смесей в процессе сжатия во внутренней полости насоса может образовываться конденсат, который, смешиваясь с ра-г бочим маслом, резко’ ухудшает его характеристики. В результате значительно повышается предельное остаточное давление р0. Кроме того, при образовании конденсата из парогазовой смеси (по мере достижения в камере насоса давления насыщения Дара Рнас при его температуре, практически равной температуре поверхности цилиндра) давление в рабочей полости практически не меняется, поэтому выпускной клапан не открывает- ся до тех пор, пока масса скопившегося конденсата не будет достаточна для срабатывания клапана вследствие гиДравлнческого удара о запорный элемент.
Пар в рабочей камере конденсируется,  когда отношение давлений ПаРа, необходимое для конденсаций
Рис, 9.52. Откачные характеристики насосов типа НВЗ и АВЗ:
/ — НВЗ-500;	2 -- HB3-300;	3 -
АВЗ-180;	4 - АВЗ-90;	5 - АВЗ-125Д,
6 - АВЗ-63Д; 7 - АВЗ-20Д ,
при рабочей температуре внутренней поверхности камеры насоса, меньше максимального отношения давлении газа, прн котором срабатывает выпускной клапан. Работу вакуумных насосов с масляным уплотнением прн откачке конденсирующихся паров можно обеспечить методом выделения конденсата из масла и удаления его нз вакуумной полости, а также' методом, основанным на предотвращении конденсации в процессе сжатия. Применение первого метода ограничено существенным усложнением конструкции насоса, поэтому в вакуумной технике в основном используют второй метод. Для исключения образования конденсата парогазовую смесь подо-
Рис. 9.53. Типовые откачные характеристики плунжерных вакуумных и ас О сов
266
механические вакуумные насосы
Рве. 8.54. Дозаторное устройства насоса НВЗ-590	'
>
гревают, чтобы повысить давление» до значения, при котором срабатывает выпускной клапан, либо в процессе работы напускают некоторое количество газа (газовый балласт) во внутреннюю полость насоса для достижения необходимого давления нагнетания (до момента образования кон-, денсата). Последний способ наиболее практичен и нашел' применение в газобалластных плунжерных насосах.
 .Считая процесс сжатия в рабочей камере изотермическим, условие предотвращения конденсации можно выразить зависимостью [251
Qg Spa (рф/рцас 1
где Qg — поток газового балласта, Па-м®/с; S — быстрота действия газобалластного насоса, mVc; рф — форвакуумное давление, при котором происходит выпуск парогазовой смесн из насоса, Па; рнас — давление насыщенных паров при рабочей температуре внутренней поверхности камеры насоса, Па; рг — парциальное давление некоиденснрующегося газа в смеси -на входе в камеру, Па; рп — парциальное давление пара в смеси на всасывании, Па.
Если в парогазовой смеси преобла- . дают пары (рг < рп), то’
Qp Spn (Рф/Рнас — О-
Если температуры смеси на входе в насос и на поверхности цилиндра различаются и температура смеси в процессе сжатия изменяется до мо
мента состояния насыщенного пара, то
Об >5(7’К/Т) Рп (Рф/рнас—1—Pvlpn}, где Тк — температура _ Внутренней поверхности рабочей камеры насоса; Т — температура парогазовой смеси На входе в насос.
Расхождение значений потоков Qe, найденных без учета и с учетом изменения температуры смеси, в широком диапазоне давлений не превышает .10 ... 15%.
Для напуска газа в конструкции газобалластных насосов предусмотрены специальные дозаторные устройства (рис. 9.54), позволяющие регулировать поток газового балласта для улучшения эксплуатационных характеристии насоса. Эти устройства размещают в непосредственной близости от выпускного клапана, что позволяет эффективно улучшать откачную характеристику насоса. Прн открытии клапана, связанного с дозаторным уст-, ройством, газ попадает в насос, проходя через трубопровод 2 и отжимая тарелку в клапане 1 устройства. Потои регулируется системой кла'панов, установленных на коллекторе. В случае прекращения подачн газа пружина тарельчатого клапана прижимает тарелку к седлу, обеспечивая герметичность рабочей камеры насоса. Для герметизации трубопровода предназначен уплотнитель 4, расположенный во фланце 3. Фланец зажимается гайкой 5.
Работа вакуумного насоса с открытым дозаторным устройством приводит к увеличению создаваемого прн этом предельного остаточного давления (для двухступенчатых насосов в 4 10 раз, для одноступенчатых — примерно в 60 раз), а также затрачиваемой мощности (особенно при сравнительно малых давлениях всасывания). При отключении дозаторного устройства откачные характеристики достаточна быстро восстанавливаются вследствие удаления конденсата, образовавшегося до напуска газобалласта, и очйстки рабочего масла от растворен" ных в нем газовых примесей. ДлЯ снижения давления всасывания целесообразно также использовать газо-балластные устройства при откачке
Плунксерные насосы
267
Таблица 9.14
Показатель	Значение показателя для рабочей жидкости			
	ВМ-4	ВМ-6	РЖМ-130	Алкарен-35
Плотность при Т — 293 К, кг/м3, не бблее Вязкость кинематическая v-10®, м’/с, при Т, К:	870	870	1900	940
293	—	220	25 ... 35	90 ... 110
323	47 ... 57	<40	—	—
373 н выше Температура, К:	8 ... И	8	—	—
вспышки в открытом тигле	479 ... 486	—	%. —	483 ... 493
застывания	259			223	253
Давление насыщенных пэров рнас' ]°5 ПРИ Т — 293 К, Па, не более	65 ... 130	0,13 ... 4,0	40	50
газов, не конденсирующихся при рабочих условиях в насосе, но способных растворяться в рабочем масле.
Различная степень влияния газового балласта на предельное остаточное давление в одно- и двухступенчатых насосах обусловлена тем, что в двухступенчатых насосах дозаторные устройства размещены только в выходной ступени, и общее отношение давлений в них изменяется несущественно.
Рабочие жидкости для плунжерных вакуумных насосов. Применение рабочих жидкостей в вакуумных насосах с масляным уплотнением обусловлено необходимостью увеличения степени герметичности рабочих камер, уменьшения потерь производительности нз-за влияния мертвого объема н потерь мощности на трение, снижения температуры пар трения н, следовательно, интенсивности их изнашйва-ния. Однако наличие рабочей жидкости в камере насоса отрицательно влияет На его откачные характеристики и пРежде всего на предельное остаточное ®авление, В связи с этим в качестве Рабочих жидкостей применяют специальные вакуумные масла, к которым Редъявляют следующие требования: Равнительно низкое давление насыщенного 'пара при рабочей температуре
во внутренней полости насоса; достаточная вязкость, обеспечивающая сравнительно равномерное покрытие поверхности прн длительной работе насоса в соответствующих температурных режимах; малая склонность к окислению; достаточная термическая стойкость; малая пенистость и токсичность; отсутствие химического взаимодействия с конструкционными материалами насоса.
С учетом этих требований разработаны н освоены отечественной промышленностью минеральные вакуумные масла ВМ-1, ВМ-5, рекомендованные в качестве рабочих жидкостей. Для плунжерных вакуумных насосов, кроме того, применяют масла ВМ-4 и ВМ-6. Прн использовании в механических насосах вакуумных масел ВМ-4, ВМ-6 и ВНИИ НП ВС-1 допускается уменьшение быстроты действия насоса на 10%, увеличение удельной мощности на 10% и рост предельного остаточного давления на 300% по сравнению с требуемыми значениями соответствующих параметров.
Минеральные вакуумные масла марок ВМ-4 и ВМ-6 (ОСТ 38 01402— 86) — жидкости без запаха, которые получают из машинных масел вакуумной очисткой от легко- и тяжелокнпя-щих фракций. Основные характерн-
268
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
стики этих масел приведены в табл. 9.14, где указаны также соответствующие данные синтетических жидкостей РЖМ-130 (ТУ 6-02-3-354—87) и Алка-рен-35 (ТУ 6-01-26-54—85), разработанных и освоенных в опытном производстве, которые также можно применять в механических насосах 16].
Вакуумные масла ВМ-4 и ВМ-6 неоднородны по составу и при значительном повышении температуры могут разлагаться на фракции, в результате чего их характеристики ухудшаются. РЖМ-130 — рабочая жидкость, отличающаяся сравнительно высокой стойкостью к воздействию кислорода и газовых смесей с содержанием хлоридов и фторидов: поэтому РЖМ можно использовать в иасосах при откачке агрессивных газов и паров
Рекомендуемые для вакуумных насосов масла ВМ-1 и ВМ-5 имеют более низкие давления насыщенных паров (при Т ~ 293 К на два-три порядка меньше соответствующих значений для масел ВМ-4 и ВМ-6), что позволяет снизить достигаемое предельное остаточное давление. Однако эти масла имеют меиьшую стойкость к окисле- > иию, что существенно ограничивает их применение в вакуумных насосах с масляным уплотнением.
9.6. Турбомолекулярные иасосы
Турбомолекулярные вакуумные насосы (ТМН) широко применяют для откачки газов в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.
По сравнению с другими высоковакуумными средствами откачки ТМН обладают следующими преимуг ществами: удаляют газ из сосуда, а не сорбируют его иа рабочих органах, как. -крионасосы, электрофизические насосы различного типа, адсорбционные насосы; не загрязняют среду откачиваемого сосуда парами углеводородов или другими рабочими веществами, как диффузионные насосы, насосы с распылением титана и др.; имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем.
Эти преимущества ТМН определяют области их применения: создание и поддержание остаточного давления в пределах 10-7 ... 10-10 Па прн откачке сосудов, для которых недопустимо загрязнение сред парами углеводородов и другими рабочилгн веществами; откачка неконденснрующихся газов (ZZ2, Не, Ne) в высоковакуумных системах.
Конструктивная схема двухпоточ-иого ТМН, предложенного Беккером, приведена на рис. 9.55, а. В корпусе 2 с неподвижными статорными дисками 4 вращается ротор 1, представляющий собой вал с рабочими колесами 3. Последние выполняют либо в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами, либо в виде лопаточных колес (лопатки устанавливают под определенным углом к торцовой поверхности втулки). В первом случае в статорных колесах пазы располагают зеркально по отношению к пазам роторных колес (рис. 9.55, б). Во втором случае статорные колеса изготовляют с лопатками, установленными зеркально по отношению к лопаткам рабочего колеса под тем же углом. Для удобства монтажа статорные колеса обычно выполняют разрезными по диаметру.
Ротор насоса установлен иа подшипниках качения. Всасывающий патрубок расположен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса иасоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединен форвакуумный насос.
Распространены ТМН с вертикальным расположением вала (рис. 9.55, в), в которых уменьшено сопротивление на всасывании. В этом случае иногда для установки ротора используют магнитную подвеску или газовые подшипники.
Насос приводится от электродвигателя через мультипликатор либо от высокочастотного электродвигателя, О которого расположен на валу
.
ТМН работают последовательно с форвакуумными насосами, созда>°-щими предельное остаточное давлений как правило, 1,0 ... 10“’ Па. ДлЯ исключения возможности проиикнов •
Турбомолекулярные нЬеоеы
269
Рис. в.55. Конструктивные схемы ТМН
ния паров углеводородов из рабочйх полостей форвакуумных насосов в полость ТМН, что особенно вероятно при остановке агрегата, целесообразнее создание высоковакуумных механических иасосов с комбинированной проточной частью на основе ТМН (рис. 9.55. г). В этом случае в качестве форвакуумных можно использовать молекулярные ступени 5 в сочетании с вихревыми или динамического действия [49]. Систему сопл ступени Динамического действия образуют рабочий вращающийся диск 6 н спрофилированные статорные элементы 7.
' Технические характеристики турбо-молекулярных вакуумных насосов фие. 9.56, 9.57), выпускаемых отечественной промышленностью, приведены в табл. 9.15.
В ТМН допускаются сравнительно солыпие осевые и радиальные за-— до 1,0 ... 2,5 мм в зависимости 01 размеров рабочих колес.
Данные масс-спектрометрических вЗМерений парциальных давлений откачиваемом сосуде и эксперимен-ЗДьные данные, полученные при стен-уЛЫх испытаниях ТМН и в реальных Товиях иа откачных постах, сви
детельствуют о высоких эксплуатационных характеристиках ТМН и, в частности, обеспечении безмасляной откачки. При эксплуатации ТМН, особенно при остановке и последующем пуске, для обеспечения чистоты вакуума необходимо соблюдать некоторые меры, заключающиеся в предотвращении проникновения паров углеводородов через остановленный насос в откачиваемый сосуд. Миграцию паров масла форвакуумного насоса удается предотвратить напуском во всасывающую полость ТМН осушенного воздуха. Через несколько минут после включения, когда вращающийся ротор насоса препятствует проникновению паров углеводородов во всасывающую полость насоса, открывается клапан, установленный на трубопроводе, соединяющем форвакуумный иасос с ТМН. После достижения номинальной частоты вращения ротора всасывающая полость насоса соединяется с откачиваемым объемом.
Обслуживание ТМН состоит в периодической замене подшипников, элементов передачи вращения и уплотнения вала. Ресурс ТМН определяется ресурсом подшипников, который со-
270
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ »
Рнс. fr.se. Насос ТМН-600
ставляет (в зависимости от материала и формы сепараторов, класса точности их изготовления и конструктивного исполнения насоса в целом) от 10 до 30 тыс. ч и более.
Теория ТМН. Откачная характеристика (зависимость быстроты действия от отношения давлений т) ТМН определяется прежде всего откачными характеристиками рабочих колес, зависящими от двух основных параметров: максимальной быстроты откачки при т = 1 и максимального значения т при быстроте откачки, равной нулю.
Теоретические зависимости максимальной быстроты откачки рабочего колеса и создаваемого им максимального отношения давлений от геометрических характеристик межлопаточных каналов или пазов получены на основании теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учетом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов.
Принцип перехода молекул газа через вращающееся рабочее колесо основан на различии сопротивлений межлопаточиых каналов, образован
ных двумя соседними лопатками или стенками выфрезероваиного паза, потокам газа с противоположных сторон.
Вероятность перехода молекул газа иа противоположную сторону рабочего колеса определяется долей общего числа молекул газа, попавших в торцовое сечение межлопаточных каналов и перешедших на его противоположную сторону, н зависит от геометрии канала, окружной скорости колеса, скорости теплового движения молекул, а также закона взаимодействия молекул со стенками межлопаточных каналов.
В установившемся режиме пря равенстве температур газа н неизменности функций распределения молекул по нх тепловым скоростям на сторонах пониженного 1—I и повышенного II—II давлений (см-рис. 9.60) число молекул, переходящих через вращающееся рабочее колесо, можно выразить уравнением
0,25<Vroa^ = 0,25/VjyaKr — — 0,25АГпМСп, (9-47) где Ni и — концентрации молекул газа на стороне соответственно пони-
Турбояолекцлярные касса»
271
<D40G
Ряс. 0.57. Насос НВТ-3500
272
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 9.15
	Значение параметра для насоса				
Параметр	НВТ-3500	'ТМН-200	ТМН-500	• ВМН-150	I 01 ОВ-1000-014
Расположение ротора	Верти- ' кальное	Горизонтальное	Горизонтальное	вертикальное с магнитной под- веской .	Вертикальное
Быстрота действия по азоту, м3/с Предельное остаточное давление по азоту, Па Номинальная частота вращения ротора, с”1 Напряжение, В Потребляемая мощность, Вт Dy патрубка, м: входного выходного Габаритные размеры насоса, м Масса, кг	2,7 6,7-10"* 250 380 700 0,4 0,063 0,53 X Х0,35 90	0,250 2-Ю~7 300 220 150 0,160 0,05 0.86Х Х0.62Х ХО,83 290	0,500 7-Ю'7 300 220 150 . 0,200 0,05 0,88Х Х0.51Х Х0,61 215	0,16 . 2-Ю-7 600 400 0,125 0,04 0,25Х Х0„33 25	0,9 6,6-10*7 350 1 0.25 | 0,36Х J X0,495 56 ;
женного или повышенного давлений; оа— средняя арифметическая скорость теплового движения молекул; К — результирующая вероятность перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса; Ki и К и — вероятности перехода молекул со стороны соответственно пониженного и повышенного давлений.
Значения вероятностей К, Кт. и Ктт
для данного радиального сечения межлопаточных каналов или пазов по-
стоянны и не зависят от концентрации молекул или давления.
Из уравнения (9.47) следует, что результирующая вероятность перехода молекул через рабочее колесо пропорциональна быстроте откачкн;
К — Кт — Кцх, (9.48) где т = Nu/Ni — отношение концентраций (давлений).
Анализ уравнения (9.48) показывает линейность зависимости текущего значения М, а следовательно, и быстроты откачки 5 рабочего колеса от отношения давлений.
Максимальное значение М,- пропорциональное максимальной быстроте откачки S, м3/с, соответствует отношению давлений на рабочем колесе т == 1,0, причем
/Стах^Ях-Яп; (949)
5 max — 36,4KmaxF У Т/М, (9.50)
j-де F — суммарная площадь входного сечения межлопаточных каналов рабочего колеса, м2; Т — температура газа, /<; М — молекулярная масса.
Максимальное отношение давления нри S = 0
(9'51)
Турбомолекулярньи насосы
273
Таким образом, для получения откачной характеристики рабочего колеса ТМН (рис. 9.58) необходимо определить два основных параметра: Stnax (или /'/max) И Ттпах-
Обычно при построении теоретической модели процесса перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса с целью определения основных параметров откачной характеристики принимают, как правило. следующие допущения: режим течения газа в рабочей полости насоса молекулярный; распределение моле-, кул по скоростям по обе стороны от рабочего колеса соответствует закону Максвелла; движение молекул в канале рабочего колеса (т. е. в плоскостях, гГерпендикулярных торцовым поверхностям колес) двумерное; температуры газа и внутренних 'поверхностей насоса в процессе откачки постоянны; взаимодействие молекул газа со стенками межлопаточного канала .или паза при переходе на противоположные стороны рабочего колеса подчиняется диффузному или зеркальному закону либо обоим законам одновременно.
Геометрическая структура межлопаточного канала (см. рис. 9.61) характеризуется углом а установки лопатки или наклона паза и отношением ширины а канала к его длине Ь.
Значении результирующей вероятности ftmax перехода молекул газа через межлопаточные каналы, имеющие различные геометрические параметры а и alb, при разных отношениях Ci ~ ulvs скорости движения канала к наиболее вероятному значению тепловой скорости Од в предположении Диффузного отражения молекул от поверхности лопаток или стенок пазов приведены в табл. 9.16 [53].
Результирующая вероятность перехода молекул газа через межлопаточ-Hbie каналы или пазы с одной стороны рабочего колеса на другую можно определить с помощью теоретической Подели, в которой взаимодействие мо-лекул со стенками канала или паза Подчиняется диффузному (/Стах дг) и зеркальному (Кшах 3) законам одновременно:
^тах	° Nontax W "Г(1	max з >
(9.52) где а.у — коэффициент, учитывающий1 число молекул, переходящих через рабочее колесо ТМН и отражаемых поверхностью стенок межлопа-. точного канала или паза -согласно диффузному закону (за направление отражения молекул газа принимают преимущественное, совпадающее с нормалью’ к поверхности стенок меж-лопаточиого канала); 1 —	— раз-
ность, учитывающая число молекул, переходящих через рабочее колесо и взаимодействующих с поверхностью стенок межлопаточного канала или паза по зеркальному закону.
Значение Kmax определяют по формуле (9.49), а максимальное отношение давлений — по формуле (9 51), в которых Ki и /Си — вероятности перехода молекул газа через межлопаточный канал со стороны соответственно I—I на сторону II—II и to стороны II—II на сторону I—Г.
+ 0 — ai№ ^1э:
^11 = aII W + 0 — ап w) Кц 3>
где о1лг и aIl2V— коэффициенты учета числа молекул, переходящих через рабочее колесо ТМН соответственно со стороны /—I на сторону 11^-11 н со стороны II—II на сторону I—I и отражаемых поверхностью стенок межлопаточного канала или паза по нормали.
На рис. 9.59 показайы зависимости Ktaax и ттах от относительной ско-
рме. 9.88. Откачная характеристика рабочего колеса ТМН
Таблица 9.16
Показатель	. ®, °	. Ct	Значение				показател	я при a/b	’	, \			
			0,4	0,6	0,8	1,0	1,2	174	1,6 -	1	—	1,8	2,0
Л'т			0,0565	0,0831	0,1171	0,1714	0,2634	0,3557	0.4314 •	0,4922	0,5416
•'1 /Стт		0,2	0,0344	0.0515	0,0738	0,1104	0,1908	0,2855	0,3668	0,4332	0,4877
л'и			0,0221	0,0316	0,0433	0,0610	0,0725	0,0702	0,0645	0,0590	0,0538
*Чпах	10		1,6410	1,6150	1,5880	1,5520	1,3800	1,2460	1,1760	1,1360	1,1100
А'т			0,0715	0,1042	0,1452	0,2081	0,3024	0,3917	0,4638	0,5215	0,5682
Л тт			0,0269	0,0405	0,0584	0,0872	0,1589	0,2525	0,3355	0,4043	0,4611
•'11 if		0,4	0,0446	0,0637	0,0868	0,1209	0,1435	0,1392	0,1283	0,1173	0,1072
*' шах ^тпах			2,6560	2,5720	2,4880	2,3860	1.9030	1,5510 .	1,3820	1,2900	1,2330
Kt			0,0893	0,1288	0,1772	0,2477	0,3420	0,4275	0,4959	0,5506.	0,5944
/Стт			0,0213	0,0323	0,0465	0,0689	0,1305	0,2214	0.3054	0,3760	0,4348
•'11		0,6	0,0680	0,0965	0,1305	0,1788	0,2115	0,2061	0.1905	0,1743	0,1596
^шах			4,1840	3,9860	3,8030	3,5950	2,6200	1,9310	1,6240	1,4610	1,3670
Kt			0J097	0,1565	0,2124	0,2891	0,3815	0,4628	0,5272	0,5784	0,6199
*'! Ktt			0,0173	0,0263	0,0379	0,0550	0,1062	0,1928	0,2768	0,3488	'0,4092
'll •		0,8	0,0924	0,1302	0,1746	0,2342	0,2754	0,2700	0,2504	0,2297	0,2107
^max			6,3440	5,9480	5,6110	5,2620	3,5940	2,4010	1,9050	1,6590	1,5150
Kt			0,1324	0,1868	0,2501	0,3311	0,4204	0,4971	0,5575	0,6056	0,6445
Kit			0,0144	0,0220	0,0315	0,0447	0,0858	0,1667	0.2498	0,3226	0,3844
•'ll		L0	0,1179	0,1648	0,2185	0,2865	0,3346	0.3304	0,3078	0,2830	0,2601 
^max			9,1830	8,4920	7,9370	7,4140	4,9000	2,9820	2,2320 ’	. 1,8770	1,6770
Ki	•		0,1570	0,2192	0,2893	0,3728	0,4582	0,5301	0,5868	0,6317	0.6680
/Стт			0,0124	0,0189	0,0269	0,0373	0,0693	0,1434	0,2247	0,2978	0,3605
1Z		1,2	0,1446	0,2002	0,2623	0,3356	0,3889	0,3868	0,362!	0,3339	0,3076
^tnax			12,6500	11,5800	10,7400	10,0100	6,6100	3,7000	2.6120	2,1220 .	1,8530
Kt			0,1831	0,2529	0,3291	0,4135	0,4945	0,5619	0.6148	0,6567	0,6906
KlI			0,0110	0,0167	0,0237	0,0320	0.0562	0.1228	0.2014	0,2742	0,3376
		1,4	0,1721	0,2362	0,3054	0,3815	0,4383	0,4391	0,4134	0,3825	0.3530
T’tnax	у		16,6300	15,1100	13,9100	12,9300	8,7990	4,5770	3,0530	2,3950	2,0460
Продолжение табл. 9Л6
Показатель	a, *	Cl	Значение показателя прн a/b								
			0.4	0,6	0,8	1.0	t.2	1.4	1,6	1,8	2,0
К1			0,2103	0,2875	0,3687	0,4527	0,5291	0,5921	0,6414	0,6687	0,7120
	in	1.6	0,0100	0,0152	0,0213	0,0282	0,0461	0,1047	0,1800	0,2630	0,3157
Атах			0,2002	0,2723	0,3474	0,4245	0,4830	0,4873 ,	0,4614	0,4058	0,3963
Ттпах			20,9800	18,9700	17,3500	16,0500	11,4800	5,6530	3,5630	2,5430	2,2550
Ki			0,1509	0,2042	0,2578	0,3181	0,3850	0,4519	0,5097	0,5578	0,5983
Kll		0,2	0,0958	0,1327	0,1706	0,2158	0,2750	0,3426	0,4058	0,4611	0,5084
Атах			0,0551	0,0716	0,0872	0,1023	0,1104	0,1092	0,1035	0,0967	0,0899
^тах			1,5750	1,4500	1,5110	1,4740	1,4000	1,3190	1,2550	1,2100	1,1770
Ki			0,1862	0,2490	0,3105	0,3765	0,4449	0,5076	0,5609	0,6051	0,6417
Kll	20	0,4	0,0763	0,1065	0,1378	о; 1750	0,2278	0,2924	0,3563	0,4169	0,4638
К max			0,1100	0,1425	0,1728	0,2015	0,2171	0,2153	0,2045	0,1912	0,1779
'max			2,4420	2,3370	2,2540	2,1510	1,9530	1,7360	1,5740	1,4620	1,3840
К1			0,2259	0,2983	0,3671	0,4367'	0,5036	0.5621	0,6106	0,6504	0,5832
Kll		0,6	0,0614	0,0864	0,1120	0,1419	0,1866	0,2467	0,3100	0,3687	0,4206
Атах			0,1644	0,2119	0.2551	0,2948	0,3170	0,3154	0,3007	0,2817	0,2626
^max			3,6770	3,4520	3,2770	3,0780	2,6990	2,2780	1,9700	1,7640	1,6240
K1			0,2685	0,3503	0,4253	0,4965	0,5604	0,6139	0,6575	0,6930	0,7221
Ku		0,8	0,0505	0,0714	0,0925	0,1162	0,1525	0,2065	0,2675	0,3263	0,3795
Kmax			0,2180	0,2789	0,3328	0,3804	0,4078	0,4073	0,3900	0,3667	0,3426
'max			5,3140	4,9070	4,5970	4,2750	. 3,6730	2,9720	2,4580	2,1240	1,9030
K1			0,3125	0,4030	0,4828	0,5539	0,6136	0,6620	ч 0,7009	0,7329	0,7578
Ku		1,0	0,0427	0,0604	0,0782	0,0969	0,1254	0,1223	0,2295	0,2873	0,3409
^max			0,2698	0,3425	0,4047	0,4571	0,4882	0,4897	0,4713	0,4449	0,4169
'max			7,3170	6,6670	6,1770	5,7180	4,8940	3,8420	3,0540	2,5490	2,2230
К1			0,3563	0,4544	0,5375	0,6070 ‘	0,6624	0,7059	0,7402	0,7677	0,7901
Kll		1,2	0,0372	0,0526	0,0678	0,0828	0,1045	0,1438	0,1962	0,2519	0,3051
^rnax			0,3191	0,4018	0,4697	0,5242	0,5579	0,5620	0,5440	0,5159	0,4850
'max			9,5810	8,6370	7,9320	7,3330	6,3400	4,9080	3,7720	3,0430	2,5900
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ	I	Турбомомкулярньи насосы
	Продолжение										габл. 9.16	КЗ
Показа-						Значение	показателя при a/6					
												
.тель			0,4	0,6	0.8	l.o	1.2	1.4	1.6	1,8	2,0	
jz_			0 3982	0,5027	0,5877	0,6550	0,7061	0,7451	0,7754	0,7994	0,8189	
Al IZ__		13	0,0333 0 3650	0,0470	0,0603	0,0727	0,0889	0,1208	0,1676	0,2202	0,2722	
АЦ JZ				0,4557	0,5274	0,5823	0,6172	0,6243	0,6077	0,5792	0,5467	X
Ашах ^шах	20		1 i'9600	10,6900	9,7500	9,0130	7,9450	6,1670	4,6250	3,6300	3,0080	ъ» %
					0,6323	0,6972	0,7445	0,7796	0,8065	0,8274	0,8320	
JZ			0 4369	0,5464								•с
Al jz__			oio3O5 0 4064	0i0430	0,0548	0,0654	0,0775	0,1026	0,1435	0,1924	0,2570	о
АЦ tf		1,6		0,5034	0,5774	0,6318	0,6671	0,6770	0,6629	0,6350	0,5750	X
Ашах ^max			14^3200	12,7200	11,5310	10,6600	9,6110	7,5980	5,6210	4,3020	3,2370	%
				0,3194	0,3810	0,4392	0,4945	0,5448	0,5888	0,6264	0,6585	св
IZ-			0 2493									ь»
Al tr				0 1672	0,2191	0,2664	0,3142	0,3654	0,4176	0,4669	0,5112	0,5502	X
АЦ V		0,2	0 0821	0,1003	0,1146	0,1250	0,1291	0,1272	0,1219	0,1152	0,1083	
Ашах ^raax			1,4910	1,4590	1,4300 0,4449	1,3980 0,5058-	1,3530 0,5602	1,3050 0,6074	1,2610 0,6473	1,2250 0,6808	1,1970 0,7090,	£ а:
												
			0 2978	0,3771								й:
V—			0,1361	0,1800	0,2202	0,2614	0,3078	0,3581	0,4079	0,4542	0,495/	гч
AH v	,40	0,4	0,1617	0,1972	0,2247	0,2444	0,2524	0,2493	0,2394	0,2266	0,2133	а:
Ашах ^шах			2,1880	2,0960	2,0200	1,9350	1,8200	1,6960	1,5870	1,4990	1,4300	п Q
		—			0,5088	0,5707	0,6228	0,6660	0,7015	0,7309	0,7552	
jz			0 3483	0,4363								
Al V—			0,1117	0 1488	0,1827	0,2172	0,2575	0,3042	0,3529	0,3999	0,4430	К.
А П JZ		. 0,6	0,2366	0^2874	0,3261	0,3534	0,3653	0,3618	0,3486	0,3310	0,3120	
Ашах ^max			3,1190	2,9310	2,7840 0,5693	2,6270 0,6307	2,4180 0,6798	2,1890 0,7187	1,9880 0,7500	1,8280 0,7753	1,7050 0,7962	
												
JZ-			0,3979	0,4934								
Al JZ—			0 0933	0,1250	0,1536	0,1819	0,2157	0,2573	0,3034	0,3496	0,3934	
All v		0,8	0,3046	j 0,3684	0,4157	0,4488	0,4641	0,4615	0,4466	0,4257	0.4027	
^xsaa. traax			1 4,2650	3,9470	3,7060	3,4670	3,1520	2,7940	2,4720	2,2180	। 2,0240	
									Пр одолжение		табл. 9.16	
Показа"	1 а, °		Значение показателя при а/Ь									
			0,4	0,6	0.8	1.0	1,2	1.4	1,6	I.&	2,0	
Ki		•	0,4437	0,5454	0,6233	0,6835	0,7293	0,7643	0,7916	0,8134	0,8312	
АЦ		1,0	0,0799	0,1073	0,1317	0,1549	0,1822	0,2179	0,2600	0,3044	0,3478	
Ашах			0,3638	0,4380	0,4916	0,5286	0,5471	0,5464	0,5316	0,5090	0,4834	
^шах			Ь,5530	5,0810	’4,7320	4,4130	4,0020	3,5080	3,0440	2,6720	2,3900	
Ki ,			0,4831	0,5896	0,6688	0,7276	0,7704	0,8021	0,8262	0,8451	0,8602	
АЦ		1,2	0,0703	0,0946	0,1157	0,1348	0,1564	0,1859	0,2233	0,2647	0^3066	
Ашах			0,4128	0,4951	0,5531	0,5927	0,6140	0,6162	0,6029	0,5804	0,5536	I
^шах Ki			6,8700	6,2360	5,7800	5,3960	4,9250	4,3140	3,7000	3,1930	2,8050	i
	30		0,5143	0,6245	0,7046	0,7623	0,8030	0,8321	0,8537	0,8703	0,8834	X 3
л п		1,4	0,0635	0,0854	0,1042	0,1203	0,1372	0,1608	0,1928	0,2305	0,2702	
Ашах			0,4508	0,5392	0,6005	0,6420	0,6658	0,6713	0,6609	0,6398	0,6132	а
			8,0950	7,3170	6,7650	6,3390	5,8530	5,1740	4,4270	3,7760	3,2690	£
Ki			0,5362	0,6494	0,7306	0,7880	0,8275	0,8549	0,8747	0,8896	0,9012	• X & §
л П		1,6	0,0587	0,0787	0,0958	0,1097	0,1231	0,1416	0,1682	0,2016	0,2385	
Атах			0,4775	0,5707	0,6348	0,6782	0,7044	0,7134	0,7065	0,6888	0,6628	
Т-тах			9,1380	8,2500	7,6290	7,1800	6,7200	6,0390	5,1990	4,4120	3,7790	
Ki Кп			0,3369	0,4165	0,4804	0,5348	0,5820	0,6228	0,6578	0,6877	0,7133	
		0,2	0,2401	0,3030	0,3558	0,4040	0,4500	0,4935	0,5336	0,5696	0,6016	
Атах			0,0968	0,1135	0,1247	0,1308	0,1320	0,1293	0,1242	0,1181	Oil 117	
Umax		' •	1,4030	1,3750	1,3500	1,3240	1,2930	1,2620	1,2330	1,2070	1,1860	
Ki	40		0,3883	0,4754	0,5433	0,5986	0,6444	0,6823	0,7139	0,7404	0,7624	
АП		0,4	0,2001	0,2550	0,3014	0,3446	0,3877	0,4303	0,4712	0,5090	0,5443	
Ашах			0,1ъ82	0,2205	0,2419	0,2540	0,2567	0,2520	0,2427	0,2312	0,2191	
гтах			1,9400	1,8650	1,8030	1,7370	1,6620	1,5860	1,5150	1,4540	1,4030	
												3
278
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Турбо молекулярные насосы
279
рости Ci = м/»н> построенные по выражениям соответственно (9.52) и (9.51) при различных значениях а' и alb-
Наиболее простые выражения для определения вероятностей перехода молекул через межлопаточные ка-' налы на противоположные стороны рабочего колеса (со стороны 1—I на сторону II—II и наоборот) получены . на основании теоретической модели (рис. 9.60), в которой взаимодействие молекул газа со стенками межлопаточного канала подчиняется диффузному закону (за направление отражения молекул принято преимущественное, совпадающее с нормалью к поверхности стенок канала), а скорости всех молекул одинаковы и равны наиболее вероятной скорости рн тепло-.. вого движения молекул.
В этом случае результирующая вероятность перехода молекул через рабочее колесо
~ (*₽! cp — *₽II ср)/я = I “ (9.53) где
Kl - Vi cp/11’- -	= Фи cp/n- (9-54>
Средние значения углов <рг ср и *Рц ер’ характеризующих вероятност и перехода молекул через межлопаточные каналы рабочего колеса со стороны пониженного давления на сторону повышенного давления и в обратном направлении, в предположении, что все молекулы, соударяющиеся с набегающей стенкой лопатки, переходят на сторону повышенного давления, а молекулы, соударяющиеся с уходящей поверхностью лопатки, переходят на сторону пониженного давления (р;= = i = 0), определяют по формулам:
ср ^Ср + Ру ср'
(9.55)
*Рц ср ^ср ^у ср’
где
sinct । .. it^n Ycp=a~-257r!nl(aZi)
—2 (a/5) cos a -|- 1 | -|- ( 1
cos a\
a/6 /
.Tnr ।	. a/b — cos a “j
х[0,5л-а + агсСг--41;г^--];
(9.56)
₽y cp = arcsin [(u/oH) sin a] + ( 1
cos a\
----n-)X n/6 /
X (arctg	_
(. (u/oH) sin a
V((a/Z>)—cos a]2+ [1 — (и2/он)] sin2 a ' ,	(“/^h) Sin a
_ (u/c'h) sin a 1
—1Гь------ln
___________—cos ct 4-У 1 —(u2/vh) sin2 a._______ (a/b) — cos a + у [(a/b) — cos a]2 +11 — (и2/пн)1 sin2 a
sin a •
~2a/T
In
V1 — (и2/он) sin2 a. — (и/он) cos«
V1 — (m2/oh) sin2 a 4- (u/vn) cos a
— In
У [(a/Z>) — cos a)2 4- [1 — (u2/vd)l sin2 a 4- (u/oH) [(д/6) — cos a.] У [(a/b) — cos a]2 4- [ 1 — (и7он)1 sin2 a — (u/vH) [(a/b) — cos a]
(9.57)
280
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.59. Зависимость результирующей вероятности ^тах (« — •> и максимального отношения давлений ттах (г-'О от относительной скорости ci прн различных значениях а и а/&
Рис, 9.60. Теоретическая модель перехода молекул газа через межлопаточные каналы рабочего колеса при постоянстве их скорости и отражения от поверхности каналов по нормали
Тогда результирующая вероятность перехода молекул через, рабочее колесо при учете уравнений (9.55)
Ктах ~ 2[57Ср/л. ,	(9.58)
Максимальную быстроту откачки колеса определяют по формуле (9.50).
Максимальное отношение давлений в рабочем колесе ТМН
Tmax ’Pi ср/’Рц ср' (9’
Уравнения (9.58) и (9.59) для опре-деления основных параметров от-качной характеристики рабочего колеса ТМН применимы при й = U/t>e<l,0 пр принятому допущв' иию.	"
Ступень ТМН состоит из врапг3’®' щегося рабочего колеса и распол . жениого за ним неподвижного статор ного колеса, имеющего, как правил <
Турбомолекулярные насосы.
281
те же размеры, что и роторное колесо.
При рассмотрении процесса перехода молекул газа через межлопаточные каналы или пазы статорного колеса учитывают воздействие вращающихся роторных колес, расположенных цо обе стороны от статорного колеса, на скорость теплового движения молекул.
Потоки молекул газа, проходящих через межлопаточные каналы или пазы статорного. колеса на его противоположные стороны, определяют, как и для роторного колеса, с учетом влияния окружной скорости роторных колес, т. е, по формулам (9.54)— (9.57) или по табл. 9.16 в зависимости от геометрических параметров меж-лрпаточных каналов и относительной скорости сг
Если с какой-либо стороны статорного колеса нет роторного колеса (в начале или конце пакета рабочих колес), при определении результирующей вероятности перехода молекул газа с этой стороны угол (рср полагают равным Уср» т. е. Ктах = ₽? Ср/Я-причем ттах = (уср + срчУср при отсутствии роторного колеса после статорного, TfaaX = уСр/(уСр — Р? ср) при отсутствии роторного колеса перед статорным.
Откачная характеристика рабочего . колеса и ее основные параметры (максимальная быстрота откачки и максимальное отношение давлений) при постоянной относительной, скорости сг определяются геометрией межлопаточных каналов или пазов. •
Выбор* угла а наклона паза или установки лопаток и отношения alb Для межлопаточного канала при кон-, кретных значениях с, определяется требованиями, предъявляемыми к рабочему колесу ТМН,
Первые рабочие колеса ТМН (со стороны всасывания)’ должны создавать максимально возможную быстроту откачки, так как они определяют Остроту действия вакуумного на-Соса- Последующие рабочие колеса часоса должны обеспечивать максимально возможное отношение давле-Ии. чтобы необходимое общее отношение давлений создавалось насосом воВозможно меньшим числом рабочих
Из результатов теоретического анализа следует:
для обеспечения высокой вероятности перехода молекул через рабочее колесо, а следовательно, и повышенной быстроты откачки при удовлетворительных значениях ттах необходимо выбирать угол наклона паза или установки лопатки в пределах а = 35 ... 40° при alb = 1,0 ... 1,4;
для достижения повышенных значений ттах при обеспечении достаточно высоких значений АГ^ах необходимо принимать а= 10 ... 20° при а/Ь — = 0,6... 0,8;
для увеличения быстроты откачки рабочего колеса и отношения давлений необходимо увеличивать его частоту вращения;
для улучшения откачной характеристики рабочего колеса практически нецелесообразна закрутка лопаток по радиусу.
Эти рекомендации важны при формировании пакета рабочих колес насоса. Использование в пакете рабочих колес с малыми значениями а и а/b оправдано при малом потоке (азовыделения с деталей ротора и внутренней поверхности корпуса насоса. При большом потоке выделения газов с большой молекулярной массой для всего рабочего пакета может оказаться целесообразным применение колес с открытыми межлопаточными каналами.
При работе на газах с различной молекулярной массой быстрота, действия ТМН зависит от скорости теплового движения молекул откачиваемого газа, влияющей на сопротивление участка от входного сечения всасывающего патрубка до первого рабочего колеса со стороны всасывания. На быстроту действия насоса влияет также проводимость кольцевого зазора, через который перетекает откачиваемый газ: поток газа возрастает при уменьшении молекулярной массы газа. Уменьшение отношения давлений тем значительнее, чем меньше молекулярная масса откачиваемого газа.
Снижение температуры откачиваемого газа незначительно влияет на быстроту действия насоса и приводит к существенному увеличению отношения давлений.
282
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.«1. Схема к расчету дискового ра-бочего колеса
Расчет рабочих колес ТМН. Задача расчета рабочего колеса ТМН состоит в определении конечного и начального диаметров лопаток или высоты паза (для принятой геометрии межлопаточных кан'алов), числа лопаток или пазов, ширины рабочего колеса, при которых для минимального наружного диаметра обеспечивается заданная быстрота откачки.
Максимальные быстрота откачки рабочего колеса Sraax и отношение давлений tITi,-,x определяются рядом факторов: ттзх зависит от угла а установки лопаток или наклона паза, геометрического параметра alb, характеризующего тип структуры, и относительной скорости с, = и/он; отношение 5Шах зависит от произведения F /Стах, определяемого перечисленными факторами, а также торцовой площадью сечения межлопаточных каналов рабочего колеса.
Оптимальные значения а и а/b вы- ‘ бирают из условия обеспечения максимальной результирующей вероятности перехода молекул газа через рабочее колесо или достижения максимально возможного отношения давлений в соответствии с требованиями, предъявляемыми к колесу. Торцовая площадь межлопаточных каналов илн пазов, определяемая из условия обеспечения заданной быстроты откачки, зависит от ширины а межлопаточного канала или паза, наружного Dt и
площади каналов.
начального (внутреннего) дна. метров и числа z межлопаточных каналов или пазов.
Лопаточные колеса по сравнению с дисковыми при одинаковых наруж-ных диаметрах обеспечивают боль-шую быстроту откачки вследствие большей , относительной сечения межлопаточных
Как показали результаты теоретических исследований, увеличение быстроты откачки S зависит от наружного диаметра D2. При S = 50... 200 дм3/с увеличение быстроты откачки не превышает 20%. Применение лопаточных колес в ТМН с быстротой действия S = 400 ... 500 дм3/с позволяет уменьшить'наружный диаметр по сравнению с его значением для дисковых колес примерно на 10... 12%.
1. Дисковое колесо.
Рабочие колеса ТМН с быстротой действия до 0,4 ... 0,5 м®/с целесообразнее выполнять в виде дисков с радиальными пазами (рис. 9.61). Такая конструкция колеса обеспечивает необходимую суммарную торцовую площадь сечения пазов для заданной быстроты откачки прн сравнительно небольшом диаметре О2, а также отличается технологичностью и простотой изготовления.
Суммарная торцовая площадь пазов дискового рабочего колеса
„ лП| 48Х — 4(1 — A.3) BDI
4	24 — 3 (1 — К2) BDI Х
Х(1—А.),	(9.60)
где А = Dy'Dz — отношение начального диаметра пазов к наружному: ВЕ>2 ’= u^4pn/on 2 — комплекс . постоянных величин (р — плотность материала колеса, кг/м3; п — коэффициент запаса по пределу текучести; (То,а". предел текучести, Па).
Число пазов .
лО2 24 А —2(1 — A3) BDl_
Z~ а 24 —3(1—Г)ВП1
(9.61)
Результирующая вероятность пер®" хода молекул Мтах изменяется я высоте паза пропорционально изм, нению окружной скорости.
Турбомолекулярные насосы
283
Среднее значение результирующей вероятности перехода молекул через дисковое рабочее колесо на среднем по высоте паза радиусе
Кт» ср =	(9-62)
ин *
где А = f (а. а/Ь).
Подставив в уравнение (9.50) значения Ктах ср 11 F из уравнений (9.62) н (9.60), получим зависимость для определения наружного диаметра дискового рабочего колеса
п = С 1 /____________,Sinax ______
У 36,4(л/8)(Л/рн)Ут/Л4’
(9.63)
где
24 —3(1 — u2 (1 — А,2) х
X [48А. — 4 (1 — Xя) 5D?]
(9.64)
На рис. 9.62 зависимость (9.64) приведена при различных значениях и2 для рабочих колес из алюминиевого сплава Д16 (ом = 274 МПа: р = = 2700 кг/м8; коэффициент запаса по пределу текучести принят я = 5). Большее значение я по сравнению с рекомендуемым в корневом сечении лопаток газовых турбин авиационных двигателей (обычно я = 2,2 ... 2,5) объясняется значительными изгиба-
ющими усилиями в корневом сечении при возможной вибрации лопаток. Уменьшение коэффициента я с 5,0 Л° 2,0 увеличивает допускаемую окружную скорость и2 рабочего колеса на 55... 60% при увеличении Smax на 40 ... 60%, а Тщах в 1,2 при откачке водорода и в 1,4 ... 1,5 — при откачке азота.
В связи с тенденцией к увеличению Частоты вращения роторов ТМН все более важное значение приобретает и* балансировка. Допускаемый дис-аланс Одоп> г-см, определяют по Формуле ОдоП = 0,107пгр/яр, где тр — ,, са ротора, г: яп — частота враще-Ни* ротора, с-1.
н.'Ри выборе подшипников для ТМН °бходимо стремиться к тому, чтобы
Рис. 9.62. Зависимость С = /(Л)
скоростной фактор йв, равный произведению диаметра подшипника d, мм, на частоту вращения ротора яр, с-1, был меньше предельной величины, т.' е. &в = </яр «7 13 000 мм-с-1.
Каждому значению окружной скорости и2 соответствует оптимальное значение X, при котором комплекс С минимален, следовательно, заданной максимальной быстроте откачки Smax соответствует минимальный наружный диаметр рабочего колеса D2. Минимальному значению комплекса С «к 0,09 при оптимальном Xopt ~ 0,82 соответствует и2 = 275 м/с.„ При больших значениях окружной скорости увеличивается комплекс С, а следовательно, и наружный диаметр рабочего колеса О2, рассчитанный на заданную быстроту откачки.
Таким образом, для получения минимального наружного диаметра дискового рабочего колеса из алюминиевого сплава при условии обеспечения заданной быстроты откачки и необходимой прочности окружную скорость на периферии колеса следует принимать в пределах и2 = 250 ... 300 м/с, а / » 0,80 ... 0,84.
Для создания больших перепадов давлений при меньшем числе рабочих колес в насосе целесообразно принимать большие значения окружной скорости и2 и соответствующие им значения Л (см. рис. 9.62).
При использовании материала с большим пределом текучести диаметр рабочего колеса' О2 можно уменьшить.
Для рабочих колес из высокопрочных сплавов, например ВТ14 (о0 2 = = 1,095-10» Па; р = 4,52- 103 кг/м8), значение окружной скорости следует
284
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. ».«3. Зависимость CmIn> A.opt и и2 от a0,t/₽
принимать в пределах иг = 400 ... 500 м/с HzXopt = 0,81 ... 0,86.
На рис. 9.63 приведены зависимости Сщш. ^opt и от о0,2/р. полученные для рабочих колес из материалов с различными прочностными характеристиками Оо,3/р.
Методика определения основных размеров дискового рабочего колеса ТМН состоит в следующем. Используя графическую зависимость, приведенную на рис. 9.63, по отношению для выбранного материала колеса определяют оптимальное значение Xopt и соответствующую окружную скорость и2. Далее задаются углом а наклона паза и отношением alb.
Рис. 9.64. Схема колеса с лопатками переменных толщины и ширины
Из уравнения (9.60) определяют комплекс 4/'7(лП|). Среднее значение ре. зультнрующей вероятности перехода молекул через рабочее колесо опре-деляют по табл. 9.16 или подсчитывают по формуле (9.58) с учетом выражения (9.62).
По заданной быстроте действия про-ектируемого вакуумного насоса S = = (0,95 ... 0,90) Smax нз уравнения (9.50) определяют суммарную торцо-вую площадь пазов F. По найденным значениям F и комплекса 4Е/(л£)|) находят наружный диаметр рабочего колёса £>?, а затем по Xopt — начальный диаметр пазов О,.
Задавшись шириной Ь' (см. рнс. 9.61) дискового колеса (обычно Ь' = 2,0...3,0 мм), определяют ширину паза из условия обеспечения выбранной геометрии межлопаточного канала
a — {alb) У/sin а. (9.65)
Число пазов в колесе рассчитывают по формуле (9.61).
Предложенная методика определения основных размеров дискового рабочего колеса для улучшения технологии изготовления пазов предполагает корректировку полученных значений. Если расчетная толщина лопатки в корневом сечении меньше 1 мм (что усложняет технологию изготовления), необходимо повторить расчет основных размеров колеса, задавшись отношением X </ Xopt. Повторный расчет дает немного большую толщину лопатки в корневом сечении.
При корректировке можно также задаваться необходимой из конструктивных соображений толщиной ло-
патки в корневом сечении.
2. Лопаточное колесо.
В ТМН с быстротой действия более 0,4 м3/с обычно применяют лопаточные колеса, так как использование рабочих колес с радиальными пазами приводит к увеличению радиального размера насоса и усложнению технологии изготовления, а также ограничению быстроты действия. Лопаточные рабочие колеса по сравнению с дисковым. имеют более высокий коэффициент использования торцовой поверхности Дл переноса молекул откачиваемого га3
через межлопаточные каналы.
Турбомолекулярные насосы
285
Основные размеры лопаточного колеса ТМН (начальный диаметр Dx у основания лопаток, наружный диаметр Di, отношение X = D^lDz, число г межлопаточных каналов или лопаток, толщина колеса у корня лопатки и на периферии Hit длины Ьг и Ьг лопаток в этих сечениях — рис. 9 64), характеризующие геометрию рабочего колеса, определяют, исходя из условий обеспечения необходимой структуры межлопаточного канала колеса и допустимого напряжения при разрыве в корневом сечении лопатки.
При изменении толщины и длины лопатки по линейному закону (общий случай) основные размеры лопаточного колеса ТМН определяют следующим образом.
Приняв отношения диаметров X — — D-jDb = 0,50...0,65, толщин лопатки ф = Л2/й1 = 0,3 ... 1,0 н колеса 0 ~ Нг!Ну — 1,0 ... 1,3, определяют допускаемую окружную скорость и2 рабочего колеса на конце лопатки, материал которой имеет предел текучести о0,2 и плотность р при коэффициенте запаса п по пределу текучести:
u? = -^-(l — X)3 {0,25(1 — Х«) х
X (0— 1)(ф—1) +
+ [(1 — Х3)/3] [(0 — 1) (1 — Хф) +
+ (Ф — 1) (1 — Х0)] +
+ 0,5 (1 — X») (1 — Хф) (1 — Х0)}'1.
(9.66)
Толщину лопатки принимают равной й, = I ...3 мм, толщину колеса + , мм, определяют по эмпирической формуле //, = SH + 2, где SH — рабочая быстрота действия насоса, м3/с.
По заданной быстроте действия проектируемого вакуумного иасоса S ~ 55 (0,90 ... 0,95) Smav определяют иа-РУжйый диаметр рабочего колеса
— Smav / ai .	^1 \
18,2л УТ]М \	/
+(Щ + А1^)Х
L \	г* I 1 — Л >
X Д 'jZx Х
1
(9.67) А.
ГДе Smax—максимальная быстрота откачки ТМН, м3/с; аг!Ьг— отношение ширины межлопаточного канала и длины лопаткн у корневого сечения (обычно aj/&j = 0,7 ... 1,1); х — относительный текущий радиус колеса (it = x/R2); К* — результирующая вероятность перехода молекул газа через межлопаточный канал, имеющий геометрические параметры и скорость движения, соответствующие сечению иа радиусе х [определяют по табл. 9.16 или по формулам (9.53)— (9.58)].
Для определения Д'* по табл. 9.16 вычисляют
*г=^-Г4-£-+ х sin a L X bx '

a \	1 —X
b Jx~ x (0 — 1) + (1 — 0X)
* + , ^i (' — Хф)(х — X)~l
X 6, Hi X(l-X) J
(9.69)
Отношение окружной скорости колеса в сечении иа радиусе х к наиболее вероятной скорости теплового движения молекул газа с* ~ хи*/ип.
Для обеспечения максимальной быстроты откачки угол наклона лопатки задают в пределах a = 35 ... 40°. Толщина лопаток и колеса иа периферии: й2 —	; Н, — QHV
Число лопаток колеса
nDi Xsin a
Ж (^/bi)+(hdHi)’
(9.70)
286
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Максимальное отношение давлений рабочего колеса
К 1~и\ С
777 Т=Т/ J
X
где К,? и — вероятности перехода молекул газа через межлопаточный канал, соответствующий сечению на радиусе i, со стороны пониженного давлении на сторону повышенного давления и в обратном направлении.
В прикидочных расчетах максимальную быстроту откачки и максимальное отношение давлений приближенно определяют по параметрам межлопа^ точного канала на среднем радиусе, В этом случае
сср =0,5(1 + X) (и2/п1Г); (9.72)
/ а \ _
\ b /ср
_ (1 -|- X.) fli/fri + (1 — фХ) hjИt.
% (1+0)
(9.73)
Smax = 36,4"|/Т/А4Кшах cpF, (9.74)
W *max ср = ^xcp ПРИ *ср = = 0,5 (1 + X) =
Оптимизация рабочего колеса, обес
печивающая его минимальный диа-
метр D, при неизменном Sraax, дости-
гается в результате исследования совместного влияния параметров X, allb1 (рис. 9.65), ip, 9 на диаметр D2. В зависимости от параметров ip и 9 оптимальные значении X = 0,5 ... 0,7 аА = 0,8 ... 1,2.
f)
Рис. #.#5. Зависимость Da от отношения ajbt при ф = 0,3; 0 = 1,0 (а) и ф = 1,0) 0 = 1,30 (<Г)
После определения всех геометрических параметров рабочего колеса уточняют максимальную быстроту откачки .
X
. „	лО?-18,2Ут/М
ШаХ Х
1 1
(9.75)
и максимальное отношение давлений по уравнению (9.71).
Турбомолекдлярные насосы
287
При определении ©2, тгаах и. Sraax необходимо вычислить интегралы
( 1 1 1 1 1 z
f xKxdx; Kxdx; J xKlx dx; f xKu xdi; X, x di; ^ Kllxdxf.
X x x	X	x	x
которые для упрощении расчетов можно заменить суммами: ’
1	i—гп
xKxdx	(-^<-1 + *f)	(i-1) -b^xi) 4m ’
X	i=i
1
X
Хх dx
<<-l) + Kx	’
где m — число участков, на которое разбивают область интегрирования;
Xi — радиус 1-го участка.
Наиболее распространены рабочие колеса постоянной толщины с лопатками постоянной толщины. Их рассчитывают по формулам (9.66)—(9.75) при ф = 1 и 9 ~ 1,
Как показывает практика конструирования и испытания рабочих колес ТМН, в зависимости от значений геометрических параметров 9, ф, hJHy, Z., Хд (где Хд Пд/Пд — отношение внутреннего диаметра Од
диска колеса к его наружному диаметру О,) допускаемое напряжение, обеспечивающее работоспособность колеса,.может возникать либо в корневом сечении под действием центробежной силы, т. е. при ол = [о) — o0,s/n, либо на внутреннем диаметре диска колеса под действием тангенциального напряжения, т. е. при от п1аУ ~ 'jo]д — = о0,2/лд (где Лд — коэффициент запаса по пределу текучести для материала диска колеса).
Тангенциальное' напряжение в диске .колеса
2Лг///1
гт ______	V (*12
ит max -—Л-----гпг А < Л i -----------------г- ------?.
(1-Ь)2 | L(ai/6i-Fft./Z/i) (Х — ^д.
(3 4- и) (1 — Л)а1
’i- . 4Х
2(1-И) (1-Ма
+ Лд 4Х
где
х =	(9_и (ф_ 1) +
1 _ 13 Г-д
+ -у- |_ (9 - 1) (1 - И) +
+ (Ф-1)(1-19)] +
+	_ 9Х) (1 - фХ);
И — коэффициент Пуассона (дли алюминиевых и титановых сплавов и як *0,3).
Следовательно, окружная ско-₽°сть и2 йа периферии рабочего колеса
(9.76)
ограничена значениями сл’ или ат.тах. Если
' ол = fo] = Оо.я/«
и ох щах < [о)д ~ Оо.а/Лд, (9.77)
то м2 определиют по уравнению (9.66) Если
ол < [о] = ов12/л
и ох = [о)д = о^з/лд, (9.78)
то из уравнения (9,66) с учетом выражении (9.76) рассчитываю?
«к = Уо0,»(1-Л)4/(Р^ХЁ)> (9.79)
288	МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 8.86. Схема межлопаточного канала с непараллельными стенками
где
у в 1 г ______<	_________L
L	“ ^д)
, (3+р)(1-Л)81 ,
<д, -г
Таким образом, если ох maxnB > ап, то и2 определяют по формуле (9.79), а если ат тахпд < ап, — по формуле (9.66)
В общем виде
и2 — V^o0, j (1 —X)2/(p<VXj), где
X	( п	ПРИ У<п/пл;
1	( Пд при У > П/Пд.
Равенство У — п1^ выражает условие, когда в корневом сечении лопатки и на внутреннем диаметре диска колесв допускаемые напряжения равны, т. е. Ол — ОУл- •
При 0 = ф = 1,0г
X =0,5(1 — X2) (Г— X)2; ал =0,5р«? (1 — X2) У;
Рис. 8.87. Схема ступени ТМН
у _ , 2 Г 2fex//fi	1
. (ai/*i +	(^2 ~ Ц) "Я
,	3 + Н _L 12	1—Н . Я
”^2(1 — X2)J "г Д 2 (1-Х8)’ 1
и = ]/	2р°- г
2	V р (1 - X2) X ‘
Теоретически и экспериментально исследована возможность улучшения откачной характеристики колеса ТМН применением межлопаточных каналов с непараллельными стенками (дисковые колеса) или лопаток, установленных под разными углами а (лопаточные колеса) — рис. 9,66.
В диапазоне относительных скоро, стей сх =	— 0,2 ... 1,2 макси-
мальные быстрота откачки и отношение давлений для отдельного канала с плоскими непараллельными (сужающимися) стенками можно увеличить иа 50% по сравнению с их значениями для межлопаточиого канала с параллельными стенками. Однако максимально возможное увеличение быстроты откачки колеса не превышает 10%.
Влияние осевых и радиальных зазоров на откачную характеристику ступени ТМН. Зазоры между колесами б01 (осевые), между колесом и корпусом насоса 6р р, между колесом и валом бр. ст (радиальные) (рнс. 9.67) существенно влияют на откачную характеристику колеса, ступени и насоса в целом.
Статорное колесо работает в оптимальных условиях, если оно расположено в рабочем пакете между роторными колесами, обеспечивающими перенос молекул газа через его меж-лопаточные каналы или пазы в направлении откачки. Эффективность этого процесса зависит от расстояния между торцовыми поверхностями: при увеличении зазора бо1 влияние рабочего колеса, отражающего молекул*1 газа в сторону статорного колеса, уменьшается, так как возрастает ве-роятность столкновения молекул с неподвижной поверхностью корпуса на" coca, вследствие чего уменьшается вероятность перехода их через канал» или пазы статорного колеса.
Турбомолекулярные насосы
289
Таким образом, при увеличении зазора 60i ослабевает воздействие, оказываемое на статорное колесо роторным колесом, расположенным перед 0Им на стороне всасывания, что, в свою очередь, приводит к уменьшению T„,ax. Прн изменении осевого зазора S01 максимальная быстрота откачки остается практически постоянной, поскольку значение Smax первого роторного колеса не меняется.
Практически осевой зазор между рабочими колесами выбирают из условий монтажа. Для ТМН с рабочими колесами диаметром О2 = 100 ... 200 мм принимают б01 = 1.0 ••• К2 мм. Для насосов с рабочими колесами диаметром D2 = 500 ... 700 мм зазор б01 « » 2,0 ...2,5 мм. Большие значения осевого зазора при увеличении наружного диаметра колес определяются возможным возникновением вибрации лопаток.
Для увеличения эффективности работы колес ТМН целесообразно назначать минимальные радиальные зазоры, учитывая при этом конструктивные особенности насоса. При увеличении отношения площади /3. р сечения радиального зазора между роторным колесом и корпусом к торцовой площади Ап. р пазов или меж-лопаточиых каналов рабочего колеса возрастает проводимость кольцевой щели Us, а следовательно, и обратный поток через нее. что приводит к уменьшению быстроты откачки, а также максимально создаваемого и рабочего отношений давлений. Необходимо стремиться к тому, чтобы отношение /'з.р/Т'п. р не превышало 0,02.
При увеличении радиального зазора между валом и статорным колесом Уменьшается максимальное отношение Давлений, создаваемых роторными колесами, вследствие увеличения обратных потоков газа через кольцевой зазор под действием перепада давле-ний; при этом уменьшается тшах ступени. Для обеспечения эффективной Работы ступени с учетом ее крнструк-^ваых особенностей следует приии-Мать Рз. btIFu. ст = (4 ...6) 10-’.
ТМиСЧет откачи°й характеристики
Откачная характеристика ТМН Пределяется предельным остаточным
Ю П/р Е. С., Фролова
давлением, рабочей быстротой действия и форвакуумным давлением.
Предельное остаточное давление, создаваемое ТМН при молекулярном режиме течения газа на стороне нагнетания, зависит от числа ступеней, потоков газовыделеиия с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания, быстроты действия насоса, а также степени герметичности рабочей полости насоса. Рабочая быстрота действия насоса зависит от геометрии межлопаточных каналов или пазов колес и согласованности их характеристик.
Конструктивное выполнение ТМН обеспечивает сравнительно высокую герметичность рабочей полости, поэтому предельное остаточное давление прежде всего зависит от потоков газо-кыделения с внутренней поверхности корпуса, участка вала, расположенного в полости всасывания, а также с торцовых поверхностей рабочих колес; обращенных к полости всасывания.
В настоящее время Корпуса ТМН, как правило, изготовляют из хромоникелевой коррозионно-стойкой стали 12Х18Н10Т, а рабочие колеса — из алюминиевых сплавов. Результаты исследований газовыделеиия хромоникелевых коррозионно-стойких сталей показали, что потоки газовыделе-ния и состав выделяемых газов зависят от параметров шероховатости обработанной поверхности, температуры прогрева- ее в высоком вакууме, а также наличия оксидных пленок.
Средний удельный поток- газ’овыде-леиия для коррозионно-стойкой стали с тщательно очищенной поверхностью после прогрева в высоком вакууме составляет 3,0 (10~8 ... 10~10) ПаХ Хм3/(с-м2). Поток газовыделеиия с поверхности алюминиевых сплавов зависит также от химического состава, структуры, температуры и времени обезгаживании поверхности, оксидных пленок. Средний удельный поток газовыделеиия с поверхности алюминиевых сплавов после прогрева в высоком вакууме составляет (2,0 ... 5,0)Х X Ю-7 Па-м3/(с-м2).
Предельное остаточное давление, Па, создаваемое ТМН, без учета иатека-
290
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 9.68. Зависимость коэффициента Га от отношения l/Ь для шелевых каналов при молекулярном течении газа
ния газа при возможной малой негерметичности определяют по формуле
Ро =	(9.80)
где Fi—площадь участка поверхности газовыделеиня, м2: q. — удельный поток газовыделеиня. Па-м3/(с-м2); S — рабочая быстрота действия насоса, м3/с.
Общее отношение давлений для насоса
п
Тоб = р<ь/рп = П ть (9.81) i=i
где Рф — форвакуумное давление; Т{ — рабочее отношение давлений для i-ro колеса.
Быстрота откачки 1-го рабочего колеса	,
So^Si + t/iCtj-l.O), (9.82) где Sj ’ = SH + QrB. вс/р! — объем газа, откачиваемого первым и всеми последующими рабочими колесами насоса (SH —• заданная быстрота действия иасоса; QrB вс — поток газовыде-ления на всасывании; рг — давление всасывания); Uj (т,— 1.0) — объем газа, перетекающего через радиальный кольцевой зазор и откачиваемого только первым колесом.
Проводимость кольцевого радиального зазора
,, _ 8	аЬ* г'
1	3 V 2лМ I
(9-83)
где R — универсальная газовая постоянная. Дж/кмоль; а — периметр окружности колеса, м; b — радиаль. ный зазор, м; I — ширина колеса, ц-Г" — коэффициент, зависящий от геометрических размеоов зазора (рис. 9.68)^
Для азота при Т — 293 К проводи-мость U} = 314 аЬ^Г"/1. Для Лго ра-. бочего колеса Soj == Sj + Ui (т/—. — 1,0), где
St = Si-iAi-l -f- QrB> Пр ilpi‘,  ' .	(9.84)
/=п
Qre. no i — S — (9.85) i=l
поток газовыделеиня с поверхностей между i — 1-м и t-м колесами; pt — давление всасывания для i-ro колеса; / — порядковый номер участка поверхности газовыделеиня перед i-м колесом.
Рабочее отношение давлений для i-ro колеса с учетом перетеканий газа и газовыделении можно определить по формуле
1	Sj
Т( — Тщах д£----о (^пих д£ — 1,0),
•Э max i
(9.86)
гдетщах дг — максимальное отношение давлений для i-го колеса.
При' учете перетеканий газа через радиальный зазор
tmax'Ki =
Smax itjnax i 4“
_______4~ Qt (tmax i — 1,0)	_
Smax i.+ U i (tmax i — 1,0)
(9.87)
Определение откачной характеристики ТЛ1Н основано на согласован-.ности последовательно работающих роторных и статорных колес, характеризуемой уравнением потока Q = Sp-
Результаты теоретического исследования влияния геометрии межлопаточных каналов рабочих колес, а также основных параметров на откач-иую характеристику ТМН показывают, что предельное остаточное давление, создаваемое ТМН, определяется потоком газовыделеиня с внутренней И°-
Турбомолекулярные насосы
291
I
ерхности корпуса насоса и деталей потора, расположенных в полости всасывания* (при поенебрежении натека-«e.vr rasa • из окружающей среды и возможно малой негерметичности ТМН), рабочей быстротой действия и числом ступеней. Применение в ТМН рабочих колес с малыми углами а наклона паза илн лопаток в последних ступенях приводит к уменьше-ни;о предельного остаточного давления только при малом газовыделе-ний по сравнению с быстротой действия. При относительно больших потоках газовыделеиня для улучшения' откачной характеристики ТМН следует выбирать открытую структуру межлопаточных каналов рабочих колес с углом а = 35 ... 40°. так как достижение минимального давления в этом случае возможно только при увеличении рабочей быстроты действия насоса.
Критерием для выбора оптимального варианта проточной части' ТМН при заданных условиях служит минимальный условный объем пакета рабочих колес Ку = 0.25лЕ>|лК поскольку при увеличении наружного диаметра О2 по сравнению с его минимальным значением, определяемым из условия обеспечения прочности, число колес необходимое для обеспечения заданного отношения давлений, уменьшается вследствие относительного снижения влияния на быстроту действия и отношение давлений гадовы деления с внутренних поверхностей насоса и перетеканий через оадиальные зазоры. При- нарушении молекулярного режима течения газа в проточной части (смешение оабочей зоны характеристики насоса пои эксплуатации в область повышенных давлений) число колес должно быть увеличено. Проточную часть ТМН рекомендуется выполнять двух- или трех секционной, причем в первой секции следует применять рабочие колеса с открытой структурой межлопаточных каналов
~ 35 ... 40°: аЛ>« 1,0 ... 1,4), on® последней — колеса с а — 10-... 4) и а/b » 0,6 ... 0.8.
Форвакуумный , насос должен обеспечивать молекулярный режим тече-Ия газа за последним рабочим коле-10*
сом на стороне нагнетания ТМН. При этом во всем диапазоне изменения . давления всасывания ТМН быстрота действия форвакуумного насоса не должна быть меньше быстроты действия ТМН, приведенной к условиям нагнетания.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик ТМН показывают, что при повышении давления всасывания примерно до р — 1,0 ... 0,1 Па в рабочих колесах насоса возникает молекулярно-вязкостный или вязкостный режим течения газа, вследствие чего цезко уменьшаются быстрота действия насоса и отношение давлений.
В настоящее время в качестве форвакуумных обычно используют плунжерные ; насосы, создающие при быстроте действия S = 0 давление 1;0 ... 0.1 Па. Результаты экспериментального исследования влияния форвакуумного давления на предельное остаточное давление, создаваемое ТМН, показали, что предельное давление всасывания, до которого быстрота действия не зависит от р, составляет 0.1 ... 1,0 Па. Учитывая, что для ТМН при работе на этих режимах т ай 100, следует принимать промежуточное давление, т. е. давление нагнетания ТМН и давление всасывания форвакуумного насоса, ие более 65 ... 130 Па. При этом значении промежуточного давления быстрота действия форвакуумного насоса и быстрота действия ТМН, увеличенная на поток газовыделеиня в нагнетательной полости, должны быть равны.
Применение в качествё форвакуумных вакуумных насосов, создающих давление ниже 0,1 Па, целесообразно, когда отношение давлений для ТМН меньше отношения давления всасывания предполагаемого форвакуумного насоса к предельному остаточному давлению, определяемому уравнением (9.80), т. е. когда отношение давлений ТМН определяется числом ступеней,, а не потоком газовыделеиня с внутренней поверхности корпуса насоса и деталей ротора.
Порядок расчета откачной характеристики ТМН.
1.	Газодинамический и прочностной расчеты рабочих колес, определение
292	МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
их объемных характеристик и геометрических размеров.
2.	Определение суммарного потока газовыделеиия с внутренней поверхности корпуса и деталей ротора, расположенных в полости всасывания насоса (<2гв. вс)> а также между рабочими колесами (<?гв. прг).
3.	Проверка предельного остаточного давления по уравнению (9.80).
4.	Выбор форвакуумного иасоса, обеспечивающего за последним колесом ТМН молекулярный режим течения газа.
5.	Определение числа рабочих колес (роторных и статорных) последовательным подсчетом отношения давлений для каждого колеса, начиная с первого, до достижения Форвакуумного . давления, а также определение общего отношения давлений по  уравнению (9.81). При этом считают, что быстрота откачки первого рабочего колеса, а следовательно, быстрота действия всего иасоса SH = 0, что соответствует минимальному потоку газа. Таким образом, быстрота откачки первого колеса оп- ' ределяется потоком газовыделеиия на всасывании и потоком газа, перетекающего через радиальный зазор, т. е. S01 — <2гв. вс VPo “г Ui (П 1.0). Отношение давлений для первого колеса определяют по формуле (9:86).
Давление перед i-м рабочим колесом
Pi = Pi-iH-i- (9.88)
6.	Приняв поток газа в пределах от Qmin ф До *$тахРф» определяют расчетные точки откачной характеристики ТМН во всем диапазоне давления всасывания .
Определяемый потоком газовыделе-ния минимальный поток газа, приходящийся иа форвакуумный насос:
С? mtn ф = Qrn. вс i—n
4“ 5 Qrs. пр I + Сгв. ф> 1=2
где Фгв.ф — поток газовыделеиия в полости нагнетания ТМН (после последнего рабочего колеса).
По характеристике форвакуумного насоса с учетом фф — Qmin ф уточняют давление рф, а затем р0.
Отношение давлений иа последнем N-м рабочем колесе
_	_ Тщах дА^щах
н :	с j, • —-,
°tnax A -j-
4“ (^A+l ~' ^гв. */‘PA+i)X
X (Тщзх ДА 1,0)
где ^Л’+l = ^mln A/P,V+1:
Для i-ro колеса .
'	Ттах дг^шах i
Ч----------------=	i	-—,
->птах i , .
4-('$i+l ^гв. пр <i+l)/Pi+1)X
X (Trnax ni ~ 1,0)
(9.89)
По значению tv определяют быстроту действия последнего колеса
$А = (^А+1 ^гв. ф/Рад-1) та’
Давление перед последним колесом Pn Рф/Хи'
Далее в той же последовательности определяют значения т(, S., pi для всех колес до первого. Таким образом находят истинное значение р0.
Часто требуется определять откач- , ную характеристику по рабочему давлению всасывания р^, соответствующему заданной быстроте действия 8Н. В этом случае ппи определении числа ступеней быстроту откачки первого рабочего колеса определяют с учетом заданной быстроты действия насоса Sol = Sh “Г Сгв. ъс/Рр “Ь (Тт — 1.0).
Мощность двигателя ТМН является суммой мощностей: расходуемой на сжатие газа, необходимой для компенсации механических потерь, затрачиваемой на привод масляного насоса, если последний не имеет индивидуального двигателя.
Мощность, расходуемая на ’ сжатие газа, близка к изотермической, таХ как, несмотря на большие отношения давлений (до 108 ... 10го), ТМН отличаются1 очень малыми массовой производительностью и плотностью газа , (давление всасывания КГ10 ... 10”8 Па)-Под сжатием газа в ТМН понимают процесс переноса рабочими колесам11 _ молекул газа в направлении повышу иия давления, основанный на разл»4' ных сопротивлениях потокам газа-
Турбо молекулярные насосы
293
Таблица 9.17
Параметр	Способ определения	, Результат
Быстрота действии S, м’/с рабочий диапазон давлений р, Па Откачиваемый газ Молекулярная масса откачиваемого Гача М Температура откачиваемого газа		1,0 1.10—» ... 0,1 Азот 28 293
форвакуумное давление	Па Материал рабочих колес Предел текучести материала ра- бочих колес Оо»2» МПа Плотность материала рабочих ко-лес, кг/м3 Кизффштонт Пуассона у	Исходные данные	0,1 Алюминиевый сплав Д16 274 2700 0,3
Коэффициент запаса прочности по пределу текучести: в корневом сечении лопатки п втулки рабочего колеса на внутреннем диаметре Лд Отношение: диаметров % ди метров %д ин ины к длине лопатки у осио-в<1йия ajbx толщин лопатки ф толщин рабочего колеса 0 Угол установки лопаток а, ° Толщина лопатки у основания hi, м	• ' Толщина рабочего колеса у основания лопатки Ни м	Принимают	5,0 1,4 0,55 0,30 1,0 1,0 1,0 35 1.10-* 4. IO"1
Окружная скорость us рабочего колеса на наружном диаметре Dit	Формула (9.79)	239,5
Наиболее вероятная- скорость теп? лового движения молекул газа п_ м/с.	Формула (2.28)	417,1
Конструктивная схема ТМН Число пакетов рабочих колес	Принимает	Одкопоточяый ТМН с вертикальным расположением вала 1
Максимальная быстрота действия Sacoca 5max. «X 	Принимают с учетом: 37(0,90 ... 0,95) =	1,11
Наружный диаметр рабочего ко-рбСа D2, м • -	 Начальный диаметр Dt основания лопаток, м Уточненное отношение диаметров Х Уточненная окружная скорость м/с г*Исло лопаток z точнениое. отношение Oj/bi Действительное значение макси-зльной быстроты откачки Smav м’/с	.	тах’	% “ ^тах Формула (9.67) Di == XOj 1 « Di/Dj. формула (9.79) Формула (9.70) Формула (9.69) Формула (9.75)	0,271 0.149 0,55 239,5 53 1,017 ' 1,117
			
294
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
' Продолжение табл. 9.4		
Параметр	Способ определения	Результат	JB
Максимальное отношение давле-иий тшах прн S = 0	Формула (9.71)	1.666	в
Радиальный зааор Ср, м	Принимают	1.10’	В
Проводимость кольцевого зазора» м’/с:  между корпусом и рабочим ко- лесом С7р между статорным колесом В валом Uст	Формула (9.83)	0.0315	В 0,0171	В
Максимальное отношение давлений: роторного	рабочего	колеса ттах р (с учетом иР) статорного	рабочего	колеса ттах ст (с учетом "ст)	Формула (9.87)	1.654	В 1.659	. ™
Осевой зазор 60с> м Удельное газовыделение, Па. м’/(с- м!): для сплава Д16 для стали 12Х18Н10Т	Принимают Исходные данные То же	. 1.5,10-’ 5. 10-’ 2. 10-’
Поверхности с различными удельными потоками газовыделения Площадь поверхности, м1: FBC д1б со стороны всасывания (?Д1в) гвс со стороны всасывания (9ст) Fnp гае ме1кду колесами Fup. ст междУ колесами (4СТ) ^<6 дав после последнего рабочего колеса (»д1в) ^"ф. ст после последнего . рабочего колеса («ст)	Из	конструкции ТМН	Всасывающая	полость — поверхности корпуса, выхо* да ротора, заглушки (?ст)-, роторного колеса Между рабочими колесами — поверхности корпуса, ротора (?ст), роторного, статорного колес (#д16)- После последнего колеса — поверхности корпуса, ротора, соединительной магистрали (tfcT) и рабочего колеса ($даб) 4,024. 10"' 8Л.10-» 8,048.10“*	( 7- Ю-’	 4,024-10-1	 В
Поток газовыделения. Па- м’/с: <?Гв вс в полости всасывания Згв между соседними рабочими колесами QrB ф после последнего рабочего колеса	Формула (9.85)	2,184-10-’	В 4,038- 10-»	” 2,312. 10-’
' Турбожолгкрлярны* насосы
295
		Продолжение табл. 9.17
Параметр	Способ определения	Результат
-г— Число рабочих колес N Откачизя характеристика ТМН	Последовательно, начиная с 1-го ко* леса, определяют и	[по (9,88), (9.84) и (9.86)1 до тех пор, пока на выходе ’ то колеса будет рдг д_ ! > > ₽ф Аналогично расчету N, но, начиная с последнего (23-го) колеса, определяют -tp Sj и рг- [по (9.89), (9.84) я (9.88)1. Для выбранных значений 5ф и Рф вычисляют Pj и S1	1-е колесо роторное: pt = 1.10“’ Па; Si == = 1.002 м’/с; Тх = 1,064; 2-е колесо статорное: р, = 1,064. 10-’ Па; S, = 0.9461 м’/с; т, = 1.097; 3-е колесо роторное: р, ч= 1,167.10“’ Па; S, = 0,866 м’/с; г, = 1.144: 23-е колесо роторное; рг, = 6,082, 10-’ Па; S„ = 1,091. 10-’ м’/с; Та. = 1,654. Давление после 23-го колеса Рм = 0,1006; Д' = 23 зр = о при Sx, = 9.51.10“’ м’/с н р, = 9.86. 10“’ Па; S = 0.481 м’/с при S. = 10“’ м’/с н р, “1,03. 10“’ Па; Sp = 0.724 м’/с прн $ф — 3. 10“’ м’/С и р, — 2.83. 10“’ Па; Sp = 1.0 м’/с при 5ф = 1.09. 10“’ М*/с и р, = 9.95. 10“’ Па; Sp = 1.05 м’/с при 5ф — 2. 10“’ м’/с н Pi — 1,81. 10“’ Па. См. рис. 9.69
Механические потери в ТАШ невелики: как правило, ротор насоса вращается в подшипниках качения. Обычно механический КПД ТМН Пиех » 0.95 ... 0,97.
Мощность, затрачиваемая на сжатие газа в насосе, Вт:
GLy,?, (9.90)
где Q = $р — массовый расход газа, KJ/C — быстрота действия насоса, /С’ч Р “ p/(RT) — плотность газа,, кг/м ; 0 — минимальное оабочее давление всасывания, Па; R — газовая Достоянная, Дж/(кг-К): Т — темпера-Чра сжимаемого газа, К];	—
~~ 2’3 ДТ 1g (р^/п) — изотермическая Работа, Дж/кг.
Мощность двигателя масляного йа-с°са, Вт:
=5 (рн. м — Рм + Л§Рм)> (9.91)
где VM—объемный расход масла, м3 /с; Рн. м и Рм — давление соответственно нагнетания и всасывания масляного насоса, Па; h — напор, создаваемый насосом, м; g —ускорение свободного падения, м2/с; рм — плотность масла, кг/м3.
296
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Мощность двигателя ТМН
М = (Мн + ^м)Л1мвх. (9.92)
Целесообразно (особенно для ТМН с большой быстротой действия) мощность двигателя, вычисленную по формуле (9.92), увеличить на 10 ... 15% для увеличения пускового момента и уменьшения времени достижения рабочей частоты вращения.
Пример расчета. Исходные данные: быстрота действия ТМН по азоту S = 1 м*/с в рабочем диапазоне давлений р = 5х Х10~* ... 0,1 Па; температура газа Т = » 293 К; материал рабочих колес — алю-миииевый сплав Д16; форвакуумное давление рф — 0,1 Па.
Определить основные размеры и откачную характеристику ТМН.
Данные расчета сведены в табл. 9.17. Откачная характеристика рассчитанного насоса приведена иа рис. 9.69.

Глава 10. Струйные вакуумные насосы
10.1.	Классификация.
Основные характеристики
Работа струйных вакуумных насосов основана иа использовании в качестве откачивающего элемента высокоскоростной струи. В зависимости от вида струи различают жидкостно-, газо- и пароструйные насосы. Практическое применение находят преимущественно жидкостно- и пароструйные насосы. Пароструйные насосы подразделяют на пароэжекторные, бустерные и диффузионные
Вакуумные струйные насосы характеризуются предельным остаточным давлением, производительностью, быстротой действия и наибольшим выпускным давлением.
Предельное остаточное давление струйного насоса р0 определяется равновесием между объемами газа, удаляемого насосом, и газа, возвращаемого из насоса в систему. Если начальное давление в системе ръ то конечное давление, достигаемое через время t:
p2 = P1e~st'v+ р0,	(10.1)
где S — быстрота действия насоса, м3/с; V — объем откачиваемой системы, м3. Из (10.1) следует, что давление р2 в системе, равное предельному остаточному давлению р0, может быть достигнуто только через время t = оо. Практически предельным остаточным давлением насоса считают создаваемое в системе давление, которое не меняется в процессе длительной откачкн более чем на 10%.
Предельное остаточное давление насоса имеет значение в основном для диффузионных насосов, которые часто используют специально для создания минимального остаточного давления в системе. Для эжекторных и бустерных насосов предельное остаточное давление не имеет принципиального значения, так как они предназначены преимущественно для удаления больших потоков газа из откачиваемой системы при относительно высоких давлениях.
Производительность насоса Q складывается из эффективного (полезного) потока Qn и потоков Q, Газов из насоса, обусловленных газо-выделением стенок, циркуляцией растворенного в рабочей жидкости газа, обратным проникновением газа через струю и др. Таким образом, эффективная производительность
Qn = Q - Qo- (Ю.2)
Прн Q = Q„ т. е. при предельном остаточном давлении, эффективная производительность насоса равна нулю.
Пройзводительность как характе; ристику струйных насосов принято изображать графически в зависимости от впускного давления рвп в логариф^ мнческих координатах 1g Q — 1g Рип! обычно это — кривая с прямолинейным участком в области рабочих давлений.
Производительность — одна из важнейших характеристик работы эжекторных и бустерных насосов — связана с быстротой действия соотноше-
Жидкостно-струйные насосы
297
В соответствии с (10.2) SnP =. « Sp — Sp0, откуда
Sn= S(1 -p0/p).	(10 4)
Таким образом, эффективная полезная быстрота действия Sn равна номинальной быстроте действия S, когда р » Ро'- Sn = 0 при р = р0, т. е. при предельном остаточном давлении.
Быстроту действия как характеристику насоса принято изображать графически в зависимости от впускного давления в полулогарифмических координатах S — 1g Рвп- Быстрота действия является основной характеристикой при оценке и выборе вакуумных пароструйных насосов.
Зависимость впускного давления рвп от выпускного рвып для вакуумных пароструйных насосов имеет три характерных участка ’(рис. 10.1). Сначала с ростом выпускного давления впускное не  меняется (участок /), затем 4io достижении наибольшего выпускного давления рн. вЫП впускное давление начинает резко увеличиваться (участок //), и, наконец, дав, ления выравниваются (участок ///).
Давление рн. вып зависит от давления рвп- Обычно наибольшее выпускное давление Определяют либо при остаточном давлении, либо при впускном давлении, соответствующем наибольшей производительности.
Наряду с приведенными характеристиками при оценке степени совершенства конструкций и экономичности пароструйных насосов используют также удельные характеристики, из которых наиболее важен коэффициент полезного действия.
КПД насоса называют отношение энергии £п, расходуемой на совершение полезной работы сжатия газа в насосе от впускного до выпускного давления, к полной энергии Е, подводимой к насосу т| = Еи1Е. В большинстве случаев, когда температуры откачиваемого газа на входе в пароструйный вакуумный насос и на выходе из него одинаковы, сжатие газа можно считать изотермическим. Тогда выражение Для изотермического КПД имеет вид ^~PQpRT 1п (Рвып/Рвп)/(/МА/), (10.5) Тде р — плотность откачиваемого газа °Ри давлении 1 Па, кг/м3; QH — про-
Рее. 10.1. Зависимость впускного давления струйного насоса от выпускного давления
изводительность насоса, Па,м3/с; R — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т — температура откачиваемого газа, К; М — молярная масса, кг/моль; N — мощность, подводимая к насосу, Вт.
Для различных вакуумных пароструйных насосов изотермический КПД т] = ю-1... 10-‘.
10.2.	Жидкостно-струйные насосы
Принцип действия жидкостно-струйного насоса (рис. 10.2) следующий. Рабочая жидкость в виде турбулентной струи с большой скоростью под давлением истекает через сужающееся сопло 1 в приемную камеру 2. В результате турбулентного перемешивания и вязкостного трения струя захватывает и увлекает в камеру смешения 3 частицы окружающей среды. В камере смешения давления рабочей жидкости и откачиваемой среды выравниваются (давление откачиваемой среды увеличивается). Дальнейшее повышение давления откачиваемой среды до выпускного давления происходит в расширяющемся насадке — диффузоре 4.
Жидкостно-струйнЫе насосы могут откачивать любые газы, пары и парогазовые смеси. Рабочая жидкость также может быть любой, но иа практике распространены в основном водоструйные насосы благодаря возмож-
298
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рнс. 10.2. Принципиальная схема жнд-' костио-струйного насоса
вости использования в качестве рабо-чего тела струи обычной водопроводной воды. Водоструйные насосы изготовляют из любых материалов: стекла, металлов, пластмасс и др.
Основные характеристики жидкостно-струйных насосов — предельное оста- точное давление, ' производительность я быстрота действия.
Рис. 10.3. Зависимость производительности водоструйного насоса HBB-I от впускного давления при различном давлении рабочей жидкости (воды)
Предельное остаточное давление, создаваемое жидкостно-струйным насосом, определяется давлением насы-щенного пара рабочей жидкости и за. висит от температуры жидкости. Так для водоструйных насосов при температуре воды 293 К предельное остаточное давление составляет 2,3 кПа, Однако предельное остаточное пар. пиальное давление воздуха при этом существенно меньше; оно зависит ots содержания воздуха в воде, подаваемой в сопло, и, как показывают опыт
ные данные, при использовании водопроводной воды может достигать 1 Па.
Производительность жидкостно--струйного насоса возрастает при уве-; личении расхода и давления р;к рабочей жидкости, истекающей из сопла насоса. На рис. 10.3 приведена зависимость производительности водоструй-ного насоса НВВ-1 от впускного давления при различном давлении воды (на рабочем участке кривой зависимость линейная).
Быстрота действия жидкостно-струйного насоса также увеличивается при повышении расхода и давления рабочей жидкости. Так как жидкостно-струнный насос откачивает парогазовую смесь, состоящую из откачиваемого газа и насыщенного пара рабочей жидкости струи, то его быстрота действия по газу зависит от температуры рабочей жидкости, а следовательно, от давления ра насыщенного пара жидкости. Зависимость быстроты действия S, м8/с, жидкостно-струйного иасоса от впускного давления газа пГ1ВП имеет вид [42]
S = KQn Рг-Оту ТТ
1 г Тж
X
х ( 1/ Рг- вп..._ -1 , (10.6) \* Рг- ВЫП-------Рг. вп /
где К — постоянная для данной рабочей жидкости и откачиваемого газа (для водовоздушного насоса К = 0,85);
— объемный расход рабочей жидкости, м3/с: Тг и TKt — абсолютные температуры откачиваемого газа и рабочей жидкости, К.
В рабочем диапазоне давлений прЯ Рг. вп^Рп и Рж Рг. вып Рг. вп бы строта действия жидкостно-струйного иасоса ие зависит от впускного давле
Пароажекторные насосы
299
ния, а ПРН предельном остаточном давлении рР. вп = Рп быстрота действия S — 0.
Дополнительная характеристика жидкостно-стр у иного насоса — объемный коэффициент эжекции v= S/Qm, равный отношению быстроты действия к объемному расходу рабочей жидкости .
Методика расчета водоструйного вакуумного иасоса. Исходными данными для расчета являются: быстрота действия S при заданном впускном давлении воздуха Рг.вп; температура откачиваемого газа Тг; давление рабочей жидкости (воды) рж; температура рабочей жидкости Тж; выпускное давление воздуха Рг.вып- Требуется определить: диаметр выходного сечения сопла (см. рис. 10.2), диаметр dg камеры смешения, расход воды, характеристику насоса.
Расчет проводят в следующем порядке.
Максимальный объемный коэффициент эжекцни вычисляют по эмпяри-. ческой формуле
v = ^,85 УДрр/Дрс — 1, (10.7) где Дрр = рж —Рг. вп! Дре = Рг. внп~ Рг. вп-
Объемный расход воды [см. выражение (10,6)], м8/с,
О . l,18Spr. вп Т.к Рг. вп — Рп г г _______1-------------------------------------------------- 1/(Рж Рг. вп)/(Рг. ВЫП-----------Рг. вп) _ 1
(10.8)
Площадь выходного сечення рабочего сопла, м2:
fi = Сж/(0,95 l/2v Дрр), (10.9) где ц — удельный объем воды, м*/кг. Диаметр выходного сечения рабо-чего сопла, м:
di =1,13 УД.	(10.10)
Ва^.новйо® геометрический параметр
/з//1 = ДДр/Дрс.	(10.11)
Диаметр камеры.смешения
’	=	(10.12)
Остальные геометрические размеры принимают из соотношений: расстояние от выходного сечения сопла до входного сечения цилиндрической камеры смешения / ~ 1,54з; длина цилиндрической камеры смешения /8 са са 8ds; выходной диаметр диффузора 4л as 2,5ds: угол раствора диффузора 8г.
Водоструйный эжектор следует присоединять к сливному бачку трубопроводом, диаметр которого не меньше dt, н длиной примерно 10d4.
Прн откачке паров и парогазовых смесей производительность водоструйного насоса существенно, больше, чем при откачке сухих пазов, так как насос становится не столько эжектором, сколько конденсатором смешения. Например, производительность водоструйного насоса при откачке водяного пара в 200 ... 300 раз больше, чем при откачке сухого воздуха.
10.3.	Пароэжекториые насосы
. Принцип действия. Вакуумные пароэжекторные насосы служат для удаления больших потоков газов и парогазовых смесей из различных установок прн давлении 106 ... 1 Па.
Пар под давлением истекает через расширяющееся сопло 1 (рис. 10.4) со сверхзвуковой скоростью в виде турбулентной или ламинарной струи. Вследствие турбулентного перемешивания вихревых масс паровой турбулентной струи с молекулами окружающего газа или вязкостного трения между граничными слоями вязкрст-ной струи и прилегающими слойми газа последний захватывается и увлекается в сужающийся насадок — конфузор 2 (камеру смешения), служащий для обеспечения возможно более полного перемешивания пара с газом; этот процесс характеризуется равномерностью значений всех параметров смеси (давления, плотности,
Рис. 10.4. Принципиальная схема эжектора
300
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
водяного эжекторного насоса
скорости, температуры) йо сечению потока. Вследствие обмена энергиями при смешении и возникновения скачка уплотнения давление откачиваемого газа возрастает, достигает статического давления смеси, а скорость потока уменьшается до звуковой. В горловине 3 эжектора завершается выравнивание значений параметров смеси, и в расширяющемся. насадке-диффузоре 4 происходит дальнейший переход кинетической энергии смеси в по-' тенциальную, сопровождающийся уменьшением скорости и увеличением давления смеси до выпускного давления за диффузором.
Устройство насосов. В качестве рабочего тела в вакуумных пароэжек-торных насосах обычно используют водяной пар. Давление, создаваемое вакуумным эжекторным насосом, су1 щественно зависит от наибольшего выпускного давления. Обычно одна ступень пароводяного эжектора сжимает газ в 5 ... 10 раз. Как правило, эжекторы конструируют на степень
сжатия не более 10 по экономическим соображениям, связанным с увеличе-иием расхода пара при оольших степенях сжатия. Следовательно, одна ступень эжектора, раоотающая с вы-пуском газа в атмосферу, может cog. давать остаточные давления около 104 Па. Для получения более низких давлений необходимо устанавливать ряд ступеней последовательно. При этом за эжекторной ступенью 4 (рнс. 10.5) обычно устанавливают конденсатор 3, в котором конденсируется пар; газ откачивается следующей сту-пенью 5. Из конденсатора смешения конденсат удаляется самотеком по сливным трубам 2 в дренажный колодец 1. Водяной затвор в сливных тру. бах уравновешивает разность между атмосферным давлением и давлением в конденсаторе. Высота затвора около 10 м. Конденсатор 3 распола!ают на высоте около ,11 м над уровнем воды в дренажном колодце.
Дренажный колодец представляет собой емкость, выполненную из бетона или металла. Объем колодца рассчитывают так, чтобы при создании затвора сливные трубы были заполнены водой не менее чем на 1,5 Кт (где VT — объем всех труб). Колодец разделен на две части высоким порогом, через который вода переливается из основной камеры. При этом основная камера является отстойником для различных загрязнений, выносимых водой из насоса, что особенно важно при откачке запыленных сред.
Кроме барометрических систем конденсаторов смешения применяют низкоуровневые системы, в которых конденсат сливается в промежуточную емкость, расположенную на 1,5 ... 2,0 м ниже конденсаторов, откуда удаляется конденсатным насосом.
В пароводяных эжекторных насосах применяют также поверхностные конденсаторы, обычно трубчатого типа. Здесь в отличие от конденсаторов смешения теплообмен происходит не в р®’ зультате непосредственного контакта парогазовой смеси с охлаждающей водой, а через стенки трубок, внутри которых движется вода, а снаружи " парогазовая смесь.
Конденсаторы указанных типов имеют преимущества и недостатка
П аро&жекторные насосы
301
Таблица 10.1
4 Показатель	Значение показателя для конденсатора		
	смешения барометрического	смешения низкоуровневого	поверх* костного
Конструкционный материал Относительный расход охлаждающей воды . Относительная стоимость Увеличение высоты насоса , за счет сливных труб, м Очистка охлаждающей воды Откачка загрязненных твердыми частицами сред Откачка коррозионных сред . Необходимость очистки воды пе- . ред возвратом в систему водоснабжения Необходимость в конденсатном насосе Возможность попадания воды в систему при аварийной оста- ' новке конденсатного насоса	Любой '	Любой	Теплопроводный металл
	1	1	1,5
	10 Не требуетси	1,5 Низкая степень очистки Не рекомендуется Допускается	0 Высокая степень очистки Не рекомендуется То же Нет
	Допускается		
	Есть	Есть	
	Нетг		Есть
с учетом которых выбирают конденсатор для конкретных условий работы насоса. Сравнительные эксплуатационные характеристики насосов с конденсаторами различных типов приведены в табл. 10.1.
В высокопроизводительных паро-эжекторных насосах наиболее часто применяют барометрические конденсаторы смешения благодаря простоте Устройства, относительно невысокой стоимости, экономичности эксплуатации и высокий надежности. Низкоуровневые системы конденсаторов смешения, обладающие меньшей надежностью, применяют, когда ограничены размеры помещения. Поверхностные конденсаторы обычно используют в Пароэжекторных насосах небольшой производительности, когда ограничены габаритные размены насоса или недопустимо разбавление конденсата во-Дой, например пои необходимости улавливания'из конденсата ядовитых, кор
розионных или радиоактивных компо-' нентов.
В многоступенчатых пароэжекторных насосах с промежуточными конденсаторами давление, создаваемое первой ступенью, существенно зависит от температуры воды в установленном за ней конденсаторе, поскольку давление за ступенью не может быть ниже давления насыщенного пара охлаждающей воды в конденсаторе. При температуре воды 298 ... 303 К это давление составляет около 4 кПа, следовательно, при степени сжатия 5 ... 10 давление на входе в ступень не может быть меньше 0,4 ... 0,8 кПа.. Такое давление обычно создают трех-или четырехступенчатым насосом с двумя-тремя промежуточными конденсаторами. Для получения более низкого давления используют многоступенчатые эжекторные насосы, в которых за первой ступенью нет конденсатора, и, следователь'ио, давление
ступенчатого пароэжекторного насоса	рис. 1в,7, Лятой ,угунный ажеКто3:
за ней обусловлено только производительностью следующей ступени. Так, шестиступенчатый насос с тремя первыми 'ступенями без конденсаторов обеспечивает предельное -остаточное давление около 0,5 Па.
На рис. 10.6 приведена принципиальная схема шестистуненчатого насоса с эжекторными ступенями 1 н конденсаторами 2: на схеме указаны ориентировочные давления, получаемые на входе в каждую ступень (при температуре охлаждающей воды в конденсаторах около 300 К). Первые ступени многоступенчатых насосов, работающие при давлении менее 0,5 кПа, выполняют обогреваемыми для исключения обмерзания проточной части (приемной камеры, конфузора). .
Конструкция пароводяного эжектора существенно зависит от его размеров и материала. Обычно эжекторные насосы изготовляют из тех же материалов, что и откачиваемую аппаратуру. Так, для изготовления насосов, эксплуатируемых иа химических производствах, рекомендованы.  следующие материалы:
Откачиваемая	,,
система	Насос
Стальное литье. . Чугун или стальное лнтье (сопло из бронзы)
Коррозионно-стой-
кая сталь .... Коррозионно-стойкая сталь или соче
тание чугуна и коррозионно-стойкой
'	стали
Резиновое покры-
тие . ............Резиновое покры-
тие или фарфор
Эмалевое покры-
тие .............Фарфор
Металлические эжекторы небольших размеров изготовляют литыми (рис. 10.7), большие — сварными.
1 — сопло; 2 — приемная камера 3 -ДиффуэЬр с камерой смешен
При изготовлении эжектора ; ное внимание уделяют Обработк тренних поверхностей проточной части. Особенно тщательно обрабатывают сопло, внутреннюю поверхность которого рекомендуется полировать. Все углы проточной части (особенно- пер ходы от конических поверхностей к цилиндрическим в сопле и диффузоре) должны быть скруглены.
Пароводяные эжекторные насосы широко распространены в различных отраслях промышленности. Их применяют для откачки вакуумных дуговых н индукционных печей, установсх вне-печного обезгаживания жидких металлов, дистилляционных установок различного рода, выпарных аппаратов, вакуумных кристаллизаторов, деаэраторов, конденсаторов паровых тур-,бин, дегидраторов, вакуумных су пильных аппаратов, вакуумных фильтров, вакуумных пропиточных установок и ДР-
Основные параметры нормализованного ряда промышленных пароэжек-ториых насосов с поверхностными конденсаторами приведены в табл. 10.2.
Основные характеристики. Основную характеристику пароэжекторных насосов изображают обычно графически как зависимость впускного давления рвп от производительности (или внешней нагрузки) QK (рис. 10.8). Характеристика имеет два учдетка: пологий — рабочий участок / и крутой — участок // перегрузки. На участке / значительные изменения нагрузки мало влияют на впускное давление, на участке II малые изменения нагрузки приводят к резкому повышению впускного давления. Насос зсегда рассчитывают для работы на ргз -чей участке характеристики.
Точка перегиба характеристик' <-ответе гвующа я	максимальной *р
Парааоленторные насосы
303

Т а б л и и. а \0.2
Продолжение табл. 10.2
2
Насос	<?воз “Ри Т = 293 К, кг/ч	Рвп» **а	Рп-»о-\ Па	<2П. кг/ч	QB> м’/ч	Габаритные размеры, мм	Масса, кг	Число ступеней
НВЭ 64Х 10/6	' 64		6	-665+“	36,0+’	4505X 790X 4770	2 425	
НВЭ 64X10/10	64		10	563+71	33,0+’	4185X790X4770	2 090	
НВЭ 100X10/6	100		6	1040+112	56,0+’	5560Х 1100X3910	2 985	
НВЭ 100X10/10	100	1,3- 10я	10	880+“’	52,0+’	5840Х 1100X3910	3 000	
НВЭ 160X10/6	160		6	1664+“’	90,0+’	6480 X 1390X4430	4 910	3
НВЭ 160X10/10	160			1408+1”	83,0+’	6960X 1390X4160	4 695	
НВЭ 250X 10/10	250		10	2200+2”	130,0+“	7770X1390X5125	6 330	
НВЭ 400Х 10/10	400			3520+“’	2080+“	8750 X 1660Х-5200	9 205	
НВЭ 5X20/6	5			50+’	2,5+°’27	2390X365X2040	410	
НВЭ 10X20/6	10			84+м	4,0+°’*	2515X365X3540	505	
НВЭ 16X20/6	16		6	135+20	6,0+1	2750X570X2640	740	
НВЭ 25X20/6	25			210+“	8.0+1	3220X640X2670	945	
НВЭ 40X20/6	40			336 +“	13.0+1-*	3250X640X3670	1 250	
НВЭ 40X20/10	40	2,6-10*	10	280+*’	12.0+2	3225X640X3670	1 250	
НВЭ 64X20/6	64		6	538+’°	.21,0+3	3840X790X2770	1 445	
НВЭ 64X20/10	64		10	450+”	19,0+®	3720 x 790 X 3640	1 580 1	
НВЭ 100X20/6	100		6	840+’1	32,0+3	4290X790X4770	2 255	
НВЭ 250X20/10	250		10	1750+“°	72,0+’	6340 X 1390X4460	4 895	
НВЭ 400X 20/10	400		10	2800+331	116,0+“	7780X1660X 4750	7 800	
НВЭ 10X40/6	10			73+ю	2,5+°>3	2215X365X2540	480	
НВЭ 16X40/6	16			110+1	4,0+°.’	2470X365X3540	530	
НВЭ 25X40/6	25	5,3-10*	6	172+“	6,0+°-’	2860X570X2140	855	
НВЭ 40X40/6 НВЭ 64X40/6	40			275+32	9.6+1	3180X640X2640	1 015	
	64			440+’°	14,0+1’6	3400X640X3/80	1 390	
НВЭ 100X40/6	100			680+72	22,0+2	3950X790X3770	2 155	
								
Продолжение табл. 10.2	'
Насос	<?воз п₽и Т =293 К, кг/ч	Pan’ *^а	Па	<2П- "’/''	QB. м*/ч	Габаритные размеры, мм	Масса, кг	Число Ступеней
НВЭ 100X 40/10	ido		10	560+’’	20,0+2’3	3770X790X2770	1 855 .	
НВЭ 250X40/6	250		6	1740+“’	55,0+7	5295Х 1100X4290	3 255	
НВЭ 250X40/10	250		10	1400+1’3	50,0+*	5215X1100X4260	3 250	
НВЭ 400X40/10	400	5,3-10*	10	2240+283	80,0+’	5910Х 1100X5480	4 025	3
НВЭ 640X40/6	640		6	4290+’“	140,0+“	7300X1390X5790	7 040	
НВЭ 640X40/10	640		10	3585+’“	128,0+“	7590X1390X5720	7 090	•
НВЭ 1000X40/10	1000		10	5600+ ”°	200,0+“	8200X1660X 5350	10 630	
НВЭ 20X80/6	20		6	122+1*	1,6+°.®	1410X365X3540	300	
НВЭ 50 X 80/6	50		6	305+**	4,0+°’6	1900X640X2670	600	
НВЭ 50 X 80/10-	50		10	225+30	3,8+°>6	1845X640X2170	520	
НВЭ 125X80/6	125	НО4	6	725+32	10,0+’	2360X 790X 3000	940	
НВЭ 320X 80/10	320			1440+17’	24.0+3	3050X790X5300	1 510	
НВЭ 800X80/10	800		10	3600+’23	60,0+’	4790 X 1390X4980	3 520	
НВЭ 1250X80/10	1250			5625+’”	94,0+и	5700X 1660X 5500	5 760	
НВЭ 40Х 160/6	. 40		6	204+“	2,0+°-2	1455X365X3540	300	2
НВЭ 64X160/10	64		10	269+3’	2,6+°-’	1700X640X2170	520	
НВЭ 100X160/6	100		6	510+68	5,0+°>*	1960X640X2825	610	
НВЭ 100X160/10	100		10	420+”	4,0+°’’	1870X640X2750	600	
НВЭ 160X160/10	160	2,1-10*	10	672+31	6,4+°’7	1960X 640 X 3860	755	
НВЭ 400X160/10	400		10	1690+186	16,0+2	2790X790X5290	1 480	
НВЭ 640Х 160/6	640		6	3264+31’	32,0+а	3650 X 1100X4800	2 055	
НВЭ 1000Х 160/6	1000		6	5100+“*	50,0+*	4170Х 1100X6150	2 540	
Примечание. QBO3 — производительность по сухому воздуху; рвп ж рп — давления впускное и рабочего пара; Qn и QB — расход рабочего пара и охлаждающей воды.
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ	I	Пароомвкторныс насосы
306
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 10.8. Характеристика пароэжектор-иого насоса
изводительности насоса на рабочем участке, является расчетной рабочей точкой, для которой обычно выполняют расчет и проектирование пароэжекторного насоса.
Рис. 10.9. Зависимость быстроты действия пароэжекторного иасоса от впускного давления
Рис. 10.10. Характеристики четырех- (линия 7), пяти- (линия 2) н шестиступеича-тых (линия 3) пароводяных эжекторных насосов (давление пара 0,7 МПа; температура охлаждающей воды в конденсаторах 303 К)
Зависимость быстроты действия насоса от впускного давления имеет вид кривой с максимумом, соответствующим рабочей точке (рис. 10.9).
Предельное остаточное давление для пароэжекторных насосов является обычно второстепенной характеристикой, так как основное назначение насоса — работа в области максимальной производительности.
Наряду с обычными для вакуумных пароструйных насосов параметрами (производительностью, быстротой действия, предельным остаточным давлением и наибольшим выпускным давлением) пароэжекторные насосы характеризуются еще одним важным параметром — коэдхрициентом эжекции. Коэффициент эжекции определяют как отношение массовых расходов (кг/ч) откачиваемого газа и рабочего пара, истекающего из сопла:
v = Qr/Qr„
Характеристики многоступенчатых пароводяных эжекторных насосов, построенные в виде зависимости впускного давления от относительной производительности Q/Qp (Qp — расчетная производительность), приведены на рис. 10.10. Характеристика пароводяного эжекторного насоса слабо зависит от температуры откачиваемого газа — при повышении температуры на 100 К производительность уменьшается примерно на 5%.
Производительность пароводяного эжекторного насоса значительно возрастает с увеличением молярной массы откачиваемого газа (рис. 10.11) и доли сп пара в паровоздушной смеси (рис. 10.12). Характеристика паро-эжекториого иасоса существенно зависит от давления рабочего пара, пода-'веемого в сопло эжектора: с увеличением давления пара производительность возрастает, а впускное давление уменьшается (рис. 10.13).
Давление, создаваемое эжектором, существенно зависит от давления за эжектором (рис. 10.14). Так, повышение давления за эжектором на 2 л приводит к увеличению впускного ДаВ‘ ления в 1,6 раза.
Важнейшие параметры, характер®' зующие работу пароводяных эжектор' иых иасосов, — расходы пара (кг/41
Пароажекторныс насосы	307
Рис. 10.11. Зависимость отноше-чия производительности Q па-
Рис. 10.12. Характеристика пароводяного эжекторного насоса прн рткачке паровоздушной смесн
эаэжекторного насоса к производительности <?в03 по воздуху, от молярной массы откачиваемого газа
л охлаждающей воды (м3/ч), отнесение к 1 кг/ч откачиваемого воздуха. Эги удельные характеристики, определяющие эффективность работы насо-:ов, существенно зависят от впуск-юго давления, возрастая с его уменьшением (рис. 10.15 и 10.16).
Для пароводяных эжекторных насосов иногда важна скорость диффузии тара из насоса в откачиваемую систему, зависящая от конструкции наоса, режима его работы, создаваемого явления и внешней газовой нагрузки, ^же при потоке газа, составляющем Ю% номинальной производительности насоса, диффузия пара уменьшается i1a несколько, порядков. Если насос работает без внешней газовой нагрузки, для уменьшения диффузии пара следует специально напускать немного ’сушенного воздуха (около 10% номинальной производя тел ь н ости).
Методика расчета пароводяного ’жемориого насоса. Исходные данные ДЛЯ расчета: массовая производитель-•10сть при заданном впускном давле-ЛИи (рабочая точка); параметры эжек-‘Ируемого газа в рабочей точке (со-СТав> давление, температура); пара-*1етРы рабочего пара (давление, тем-"вРагура); температура охлаждающей °Ды в конденсаторе; наибольшее ,вы- Ускное давление; основные термо
динамические характеристики рабочей и эжектируемой сред.
Требуется определить число ступеней насоса и размеры эжекторов, обеспечивающие заданные характеристики, а также выбрать или рассчитать конденсаторы.
Расчетная схема эжектора приведена на рис. 10.17, а. Допустим, что выходное сечение 1—1 сопла совмещено с входным сечением 2—2 камеры смешения и статические давления пара и газа в сечённи 2—2 равны. Процессы течения в сопле и диффузоре, а также процесс смешения протекают с потерями.
Рис. 10.13. Зависимость впускного давле-
ния пароэжекторного насоса тельной производительности четная производительность)
от относи-(% - рас-при разных
давлениях пара (расчетное давление пара 0,7 МПа)
308
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 10.14. Зависимость относительного впускного давления от относительного выпускного для пароэжектбрного иасоса (/?р — расчетное давление}
Введем .обозначения: рПо» Тпо — параметры рабочего пара на входе ъ сопло; рп, к> Т’п. к — параметры рабочего пара в критическом сечении сопла; Pni. Тп1 — параметры рабочего пара в выходном сечении 1—1 сопла; рГ2, Тга — -параметры эжектируемого газа на входе в камеру смешения эжектора; Рз> — параметры смеси в сечении 3—3; pCi Тс — параметры смеси за диффузором.
-В координатах S процесс работы эжектора можно приближенно изобразить диаграммой, показанной на рис. 10.17, б. В идеальном эжекторе без потерь рабочий пар из начального состояния, которому соответствует’ точка А, расширяется в сопле адиабатически до давления р2 (точка 2). Состоя-
Рис. 10.15. Зависимость расхода рабочего пара иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в многоступенчатом пароводяном вжекторном насосе от впускного давления в расчетной точке (температура охлаждающей воды 3Q3 К, давление пара 0,7 МПа)
Рис. 10.16. ЗависимоеIь расхода охлаждающей воды иа 1 кг/ч откачиваемого сухого воздуха в 'многоступенчатом пароводяной эжекторном насосе от впускного давления в расчетной точке (температура охлаждаю» щей воды 303 К)
нию эжектируемого . пара (газа) на входе в камеру смешения соответствует точка С, состоянию смеси при изобарическом смешении перед диффузором — точка 3. В диффузоре смесь адиаоатически сжимается от давления р2 (точка 3) до давления рс (точка 4). В реальном эжекторе^ пар расширяется в сопле с потерями, поэтому конечному состоянию пара после расширения соответствует, точка В. Процесс смешения также сопровождается потерями и не является изобарическим; поэтому состояние смеси в конце камеры смешения характеризуется точкой D. Сжатие смеси в диффузоре. также сопровождается потерями, и состояние смеси в конце сжатия характеризуется точкой Е.
Расчет проведем в следующем порядке.
Определим степень сжатия откачи-•ваемого газа (парогазовой смеси) в насосе
5 = Рвып/Рвп- (10-13)
Построим структурную схему на’ coca для определения числа эжекторо® и конденсаторов (см. рис. 10.6)-берем - степень сжатия газа в каЖД° эжекторной ступени:
Si = Рс/Рвп- (Ю-И)
Ларозолекторньи насосы
309
Оптимально равномерное распределение степеней сжатия между - ступенями, при котором степень сжатия j t-й ступени
(Ю.15)
где п — число ступеней.
Однако на практике, учитывая условия работы конденсаторов, часто приходится отступать от равномерного распределения (см. рис. 10.6).
Подиа1рамме (рис. 10.18) определим коэффициент эжекции v ступени в зависимости от степени расширения х рабочего пара в сопле и степени сжатия § откачиваемого газа в ступени. ' Диаграмма применима как для воздуха, так и для паровоздушной смеси люоого состава. При откачке водяного пара по диаграмме получают заниженное значение коэффициента эжекции, что дает примерно 20 ... 30% запаса по расходу пара. Диаграмма действительна для расчета эжекторов • с диаметром горловины диффузора 10 ... 100 мм. При больших диаметрах необходимо увеличить расчетное значение степени сжатия § на 5%. Не рекомендуется диаметр горловины бо-
Рис. 10.17. Схема (а) И диаграмма энтальпия—энтропия (0) к расчету эжектора
лее 250 мм. При давлении рабочего пара выше 1,5 МПа диаграмма дает несколько завышенное значение v.
Массовый расход пара через сопло ступени, кг/с,
Qn = Qr/v. (10,16)
310
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 10.19. График к определению поправочного множителя ф
Площадь выходного сечения сопла м2,
l,06Qn{	2fe°-r^-x
I Яп 1	1>П0
Р1 \(*п+»)/*п1|-0’6
Рпо /	] 1
(10.18)
Диаметры горловины dK и выходного сечения сопла dj определим по значениям FK и Ft. Выберем угол конусности сопла а ~ 10 ... 20s.
Площадь сечения горловины диффузора, м2,
F3 = l,6(Qn + Qr)/(<₽V^Av)-
Площадь сечения горловины (критического сечения сопла), м2,
FK — Qn
Рид „
^п + 1 °по
(10.17)
где kn — показатель адиабаты рабочего пара (для насыщенного пара kn = 1,13, дли перегретого — kn = = 1,3); рпо — давление пара, Па; опо — удельный объем насыщенного пара, м’/кг.
Термодинамические характеристики насыщенного водяного пара (давление р, удельные объем о, энтальпия i и теплота парообразовании г) при различных температурах пара Т. приведены в табл. 10.3.
(10.19) где рс — давление за ступенью, Па; ос — удельный объем смеси при давлении рс (принимаем как для насыщенного пара), м3/кг; <р — поправочный множитель, зависящий от степени расширения х пара в сопле и степени сжатия | газа в ступени (рис. 10.19).
Площадь входного сечения конфузора, которая должна обеспечить скорость эЖектируемого потока в кольцевом сечении между соплом и конфузором vr 90 м/с, F3 ~ (2,0 ... 2,8) Ft.
Диаметры d3 и da определим по значениям F3 и F2. Определяем диаметр выходного сечения диффузора dc = = (1,6... 2,0) dg. Угол конусности конфузора примем 5 ... 7°, угол конусности диффузора — 5 ... 8°.
Длину камеры смешения (расстояние от выходного сечения сопла до горло-вины диффузора) определим по графику (рис. 10.20). Длину горловины диффузора выбираем I = 2d3.
Рис. 10.20. График к определению оптимального отношения L/d,
10.4.	Бустерные насосы
Принцип действия. Бустерные насосы применяют для удаления больших потоков газа из вакуумных уст*' новок при давлении 10 ... 10“2 Пи-13 отличие от пароводяных эжекторных насосов бустерные насосы не И®" гут работать с выхлопом в атмосфер^ так как наибольшее выпускное ЛавЛ_ иие насосов 100 ... 200 Па. Для обес*
Буспирны» насосы
311
Таблица 10.3
т, к	р. Па	О. Ы*1кт	1.10-*, Дж/кг	г- IO'*, Дж/кг
173	1,403.10-*'	5,71-10’	2,31	' 2,84
183	9,676.1О-*	8,74-10’	2,32	2,84
193	5,474-10-*	1,63-10»	2,33	2,84
203	2,606-10~х	3,58-10»	2,34	2,84
213	1,081	9,10-10*	2,35	'	2,84
223	3,943	2,62-10*	2,35	2,84
233	12,83	8,38-10» '	2,36	2,84
243 ' .	37,99	2,95-10»	2,37	2,84
253	1,032-10*	1,13-10»	2,38	2,84
263	2,597-10*	4,67-10»	2,39	2,84
273	6,109-10*	2,06-10»	2,50 .	2,50
278	8,722-10*	1,47-10*	2,51	2,49
283	1,227.10*	1,06-10*	2,52	2,48
288	1,708-10®	7,79-101	2,53	2,47
293	2,335-10®	5,78-101	2,54	2,46
298	3,167-10*	4,34-101	2,55	2,44
303	. 4,243-10*	3,29-101	2,56	2,43
308 ‘	5,624-10*	2.52-101	2,56	2,42
313	7,377-10®	1,95-10»	2,57	2,41
318	0,585-10»	1,53-101	2,58	2,40
323	1,234-10*	1,20-101	2,59	2,38
328	1,618-10*	9,58	2,60	2,37
333	. 1,992-10*	7,68	2,61	2,36
338 .	2,501-10*	6,20	2,62	2,35
343	3,117-10*	6,04	2,63	2,33
348	 3,856-10*	4,13	2,64	2,32
353	 4,737.10*	3,41	2,64	2,31
358	5,782-10*	2,83	2,66	2,30
363	6,983-10*	2,36	2,66	2,28
368	8,455-10*	1,98	2,67.	2,27
373 ,	1,013-10®.	1,67	2,68 .	2,26
378	1,209-10®	1,42	2,68	2,24
, 383	1,433-10»	1,21	2,69	2,23
388	1,691-10»	. 1,04	2,70	2,22.
312
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Бустерные насосы
313
Продолжение табл. 10.3-1
Г, К	р, Па	О, м*/1сг	МО-', Дж/кг	г- Ю-% Дж/»
393	1,985-10»	0,89	2,71	2,20 ’
398	2,321 10е	' 0,77	2,71	2,19 J
403	2,701-10»	0,67	2.72	' 2,18 1
408	3,131-10»	0,58	2,73	2,16  J
413	3,615-10»	0,51	2,73	-2,15 )
418	4,156-10»	0,45	2,74	2,13 |
423	4,761-10»	0,39	2,75	2,11 |
428	5,434-10»	0,35	2,75	2,10 (
433	6,182-10»	0,31	2,76	2,08. j
438	7,010-10»	0,27	2.76	2,07 :
443	7,922-10»	0,24	2,77	2,05 J
448	8,928-10»	0,22	2,77	2-03 ;
. 453	1,003-10»	0,19	2,78	2,01 1
458	1,124.10»	0,17	2,78	1,99 ;
• 463	1,256-10»	0,16	2,79	1,98 J
468	1,399-10»	0,14	2,79	1,96 I
473	1,155-10»	0,13	2,79	1,94 1
Примечание, и, I и г — удельные объем, энтальпия и теплота па образования.	_	я
чения их работы требуется вспомогательный форвакуумный насос.
Область рабочих давлений бустерных насосов характерна тем, что режим течения откачиваемого газа является переходным от вязкостного (на верхней границе диапазона — 10 Па) до молекулярного (на нижней границе диапазона — 10~2 Па). Эта особенность условий работы насоса в значительной мере определяет механизм откачки газа насосом.
Увлечение газа паровой струей в бустерном насосе обусловлено вязкостным трением на границе струя — газ и диффузией газа в струю. При высоком давлении определяющим является процесс вязкостного «захвата» газа, при низком — процесс диффузии. В связи с этим для лучшего откачивающего действия при высоком давлении струя должна быть достаточно плотной, при низком давлении — достаточно разреженной. Так как режим истечения паровой струи практически не зависит от давления откачиваемого газа в рабочем диапазоне впускных .давлений и в процессе откачки ие меняется, его приходится выбирать
с таким расчетом, чтобы обеспечить достаточно высокую быстроту действия во всей рабочей области. Этот режим, оптимальный во всем диапазоне давлений, иеоптималеи в каждой из областей давления (высокого и низкого). Зависимость быстроты действия на-coca от впускного давления имеет максимум при среднем давлении для выбранной области рабочих давлений. Максимальная быстрота действа! современных бустерных насосов соответствует давлению около 1 Па.
Устройство васосов. Бустерные на-сосы являются многоступенчатым! лароструйными насосами, в которых рабочим телом, истекающим из сопл, является пар специальных вакуумных рабочих жидкостей.
Отличие бустерных насосов от много-(ступенчатых пароэжекторных с0" стоит в использовании в первых сТУ' пенях насосов не прямоточных, а так называемых обращенных сопл зонтичного типа (рис. 10.21). Пар п°" ступает по паропроводящей трубе, с°" единенной с подсопельником 7, 38 тем изменяет направление движения И. обратное, проходит через иаимея»
щее сечение сопла, где скорость пара становится равной критической, и да-лее расширяется с увеличением Скорости до- сверхзвуковой в кольцевом канале, образуемом подсопельником и зонтом 2.
На рнс. 10.22 приведена схема четырехступенчатого паромасляного бустерного насоса. Насос состоит из охлаждаемого водой корпуса 3 с впуск-нЫМ 1 и выпускным 9 фланцами, паропровода 4, объединяющего три зонтичные ступени, сопла 7 и конфузора S выходной эжекторной ступени, кипя^ тильника 5, маслоотражателя 2 и выходной ловушки 10. Кипятильник цилиндрической формы сообщается со ступенями насоса двумя паропроводами. Внутри кипятильника установлен сменный трубчатый нагреватель 6 закрытого типа. Снаружи кипятильник окружен теплоизоляционным слоем стекловаты и защитным кожухом. В ннжней части кипятильника имеется сливное отверстие для рабочей жидкости; для измерения уровня рабочей жидкости предусмотрен уровнемер.
Рабочую жидкость заливают в кипятильник либо через впускное отверстие засоса, либо через отверстие для уров- . «мера. Нагревателем 6 рабочая жид-гость нагревается до рабочей температуры, соответствующей давлению пара 1 ... 2 кПа; образующийся пар поступает по паропроводам к соплу эжекторной ступени и к зонтичным соплам первых трех ступеней, истекая из них со сверхзвуковой скоростью. Откачиваемый газ, захватываемый паровой струей первой ступени, сжимается До выпускного давления этой ступени и Увлекается к холодной стенке корпуса насоса; иа стенке пар конденси-Уется и стекает по стенке в кипятильни. а газ увлекается струей после-УЮщей ступени и т. д.
Для уменьшения количества паров абочей жидкости, проникающих• из ТРУ« первой ступени в откачиваемую “стему, иад зонтом ступеия устаиов-,ен охлаждаемый водой маслоотража-вль 2, уменьшающий миграцию масла - систему примерно на 95%. Для ^авливания паров рабочей жидкости Эжекторной ступенью служит ох-а*Даемая водой дисковая ловушка 10.
абочне жидкости. Так как бустер-
Рис. 10.21. Схема обращенного сопла зон-, тичного типа
ные насосы предназначены для удаления больших потоков газа при относительно высоком впускном (10 ... 10-а Па) н значительном выпускном давлении, то основными требованиями, предъявляемыми к рабочим жидкостям, являются: высокая термическая и термоокислигельная стойкость; высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике; малая теплота парообразования; узкий фракционный состав, исключающий заметное изменение характеристик рабочей жидкости при удалении из нее легких фракций при работе насоса.
В отечественных бустерных насосах в качестве рабочих жидкостей
10.22. Схема паромасляного бустерного насоса
314
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Таблица 10.4
Масло	рп при Т — 293 К. Па	V- 1 О’ при Т == 323 К, м’/с	р при Т « 293 К, кг/и
Для вспомогательных	6,7-10-» ... 1,3-10-»	12.5 ... 16,3	850
насосов			
ВМ-3	10"» ... 10~»	7\„ 10	850
Алкарен-11	4-10-»	8... 11	927
Примечание. Здесь рп — давление паров масла; V и р — кинематическая вязкость и плотность масла.
применяют масло для вспомогательных пароструйных насосов, масло ВМ-3, а также синтетическую жидкость Ал-карен-11.
Масло для вспомогательных пароструйных насосов представляет собой продукт дистилляции медицинского вазелинового масла. Оно сравнительно дешево, ио имеет низкую тепмическую и термоокислнтельную стойкость (стойкость к окислению кислооодом воздуха при рабочей температуре в насосе). При окислении его характеристики изменяются, масло темнеет и дает смолистые осадки на внутренних деталях насоса. В связи с этим срок службы масла в насосах большой производительности невелик.
Масло ВМ-3 — продукт дистилляции недоочишенных веретенных масел. По термоокислительной стойкости масло ВМ-3 почти в 50 раз превосходит масло для вспомогательных насосов.
Вместе с тем масло ВМ-3 более легко-
кипящее, поэтому его потери из насоса больше потерь масла для вспомо-
гательных насосов при одинаковых рабочих условиях.
Алкарен-Н — синтетическая углеводородная жидкость на основе ал-килнафталинов. Может быть применена при откачке коррозионных сред.
Характеристики вакуумных масел для бустерных насосов приведены в табл. 10.4 [50].
Хацактеристики бустервых насосов— быстрота действия, производительность и наибольшее выпускное давле-
ние — существенно зависят от мощности, подводимой к кипятильнику насоса. Изменяя подводимую мощ-
Рис. 10.23. Зависимость быстроты действия паромасляного бустерного иасоса от впускного давления прн разной мощности нагревателя
ность, можно сдвигать максимум кривой зависимости быстроты действия от впускного давления в область высоких или низких давлений (рис. 10.23). Соответственно с увеличением подводимой мощности производительность насоса (SX р) в области высоких давлений увеличивается, а в области низких — уменьшается.' при этом наибольшее выпускное давление насоса существенно возрастает при любо**
впускном давлении.
Вследствие значительной сти паровых струй, сопл бустерных насосов, последние хорошо откачивают легкие газы. TaIt' быстрота действия по водороду Д»* некоторых насосов вдвое превышав аналогичный показатель по воздУ« при номинальной мощности натре® теля насоса.
Важнейшая характеристика буе1*', ных насосов — обратный поток мне-L ного пара из насоса в откачиваем систему. Для современных бустер1**
____.1 плотно-истекающих
Бустерные насосы
316
Рис. 10.24. Бустерные насосы НВБМ-0,5 <в)1 НВВМаЗ.З (ff) и НВБМ-5 («)
316
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Диффузионные насосы
317
Параметр
Быстрота действия при рвп = 1,3 Па, дм3/с
Ра, Па
Наибольшее выпускное давление (при
Рвп — 1,3 Па), Па	'
QB при Т = (288-i5) К и р = 0,1 ... 0,3-МПа. дм3/ч
Мощность нагревателя при напряжении 380/220 В, кВт . . .	,. '
Объем масла ВМ-3, заливаемого в иа-сос, дм3
Ьу фланца, мм: впускного выпускного
Требуемая быстпота действия форвакуумного насоса, дм3/с
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
* Давление измерено при работе насоса на масле ВМ-3 Манометрическим преобразователем давления с ловушкой, охлажденной жидким азотом.
насосов с колпачковым, охлаждаемым водой маслоотражателем удельный обратный поток масла составляет 0,02 ... 0,05 мг/(мин-см2) при работе насосов в области давлений не более 1 Па.
Характеристики отечественных бустерных иасосов (рис. 10.24) приведены в табл. 10.5 (10].
10.5.	Диффузионные насосы
Принцип действия. Диффузионные иасосы применяют для откачки вакуумных систем до остаточных давлений 10-1 ... 10-5 Па и ниже. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса, поэтому в нем возникает молекулярный режим течения газа.' При тепловом движении через впускное отверстие насоса молекулы газа направляются к паровой струе. Механизм удаления газа в диффузионных насосах обусловлен диффу-
Таблиц
Ф5
Значение параметра для насоса
НВБМ-0.5	НВБМ-2.5 |	НВБМ-5
•700	2500	• 5000
1,3-Ю~2	6,5-10”4	6,5.10-»
• .93	200	300
145	360	600
2	6	12
7	30	50
160	250	400
40	100	' 160
15	20	40
515Х465Х	740Х 590Х	1150Х910Х
X 1065	X 1710	Х2340
70	235 -	390
зионными процессами. Под действием разности концентраций газа над паровой струей и в струе /концентрация газа в струе вблизи сопла пренебрежимо мала) ппоисходнт диффузия газа ’ в струю. Попав в струю, молекулы газа получают импульсы от молекул пара в направлении парового потока И уносятся вместе со стоуей к стенке, корпуса насоса; ппи этом пар кондеи-' срруется на охлаждаемой стенке, а газ, сжатый в струе до выпускного давления ступени, перетекает вдоль стенки в простванство над следую®” ступенью иасоса.
Наряду с прямой диффузией га3* происходит и обратная диффузия ’ .струю со стороны форвакуума. °* иако в этом случае молекулы га37ч движущиеся в обратном иаправлен11' сталкиваются с движущимися им в встречу молекулами пара и °rrec’L-ются обратно в сторону форвакУУ**; лишь небольшая часть молекул Т'103^. продиффундировать через струю в
паТцом направлении. Число молекул газа, диффундирующих через струю обратном направлении, при оптимальном режиме работы насоса неизмеримо мало по сравнению с чис-‘оМ молекул газа, диффундирующих ' Струю со стороны впускного отверстия насоса. Однако в некоторых случаях. например ппи откачке легких газов насосом, режим работы которого .-птималеи для откачки воздуха, влия-t ие обратной диффузии может заметно сказываться на характеристиках иасоса.
Устройство насосов. Диффузионные насосы подобно бустерным являются многоступенчатыми системами с соплами обращенного зонтичного типа. В зависимости от рода рабочей жидкости, используемой д насосе, современные диффузионные насосы подразделяют на паромасляные и парортутные. В паромасляиых иасосах используют различные рабочие жидкости органического происхождения с низким дав-, лением пара при нормальной температуре. Как правило, это — смеси фракций с различными давлениями пара и молярными массами.
В связи с этим следует отметить, что требования к рабочей жидкости' паромасляиых насосов, обеспечивающие наиболее благоприятные условия работы отдельных ступеней, различны. Так, для работы первой (входной) ступени, определяющей предельное' остаточное давление и быстроту действия цасоса, нужна рабочая жидкость с низким давлением пара при нормальной температуре (дли получения низкого остаточного давления) и. при рабочей температуре в кипятильнике.. Щ связи с необходимостью создания паровой струи малой плотности для обеспечения большой скооости диффузии газа в струю). Для последней выходной) ступени, определяющей Наибольшее выпускное давление на-®са. давление пара при нормальной оомпературе несущественно, а давле-6Ие пара при рабочей температуре. , кипятильнике должно быть возможно /„•Ьшим для получения струи высо-к плотности. С учетом этого в кон-,/Укциях '
современных паромасля-“х Диффузионных насосов предусма-.... Ва|°т фракционнооваиие рабочей Дкости в самом насосе. При этом
Рис. 10,25. Схема паромасляного фракционирующего диффузионного насоса: 1 — маслоотражатель; 2 — паропровод; 3 — корпус; 4 — защитный кожух; б — электронагреватель; 6 — эжекторное сопло; 7 — конфузор эжектора; 8 и 9 впускной и выпускной фланцы
тяжелые фракции с малым давлением пара наппавляются к первой ступени, а легкие фракции с большим давлением пара — к последней ступени. Такие иасосы называют фракционирующими.
Схема типичного паромасляного трехступенчэтого фракционирующего . диффузионного насоса дана на рис. 10.25. Первые две ступени насоса — зонтичного типа, третья ступень — эжекторная. Для фракционирования рабочей жидкости в насосе разделены трубы, подводящие пар к ступеням, и на днище насоса установлен специальный лабиринт, образуемый фракционирующими кольцами. Конденсат масла, стекающий по стенке корпуса 3 насоса в кипитиль--ник, попадает через прорези в нижней -части внешнего, паропровода в про-стоаиство между внешней и внутренними трубами; проходя по лабиринту во фракционирующем устройстве, рабочая жидкость рспаряется, обедняясь по мере движения к внутренней трубе, легкими фракциями с высоким давлением пара. Утяжеленная часть рабочей жидкости, состоящая из фракций с низким давлением пара, поступает во внутреннюю трубу и направляется к первой, высоковакуумиой ступени,
318	СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис.' 10.26. Схема паромасляиого диффузионного. насоса с воздушным охлаждением
а легкие фракции поступают во вторую и эжекторную ступени. Корпус 3 насоса и маслоотражатель 1 охлаждаются водой.
В ряде случаев, например в перед-. вижных установках, насосы с водяным ' охлаждением применять неудобно; тогда используют насосы с принудительным воздушным охлаждением, (рис. 10.26). Насос охлаждается вентилятором 1, установленным на корпусе 2, для более эффективного ох-
Рнс. 10.27. Одноступенчатый стеклянный парортутиый насос:
I •• ловушка; 2 — сопло; 3 — нагреватель; 4 — теплоизоляция
лаждения на корпусе иасоса предусв м трены ребра.	' ’ и1
Основные конструкционные материалы паромасляных насосов — ел©, миний (детали .паропровода, сопла) и низкоуглеродистая или коррозионно-стойкая сталь (корпус).
Парортутные насосы конструктивно отличаются от паромасляных. что обусловлено свойствами ртути как рабочей жидкости. Во-первых, ртуть является однородной жидкостью, не и-м : щей своего состава в кипятильнике насоса; поэтому в парортутных насосах отсутствуют фракционирующие устройства н все ступени насоса пи»; . таются паром одного состава. Во* вторых, ртуть химически активна,> что обусловливает выбор конструкционных материалов насоса.
 Один из наиболее распространенных-, применяемых главным образом в лабораторных условиях, парортутных насосов — одноступенчатый стеклянный насос (рис. 10.27), очень поостой по устройству. Сопло 2 выполнено цилиндрическим. Такие насосы с различными размерами и характеристиками обычно изготовляют сами потреби гелй.
В металлическом пароптутном трех-ступенчатом насосе Н-50Р (рис. .0.28) конфузор последней эжекторной ступени служит одновременно патрубком, соединяющим насос с выходной дисковой ловушкой. В связи с тем, чуо давление пара ртути при нормальной температуре велико (0.1 Па), для получения высокого вакуума в’ откачиваемом сосуде между папортут-ным насосом и откачиваемым сюсудой необходимо устанавливать охлаждаемую до низкой температуры лопушку. При использовании ловушки, охлаждаемой жидким азотом, парортутный насос позволяет получить в хорошо обезгаженной пои Т = 723 К системе ро = 10~10 Па.
Рабочие жидкости. Ртуть обладай рядом преимуществ, обусловивших ее применение в качестве рабочей жидк0" сти в высоковакуумных насосах: однородность состава; стабильность свойств в процессе работы в насосе (ртуть яе разлагается при рабочих темпера"^' рах); стойкость к окислению во-ДУ*0*» высокое давление пара при рабочей температуре в кипятильнике; "равяЯ"
Диффузионные насосы
319
цельно малая растворимость газов.
Недостатки ртути: высокое давление пара (0,1 Па) при нормальной температуре (для получения в откачиваемом сосуде давления ниже 0,1 Па между насосом и сосудом необходимо устанавливать охлаждаемую до низкой температуры ловушку); высокая химическая активность по отношению к металлам (ртуть образует амальгамы с большей частью металлов, что ограничивает выбор конструкционных материалов для насоса); токсичность па-' ров (необходимо создавать специальные помещения для работы со ртутью и соблюдать меры предосторожности, исключающие повышение концентрации паров ртути в рабочих помещениях). Ртуть, предназначенная для работы в насосах, должна быть хорошо очищена. Для высоковакуумных насосов применяют (дистиллированную ртуть Р-1 и Р-2.
Указанные недостатки ртути, особенно токсичность паров, существенно ограничивают возможность ее использования в качестве рабочей жидкости в насосах. Ртутные насосы используют главным образом для откачки систем, в которых пары ртутя являются  рабочей средой (ртутные выпрямители, лампы), и в установках, где необходима высокая чистота рабочей среды (в масс-спектрометрах, сверхвысоковакуумных системах термоядерных установок и др.).
Высоковакуумные масла лишены указанных недостатков. Они химически инертны, неядовиты я имеют низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление 1б-4 ... i0~5 Па и ниже без применения низкотемпературных ловушек.
В высоковакуумных паромасляных иасосах применяют в основном рабочие жидкости четырех типов: минераль-нме масла; кремнийорганические соединения; сложные эфиры органических спиртов и кислот; синтетические Углеводородные жидкости.
Минеральные масла получают ва-куумной дистилляцией продуктов переработки нефти. Это неоднородные по составу жидкости, представляющие со-с°й смеси углеводородов с различными М°лекулярными массами и температу-
Рнс. 10.28. Трехступенчатый малогабаритный парортутный насос И-50Р:
1 — корпус; 2 — паропровод; 3 — эжектор; 4 — кипятильник; 5 — теплоизоляционный кожух; 6 — нагреватель; 7 — ловушка для паров ртути
рами кипения, отличающиеся низким давлением пара при нормальной тем-пературе. Насосы, работающие на этих маслах, создают предельное остаточное давление 10~4 ... 10~6 Па. Минеральные масла имеют, как правило, достаточно высокую термостойкость и сравнительно невысокую термоокислительную стойкость (при окислении, образуют смолистый осадок на внутренних поверхностях насоса).
Несмотря на высокую термическую стабильность минеральных масел, состав остаточных газов в хорошо тренированном насосе в значительной мере определяется продуктами разложения масла в кипятильнике насоса. В спектре остаточных газов (рис. 10.29) в иасосе, работающем на минеральном масле, присутствует значительное количество тяжелых углеводородов. Несмотря на малую термоокислительную стойкость и образование летучих уг-
320
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Рис. 10.29. Спектр остаточных газов в диффузионном насосе прн работе на масле ВМ‘5 (U — показание выходного прибора)
леиодородои, минеральные масла наиболее широко распространены благодаря относительно невысокой стон-мости (по сраинению с другими рабочими жидкостями). Отечественная промышленность выпускает высоковаку-умные минеральные масла ВМ-1 и ВМ-5, являющиеся продуктами дистилляции медицинского иазелиноиого масла; самое дешевое масло (ВМ-1) получают однократной, а масло ВМ-5 — двукратной дистилляцией вазелинового масла. Масло ВМ-5 имеет более однородный состав и более высокую термическую стойкость по сравнению с маслом ВМ-1. Предельное остаточное давление насоса при работе иа масле ВМ-5 на порядок ниже, чем при работе на масле ВМ-1, иремя достижения остаточного давления и 1,5... 2,0 раза меньше. Следует заметить, что характеристики минеральных масел зависят от сорта нефти, используемой и качестие исходного сырья.
Синтетические углеводородные жидкости дороже минеральных, но для производства периых не требуется дефицитное сырье (нефть); состав и характеристики их точно воспроизводимы. Синтетическая углеводородная жидкость Алкарен-24 иа основе алкил-иафталвров имеет низкое давление пара при нормальной температуре, позволяющее получать предельное остаточное давление диффузионного иасоса 10~* ... 10-7 Па, по термоокислительной стойкости превосходит минеральные масла.
Кремиийоргаиические жидкости —
полисилоксановые соединения, моле-кулы которых состоят из чередующихся атомов кремния и кислорода с присоединенными углеводородными радикалами по свободным связям кремния. Благодаря сильной связи между кремнием и кислородом кремнийорга-нические жидкости обладают высокой термической и термоокислительной стойкостью. Попадание и насос атмосферного воздуха ие илияет, как правило, иа эксплуатационные свойства рабочей жидкости. Кремнийорганиче-ские жидкости инертны к иоде. Осиоей промышленный выпуск иысокоиакуум-иых кремнийорганических жидкостей ПЭС-В-1 и ПЭС-В-2 (узкие фракции полиэтилсилоксаноиой жидкости), а также ПФМС-2/5л (узкая фракция полифенилметилсилоксановой жидкости). Осваивается промышленное производство жидкости 133-38 (ПФМС-13) — смеси метилфенилсилок-санои, по окислительной стойкости и 1,5 раза превосходящей жидкость ПФМС-2/5л и предназначенной для замены последней. Еще большую окислительную стойкость имеет жидкость 133-35 (МФТ-1) — метилфенилпикло-тетрасилоксан; по термоокислительной стойкости она в 2 ... 3 раза превосходит жидкость 133-38. Эти жидкости имеют низкое давление пара при нормальной температуре и позволяют получать предельное остаточное давление диффузионного насоса до 10-4 Па.
В диффузионных насосах, предназначенных для получения сверхвысокого иакуума, применяют кремнийоргани-ческие жидкости ФМ-1 (пентафеиил-трисилоксан) и ФМ-2 (гексафенилтетрасилоксан), обладающие ультра-иизким давлением пара при нормальной температуре (К)-’ ... 10"11 Па) и позволяющие создавать предельное остаточное давление диффузионного иасоса ниже 10'7 Па без использования лоиушек, охлаждаемых жидким азотом. По термоокислительной стойкости жидкости ФМ-1 и ФМ-2 ли®* немного уступают жидкости 13-3-35 •
Эфиры, используемые в качестве рабочих жидкостей и отечественны* Диффузионных насосах, представляя’7' собой полифенилоиые Соединения, °7? личающиеся исключительно высоко® термической стабильностью.
Диффузионные насосы
321
I-
Промышленность выпускает сиерх-высоковакуумные рабочие жидкости 5Ф4Э с давлением пара при нормальной температуре около 10~в Па и М-5Ф4Э’ с давлением пара 10~10 Па; создаваемые диффузионным насосом предельные остаточные давления при работе на этих жидкостях составляют соответственно S-IO-’ и 5-Ю"8 Па. В спектре остаточных газов практически нет тяжелых углеводородов. По термоокислительисй стойкости эфиры превосходят минеральные масла, но уступают кремиийорганическим жидкостям ФМ-1 и ФМ-2. Недостатки эфиров — сравнительно высокая температура застывания (277,4 К) и кристаллизация на холодных поверхностях.
. Освоено промышленное производство некристаллизующей ся поли-феинлоиой жидкости Н-ПФЭ с температурой застывания ниже 273 К и давлением пара при нормальной температуре около 10~10 Па.
В диффузионных насосах, предназначенных для откачки коррозионных газов (кислорода, галоидов, галоид-содержащих соединений и др.), может быть применена высоковакуумная рабочая жидкость МВД на основе перфтор полиэфиров. Жидкость пожаро-и взрывобезопасна.
Основные характеристики рабочих жидкостей диффузионных насосов приведены и табл. 10.6.
Характеристики диффузионных насосов. В рабочем диапазоне давлений быстрота действия диффузионного насосе не завись т от впускного давления (рнс. 10.30, участок II) и уменьшается в области низких (участок /) и высоких (участок III) давлений.
Уменьшение быстроты действия при низких давлениях обусловлено тем. что в этой области проявляется обратная диффузия газа через пароиую струю. Кроме того, существенную роль Начинают играть газы, выносимые с пароиой струей из кипятильника Насоса и выделяемые стенками насоса. При конденсации пароиой струи на стенках насоса некоторое количество газа, сжатого ею до повышенного Давления (особенно и области форвакуума), растворяется в конденсате и Попадает имеете с газом и кипятиль-
11 П/р Е. С. Фролов*
Рис. 10.30. Зависимость быстроты Действия диффузионного иасоса от впускного давления
ник иасоса. Этот газ наряду с обрат-иой диффузией и газоотцелеииями стенок насоса в значительной мере определяет предельное остаточное давление р0 насоса и уменьшает быстроту действия S. При р = р0 быстрота действия S = 0.
По мере увеличения впускного давления масса газа, удаляемого насосом из откачиваемого сосуда, увеличивается по сравнению с массой газа, возвращаемого вследствие прети зо-диффузии, газоотделений н со струей из кипятильника. Когда эти массы становятся несоизмеримы, быстрота действия перестает зависеть от впускного давления (участок II).
С увеличением впускного давления повышается выпускное давление насоса, регламентируемое быстротой действия форвакуумного насоса. Увеличение выпускного давления приводит к возникновению скачка уплотнения в струе, перемещению его к соплу и отрыву струи от стенок насоса, сопровождающемуся перетоком газа из области форвакуума в область высокого иакуума. При этом быстрота действия насоса уменьшается до быстроты действия форвакуумного иасоса. Быстрота действия насоса зависит от мощности нагревателя, рода откачиваемого газа и его температуры, рода рабочей жидкости.
Механизм увлечения газа струей в иысокоиакуумном насосе обусловлен двумя основными процессами (диффузией газа в струю, зависящей от плотности струн, и переносом газа струей, зависящим от скорости струи), поэтому быстрота действия насоса зависит от совокупного изменения ука-
322
Таблица 10.6
О з
, « я я К
S “>- « II «S = 5 _ ,
I |
Диффузионные насосы
323
данных параметров. Если, например, увеличивать скорость парового потока нп при неизменной плотности рп, то быстрота, действия увеличится, если увеличивать плотность рп при неизменной скорости цп, то быстрота действия уменьшится. При одновременном увеличении рп и пп максимум быстроты действия соответствует некоторому оптимальному соотношению между рп и fn- Так как эти параметры пропорциональны мощности нагревателя, то кривая зависимости быстроты действия от этой мощности имеет максимум (рис. 10.31). До некоторой мощности Лт1п, затрачиваемой на компенсацию различного рода тепловых потерь, насос не работает (S — 0). При N > Л1,mtn часть мощности затрачивается на парообразование, формируется паровая струя, и насос начинает работать; при оптимальной мощности A/opt достигается максимальная быстрота действия. Зависимость быстроты действия от впускного давления при мощности подогрева больше приведена на рис. 10.32.
Анализ уравнения диффузии показывает, что быстрота действия диффузионного насоса должна быть обратно пропорциональной корню квадратному из молярной массы газа:
Si/S2 ==	(10.20)
Одиако вследствие обратной диффузии молекул газа через струю со стороны форвакуума в область высокого вакуума без изменения режима работы насоса соотношение (10.20) практически никогда не достигается .
Для достижения наибольшей быстроты действия диффузионного насоса по газам с. различными молярными массами необходимо устанавливать оптимальный режим подогрева насоса для откачкя каждого газа. В зависимости от конструкции насоса отношение оптимальных значений быстроты действия для разных газов может в той или иной мере приближаться к определяемому уравнением (10.20).
Для выбора оптимальной мощности нагревателя насоса при откачке различных газов можно с удовлетворительной для практики точностью поль-
Рис. 10.31. Зависимость быстроты действия диффузионного насоса от мощности нагревателя
зеваться эмпирическим уравнением Nopt г/Лropt воз — 0,78 -|- 1,17/V Мг,
(10.21)
где Л^ор(Ги. Nopt воз ~ мощности нагревателя, оптимальные для откачки соответственно данного газа и воздуха; Мг — молярная масса газа.
На практике часто необходимо откачивать нз вакуумных систем смеси различных газов. Если состав смеси известен, то быстроту действия и производительность насоса для смеси газов можно рассчитать с удовлетворительной для практики точностью по формулам, полученным нз обычных соотношений для газовых смесей:
Z (SiPiMi). sopfCM ==	;
S (crMi)E Pi i=\	i=l
Рис. 10.32. Зависимость быстроты действия диффузионного иасоса от впускного давления при разной мощности нагревателя (Ni > N9 > #i)
11*
324
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Qopt СМ — f=n	/<=л	•
= j Е(«> t10-23)'
где Sopt см и Qoptсм быстрота дей-ствия и производительность насоса.для смеси газов при оптимальной мощности нагревателя; S, — быстрота действия насоса для i-ro газа, входящего в смесь; рг — парциальное давление газа в смеси; М; — молярная масса газа; cf — объемная доля газа в смеси.
Если значения быстроты действия иасоса для отдельных газов, входящих в смесь, неизвестны, то для ориентировочных расчетов по формулам (10.22) и (10.23) значение S; можно определить из уравнения (10.20).
Оптимальную мощность нагревателя иасоса при откачке смесей газов выбирают с помощью эмпирической зависимости
2^- = У	(10.24)
A'optBoa	A'optBoa
где Ni|Optr( Nopt воз — отношение, определяемое по уравнению (10.21).
Быстрота действия насоса прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры откачиваемого газа. Изменения температуры откачиваемого газа, наблюдаемые обычно на практике, незначительно Влияют на быстроту действия насоса. Так, чтобы быстрота действия увеличилась на 10%, температуру откачиваемого газа следует повысить с 293
। до 353 К.
Быстрота действия зависит от рода рабочей жидкости. Если в диффузионный насос заливать различные рабочие жидкости, то при одинаковой мощности нагревателя быстрота действия насоса будет существенно изменяться. .Зависимость быстроты действия насоса от рода рабочей жидкости можно объяснить тем, что жидкости имеют различные термодинамические и физико-химические характеристики, обусловливающие различные режимы работы кипятильника, истечёния пара из сопла и соответственно различные структуры струй, а также разные количественные соотношения при взаимодействии моле
кул откачиваемого газа с молекулами пара. Поскольку число факторов, обу-словливающих влияние рабочей жидкости на работу насоса, велико, зави-симость быстроты действия от рода рабочей жидкости нельзя выразить простым соотношением. Кроме того, для многих рабочих жидкостей (вакуумных масел) неизвестны некоторые важные характеристики, например показатель адиабаты fe, определяющий зависимость режима истечения пара из сопла от рода рабочей жидкости. В связи с этим теоретическое нсследова-иие зависимости быстроты действия от рода рабочей жидкости затруднено.
К выбору рабочей жидкости для насоса подходят обычно с практической точки зрения. Так, если в откачиваемой системе недопустимо присутствие углеводородов, применение органических соединений в качестве рабочей жидкости исключается; в таких случаях обычно используют ртуть. Если требуется получить возможно более низкое предельное остаточное . давление без применения низкотемпературных ловушек, то в качестве рабочей жидкости используют вакуумное масло с низким давлением пара.
Конструирование и отработку насоса выполняют обычно для определенной рабочей жидкости, поэтому характеристики насоса оптимальны для этой жидкости. Для работы на другой рабочей жидкости необходимо подбирать (изменением мощности) новый оптимальный режим работы насоса.
Предельное остаточное давление насоса определяется обратной диффузией газа со стороны форвакуума, давлением пара жидкости при температуре стенок насоса, выносом газов со струей пара из кипятильника, а также газовыделе-ниями стенок насоса.
Обратная диффузия газа через струю зависит от давления газа под струей, плотности и скорости паровой струи, молекулярной массы газа. Влияние обратной диффузии газа из области форвакуума снижается с уменьшением перепада давлений над струей и под ией. В свизи с этим оптимальные пре-дельные остаточные давления получают при работе е многоступенчатыми .насосами. При оптимальной для откачки данного газа мощности нагревателя
Диффузионные насосы
325
многоступенчатого (трех- и четырех-ступенчатого) насоса обратная диффузия в общем случае не является решающим фактором при определении предельного остаточного давления. Только при откачке легких газов и мощности, оптимальной для откачки воздуха, про-тиводиффузия может быть столь вели-ка> что малейшее изменение. выпускного давления приведет к изменению предельного остаточного давления насоса.
Давление пара рабочей жидкости насосов (за исключением ртути) обычно на несколько порядков меньше реального предельного остаточного давления и поэтому не влияет на него. Однако при повышении температуры стенки насоса это влияние может оказаться существенным. Так, при повышении температуры воды, охлаждающей насос, от 293 до 323 К предельное остаточное давление при работе на масле ВМ-1 возрастает в несколько раз, а в насосе с воздушным охлаждением при таком же повышении температуры охлаждающего воздуха — на два порядка.
Важное значение имеет также вынос газа со струей из кипятильника. Этот процесс обусловлен двумя факторами. Во-первых, при конденсации паровой струи на стенках насоса происходит частичное растворение откачиваемого газа в конденсате, причем, попав вместе с конденсатом в кипятильник, газ увлекается с паром к соплу и выделяется из струи в откачиваемый объем. Во-вторых, некоторые рабочие жидкости, нагреваясь до рабочей температуры в кипятильнике, могут частично разлагаться с выделением газообразных продуктов (так называемый термический крекинг масла), которые выносятся со струей в откачиваемый объем.
Естественно, что термическое разложение рабочей жидкости интенсифицируется с повышением температуры ПаРа в кипятильнике и, соответственно, Увеличением мощности нагревателя, следователь но, кривая зависимости Редельного остаточного давления от ™°ш,ности нагревателя должна иметь инимум. С увеличением мощности Редельное остаточное давление сна-аЛа уменьшается вследствие умеиь-еная обратной диффузии, а затем,
достигнув минимума при некоторой мощности, начинает возрастать вследствие выделения газообразных продуктов термического разложения масла. Количество газов, попадающих из струи с конденсатом в кипятильник, существенно зависит от растворимости газов в конденсате, температуры конденсата и давления, при котором происходит растворение газа в конденсате. Чем меньше давление, при котором газ контактирует с пленкой конденсата, и выше температура конденсата, тем меньше растворимость газа в конденсате и, соответственно, меньше эмиссия газов из струи и предельное остаточное давление насоса.
На предельное остаточное давление существенно влияет выделение газов из стенок насоса. Обезгаживание стенок насоса прогревом до Т = 370 К позволяет понизить предельное остаточное давление насоса более чем на порядок.
Наибольшее выпускное давление насоса определяется работой последней выпускной ступени и зависит главным образом от плотности струи, расхода пара через сопло и конструкции ступени.
Для увеличения наибольшего выпускного давления необходимо увеличивать плотность паровой струи и расход пара через сопло, т. е. мощность нагревателя. Наибольшее выпускное давление высоковакуумного иасоса зависит от впускного давления, причем характер зависимости определяется главным образом конструкцией выпускной ступени.
Во многих конструкциях высоковакуумных насосов выпускная ступень выполнена в виде эжекторного узла с конической сужающейся камерой смешения. В этих насосах наибольшее выпускное давление возрастает с увеличением впускного давления. Обычно насосы характеризуют наибольшим выпускным давлением при предельном остаточном давлении или при наибольшем впускном давлении в рабочем диапазоне (диапазон давлений, в котором быстрота действия постоянна).
Для сравнительной оценки степени совершенства диффузионных пароструйных иасосов применяют удельные характеристики, важнейшие из кото
326
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
рых — удельная быстрота действия, вакуум-фактор и термодинамический КПД.
Удельная быстрота действия — это быстрота действия SB насоса, отнесенная к единице площади F сечения впускного отверстия:
SW = SB/F. (10.25)
Для лучших конструкций современных диффузионных насосов S’yB = = 3,0...6,5 дм3/(с-см2).
Вакуум-фактор — отношение фактической быстроты действия 5$ насоса к теоретической максимально возможной быстроте действия ST:
Ф = Хф/Зт. (10.26)
Вакуум-фактор — более наглядная, характеристика работы вакуумных насосов, чем удельная быстрота действия, так как непосредственно указывает, насколько фактическая быстрота действия отличается от предельно возможной. Прн этом удельную теоретическую быстроту действия можно рассматривать как объем газа, который теоретически может пройти через 1 см2 площади диффузионной диафрагмы в единицу времени. Так, при откачке воздуха при Т = 293 К в области низких давлений (молекулярный режим течения газа) ST — 11,6 дм3/(с-см2). Для большинства современных насосов вакуум-фактор Ф ж 0.3...0,5.
Термодинамический КПД в соответствии с выражением (10.5) для различных пароструйных диффузионных насосов составляет 10“4... 10~3, т. е.только сотые или десятые доли процента мощности нагревателя затрачиваются на совершение ' работы сжатия газа.
Иногда на практике при оценке вакуумного иасоса в качестве технике-' экономического показателя применяют так называемую удельную мощность, т. е. расход мощности на единицу быстроты действия, Вт-с/дм3:
q—N/S. (10.27)
Однако этот показатель недостаточен для технико-экономической характеристики вакуумного пароструйного насоса, так как не учитывает наибольшего выпускного давления, а следовательно, и степени сжатия газа. Между тем, как уже указано, мощность
нагревателя сушественно зависит от наибольшего выпускного давления: чем больше выпускное давление, тем боль-шая мощность должна быть подведена к насосу. Комплексным показателем является термодинамический КПД, который с учетом выражений (10.25)— (10.27) можно записать в виде
Ф
т) = —- pRT In g, (10.28)
где р — плотно- ть газа при давлении Рвп- <7 = N/Sf.
Из выражения (10.28) следует, что КПД вакуумного пароструйного насоса возрастает с увеличением вакуум-фак-тора Ф, степени сжатия газа S ---= Рвып/рпп и уменьшением удельной мощности а'.
В высоковакуумных иасосах при Истечении пара из сопла часть линий тока паровой струи направлена в сторону откачиваемого объема, поэтому происходит частичная миграция паров рабочей жидкости из насоса в откачиваемый сосуд. Кроме того, источниками миграции пара являются конденсат рабочей жидкости, находящейся на стенках корпуса в верхней части насоса и испаряющейся при температуре стенки, а также поверхность сопла, на которой происходят частичная конденсация пара из струи и последующее яспарение конденсата при температуре сопла. В ряде конструкций насосов существенную миграцию паров рабочей жидкости в откачиваемый сосуд могут вызывать неплотности крепления верхнего сопла (вытекание пара из-под гайки, крепящей сопло).
Миграция паров рабочей жидкости из иасоса в откачиваемый сосуд нежелательна по ряду причин (например, загрязнение откачиваемой системы, по-, терн рабочей жидкости в насосе). Кроме того, миграция паров масла из струи иасоса в откачиваемый сосуд может в значительней степени изменять остаточное давление в системе.
Обратный поток паров масла из иасоса в откачиваемую систему для большей части ~ насосов составляет 0,1...0,01% потока пара, истекающего из верхнего сопла насоса; в среднем по сечению входного отверстия обратный поток составляет 71... 5) X X 10“2 мг/(ч-см2).
Диффузионные насосы
327
При установившемся режиме работы насоса обратный поток масла практически постоянен. Увеличение впускного давления в широком диапазоне рабочих давлений не приводит к изменению обратного потока масла. Обратный лоток практически не меняется в диапазоне впускных давлений 10-4... 10-2 Па, а при давлении более 10-2 Па уменьшается (рис. 10.33). Это объясняется, по-видимому, тем, что напуск воздуха в насос до давлений более 10-2 Па приводит к переходу молекулярного режима течения газа в молекулярно-вязкостный, при котором вероятность возврата молекул масла в насос возрастает в результате увеличения числа столкновений с движущимися навстречу молекулами газа. Однако следует учитывать, что повышение впускного давления до значения, при котором достигается наибольшее выпускное давление насоса, может привести к нарушению режима работы насоса; при этом последующее восстановление нормального режима работы сопровождается значительным увеличением. обратного потока масла.
Повышенная миграция паров рабочей жидкости происходит при пуске и остановке насоса. После включения нагревателя (в течение 15 мин) обратный поток равен нулю (рис. 10.34), так как происходит разогрев кипятильника, и температура масла еще низкая (этот период соответствует подводу теплоты, компенсирующей тепловые потери в насосе). Далее температура масла быстро повышается, из сопла истекает несформировапный еще дозвуковой поток, что приводит к резкому увеличению обратного потока масла из насоса. Через некоторое время поток формируется, скорость его становится сверхзвуковой, а обратный поток масла резко уменьшается до минимального значения. После этого температура в. кипятильнике еще некоторое время повышается до рабочей, и обратный поток масла возрастает в результате увеличения плотности пара на выходе из сопла. Далее при установившейся рабочей температуре пара в кипятильнике обратный поток практически не меняется. При выключении нагревателя иасоса по мере снижения темпе-ратуры пара в кипятильнике обратный
Рис. 10.33. Зависимость потока масла из диффузионного насоса в откачиваемую систему от впускного давлении
поток масла сначала убывает вследствие уменьшения плотности паровой струи; затем по достижении температуры в кипятильнике, прн которой статическое давление пара на выходе из сопла становится меньше давления газа на входе в насос, происходит скачок уплотнения в сопле. При этом скорость паровой струи становится дозвуковой, а плотность возрастает, и обратный поток масла резко увеличивается. После перемещения фронта скачка уплотнения в критическое сечение сопла обратный поток масла начинает убывать вследствие уменьшения плотности потока по мере снижения . температуры пара в кипятильнике.
Описанный характер изменения обратного потока паров рабочей жидкости из насоса прн значительном увеличении Впускного давления во время пуска и .остановки иасоса часто является причиной загрязнения откачиваемой системы рабочей жидкостью, даже если миграция пара из насоса при нормальном установившемся режиме работы очень мала.
Основные характеристики паромас-ляных серийно выпускаемых диффузионных насосов приведены В табл. 10.7—10.9, Промышленностью
Рис. 10.34. Кривая изменения потока масла нз диффузионного насоса в процессе цикла (пуск—работа—остановка)
328
СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
в»
ЁГ К ч ю я н
Значение параметра для насоса
X
41 Охлаждение вентилятором.
*2 Охлаждение естественное.
Примечание. Для указанных насосов напряжение 220 В.
Диффутюнные насосы
329
	Таблица 10.8				
		Значение	параметра	для иасоса	
•	t	О	О	о	о	
Параметр	о * ч	СО	ьО сч	о	ео со
		§		§	§
	CQ	п	в	А	
	л	X	X	X	X
Быстрота действия, дм3/с, при рт, Па: 6,6. Ю-1 ... 1,3. ю-1	340	700	2350		
6,6.10-* ... 6,6. 10^2	—	—	—	5900	16 250
Наибольшее выпускное дав-	35	33,3	33,3	33,3	33,3
ление, Па Расход охлаждающей воды	35	60	150	280	600
(при Т = 283 ... 293 К и р — 0,15 МПа), дм®/ч Мощность нагревателя, кВт	0,5	0,8	2,0	4,0	9,0
Объем масла, дм3	0,05	0,3	0,6	1,4	3,5
Dy, мм, фланца: впускного	100	160	250	400	630
выпускного	25	40	63	63	100
Требуемая быстрота дей-	1,5	3,0	10	16	50
ствия форвакуумного иасоса, дм3/с Габаритные размеры, мм	275Х	425Х	705Х	860Х	1 345Х
	X 170Х	Х260Х	Х350Х	Х530Х	Х1010Х
	Х360	Х380	Х600	Х800	XI 300
Масса, кг	6,5	16	31,5	80	280
Примечание. Для указанных насосов предельное остаточное давление р0 = 6,5-Ю-* Па; напряжение для иасоса НВДМ-630 — U = 380 В, для остальных — U — 220 В.
/
Таблица 10.9
Параметр	Значение параметра для насоса			
	НСВДМ-63	НСВДМ-100	НСВДМ-160	НСВДМ-250
Быстрота действия при Рвп= 10-8 ... IO"1 Па, дм3/с Рр> Па Наибольшее выпускное Давление, Па Обратный поток паров рабочей жидкости, Иг/(ч.СМа)	170	360 , 6,5 2 5-	700 •10-» 6,6 10"»	1700
Расход охлаждающей воды (при Т = 283 ... 293 К и р = 0,15 МПа), дм*/ч	30	42	85	155
330	СТРУЙНЫЕ ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Продолжение табл. 10.9
Параметр	Значение параметра для иасоса			
	НСВДМ-63	НСВДМ-100	НСВДМ-160	НСВДМ-250
Мощность нагревателя, кВт	0,4	0,6	1,2	2,2
Напряжение, В Dy, мм, фланца:	220	220	220	380/220
впускного	82	112	160	264
выпускного	—	—	-—	63
Требуемая быстрота дей-	1	2	4	10
ствия форвакуумного иасоса, дм3/с				
Габаритные размеры, мм	250Х 185Х	235Х220Х	385Х230Х	635Х450Х
	Х400	Х460	Х225	Х750
Масса, кг	'	6,0	8,0	16,2	45
Примечание. Для - иасоса НСВДМ-250 напряжение U = 380/220 В, для остальных — U = 220 В.
выпускается серийно также один тип парортутного диффузионного насоса Н-50Р, характеристика которого приведена ниже.:
Быстрота действия при рвп —
= 1 ... 10~3 Па, дм3/с. . .	50
р0 (прн измерении манометрическим преобразователем с азотной ( ловушкой), Па, не более .*...............5-10*5
Наибольшее выпускное давление, Па................... 200
Объем ртути, заливаемой в насос, дм3 .............. 0,08
Расход охлаждающей воды (при температуре на входе
. Т = 283 ... 293 К и Р =
— 0,2 ... 0,3 МПа), дм3/ч	. .	25
Мощность нагревателя,	кВт	0,5
Напряжение, В............... 220
Dy, мм, фланца:
впускного................ 60
выпускного................ 7
Габаритные размеры, мм . . 212х X 140Х Х272
Масса, кг................... 3,7
10.6. Вакуумные пароструйные агрегаты
В условиях промышленной эксплуатации вакуумные пароструйные насосы обычно присоединяют к откачиваемым
Рис* 10.35. Паромасляный высоковакуум* ный агрегат типа АВДМ:
/ — затвор; 2 — азотная ловушка; 3 — электрический разъем; 4 — диффузионный насос; 5 — термореле; 6 — плита; 7 — стойка
системам трубопроводами через вакуумные затворы, отражатели, ловушки. Для расширения возможностей про-, мышленного применения вакуумных пароструйных насосов выпускают типовые указанные элементы. Пароструй
Назначение и классификация
331
ный насос, соединенный с отражателем, ловушкой, затвором и установленный на раме, называют вакуумным агрегатом.
На рис. 10.35 показан серийно выпускаемый агрегат типа АВДМ на базе диффузионных насосов типа НВДМ.
Агрегат включает вакуумный затвор
1	шиберного типа с электромеханическим приводом н заливную азотную ловушку 2. На корпусе насоса укреплено термореле 5, предназначенное для отключения нагревателя насоса при превышении предельной рабочей температуры корпуса.
Характеристики агрегатов приведены в табл. 10.10.
Таблица 10.10
	Значение параметра для агрегата				
	о	О	О	О	С5
					
Параметр			04		<0
	4		5	8	i
	S3	0)	S3		05
	<	ч	<	1 <	<
Быстрота действия (при	130	310	870	2280	5700
рвп== 6.5-10-* ... 1,3 X X 10--1 Па), дм3/с Предельное остаточное давление, Па Наибольшее выпускное давление, Па Расход жидкого азота в уста-	35 0,8	0,8	6,5.10-» 3 1,0	3,3 2,0	3,0
новившемся режиме (при о = 6,5-10'4 Па), л/ч Расход охлаждающей воды	35	60	150	280	600
;прн Г = 283 ... 293 К и о = 0,15 МПа), дм3/ч Мощность нагревателя, кВт	0,563	0,9'	2,1	4,2	9,5
Напряжение, В	220	220	380/220	380/220	.380/220
Оу, мм, фланца: впускного	100	160	250	400	630.
выпускного	25	40	63	63	100
Габаритные размеры, мм	670Х	750Х	1150Х	1440Х	2100Х
	Х630Х	Х720Х	Х780Х	X 1350Х	X 1900Х
	Х450	Х540	• Х780	Х930	X 1400
Масса, кг	40	65	140	294	870
Глава 11. Вакуумные ловушки
11.1.	Назначение и классификация
Вакуумными ловушками называют Устройства, служащие для предотвращения проникновения паров рабочих «Идкостей вакуумных насосов в откачиваемый сосуд.
В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяют на высокова-куумиые и форвакуумные. Высоковакуумные ловушки предназначены для улавливания паров рабочих жидкостей из диффузионных н бустерных пароструйных насосов при молекуляр
332
ВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ
1
ном режиме течения пара нз насосов, форвакуумные — для улавливания паров рабочих жидкостей форвакуумных насосов лри вязкостном и молекулярновязкостном режимах течения пара из насосов.
В зависимости от принципа действия ловушки подразделяют иа механические, низкотемпературные, сорбционные, термические и электрические. Наиболее распространены механические, конденсационные и сорбционные ловушки.
Основные характеристики ловушек — защитная способность и удельная проводимость.
Защитную способность [3 ловушки определяют как отношение потока пара рабочей жидкости, поступающего из насоса в ловушку в единицу времени, к потоку Q'' пара, прошедшего через ловушку в откачиваемый сосуд: Р Qn/Qn- Иногда в качестве показателя, характеризующего защитную способность ловушки, используют непосредственно поток Q^, отнесенный к единице площади сечения входного отверстия ловушки, либо парциальную долю паров рабочей жидкости и продуктов ее термического разложения в спектре остаточных газов в откачиваемой системе за ловушкой.
Удельную проводимость ЦуД. л ловушки определяют как отношение проводимости ловушки ил к площади сечення ее входного отверстия Ел: Муд. л = ил'/ F л. •
11.2.	Высоковакуумные ловушки
Механические ловушки. Простейшей механической ловушкой, служащей для уменьшения проникновения ларов рабочей жидкости из паромасляных насо-
Р«с. Ц.1. Колпачковый маслоотражатель
сов, является колпачковый маслоотражатель. Он представляет собой колпачок, устанавливаемый над верхним соплом паромаслнного насоса и охлаждаемый водой (рис. 11.1). Колпачок частично погружен в паровую струю, так что его края «срезают» линии тока паровой струн, направленные вверх и не замыкающиеся на холодные стенки корпуса. Отражатель позволяет в 20... 30 раз уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости из паромасляных насосов, не снижая практически быстроты действия насоса, поскольку «срезание» линий тока пара, направленных вверх и мешающих откачке, практически компенсирует сопротивление потоку газа, оказываемое отражателем. Основные размеры отражателя выбирают из соотношений: яз 15...20 мм; h2 яз 0,3£>с; DK « 1,3DO.
Эффективность колпачкового отражателя существенно зависит от его температуры. Так, повышение температуры отражателя от 298 до 323 К приводит к увеличению обратного потока паров рабочей жидкости за отражателем примерно в 2 раза.
К оптически непрозрачным механическим ловушкам относят устройства, действие которых основано на том, что молекулы рабочей жидкости, поступающие из любой точки насоса, не могут проникнуть в откачиваемую систему без соударения с элементами улавливающего устройства. Температура механических ловушек равна температуре охлаждаемой стеики насоса, поэтому ие происходит «перекон-денсация» молекул рабочей жидкости со стенки насоса на элементы улавливающего устройства; ’ уловитель служит главным образом для конденсации частиц рабочей жидкости, рассеиваемых из паровой струи.
Требование оптической непрозрачности ловушек основано на предположении, что длина свободного пути молекул рабочей жидкости велика и молекулы должны двнгатьсн по практически прямолинейным траекториям. В действительности траектория движения молекул пара искривлена из-за взаимных столкновений между ними; вследствие этого часть молекул может пр°" никнуть через ловушку без столкновения с ее элементами. Необходимо отме-
Высоковакууяньи ловушки
333
ФЮ
Рис. 11.2. Стеклянные низкотемпературные ловушки
тить. что число столкновений между молекулами рабочей жидкости (даже с ннзкнм давлением пара) может быть значительным, так как концентрация молекул в обратном потоке пара из насоса может во много раз превышать равновесную концентрацию, соответствующую температуре стенки насоса. При этом чем меньше максимальный угол <х1пах между горизонталью н направлением вторичного потока, возникающего в результате столкновения молекул рабочей жидкости в первичном потоке из насоса, тем выше защитная способность ловушки. В связи с этим механические ловушки различных конструкций имеют различную защитную способность.
В табл. 11.1 приведены принципиальные схемы защитных элементов наиболее распространенных конструкций оптически непрозрачных механических ловушек и значения защитной способности и удельной проводимости ловушек [371. Для ловушек 1—5 наибольшая удельная проводимость соответствует числу улавливающих элементов (пластин, уголков), равному 10. Максимальной защитной способностью и высокой удельной проводимостью обладает коническая шевронная ловушка. Механические ловушки, охлаждаемые водой, позволяют в хорошо обезгаженной системе при работе диффузионного насоса на термостойкой рабочей жидкости с. низким давлением пара (менее 10~7 Па) прн нормальной температуре получить остаточное давление 10~в...10~7 Па и уменьшить обратный поток паров рабочей жидкости до 10~6...10*в мг/(ч-см2).
Конденсационные низкотемпературные ловушки, Для наиболее полной защиты откачиваемой системы от паров рабочей жидкости пароструйных насосов служат низкотемпературные ловушки, которые понижают давление пара рабочей жидкости до значения, соответствующего температуре охлажденных элементов ловушки. Применение низкотемпературных ловушек позволяет получать в хорошо обезгаженной системе остаточное давление 10~в Па для паромасляных диффузионных насосов и 10~10Па для парортут-иых.
Для паромасляных диффузионных насосов в зависимости от требований, предъявляемых к остаточному давлению и составу остаточных газов, применяют ловушкн, охлаждаемые до температур от 243 до 77 К.
На рнс. 11.2 показаны наиболее распространенные стеклянные ловушки. Ловушка, показанная на рис. 11.2, а, представляет собой систему нз коаксиальных стеклянных трубок, охлаждаемую с помощью стандартного стеклянного сосуда Дьюара (с хладагентом), который надевают на наружную трубку. Максимальная проводимость ловушки соответствует отношению диаметров внутренней и внешней трубок d/D = 0,62. Ловушкн, показанные на рис. 11.2, б и в, не требуют дополнительного сосуда с хладагентом, который помещают непосредственно во внутренний резервуар ловушкн. Эти ловушкн имеют бдлыпую проводимость по сравнению с ловушкой, показанной на рис. 11.2, а, но меньшую защитную способность, так как одна из стеиок
334
ВАКУУМНЫЕ ЛбВУШКИ
а б ли ц a 11.1
Высокоаакуужнеи ловушки
335
канала для прохода газа не контактирует с хладагентом, а следовательно, имеет относительно высокую температуру, близкую к нормальной. Наиболее эффективна, ио и наиболее сложна по конструкции ловушка, показанная иа рис. 11 .2, г. Обе рабочие стенки канала здесь имеют температуру хладагента.
В качестве хладагента в ловушках обычно используют жидкий азот, иногда раствор сухого льда в ацетоне.
По конструктивным схемам защитных элементов низкотемпературные ловушки для паромасляных диффузионных насосов мало отличаются от механических (см. табл. 11.1). На рис. 11.3 показана двухрядная жалюзийная ловушка, охлаждаемая жидким азотом. Пластины 2 ловушки, расположенной в корпусе 1, охлаждаются медным хладопроводом 3, конец которого опущен в сосуд Дьюара 4 с жидким азотом. Удельная проводимость таких ловушек 2...3 дм8/(с-см2). В заливной металлической азотной ловушке (рис. 11.4) жидкий азот заливают в кольцевой резервуар 4 вручную (для ловушек с Dy 100 и Dy 160) либо с помощью азотного питателя (для ловушек с Dy > >160 мм). Азотные ловушки имеют высокую защитную способность (более 10s) и при работе с паромасляными диффузионными насосами обеспечивают спектр остаточных газов в откачиваемой системе, свободный от тяжелых углеводородов.
Для охлаждения металлических, низкотемпературных ловушек используют также газовые микрокриогенераторы, работающие по циклу Стирлинга (или Мак-Магона), фреоновые холодильные машины и термоэлектрические полупроводниковые батареи, обеспечивающие температуру соответственно 77; 210 и 245...225 К.
По принципиальным схемам низкотемпературные ловушки для парортут-ных насосов не отличаются от ловушек Для паромасляных насосов. Однако условия, необходимые для обеспечения работоспособности этих ловушек, различны. Так, для паров масел, давление которых при температуре стенок насоса очень мало (!0~в...10~вПа), длина свободного пути молекул велика (10s см) и они перемещаются практически по прямолинейным траекториям; для па-
Рис. U.S. Металлическая двухрядная жалюзийная азотная ловушка с внешним источником холода
ров ртути, давление которых при тем-, пературе стенки насоса составляет примерно 0,1 Па, длина свободного пути молекул существенно меньше и число столкновений между молекулами велико. При р at 0,1 Па и Т = 293 К одна молекула ртути испытывает 5-103 столкновений с другими молекулами, заключенными в 1 см3. Следовательно, при больших расстояниях между холодными элементами ловушки молекула ртути, двигаясь по искривленной вследствие столкновений траектории, может пройти через ловушку, ие попав иа холодную поверхность. В связи с этим в ртутных ловушках предусматривают более узкие и длинные рабочие каналы, чем в масляных ловушках, чтобы молекулы ртути успевали продиффуидировать к холодным поверхностям и осесть на них.
В качестве хладагента для ртутных ловушек обычно используют жидкий азот, так как коэффициент конденсации ртути существенно уменьшается при
Ряс. 11.4. Металлическая заливная азотная ловушка:
1 — корпус; 2 — вымораживающее устройство; 8 — вкран; 4 — резервуар
I
336
ВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ
Рнс. 11.5. Двухступенчатая ловушка для парортутных насосов
температуре выше 130 К. Вследствие высокого давления паров при длительной работе ртуть может намораживаться на поверхности азотной ловушкн, и в некоторых случаях вся ртуть может быть перегнана из насоса в ловушку. В связи с этим для парортутных насосов с продолжительным циклом непрерывной работы иногда применяют двухступенчатые ловушки (рис. 11.5), в которых первая ступень 1 охлаждается фреоновой холодильной машиной до
Рнс. 11.5. Сорбционная ловушка
Т = 240 К, а вторая ступень 2 — жидким азотом. При этом ртутный пар конденсируется в ступени 1, не замерзая, и возвращается в насос. Благодаря существенному (приолизительио в 10s раз) снижению давления пара за ступенью i в ступени 2 уже не требуется предусматривать узких н длинных каналов. Масса ртути, намораживаемой в азотной ловушке в единицу времени, при этом уменьшается более чем на два порядка.
Сорбционные ловушки. Наряду с низкотемпературными ловушками для предотвращения миграции паров рабочей жидкости из паромасляных насосов в откачиваемую систему применяют также сорбционные ловушки. Основное нх преимущество — отсутствие хладагента.
Принцип действия сорбционных ловушек основан на сорбции паров масла поверхностью активного пористого сорбента (активированный уголь, цеолит, оксид алюминия, силикагель, пористые металлы и Др.). Особенность сорбционных ловушек — необходимость активации сорбента перед работой| прогревом до Т = 600...700 К, а также необходимость периодической регенерации сорбента прогревом после насыщения маслом в процессе работы лен вушки.
На рис. 11.6 приведена схема простейшей сорбционной ловушки с наружным нагревателем. Существует мно-1 го конструкций сорбционных ловушек! с различными вариантами размещения! сорбента и расположения нагревателя.! Основное требование к конструкции! ловушки — исключение возможности! перемещения молекул масла без взаи-| модействня с сорбентом.	I
С помощью сорбционных ловушек,! заполненных цеолитом или оксидом! алюминия, в хорошо обезгажеииой! системе при работе паромасляного! насоса, снабженного механической ло-1 вушкой, удается получать остаточное! давление I0"8 Па, которое устойчиво! поддержигается в течение нескольких! месяцев. Защитная способность лову-1 шек превышает 10ь.	I
В отечественных сорбционных высо-1 ковакуумных ловушках в качестве! сорбента чаще всего используют цео|
Форвакуумные ловушки
337
диты (СаА, NaX), активный оксид алюминия (А-1), активированные древесные угли (СКТ-2, БАУ).
11.3.	Форвакуумные ловушки
Механические форвакуумные насосы с масляным уплотнением являются источником значительной миграции паров масла и продуктов его разложения в откачиваемую систему. Обратный поток масляного пара из форвакуумных насосов составляет 2...5мг/(чХ X см3).
Для защиты откачиваемой системы от проникновения паров масла и продуктов его разложения из форвакуумных насосов применяют различные улавливающие устройства.
Конденсационные низкотемпературные форвакуумные ловушки. Принцип действия низкотемпературных форвакуумных ловушек основан на конденсации паров масла и продуктов его разложении на поверхностях ловушек, охлажденных до низких температур. Ловушкн устанавливают на впускном патрубке форвакуумного насоса.
Азотная форвакуумная ловушка (ЛАФ), охлаждаемаи жидким азотом [28] (рис. 11.7), представляет собой трубу со встроенным защитным экраном 12, помещенную в сосуд Дьюара 4. Труба 11 для откачиваемого газа, имеющая на концах фланцы 1 и 9 (илн ниппели для ловушки с Dy 16) для крепления ловушки в форвакуумном трубопроводе, установлена с зазором в горловине 3 и в нижней частя герметично соединена с внутренней стенкой 5 сосуда Дьюара, а через переходник 8—с его наружной стенкой. Переходник 8 предназначен для уменьшения теплопритока по трубе 11. Откачку сосуда Дьюара выполняют Через штуцер 10. Вакуум в этом сосуде Поддерживается сорбентом 6 (активированный уголь), который размещен на Сетке 7. Жидкий азот заливают в ловушку через трубку 2. Патрубок 13 Предназначен для выхода паров жидкого азота. Пары масла и продукты его разложения конденсируются иа Пнутренней поверхности трубы 11 и Экране 12.
ЛАФ эффективно поглощает также “ары воды. Установка ловушки над
Рис. 11.7. Низкотемпературная форвакуумная ловушка ЛАФ
форвакуумным насосом 2НВР-5Д, работающим на масле ВМ-5, позволяет получить предельное остаточное давление 2-10~3 Па; основные составляющие спектра остаточных газов — азот, кислород и пары воды. Ловушки могут работать не менее 15 ч без доливки жидкого азота.
Характеристики ЛАФ некоторых типов приведены в табл. 11.2.	!
Сорбционные форвакуумные ловушки. Сорбционные ловушки — одно из весьма эффективных н наиболее распространенных средств защиты откачиваемой системы от проникновения паров масел и продуктов их разложения из форвакуумных насосов. В качестве сорбентов в лоиушках используют цеолиты, активированный уголь н оксид алюминия. Ловушки просты в эксплуатации, могут работать в течение нескольких недель без регенерации. Защитная способность адсорбционных форвакуумных ловушек 1О3..,1Ов в зависимости от конструкции и проводимости.
Важная особенность сорбционных ловушек — способность сорбентов поглощать пары воды; при значительном
338
ВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ
Таблица 11
Параметр	Значение параметра для ловушки	Да				
	ЛАФ-16	ЛАФ-32	ЛАФ-63	ЛАф-100	ЛАФ-dji
Dy, мм Проводимость (при р =	16	32	63	100	160
	1,2	6,5	40	100	200
= 10 ... 10_* Па), дм*/с, ие менее Расход жидкого азота (при	45	120	180	280	510
р = 1 Па), см3/ч Количество жидкого азота,	1	3,4	6	9 ’	20
дм3 Габаритные размеры, мм	0 165Х	0 235Х	0 300Х	0 ЗООХ	0 435Х
	Х320	Х400	Х500	Х600	Х775
Масса, кг	2,5	7,0	14,5 .	20,0	38,0
Примечание. Для ловушек типа ЛАФ рабочий диапазон давлений 10* ... 10-* Па.
содержании в откачиваемых газах паров воды снижается сорбционная активность сорбентов по отношению
3
Рис. 11.8. Сорбционная форвакуумная ловушка ЛС2
к парам масла и углеводородам. Так, при прокачке атмосферного воздуха форвакуумным насосом с быстротой действии 1 дм3/с через ловушку в течение 10 мин 1г различных сорбентов поглощает' следующие массы водяного пара, г: цеолит 0,10...0,17; оксид алюминия 0,10...0,15; активированный уголь 0,06 [52]. При этом защитная способность цеолита снижается в 2... 3 раза, оксида алюминия — в 1,2... 2,0 раза, активированного угля — в 1,1 раза.
В трехслойной сорбционной ловушке ЛС2 (рис. 11.8) установлен сменный пакет 7 с тремя слоями разделенных сетками 6 различных сорбентов: ииж-иий слой — активированный уголь СКТ-2, обладающий наибольшей сорбционной емкостью по парам масла, средний — активный оксид алюминия, верхний — силикагель КСМ. Силикагель эффективно поглощает пары воды, содержащиеся в откачиваемых газах, исключая уменьшение защитной способности оксида алюминия и активированного угля. Для предотвращения миграции масла вдоль стенки корпуса 5 ловушка в откачиваемую систему служит уплотнение 4, к которому винтом 10 через крышку 9 и пружину ° прижат пакет 7. Ловушку присоеДИ’
Форвакуумные ловушки
339
няют к вакуумной системе фланцами 2 и 3. Между крышкой 9 и корпусом 5 установлено уплотнение 1.
Техническая характеристика ловушки ЛС2
[фоток паров масла за ловушкой, мг/(ч-см2)	. .	10"6
- Срок службы до замены сорбента, ч............. 1000
Габаритные размеры, мм 0120X210 Масса сорбента, кг. . .	0,1
Масса ловушки с сорбентом, кг................. .1,5
Ловушки ЛС2 изготовлены с присоединительными фланцами на Dy 25 и 32. Ловушки снабжены запасным пакетом сорбентов. После насыщения сорбентов маслом (через 1000 ч работы) пакет заменяют новым; отработавшие сорбенты можно регенерировать прогревом в вакууме при Т ж 570 К.
В сорбционных ловушках ЛС10Т и ЛСЗОТ (рис. 11.9) два слоя сорбента: первый слой — активированный уголь СКТ-3, второй — оксид алюминия А-2. Сорбционные слои выполнены в виде полых цилиндров. Обратный поток паров масла и продуктов их разложения за ловушкой менее 10~в мг/(ч-см2). Результаты масс-спектрометрического исследования состава остаточных газов в вакуумной системе, откачиваемой форвакуумным насосом с сорбционной ловушкой и без нее, показали, что использование ловушки позволяет более чем «а три порядка уменьшить парциальное давление углеводородов в откачиваемой системе (практически До уровня собственного фона масс-спектрометра).
После насыщения сорбционных слоев сорбированными молекулами масла защитная способность ловушки может быть восстановлена прогревом сорбента 8 течение 1 ч до Т = 473 К нагревателем, установленным в расположенном в Центре ловушки металлическом цилиндре. Теплота передается от цилиндра к слоям сорбента через шесть тепдо-проводящих ребер, радиально расходящихся от поверхности цилиндра.
Ловушки ЛС10Т и ЛСЗОТ предназначим дли 'работы с форвакуумными
Таблица 11.3
Параметр	Значение параметра для ловушки	
	ЛС10Т	ЛСЗОТ
Dy, мм (присоединительных фланцев) Проводимость, дм3/с, при давлении, Па:	40	63
13,5	31,3	59,2
6,5	20,6	46,2
2,5	14,5	23,2
Сорбционная емкость по маслу, г	118	416
Продолжительность работы до регенерации при потоке паров масла 50 мг/ч, ч	2360	8320
Мощность нагревателя (при напряжении 220 В), Вт	140	480
Габаритные разме-	285Х	310Х
ры, мм	X 190Х Х350	Х250Х Х527
Масса, кг	9,5	27,3
механическими насосами НВР-16Д и НВР40. К насосам и откачиваемой системе ловушки ЛС10Т и ЛСЗОТ присоединяют быстроразъемными фланцевыми соединениями соответственно с Dy 40 и Dy 63.
Характеристики ловушек приведены в табл. 11.3.
Каталитические форвакуумные ловушки представляют собой сосуд, заполненный слоем цеолита; последний покрыт пленкой меди и нагревается до Т — 523 К. Нагретая пленка меди окисляется, взаимодействуя с кислородом откачиваемой среды или воздухом, накопленным в слое омедненного цеолита при найуске в ловушку. Образующийся оксид медн оказывает каталитическое действие окислением молекул' углеводородов, диффундирующих из форвакуумного иасоса, в СО2 и Н2О, которые откачиваются форвакуумным насосом.
340
ВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ
Принцип действия в классификация
341
В отличие от сорбционных ловушек, продолжительность защитного действия которых ограничена сорбционной емкостью защитного слоя, каталитическая ловушка действует практически непрерывно, если в слое поглотителя запасено достаточное количество кислорода. Необходимый запас кислорода самопроизвольно восстанавливается автоматически при каждой остановке форвакуумного насоса и напуске в ловушку воздуха.
Каталитическая ловушка обеспечивает практически полную защиту откачиваемой системы от проникновения углеводородов. В составе газов в откачиваемой системе не обнаруживают компоненты с массовыми числами более 44.
Характеристики каталитических ловушек приведены в табл. 11.4.
Таблица 11.4
Параметр'	Значение параметра < для ловушки	
	лк-10	ЛК-40
Dy, мм (впускного фланца)	10	40
Проводимость прн р = 7 Па, дм3/с	1,9	13
Мощность нагревателя, Вт	15	50
Габаритные разме*	0 88Х	0 120Х
ры, мм	X 115	Х250
Масса, кг	0,4	2,1
Примечание.	Для	ловушек
обоих типов рабочая температура защитного слоя 523 К, срок службы 15 тыс. ч.
Глава 12. Электрофизические средства откачки
12.1.	Принцип действия и классификация
Электрофизические насосы всех типов являются накопительными, т. е. откачиваемые газы поглощаются в насосе в виде хемсорбцнонных слоев, химических соединений и «замурованных» атомов. Наиболее характерный диапазон давлений для этих насосов 10-1... 10~12 Па. Название электрофизических насосов условно, поскольку и насосы других типов можно называть электрофизическими. Эффективность сорбции зависит от природы сорбента и газа.
Основной механизм связывания химически активных газов — хемосорбция; инертные газы при нормальной температуре в отличие от химически активных газов внедряются в поверхность твердого тела только в ионизированном состоянии при определенной энергии ионов. Химически активная поверхность, поглощающая газы, может быть по-разному организована — формированием пористой структуры с высокоразвитой поверхностью, однократным .или периодическим нанесением пленки поглощающего материала,
непрерывным возобновлением поверхности.
Поглощение газов химически активными металлами может происходить в результате химического взаимодействия и физической сорбции. Физическая сорбция происходит при температуре около температуры кипения сорбата или ниже при данном давлении, хемосорбция — при более высоких температурах.
В большинстве случаев геттер для получения низких давлений используют при температуре выше 273 К. Эти условия характерны для электровакуумных приборов и геттерно-ион-ных насосов.
К газопоглотителям, предназначенным для получения низких давлений, предъявляют следующие требования: универсальность хемосорбционных свойств по отношению к максимальному числу газов; максимальная поглотительная способность, т. е. объем газов, удерживаемых поглотителем; малое давление пара газопоглотителя и давление диссоциации продуктов реакции; устойчивость материала поглотителя на воздухе после прогрева в вакууме н
342
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
высокая химическая активность; легкое обезгаживанне, т. е. поглотитель должен содержать небольшое количество газов, легко выделяемых при обезгажи-вании в вакууме.
В испарительных насосах геттер должен обладать высоким давлением пара при температуре испарения и низким давлением пара при температуре конденсации.
В табл. 12.1 приведены экспериментальные данные по химической активности 28 металлов по отношению к 8 газам, составляющим остаточную атмосферу и наиболее характерным для процессов откачкн. Универсальностью хемосорбционных свойств к перечисленным газам обладают Ва, Са, Мо, Nb, Та, Ti, W, Fe и Zr.
Высокая химическая активность ха-рактерна для лантаноидов, скандия, иттрия. Эти металлы обладают рядом ценных свойств, способностью связывать и удерживать водород при высоких температурах [39]. Из-за большой стоимости эти материалы применяют лишь в небольших насосах, комплектующих электровакуумные приборы
Известно применение в качестве геттера насосов бария, молибдена, хрома. Во всех случаях достигнут0 давление порядка 1б~8 Па.
Физические свойства некоторых материалов, используемых в качестве геттера, приведены в табл. 12.2. В табл. 12.3 даны значения удельной поглотительной способности qa пленок некоторых металлов.
Принцип действия и классификация
343
Таблица 12.2
1
Характеристик*	Значение характеристики для металла					
	Ti	Ва	Zr	W	Та	Мо
Атомная масса	47,9	137,3	91,2	183,5	180,9	95,95
Плотность, г/см8	4,54	3,78	6,50	19,35	16,60	10,20
Температура плавления, К Температура, К, при давлении	1940	983	2128	3650	3270	2895
пара, Па: 1,33-1 о-1	1850	800	2450	3250	3080	2650
1,33- io-»	1410	583	1855	2520	2370	1970
1,33-ю-8	1200	480	1580	2150	2020	—
Поиск наиболее универсальных геттеров нельзя считать завершенным, однако выявленные к настоящему времени свойства позволяют считать титан наиболее пригодным материалом дли использования в промышленных гет-теряо-ионных и магнитных электрораз-рядных вакуумных насосах.
При взаимодействии нейтральных атомов испаряемого материала и ускоренных ионов откачиваемых газов с поверхностью сорбента различают следующие основные процессы поглощения газов: сорбция, ионная откачка и «замуровывание» ионов.
Сорбция — поглощение молекул газа в результате образования слабой физической или сильной химической связи и твердых растворов. Физически сорбируются только молекулы инертных газов. Прн откачке активных газов превалирует механизм образования химических соединений (оксидов, нитридов, гидридов н др.). Эти химические соединения редкоземельных металлов имеют весьма низкие давления паров и диссоциируют лишь прн очень высоких температурах.
Ионная откачка — поглощение ионизированных молекул газа в результате внедрения ускоренных электрическим полем ионов в материал геттера с последующей диффузией.
Ионы химически активных газов могут образовывать химические соедине-ния. а ионы инертных газов удерживаются в кристаллической решетке Физическими связями. Прн непрерывной ионной бомбардировке гетгера, часть ранее захваченных ионов газа в
результате катодного распыления может возвращаться в откачиваемый сосуд. При поглощении геттером ионов смеси различных газов возможно замещение одного газа другим. Энергия связи ионов с поверхностью близка к энергии связи молекул при хемосорбции. При постоянной скорости ионов количество поглощенного газа прямо пропорционально силе разрядного тока и времени его прохождения.
«Замуровывание» атомов играет существенную роль при откачке инертных газов, хотя и не влияет на общую быстроту откачки насоса.
Прн нормальной температуре время сорбции молекул инертного газа на сорбирующих поверхностях слишком мало, чтобы этот механизм откачки мог быть заметным. Падающий на ' поверхность атом находятся на поверхности сорбции значительное время, достаточное для «замуровывания» его слоями распыляемого геттера. При увеличении отрицательного потенциала поверхности сорбции н скорости распыления геттера этот эффект становится
Таблица 12.3
Металл	Значения ?о, Па«м8/см8, для					
	сн.	со	со,	н,	N,	О,
Мо			20			7	7	67
Та			И	—	67	13	—
Ti	—	20	17	270	7	130
344
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
более значительным и быстрота откачки возрастает.
Таким образом, частица, бомбардирующая катод, может подвергаться упругому или неупругому рассеянию, внедряться в материал катода или сорбироваться на его поверхности. В общем случае взаимодействия, происходящие при этом явлении, определяются видом частицы (нейтральный атом или заряженный иои) и ее энергией, а также энергетическим состоянием и природой сорбирующей поверхности.
Газы, наиболее характерные при откачке, по сорбционной активности располагаются в такой последовательности:	О2 > С2Н3 ~> CjH4 > со >
> Н2 > N3. В связи с этим характеристики быстроты откачки электрофизических иасосов приводят по Na как наименее активному газу.
Природа химических связей определяет избирательность откачки различных газов. Откачка смесей газов в условиях частичной ионизации сопровождается побочными химическими реакциями на поверхности геттера и накаленных элементах насосов.' Различные геттеры формируют характерный для них состав газовой среды. Для пленок титана наиболее характерен синтез паров воды и метана.
Эффективность работы иасосов определяется: правильностью выбора формы насоса, обеспечивающего подвод газа к поверхности геттера; количеством геттера и степенью его полезного использования.
Поверхность геттера может быть невозобновляемой либо возобновляемой периодически или непрерывно.
Невозобновляемую поверхность используют при работе геттера в электровакуумных приборах или насосах с небольшим сроком службы, содержащих пористый с высокоразвитой поверхностью геттер. Для этих систем характерны меняющиеся во времени параметры откачки по мере заполнения высокоразвитой поверхности адсорбированными газами.
В случае поглощения газов периодически возобновляемыми пленками сорбция протекает по поверхности мелких кристаллов конденсированной пленки. Быстрота откачки, в начале процесса максимальная, . уменьшается по мере
роста степени заполнения поверхности сорбированными газами. Кинетика заполнения поверхности зависит от давления газа—сорбата и степени развитости поверхности. Наиболее высокий диапазон давлений при периодическом возобновлении геттера 10-в...10~12 Па. Обычно гасосы, в которых используют этот принцип, оснащают индикатором давления, подающим команду о возобновлении пленки при увеличении давления до верхнего допустимого предела.
Большая часть типов электрофизических насосов работает в режиме непрерывного возобновления поверхности сорбирующей пленки. В области высоких давлений (10~8...!0~8 Па) потоки поглощаемого газа и поглотителя (пар титана) сравнимы. В этих условиях акты сорбции газа я конденсации паров протекают одновременно. Энергии атомов гитана, мигрирующих по поверхности к мест'/ кристаллизации, достаточно для химического взаимодействия с сорбированным газом с 1 образованием химического соединения. Анализ конденсатов подтверждает формирование химических соединений во всем объеме пленки (оксидов, нитридов, карбидов титана в зависимости от природы откачиваемого газа). Низкое давление (10~6. . . 10~12Па) достигается, когда поток пара металла существенно больше потока газа.
Для достижения в электрофизических насосах более высокой степени вакуума поверхность сорбента охлаждают, иногда до температуры жидкого азота.
Схема физических процессов поглощения газов электрофизическими средствами откачки приведена на рис. 12.1-
По методу наиесеиия геттера различают испарительные геттериые, гет-терио-иоииые, магнитные электрораз-рядиые и комбинированные вакуумные иасосы.
В настоящее время применяют следующие методы нанесения геттера ® вакууме из паровой и плазменной фаз: испарение резистивным и электронно-лучевым нагревом (насосы типа СТОН, НИБ, ОГИН); распыление высоко-.энергетнчными ионами (иасосы типа НМД); электродуговое испарение (на‘ сосы типа ВЭД, НДМ).
Принцип действия и классификация
345
В испарительных геттерных насосах титан нагревается до Т — 1373... 1673 К в зависимости от требуемой скорости испарения и типа испарителя. Обычно различают насосы с твердофазным испарителем, в которых температура поверхности титана значительно ниже его температуры плавления, и с жидкофазным испарителем, в которых температура поверхности тнтана выше температуры его плавления.
Особенность методов нанесения геттера в испарительных насосах — тепловая природа процесса: скорость испаре
ния частиц определяется температурой и их энергия не превышает 0,5 X X 10~20 Дж. В этих условиях степень ионизации испаряемого материала незначительна.
Твердофазные	испарителя
(ряс. 12.2, а) просты по устройству, ио рассеивают количество теплоты [около 1,8 кДж на 1 мт испарившегося титана при удельной скорости испарения 10-3 мг/(с-см2)]. Их применяют в насосах, охлаждаемых водой. Жидкофазные испарители (рис. 12.2, б) значительно сложнее, ио при Той же скорости
Рас. 12.3. Резистивные а электроиио-лучевые испарители:
" твердофавиые; б — жидкофааиые; 1 — держатель: 2 — геттер; 3 — нагреватель; биметаллический испаритель; 5 — катод; 6 — расплав; 7 — система охлаждения
346
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рнс. 12.3. Электроразрядные устройства на основе катодного распылении: а — диодное; б — триодное; в —- ускоренным пучком ионов; 1 — корпус; 2 — катод; 3 — анод; 4 — плазменный ускоритель; 5 — поток плазмы на мишень
испарения выделяют в десятки раз меньше теплоты. Их используют в насосах, охлаждаемых жидким азотом. При' охлаждении сорбирующей поверхности до низких температур не только превращается синтез углеводородов на поверхности титановой плеики, но в несколько раз увеличивается скорость откачки по водороду и достигается очень низкое предельное давление.
Существенный недостаток резистивных н электронно-лучевых испарителей геттера — наличие накаленных частей электродной системы, что ограничивает давление запуска и ресурс, а также усложняет регулируемость скорости испарения из-за инерционности испарителей и экспоненциальной зависимости скорости испарения от температуры. Однако методы осаждения гетгеров из паровой фазы широко применяют в испарительных геттерных и геттерио-иоиных насосах.
Метод катодного распыления основан иа распылении атомов материала катода ионами высокой энергия, образуе
мых в плазме разряда, горящего в атмосфере откачиваемого газа. Элек-троразрядные устройства иа основе катодного распыления показаны иа рис. 12.3. Средняя энергия распыления частиц составляет (5...8)-10~19 Дж, степень ионизации распыляемых атомов — около 1%. Энергетический КПД невысокий, так как основная часть подводимой энергии затрачивается на нагрев катода, что в значительной степени затрудняет процесс запуска насосов. Важное преимущество насосов на основе катодного распыления — наличие «холодной» электродной системы, определяющей большой срок их службы.
Для получения сорбирующих покрытий используют также эрозию электродов в электрических разрядах; искровом (рис. 12.4, а) и дуговом (рис. 12.4, б—в}.
В искровых насосах геттер эродирует в разряде, инициируемом между анодом и расходуемым катодом высоковольтным импульсом, переходящим в низковольтную дугу. Важная особен-
Рис. 12.4. Эрозионные плазменные испарители на основе:
а — искрового разряда; б — стационарной вакуумной дуги; в — импульсного ДУð рааряда; 1 — анод; 2 — расходуемый катод; 3 — поджигающий электрод
Принцип действия и классификация
347
Рнс. 12.5. Ионизаторы, применяемые в электрофизических средствах откачки:
а — ячейка Пеннинга; б — обращенный магнетрон; е — квадрупольный; г — с анодной сеткой; $ ~ °Р* битрониый; 7 — катод; 2 — анод; 3 — корпус; 4 — нагреватель; е — траектория электронов; Я — на-
пряженность магнитного поля
кость искровых насосов — возможность регулирования расхода геттера изменением частоты следования инициируемых импульсов; недостатки искровых плазменных испарителей — наличие высокого напряжения и низкая производительность.
При электродуговом методе нанесения геттер генерируется в основном при эрозии катода в сильноточном дуговом разряде. Энергетический КПД достигает 80%. Интенсивность химических реакций очень высокая вслед
ствие высокой степени ионизации плазмы геттера. Процесс испарения может быть реализован в «холодной» системе электродов при любом давлении (не требуется вспомогательная среда), а скорость конденсации паров материала расходуемого электрода пропорциональна силе тока разряда. Давление запуска таких насосов достигает 10 Па.
Основные характеристики наиболее распространенных испарителей титана для испарительных геттерных насосов приведены в табл. 12.4.
Таблица 12.4
Испаритель	Энергетическая эффективность, Дж/мг	Коэффициент использования геттера		Скорость испарения			Наибольшее давление запуска, Па
				удельная мг/(см8- с)	полная, мг/с		
Твердофазный: прямонакальный биметаллический косвенного иа-кала	10s ... 106	0,35 .. 0,60 ..	0,40 0,70	0 ... 10-»	0 .	.. 1	1,3-10-*
дуговой	10* ... 10s	0,85 ..	0,90	——	3 .	. 20	6,7
у\идкофазный (электронйо-луче-	102 ... 105	0,80 ..	0,95	0 ... 10	0 .	. 30	ю-2
348
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ!СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
В электрофизических средствах откачки применяют следующие основные типы ионизаторов: ионизатор на основе разряда Пеннинга (разряд с «холодными» электродами в скрещенных электрическом и магнитном полях с осцилляцией электронов — рнс. 12.5, а), ионизатор типа ионного магнетрона (разряд в коаксиальной системе электродов в продольном магнитном поле — рис. 12.5, б), ионизатор с квадрупольным электростатическим полем (рис. 12.5, в) и электростатический ионизатор, действие которого основано на эффективном удлинении пути пробега электронов в электрическом поле с электродами специальной формы (рис. 12.5, г, д). Основное преимущество ионизаторов двух последних типов — отсутствие магнитных систем.
12.2.	Испарительные геттериые иасосы
Принцип действия испарительных геттерных насосов основан на физическом и химическом связывании газов поверхностями, которые обновляются путем конденсации на них термически испаряемого геттера.
В качестве геттера используют пленки не только титана, но и циркония, молибдена и других химически активных веществ. Для повышения эффективности откачки коэффициент конден-. сации kK газа к сорбирующим поверхностям должен быть близок к единице, а время пребывания молекул газа на поверхности сорбции — по возможности продолжительным. Эти условия выполняются при использовании материалов с большой энергией химической связи, а также при снижении температуры сорбирующей поверхности.
Основной фактор при выборе геттера — сорбционная активность пленок. Один из физических показателей этой активности — теплота сорбции Н, определяющая прочность связи сорбированных частиц газа. Значения теплоты сорбции газов на пленках вольфрама при Т = 293 К приведены ниже:' Газ..........Н3	СО	N3	О3
Н, кДж/моль	192	419	356	812
Газ ....	СО3	Аг	Кг	Хе
Н, кДж/моль	460	8	17	21
Таблица 12.5
Режим возобновления геттера	Температура пленки» к	Быстрота откачки 1 см* титановой пленки, ма/с, при малом в	
		водородом	азотом
Не пре-	77	0,023	б,016
рывный	293	0,004	0,005
Периоди-	77	0,026	0,007
ческий	293	0,015	0,001
Сорбционные характеристики геттер-иых пленок сильно зависят от темпера-, туры и условий образования. Эффективная откачка инертных газов йена- . рительными геттерными насосами невозможна из-за малой теплоты сорбции инертных газов геттерами. Углеводороды и инертные газы удаляют вспомогательными средствами откачки. При этом не удается полностью освободить- j ся от углеводородов, так как они синтезируются на поверхности пленки, играющей роль катализатора. Присутствие углеводородов в составе остаточных газов не позволяет получить остаточное давление менее 10-6...НУ8Па. ,
При напылении геттерных пленок на ; охлаждаемые поверхности (Т < 77 К) ; равновесное давление водорода значи-  тельно уменьшается и практически 1 прекращается образование метана, что я позволяет достичь остаточное давление | менее 10~9 Па. Значительное увеличе- I ние скорости поглощения газов при I столь низкой температуре объясняется I также интенсификацией физической I сорбции (табл. 12.5).	"
Удельная скорость откачки зависит от давления газа и скорости осаждения геттера, поскольку коэффициент конденсации kK, влияющий на скорость откачки, уменьшается с увеличением степени заполнения поверхности покрытия в, которая, с свою очередь, возрастает с увеличением давления. Число молекул, сорбированных на 1 см3 поверхности в течение 1 с: .
’ = <'-«> <1!" где р — давление над поверхность» сорбции, Па; Гг — температура отка
i
Испарительные ееттерные насосы
349
чиваемого газа, К; М — молярная масса, г/моль; (1 — в) — доля свободных мест сорбции.
При непрерывно и периодически возобновляемой поверхности сорбции степень насыщения геттера не должна превышать критического значения 0KD (табл. 12.6) (15].
В вакуумном агрегате АВТО-20М (агрегат вакуумный титановый охлаждаемый) — рис.‘12.6 — на базе сверхвысоковакуумного титанового насоса СТОН использован электронно-лучевой жидкофазный испаритель 3 с периодической подачей в зону расплава . титановой проволоки диаметром 1,5 мм. Электронно-лучевой испаритель титана характеризуется малыми тепловыми потерями, что позволяет осуществлять напыление на вкладыш 6, охлаждаемый азотом. В состав агрегата входят паромасляный насос 5 для откачки инертных газов, цельнометаллический затвор, блок электропитания и пульт управления. Агрегат (обезгаживают прогревом при Т — - 673 К) отличается низким остаточным давлением (около 10~10Па). При скорости испарения титана 5 мг/мии быстрота откачки Н2, N2 и Аг соответственно 30,10 и 0,09 м3/с (рис. 12.7). Агрегат потребляет 1,7 кВт электроэнергии и 4 м3/ч жидкого азота.
По разнообразию конструктивных решений насосы с термическим напылением геттерных пленок — наиболее многочисленный класс современных электрофизических средств откачки.
Требуемая скорость испарения геттера зависит от газового потока и‘ необходимого давления. Ее можно варьировать от максимальной практически до нуля, уменьшая мощность нагревателя и соответственно температуру геттера.
В современных промышленных насосах широко распространены прямо-чакальные испарители из биметаллической проволоки (иодидным методом осаждают титан на керн из молибдена). Наиболее часто используют испарители диаметром 2; 3 и 6 мм, при силе тока соответственно 50; 70 и 180 А; наибольшая скорость испарения геттера достигается п^и мощности нагревателя 14...
Т а б л и ц а 12.6
Режим возоб- . новлен ня геттера	Значение в^р пленки' титана при Т = 300 К		
	Н,	N,; СО; °*	СО,
Периодический	1016	8-104	5-1014
Непрерывный	1,5,10м	7- 10й	1,3.10м
Рис. 12.6. Схема высоковакуумиого агрегата АВТО-20М: •
I — корпус; 2 — сосуд Дьюара с жидким азотом; 3 — электронно-лучевой испаритель с механизмом подачи титановой проволоки; 4 — азотная ловушка; 5 — паро-масляный насос; 6 — вкладыш, охлаждаемый жидким азотом
350
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.7. Зависимость быстроты откачки агрегатом АВТО-20М от давления:
I — водорода; 2 — азота и кислорода;
3 — воздуха; 4 — аргона
Быстрота действия по водороду испарительных геттерных насосов типа НИБ (насос испарительный биметаллический) — рис. 12.8 — соответствует 1...200 м’/с. Эти насосы в основном предназначены для откачки водорода в ускорительных и термоядерных установках. Наибольшее давление запуска 1-10"2Па; предельное остаточное давление 5-10"’Па при охлаждении корпуса водой и 5-10"9 Па при охлаждении жидким азотом. В насосах этой серии используют прямоиакальные испари-
Рис. 12.8. Схема насоса НИБ-10:
/ — корпус; 2 — блок испарителей; 3 — теплоизолирующая оболочка; 4 — накопитель жидкого .дзота; 5 — поворотный экраи-жалюзн; 6 — электромеханическое
устройство поворота экрана-жалюзи
(тели-нити из титаномолибденовой проволоки. Каждый испаритель имеет автономное электропитание. Мощность, потребляемая испарителем, составляет 10... 18 Вт/см2, обеспечивая удельную скорость испарения титана 2 X X 10"3 мг/(с-см2). Полная мощность иасоса 0,6...2,2 кВт.. Испарители выполнены по единой конструктивной схеме и отличаются только размерами и числом титаномолибденовых нитей.
Корпус 1 из коррозионно-стойкой стали выполнен из двух тонкостенных обечаек, профилированных таким образом, чтобы придать корпусу осевую и радиальную устойчивость при малой толщине стенок (0,8...2,2 мм в зависимости от размеров насоса). В полость между обечайками подается вода или жидкий азот. Пространство между корпусом и наружным кожухом в иасосах НИБ-1, НИБ-2 ц НИБ-10 заполнено стекловолокнистой теплоизоляцией 3. В насосах НИБ-20 и НИБ-50 пространство между корпусом и кожухом вакуумируется; там же размещен нагреватель для высокотемпературного обезгаживания (в насосах остальных типов для прогрева используют сам испаритель). Для защиты откачиваемой камеры от запыления геттером в режиме испарения и для ее теплового экранирования во входном патрубке насоса установлен поворотный. дистанционно управляемый экран-жалюзи 5. При испарении жалюзи прикрыты, во время паузы их створки параллельны оси насоса; при этом сопротивление экрана снижается, увеличивая на 25...30% газовый поток по сравнению со значением при неподвижном оптически непрозрачном экране. В табл. 12.7 приведены основные параметры насосов этого типа. В диапазоне давлений 1О"3...1О"1 Па насосы имеют ограниченный ресурс испарителя. КрО' ме того, в этих насосах при высоком давлении на поверхности испаряющегося геттера образуются пленки нитридов, оксидов, карбидов титана, ч,г0 затрудняет испарение.
Откачку активных газов в условиях интенсивных газовых нагрузок обеспечивают дуговые, насосы. В сочетании с небольшими диффузионными насосами они предназначены для откачни систем промышленно-технологического
Испарительные ееттерные насосы
351
оборудования (печи отжига, напылительные установки), имитаторов космического пространства и др. В этих засосах для напыления геттерных пленок используют дуговой разряд в парах расходуемого катода независимо от давления остаточных газов.
Технические характеристики насосов типа АВЭД (агрегат вакуумный элек-тродуговой) и ВЭД на основе дуговых испарителей в сочетании с диффузионными насосами для откачки инертных газов приведены в табл. 12.8. На рис. 12.9 дана зависимость быстроты откачки агрегата от давления для некоторых газов. Кривые для азота имеют точки перегиба при некотором давлении ра. При давлении менее рп быстрота откачки практически постоянна и не зависит от силы тока дуги /д. В области высоких давлений быстрота откачки пропорциональна /д — с увеличением /д давление рП увеличивается. При фиксированной силе тока в диапазоне низких давлений количество испаряемого геттера значительно превышает количество геттера, необходимого для максимально возможной быстроты откачки. При этом невозможно уменьшить расход титана ь испарителе стационарного действия, уменьшив силу, тока дуги, так как при /д < 100 А снижается стабильность горения вакуумной дуги. В этом случае расход титана можно регулировать лишь периодическим возбуждением и прерыванием дугового разряда.
Экспериментальные зависимости числа молекул iVNj поглощаемого азота и числа атомов NTl титана от силы тока.
дуги (рнс. 12.10) показывают, что для откачки одной молекулы азота необходимо примерно два атома титана, состав остаточных газов определяется в основном парциальным давлением зодорода и аргона, а при выключении испарителя еще и парциальным давлением метана.
Для насосов типа АВЭД характерен Ряд принципиальных недостатков. Рас-положеиие испарителя во входном сече-“”и заметно уменьшает эффективную “Ыстроту действия. Из-за малой тепло-Г1Роводности зоны контакта опорного ^линдра с катодом максимальная ’-’’ла тока разряда 300 А, что лимити-
Рнс. 12.8. Зависимость быстроты откачки водорода, диоксида углерода, азота и воздуха (кривые соответственно /, 2, 3 и 4) от давления при различной силе тока Дуги IR-.
1 — 1-*= 300 А; II — I = 200 A; III — 1R = 140 А
рует производительность. Электромеханическое устройство для инициирования разряда не очень надежно, поэтому иа испарителях устанавливают три одинаковых устройства.
Для сверхвысоковакуумной откачки ускорителей, термоядерных установок и специализированного технологического оборудования предназначены дуговые насосы типа НДМ (насос дуговой) [39] — рис. 12.11. Для питания испа-
Рнс. 12.10. Зависимость числа атомов Wyj титана и числа молекул А'м, поглощаемого азота в единицу времени от силы тока дуги /д
352
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Таблица 12.7
Параметр	Значение параметра для иасоса				
	НИБ-1	НИБ-2	' НИБ-10 ‘	НИБ-20	НИБ-50
Быстрота действия S, м*/с, при охлаждении: водой по азоту	1	3	10	30	60
водой по водороду	2	6	20	50	100
жидким азотом по азоту	2	4	15	40	70
жидким азотом по водо-	4	10	40	100	200
роду Число испарителей	2	2	4	7	7
Масса геттера (титана), г	5	10	100	170	170
Объем жидкого азота в на-	2	11	20	75	130
сосе, м3 Dy входного отверстия, мм	160	260	500	800	1200
Габаритные размеры, мм, при установке накопителя жидкого азота: вертикальной	0 335Х	0 590Х	0 900Х	0 1425Х	0 1875Х
	Х270	Х470	Х840	Х1220	X 1625
горизонтальной	0 335Х	0 590Х	0 900Х	0 1425Х	0 1875Х
	Х270	Х700	XI100	Х1600	Х2000
Примечание. Для указанных в таблице иасосов максимальное давление запуска 10“* Па, предельное остаточное давление не более 10~8 Па.
Т а б ли ц а 12.8
Параметр	Значение параметра для иасоса			
	АВЭД-2/260М	АВЭД-25/630М	АВЭД-40/800	ВЭД-1
Быстрота действия S, м5/с: по азоту	2	10	40	50
но водороду	4	20	80	90
Масса геттера (тита-	4,3	7,5	7,5	4,3
на), кг Ресурс (при работе	250	360	360	250
в режиме непрерывного испарения), ч Dy входного отвер-	260	630	800	900
стия, мм Габаритные разме-.	925Х 885Х	900X 1870Х	1050Х	2000Х
ры, мм	X 1020	Х1000	X I780X	Х2450Х
			Х2250	Х2300
Примечание. Для указанных
7 Па; предельное остаточное давление
иасосов наибольшее давление запуск® 4.10~5 Па.
Испарительные геттепные насосы
353
рителей используют источник с падающей вольт-амперной характеристикой. Насосы имеют цилиндрическую форму. Корпус 1 насоса выполнен в виде тонкостенного цилиндра с двойным профилированием стенок, обеспечивающим необходимую прочность и жесткость в сочетании с минимальной металлоемкостью. Полость между стенками корпуса используют для подачи хладагента. Во входном сечении насоса установлен поворотный экран-жалюзи 8 с электромеханическим (или ручным) приводом 9, Дуговой разряд возбуждается плазмой, возникающей в момент электрического пробоя по поверхности керамического электрода с нанесенным на нее тонким слоем материала катода-
испарителя 2 при включении поджигающего устройства 4.
В зависимости от газового потока насосы могут работать в непрерывном нли периодическом режиме испарения. Продолжительности периода напыления и периода между последовательными включениями испарителя определяются жесткой временной программой либо регулируются автоматически но сигналам блокировочного вакуумметра. Электродуговые насосы типа НДМ обеспечивают получение предельного остаточного давления ниже 1,3 X X 10"'* Па. Основные технические характеристики насосов приведены в табл. 12.9.
Электродуговые насосы ие обеспечн-
Таблица 12.9
Параметр	Значение параметра для иасоса 		i					
	НДМ-2	НДМ-5	НДМ-iO	НДМ-20	НДМ-50
Быстрота действия S, м®/с, при охлаждении: водой по азоту	4	10	 15	25	60
водой но водороду	5	13	18	30	75
жидким азотом по азоту	5	15	20	30	80
жидким азотом по водо-	12	35	50	70	200
роду Наибольшее рабочее давление, Па, по азоту при охлаждении: водой	7-10-8	3-10-3	1 - IO-8	1 -10-®	4-Ю"4
азотом	1 -1о-»	5-10-8	4-Ю"3	3-Ю-8-	1-10
Масса геттера (титана), кг	0,3	0,3	1,4	4,0	4,8
Ресурс испарителя, ч, при испарении; непрерывном	30	30	70	200	300
периодическом1 с охла-	104	4-103	6- 10s	104	7-103
жденисм водой (жидким	(2-10*)	(8-103)	(104)	(2-104)	(104)
. азотом) Dy входного отверстия, мм	250	400	500	630	1000
Габаритные размеры, мм	670Х	700 X	940 X	900Х	1280Х
	Х520Х	Х610Х	Х800Х	X 1000Х	X 1500Х
	Х385	Х750	Х860	X 1220	X 1650
Масса, кг	60	150	200	330	950
1 Откачка азота (р = 1-10~s Па).
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 6,5 Па, предельное остаточное давление при охлаждении водой (0,5 ... 1,0) 10"8Па, при охлаждении жидким азотом (5 ... 8) 10-7 Па.
12 П/р Е. О. Фролова
354
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рас. 12.11. Схема насосов типа НДМ: 1 — корпус; 2 — катод-испаритель; 3 — экран; 4 — поджигающее устройство; 5 — накопитель жидкого азота; 6 - резистивный нагреватель; 7 — наружный кожух; 8 — экран-жалюзи; 9 — электромеханический привод экрана
вают откачки инертных газов, поэтому их используют в комбинации с диффузионными, турбомолекуляриыми или магнитными электроразрядными насосами.
Геттерные испарительные'иасосы малоэффективны при откачке газовых смесей, содержащих инертные газы и легкие углеводороды; поэтому их применяют в сочетании с вакуумными на-сосдми других типов.
12.3.	Геттерно-иоиные насосы
В геттерно-ионных насосах, наряду с хемосорбцией, происходит ионизация газа с последующим внедрением ускоренных ионов в поверхность распыленного геттера. Насосы, в которых поверхность геттера получают непрерывным или периодическим испарением, называют испарительно-ионными.
Возбуждение и ионизация остаточных газов и ускорение иоиов в направлении к поверхности геттера электрическим полем увеличивают поглотительную способность поверхностей системы и быстроту откачки. Ионизацию газа используют для откачки инертных газов и углеводородов в виде положительных ионов отрицательно заряженными элементами насоса, а также внед
рением ионов инертных газов и их «замуровыванием», кроме того, для диссоциации сложных молекул (паров воды, метана, тяжелых углеводородов).
В этих насосах испарительные и ионизационные системы обычно разделены функционально.
Наиболее распространены геттерно-ионные насосы типа ГИН на основе прямонакальных биметаллических испарителей. Эти насосы выполняют в виде прогреваемого цилиндрического корпуса 4 из коррозионно-стойкой стали с рубашкой водяного охлаждения (рис. 12.12). На одном из торцовых фланцев 7 корпуса монтируют электродный блок. Пря^онакальные испарители 2 U-образной формы выполнены из титаномолибденовой проволоки. Один конец укреплен на общей заземленной пластине, другой — на изолированном токовводе 6. Система ионизации состоит из вольфрамового катода 3 и анода 1, представляющего собой цилиндрическую сетку из молибденовой проволоки. Аиод используют также в качестве внутреннего нагревателя при обезгаживании насоса. Электроны, вылетающие из катода и испарителя 2, направляются на анодную сетку, находящуюся под потенциалом +1.2 кВ. При этом электроны совершают несколько колебаний вокруг сетки, прежде чем попасть на нее. ионизируя молекулы остаточных газов. Ионизир званный газ хорошо сорбируется титановой пленкой, напыляемой нЗ охлаждаемую водой поверхность стенки корпуса, являющегося также коллектором ионов. Для повышения быстроты откачки инертных газов через боковой патрубок 8 подключают пароструйный иасос.
При мощности 200 (240) Дж/с скорость испарения титана в насосе ГИН-0.51М достигает 5 (15) мг/ч, срок службы испарителей 1500 (500) ч.
Насосы ГИН-2 и ГИН-5 с тремя и шестью прямонакальными биметаллическими испарителями имеют соответственно большую поверхность конденсации геттера. При давлении ниже 10~б Па скорость испарения можно уменьшить, не снижая номинальной быстроты откачки; при этом срок службы возрастает в несколько раз. Насосы Q быстротой действия менее 10-вм8/с
Геттерно-ионные насосы
355
Рис, 12.12. Насос типа ГИН:
1 — анод; 2 — испаритель; 3 — катод; 4 — корпус; 5 — каркас; 6 — токоввод; 7 — фланец электродного блока; 8 — патрубок
выполняют неразборными и без водяного охлаждения.
Типичные зависимости быстроты откачки от давления и спектр остаточных газов приведены на рнс. 12.13 и 12.14.
12*
Технические характеристики насосов типа ГИН даны в табл. 12.10.
Скорость поглощения газов в геттер-но-ионных насосах в известных пределах можно регулировать изменением
356
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.13. Зависимость быстроты откачки насосов ГИН-0,6 Ml (а), ГИН-2 (tf) и >] ГИН-5М (в) от давления откачиваемого газа:	1
1 ~ аргона; Э — метаяа; 3 — воздуха; 4 — азота; Зяб — оксида и диоксида углеродай 7 — водорода	/а
Скорости испарения титана. Для протяженных прямонакальных испарителей титана можно регулировать скорость сублимации изменением мощности иагрева. Однако в процессе работы изменяется состояние и площадь поверхности испарителя из-за , испарения титана и взаимодействия
Р1-107,Па
2 -
1 l_______ill__________________
12	151618	28	40 И
Рис. 12.14, Спектр остаточных газов при даалеиин р — 3- 10' ’ Па
его с остаточными газами. Эксплуатация титаномолибденовых испарителей в режиме постоянной мощности приводит к постепенному замедлению процесса сублимации. Для поддержания необходимой скорости испарения при переменных газовых нагрузках можно рекомендовать периодическое фиксированное изменение мощности нагрева. Параметром для контроля скорости испарения титана является сила тока электронной эмиссии с испарителя.
В блоках питания насосов типа ГИН предусмотрена возможность фиксированного изменения нагрева испарителя при работе насоса в разных режимах откачки и коррекции температуры (по мере расходования титана) по силе тока электронной эмиссии с испарителя. Принципиальная схема электролита
Рис. 12.15. Схема электропитания насоса ГИН-0,5 Ml:
I — катод; 2 — анод; 3 — испаритель; *4 — металлокерамический токоввод; 5 — 8 — трансформаторы (5 — анода, 6 — катода; 7 — испарителя, 8 — высокого напряжения)
Геттсрно-ионныс насосы
357
Таблица 12.16
( Параметр	Значение параметра для насоса			
	ГИН-0,5 Ml,	ГИН-2М	ГИН-5М	СОН-А-1
Быстрота действия, м’/с: по воздуху	0,45	1,8	4,5	0,5
по азоту	0,60	2,4	4,5	0,8
по водороду	1,50	6,0	20,0	
Число испарителей, шт.	2	3	6	\1
Диаметр испарителя, мм	2	3	3	 8 *
Масса геттера (титана), г	6	50	100	3,4
Ресурс испарителей (при	1500	3000	3000	2000
р — 4-10~6 Па), ч £>у входного отверстия^	160	260	500 '	160
ММ Блок питания: тип	БПГИН-05М	ПУГИН-2/5	ПУГИН-2/5	БП-6
мощность, кВт	0,85	3,5	3,5	0,2
габаритные размеры,	460Х 550Х 373	580Х700Х	580Х 700Х	430Х
ММ масса, кг Габаритные размеры, мм	70	X 1050 160	X 1050 160	Х370Х Х221 19
	364 X 280X 464	510Х 420Х	770Х 680Х	350 X
Масса, кг	,36	Х882 100	X 1100 216	Х280Х Х870 40
* Втулка высотой
15 мм на вольфрамовом керие.
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 10-1 Па, наибольшее рабочее давление 10~3 Па, предельное остаточное давление 10~8 Па, а для насоса СОН-А-1 при охлаждении внутреннего экрана жидким азотом менее 10-10 Па.
ння насоса ГИН-0,5 Ml приведена на рис. 12.15. В блоках питания насосов ГИН-2 и ГИН 5 трансформатор анода отсутствует, а нагреватель получает питание непосредственно от силовой сети (220 В).
Недостатки насосов этого типа — чувствительность к разгерметизации и ограниченный запас титана. Насосы типа ГИН рационально использовать для откачки электровакуумных приборов, в вакуумной металлургии, дли экспериментальных исследований
Для поддержания вакуума з малогабаритной физической аппаратуре, электровакуумных приборах (ЭВИ), а также для финитной откачки и тренировки ЭВП повышенной надежности
разработана серия миниатюрных испа- , рительных геттерных вакуумных насо- I, сов типа НГ с быстротой действия (0,1...1,5)10”® м3/с прн мощности насоса 3...13Вт (рис. 12.16). В качестве геттера в насосах используют редко земельные металлы — эрбий н гадолиний, которые по сравнению с традиционно применяемым в вакуумной технике титаном имеют ряд преимуществ, позволивших создать эту серию миниатюрных и экономичных насосов. Основные из этих преимуществ, на три-четыре порядка большая скорость испарения при одной и той же температуре анода-испарителя и, следовательно, значительно меньшая мощность для испарения с заданной скоростью;
358
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
е
Рис. 12.16. Конструктивная схема миниатюрного испарительно-ионного насоса:
1 — анод-испаритель: 2 — катод; 3 — корпус; 4 — коллектор ионов; 5 ~ экран;
6 — токоввод
высокая термостойкость соединений, образующихся при взаимодействии с откачиваемыми газами; низкое равновесное давление водорода вад геттерной пленкой, содержг'ней гидриды эрбия и гадолиния (не превышает 5-10-6 Па при Т ™ 600 К), что позволяет использовать насосы без принудительного охлаждения прн повышенных температурах.
Испарение . геттера в таком насосе (см. рис. 12.16) происходит при бомбардировке анода-испарителя 1 элек-
Рис. 12.17. Зависимость силы ионного Тока от давления в насосах НГ-1 (кривая /) и НГ-0,1-1 (кривая 2)
Рис. 1,2.18. Зависимость быстроты действия насосов НГ-1 (линии 1) и НГ-O.i-i (линии 2) от давления азота (сплошные линии) и водорода (штриховые линии) тронами, эмитируемыми с накаленного вольфрамового катода 2 с оксидно-иттриевым покрытием. Насосы можно использовать для индикации давления измерением силы ионного тока, пропорциональной давлению газов в насосе в диапазоне 5-10~6...5-10'Ч1а (рис. 12.17).
Насос НГ-0,1-1 (насос геттерный) изготовлен из металлокерамики, насосы НГ-1 и НГ-1-2 — из стекла, причем последний выполнен в бескорпус-ном варианте в виде стеклянного цоколя, на котором смонтирована электродная система. Технические характеристики насосов даны в табл. 12.11, зависимость быстроты действия от давления газа — на рис. 12.18.
Применение редкоземельных материалов позволило уменьшить парци-_альное давление водорода па порядок, а метана в 4...5 раз по сравнению с давлением в насосах с титановым геттером. Низкая быстрота действия насосов типа ГИН по инертным газам объясняется малой длиной свободного пути электронов (до попадания на анодную сетку они совершают несколько колебаний), составляющей примерно 0,7...1,5 м. В геттерно-ионных насосах другого типа, называемых «орбитрои-иыми», длина свободного путч электронов увеличена на порядок; это позволило повысить эффективность ионизации откачиваемого газа и быстроту действия по инертным тазам.
Орбитропный геттерко-ионный насос (ОГИН) (рис. 12.19) (31 ] выполнен в виде цилиндрической водоохлаждае-мпй трубы, иа торцовом фланце которой закреплен электродный блок Ои
Геттерно-ионныс насосы
359
Таблица 12.11
Параметр	Значение параметра для насоса		
	НГ-O.i-i	НГ-1	НГ-1-2
Быстрота действия по азоту 5 • 103, м®/с	0,1	2,0	1,0
Наибольшее давление запуска, Па	1,3-10-®	1,3-10-®	6,7-10"*
Наибольшее рабочее давление, Па	6,7-10-4	6,7-10~4	1,3-10-4
Геттерный материал	Эрбий	Гадолиний	Эрбий
Масса геттера, г	0,12	0.6	0,12
Срок службы, ч	500	500	1000
Мощность насоса, Вт	3	15	10
Габаритные размеры, мм	0 16,5X45	0 36Х 100	0 22X45
Масса, кг	0,02	0,1	0,005
Примечание. Для насосов указанных типов предельное остаточное давление 6,7-10“4 Па.
состоит из аиода 2 (вольфрамовый стержень) с геттером 3 и источника электронов 4 (нить накала) с экраном 5 (токовводом), закрепленным на отражательном электроде 6. Заземленный корпус 1 насоса и анод 2, находящийся под положительным потенциалом в несколько киловольт, образуют цилиндрический конденсатор с аксиальносимметричным электростатическим полем, нарушенным в области расположения инти накала (рис. 12.20). Нить накала, экранированная со стороны анода токовводом, находится под небольшим положительным потенциалом смещения по отношению к корпусу, что исключает попадание на него электронов, эмитируемых нитью накала. В этих условиях векторы скоростей электронов имеют как осевую, так и тангенциальную составляющие, и их траектории представляют собой сложные кривые. При этом большая часть электронов не попадает иа анод и может достаточно долго двигаться по своим орбитам, что создает условия для эффективной ионизации остаточных газов. Часть электронов, траектории которых проходят вблизи анода, попадает на навеску из титана, закрепленную на аноде, и разогревает ее до температуры испарения; при этом титан осаждается на поверхности корпуса насоса, который является коллектором ионов. Скорость испарения титана регулируют измене
нием силы тока накала термоэмиттера электронов.
Положение источника электронов, при котором эмитируются электроны с энергией, соответствующей круговой орбите, определяют из условия
mv|/r0 = e (r)/c£rJ« (1212)
где т — масса электрона, кг; о0 — тангенциальная составляющая скорости электрона, м/с; г0 и г — радиус соответственно круговой орбиты и
Рис. 12.19. Схема иасоса ОГИН:
i — корпус; 2 — анод; 3 — геттер; 4 — источник электронов; 5 — экран (токо-ввод); 6 — отражательный электрод; 7 — трансформатор нагрева; 8 — источник питания
360
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12,20. Диаграммы радиального распределения потенциала:
а — в плоскости нити накала; б — в плоскости, перпендикулярной нити накала;
I — анод; II — экран: III — нить накала
текущий, м; е — заряд электрона, Кл; U (г) — распределение потенциала по радиусу;
U (г) = UR In (rx/r)/ln (rj/fj), (12.3)
где U& — напряжение на аноде, В; гг н г2 — радиусы соответственно корпуса и анода.
Используя уравнение (12.3), определим кинетическую энергию электрона, движущегося по круговой орбите:
0,5niv| — G,5eUа/1п
Таким образом, при движении электрона по круговой орбите его кинетическая энергия не зависит от радиуса орбиты.
Если потенниал экрана (токоввода) равен потенциалу смещения нити накала, то радиус г0, на котором следует расположить нить иакала для испускания электронов с энергией, соответ
ствующей круговой орбите, можно найти нз выражения
0,5пЦ = е[У(г0) —6Уа], (12.5)
где bUs — напряжение смещения нити;. Ь — коэффициент (обычно Ь — 0...’ 0,15).
Решив совместно уравнения (12.4)
(12.5) с учетом (12.3), получим
. Г U& In (rjrj L 1П(Г1/Г2)
Wa] =
-ti^-	(12-6>
Упростив выражение (12.6), получим lg(rA)=0,5+ Мп^/гз), (12.7) или
г0 = г\~\№-	(12.8)
Результаты эксперимента показывают, что определенному расположению нити накала соответствует оптимальный потенциал, при котором длина пути электронов максимальна.
При ионной откачке и нормальной температуре поток газа н быстрота ноннон откачки, м3/с, соответственно:
3 = 2,35-КГ2/^;	(12.9)
S = Q/p = 2,35- 10-«/.<р./р, (12.10)
где /. — сила ионного тока, A; <pt — коэффициент захвата ионов.
Предельное остаточное давление, получаемое орбитроинымн насосами, 6,7 (!0~6... 10“9) Па Установка в насосе вкладыша, охлаждаемого жидким азотом, позволяет получить давление по-ря/гка 10~Х2Па. Такую конструкцию имеет, в частности, иасос СОН-А-1 (рис. 12.21). Насос имеет две зоны сорбции. Примерно половина испаряемого титана осаждается иа внутренней поверхности медных колец 4, охлаждаемых до температуры жидкого азота. Остальная часть титана напыляется через зазоры между кольцами на внутреннюю поверхность корпуса 5, охлаждаемого водой, запыляя при этом около 60% этой поверхности. Зазоры между кольцами увеличивают проводимость К основной сорбирующей поверх-
Геттерно-ионные насосы
361
ности. Основные элементы насоса выполнены на съемном фланце, что позволяет использовать насос без корпуса, встраивая в вакуумные объемы. Быстрота действия насоса по азоту и воздуху зависит от давления и мощности анода-испарителя (рис. 12.22), так как, изменяя скорость испарения титана, можно в известных пределах регулировать быстроту действия насоса. Так, при мощности 6О...62Дж/с скорость испарения титана составляет СГ,2... 0,5 мг/ч, при мощности 68...70 Дж/с — 5...10 мг/ч. Насос обладает постоянной быстротой действия по воздуху 0,5 мя/с при р 10~4 Па. Ресурс насоса 300... 2000 ч. Основные технические характеристики насоса приведены в табл. 12.10.
Испарительно-ионные насосы могут устойчиво работать совместно с масляными диффузионными н форвакуумными насосами. Пары масел вследствие пиролиза на разогретых деталях разлагаются на более легкие компоненты, поэтому использование испарителей заметно уменьшает долю тяжелых углеводородов.
Испарительно-ионные вакуумные насосы имеют наряду с положительными свойствами ряд недостатков: небольшой запас геттера; невозможность саморегулирования скорости испарения геттера; 'наличие накаленных элементов в электродной системе.
Важное значение имеет стабильность сорбционных характеристик, но многом
Рис. 12.21. Конструктивная схема иасоса СОН-А-1:
1 — азотный питатель; 2 — нить накала; 3 — анод с титановой иавеской; 4 — вкладыш с охлаждаемыми кольцами; 5 — корпус с водяной рубашкой; 6 — теплоизоляционный экран
ные линии) ^азота'^штриховы^линии^пон £_С°Н-А-' °Т «ав™ ВОЗДУ« <^«ш-(штриховые данниц прн мощноста анода-испарнтеля 60 Вт (линии У)
362
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
определяемая толщиной пленки. Прн толщине, превышающей критическую, геттерная пленка начинает шелушиться и постепенно отслаиваться под действием термомеханнческих напряжений, что может привести к замыканию электродов. Отслаивающаяся пленка из-за плохого охлаждения сильно разогревается во время работы испарителя и десорбирует ранее поглощенные газы. Во избежание шелушения необходимо периодическое удаление геттерных пленок. Для этого обычно используют механические и химические способы. Прн механической очистке необходимо соблюдать меры предосторожности, исключающие возгорание и взрыв десорбируемых газов. Это особенно важно прн удалении геттерных пленок после длительной откачкн водорода.
Расчет испарительио-нонных насосов сводится к определению удельной быстроты откачки, геометрических размеров поверхности сорбцнн н скорости испарения геттера.
Для насоса с корпусом цилиндрической формы удельную быстроту откачкн, м3/(с-м2), можно определить нз соотношения
5удГв = 36,4ЛкТ/ТЛЙ^вп*. (12.11)
откуда
с 36,4АК1/77>Й/’ВЯА kcD 2лП/ ~. 8/ ’
(12.12)
где Fg — площадь боковой поверхности цилиндрического корпуса насоса, м2; kK — коэффициент конденсации; Fвп — площадь входного отверстия насоса, м2; k — коэффициент Клаузннга; D, I — диаметр и длина цилиндрического корпуса насоса, м; с — константа, определяемая родом откачиваемого газа.
Для расчета скорости испарения титана прн заданной быстроте откачки иасоса необходимо знать температуру Т испарителя, определяемую по потоку молекул откачиваемого газа прн рабочем давлении р н известном отношении Р площадей испарения Ги и конденсации Гк в оптимальном ре-жяме работы насоса, когда иа по
глощение одной молекулы газа тре-буется один атом титана:
102»рГк = 102»рТ(Ги;	(12.13)
отсюда давление паров титана
РТ1-₽Р-	(12.14)
Для паров титана по значению fjp находят соответствующую температуру нагретой поверхности титана и мощность, выделяемую на навеске.
Скорость испарения титана, r/fc-м2), в зависимости от температуры Т биметаллических испарителей из титано-молибденовой проволоки определяют из соотношения • ,
1g пгуд = (—20 600/7’ + 7,4) 10~«.
(12.15)
Срок службы tc испарителя определяется эффективной массой геттера G, г, и скоростью его испарения п, г/с:
при непрерывном испарении
/с = От]/пг; (12.16)
при периодическом испарении
,	±1.Л_	(12.17)
. m tP ’
где г) — коэффициент использования геттера; — время насыщения геттера; 1Г — время образования монослоя геттера иа сорбирующей поверхности.
Режим работы испарителя определяется отношением	> '1'-
периодическое испарение; t^ltr ~
1 — непрерывное "нспаренне).
Период tn между двумя последовательными включениями испарителя должен быть меньше времени образования монослоя газа иа сорбируют6® поверхности насоса площадью Гс п₽и данном давлении:
/п ГсЛ/8/(<рнГвп?/г), (12.1®) где' ЛГ8 — число молекул откачиваемого газа на 1 см2 монослоя; фн коэффициент захвата иасоса; ^вп площадь входного отверстия насоС ’ ЛГР — число молекул, падающих »
Магнитные глектроразрядные насосы
363
। см“ площади входного отверстия пат-вУбка насоса.
г Скорость эрозии геттера, г/с, иа поверхности расходуемого катода в влектродуговых испарителях пропорциональна силе тока /д дугового раз-ряда:
т = ц/д> (12.19)
где И — коэффициент эрозии, зависящий от материала катода (g = 10-4 ,.. Ю'5 г/Кл).
Эмпирическая зависимость скорости эрозии материала катода стационарного электродугового испарителя имеет вид
(0,16 ... 0,17) (/д-20). (12.20)
12.4. Магнитные электроразрядные насосы
Саморегулирование скорости распыления геттера обеспечивается в магнитных электроразрядных вакуумных насосах, в которых для этого используют газовый разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях.
В простейшем диодном насосе (рис. 12.23) между двумя катодными пластинами 2, выполненными из геттера, расположен ячеистый анод /, на который подается положительный потенциал порядка несколько киловольт. Ячейки могут быть цилиндрической, прямоугольной, квадратной формы; число ячеек — от единицы до тысяч. Электродная система насоса размещается в немагнитном корпусе. Плоскость катодов располагают перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля напряженностью Нт.
Разряд возбуждается и устойчиво Поддерживается в очень широком диапазоне давлений газа до 10-10 Па. Источником разряда являются электроны, возникающие в результате авто-эмиссии при подаче на электроды по-^нциала в несколько киловольт. Образующиеся в разряде положитель-Ные ноны ускоряются электрическим Ролей и бомбардируют катоды, вызывая распыление геттера. Распыляемый ^атернал осаждается на внутренних поверхностях насоса, главным обра-
Рис.. 12.23. Схема диодного магнитного электрчразрядного насоса
зом на ячейках анода, и сорбирует остаточные газы. Чем выше давление газа, тем интенсивнее распыляется титаи и поглощается газ; снижение давления уменьшает силу ионного тока и количество распыляемого титана. Таким образом автоматически регулируется скорость распыления катодов, что обеспечивает экономное расходование геттера и значительный (несколько десятков тысяч часов) ресурс.
По механизму откачки газов электроразрядные насосы во многим аналогичны испарительно-ионным насосам, но интенсивные ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде позволяют использовать электроразрядные насосы как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов.-Магнитные электроразрядные насосы обладают значительной селективностью откачки газов и газовых смесей. Ниже приведена относительная быстрота действия диодного насоса по разным газам, % (за 100% принята быстрота действия насоса.по воздуху):
Водород
Дейтерий ...............
Легкие углеводороды , . , Азот....................
Пары воды...............
Диоксид углерода . . . .
Кислород ...............
Гелий...................
Неон ...................
Аргон, криптон, ксенон. .
270
190
90 ... 160
100
100
100
57
10
4 I
364
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.24. Н асос НМДО-25:
/ — корпус; 2 — катод; 3 — трубка охлаждения*. 4 — анод; 5 — изолятор; б,— экран; 7 — токоввод; 8 — магнит; 9 — магнитопровод
В момент 'запуска магнитных элект-роразрядных насосов при высоком давлении разряд «горит» не только в межэлектродном пространстве, но и во всем объеме откачиваемой системы, вызывая дополнительное газоотделе-ние из металлических  конструкций в результате ионной очистки. При этом увеличивается продолжительность запуска, что может привести к перегреву насоса и увеличению времени выхода на режим. Но, с другой стороны, обез-гаживание системы позволяет получить более низкое предельное остаточ-
Ряс. 12.25. Зависимость быстроты действия (линии /) и производительности (линии II) насосов типа НМДО от давления воздуха:
I — НМДО-О.25; 2 - НМДО-0,1; 3 —
НМДО 0,025;	4 — НМ ДО-0,01
/	И
ння разряд локализуется в межэлект- ’ родном	пространстве	насоса.	'
Рассматриваемые насосы имеют вы- . сокую	надежность,	большой	срок	
службы	(нет накаленных и движущихся	j
частей), просты в эксплуатации, бес- >3 шумны в работе и не выходят из строя i пря аварийной разгерметизации ва- 1 куумной системы. Насосы позволяют 1 оценивать давление в системе по силе а тока разряда. Они работают в области 1 высокого и сверхвысокого вакуума и j дают возможность получать предель- 1 ное остаточное давление ниже 1(Г 8 Па. '
Магнитные электроразрядные насосы серии НМДО (рис. 12.24) (насос магниторазрядный диодный охлаждаемый) предназначены для откачки технологического оборудования в диапазоне давлений 10~6 ... 10“1 Па. Конструктивная особенность насосов — водяное охлаждение анода и наличие отверстий в катодных пластинках по осям анодных ячеек при сохранении простоты устройства сменных катодов. В этих насосах анод имеет потенциал корпуса, а катоды находятся под высоким отрицательным потенциалом, что затрудняет распространение разряда по всему объему насоса в период его запуска. Наличие отверстий в катодах насосов увеличивает быстроту действия по инертным газам.
Быстрота действия насосов типа НМДО значительно снижается с уменьшением давления (рис. 12.25). Так, при р = 1 • 10~6 Па она составляет 50% номинального значения, а прн р= 1 -10-» Па — 25 ... 30%. Область давлений (2.5 ... 7,0) 10~2 Па характеризуется неустойчивой работой насосов, связанной с переходом разряда Пеннинга от режима с отрицательным объемным зарядом к плазменному,
Технические характеристики насосов типа НМДО приведены в табл. 12.12.
По конструктивному исполнению анода к этим насосам близок триодный насос НМТО-0,16 (насос магнитный электроразрядный триодный охлаждаемый) — рис. 12.26. Насос отличается наиболее низким предельным остаточным давлением (до 10“6 Па) и повышенным давлением запуска 6,65 Па. Такие характеристики получены в результате охлаждения электродов во-
Магнитны* электроразрядные насосы
365
Т а б л и ц а 12.12
i
	Значение параметра для насоса					
	-	to сч		to		
Параметр	о •	о	о	О '		О
	6 	б	б	б	б	6
	Ц	Е(	ч	ч	ч.	
t	S.	S	S	S.	S	S ,
	X-	х	X	X •	X	X
Быстрота действия по	10	25 ,	100	300	1000	120 *
воздуху S-103, м’/с, при р= 6,7-10-? Па Dy -входного отверстия,	32	100	100	160	250	160
ММ Блок питания: тип	БП-10	БП-25	БП-100	БП-100	БП-63	БП-150
сила тока короткого	0,1	0,3	0,7	0,7	0,7X4	0,7
замыкания, А мощность, кВт	. 0,77	1,54	4,4	4,4	18	4,4
габаритные размеры, мм	430 X	430Х	428Х	428Х	548Х	428X
	Х370Х	X 530 X	Х530Х	Х530Х	Х645Х	Х530Х
	Х261	Х261	Х361	Х36!	X 1805	Х361
масса, кг'	30	45	80	80	400	80
Габаритные размеры, мм	120Х	200Х	175Х	254 X	543Х	280Х
	X 100Х	Х200Х	Х390Х	Х424Х	Х564Х	Х355Х
	Х220	Х319	Х396	Х.550	Х700	Х780
Масса, кг	7	13,5	46	120	300	60
* При охлаждении электродной системы жидким азотом 0,2 м’/с.
' Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска-6,7 Па, наибольшее рабочее давление 0,1 Па, предельное остаточное давление 6,7-10'7 Па. Для насоса НМТО-0,16 предельное остаточное давление 1О'8 Па, при охлаждении электродной системы жидким азотом 6,7-10~* Па. Для всех блоков питания напряжение холостого хода х = —7 кВ.
дой при запуске и жидким азотом в режиме предельного вакуума. Прн охлаждении электродов жидким азотом быстрота откачки возрастает в результате увеличения сорбционной способности титана (без увеличения силы тока разряда), а также концентрации газа в ичейках вследствие термической эффузии. Для удаления газа насос прогревают при Т — 673 ... 723 К. Магнитное поле создается оксидно-барневыми магнитами, расположенными с внешней стороны корпуса насоса. Основные параметры иасоса также приведены в табл. 12.12.
Охлаждаемые насосы за счет отвода теплоты,’ выделяемой в насосах, по
сравнению с неохлаждаемымн имеют повышенное давление запуска, более высокие рабочее давление и давление запуска. Прн откачке газовых смесей, близких по составу к воздуху, насосы длительное время (примерно 800 ч) могут работать прн р < 10~1 Па.
В неохлаждаемых насосах типа НМД (насос магнитный диодный) удалось значительно увеличить стабильность быстроты действия в области низких давлений (рис. 12.27). Кромё того, существенно уменьшены габа- ритные размеры и масса по сравнению с этими показателями для насосов типа НМДО, но ухудшены пусковые „ характеристики. Технические харак-
366
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТК.А ЧКИ
Ряс. 12.26. Конструктивная схема электродной системы триодною магнитного электроразрядного насоса: / — анод; 2 — катоды; 3 — коллекторы
теристики насосов типа НМД даны в табл. 12.13.
Для предотвращения проникновения разряда в откачиваемую систему на входном фланце насосов устанавли-
Рис. 12.27. Зависимость быстроты действия насосов типа НМД от давления воздуха:
1 — НМД-1; 2 — НМД-0,63;	3 —
НМД-0,25; 4 — НМД-0,1; 5 - НМД-0,063;
б — НМД-0,025;	7 - НМД-0,0063
вают металлическую сетку с достаточной газовой проводимостью.
Для откачки небольших вакуумных объемов, малогабаритной электрофизической аппаратуры, электровакуумных и других приборов применяют магнитные электроразрядные насосы с быстротой действия 10~s ... 10~s м3/с. Такие насосы имеют одну . или несколько разрядных ячеек. В на- ? сосах подобной конструкции, кромеj основного разряда Пеннинга, воз-
Параметр	Значение			
	НМД-0,0063	НМД-0,025	НМД-0,063	НМД-0,1
Быстрота действия по воздуху S-103, м3/с	6	22	60	110
Оу входного отверстия, мм Блок питания:	25	100	100	100
ТИП	БП-0,0063	БП-0,025	БП-0,063	БП-0,1
сила тока короткого замыкания, А	0,12	0,3	0,6	0,7
габаритные размеры, мм	480Х 300X	480Х 300Х	480Х 320Х	480Х 320Х
	X 220	Х?20	Х300	Х300
масса, кг	- 21	20	37	35
Габаритные размеры, мм	80Х85Х	157Х84Х	320Х 160Х	320Х 180Х
	X 160	Х220	Х320	Х320
Масса, кг	2,9	8,4	21	Д2
* Комплект включает два блока питания.
Примечание. Для указанных насосов наибольшее давление запуска 6,7> КГ8 Па. Для всех блоков Питания (/х. х — 7 кВ.
Магнитные глектроразрядные насосы
367
Рис. 12.28. Насос НМД-0,001 (штриховая линия — магнитный поток):
/ — токоввод; 2 — изолятор; 3 — патрубок высоковакуумного ввода; 4 — корпус; 5 — магнит; 6 — крышка; 7 — анод; 8 — катод; 9 — входной патрубок; 10 — дополнительный катод; 11 — экран
буждается инверсно-магнетронный разряд между анодом и стенками корпуса. При повышенных давлениях сила тока этого разряда составляет 25% разряда Пеннинга.
Насос НМД-0,000063 предназначен для откачки прогреваемых ЭВП небольшого объема (до 2 дм8) с газовыми нагрузками не более 2 • 10~7 Па-м3/с, не имеющих значительных источников
загрязнения органическими продуктами. Особенность конструкции этого насоса — совмещение корпуса насоса с магнитопроводом, что в сочетании с используемыми в этом насосе самарий-кобальтовыми магнитами обеспечивает улучшенные массогабарнт-ные характеристики.
Установка дополнительного катода в насосах НМД-0,00025-1 и
Таблица 12.13
параметра для насоса
	НМД-0,16-1'	НМД-0,25-2	НМД-0,25-3	НМД-0,4-1	НМД-0,63	НМД-1 •
	160	220	260	420	650	4200
	100	160	160	160	250	25Q
	БП-138 „ 0,5	БП-73 0,8	БП-138 0,7	БП-138 0,7	БП-0,63 1,0	БП-0,63 1,0
	428Х 530Х 361 50 165Х 390X320 35	480Х320Х ХЗОО 52 320 X 327Х Х340 53	428Х 530Х Х361 50 320Х 390Х Х320 60	428Х 530Х Х361 50 450Х 390Х Х320 80	480Х320Х ХЗОО 47 500Х350Х Х580 190	480Х 320Х Х600 47 5ООХ354Х Х580 290
1,3 Па, наибольшее рабочее давление 0,13
Па, предельное остаточное давление
368
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.29. Зависимость силы тока раз* ряда от давления для насоса НМД-0,001
НМД-0,001 улучшила их пусковые характеристики и увеличила максимальное рабочее давление.
Насос НМД-0,001 (рнс. 12.28) с блоком питания БП-353 обеспечивает
индикацию давления 10-6 ... Ю-1 Па. Он снабжен дополнительно аккумуляторным блоком питания БП 347 (напряжение холостого хода 4 кВ, сила тока короткого замыкания 1 мА). При р < 10~3 Па и полностью заряженных аккумуляторах насос работает не менее 12 ч. Для зарядки зкку- • муляторов блок снабжен зарядным устройством ЗУ-1. На рис. 12.29 пока-. ; зана зависимость тока разряда от давления для насоса НМД-0,001. •
Основные технические характеристики миниатюрных магнитных элект-рорззрядных насосов приведены в табл. 12.14.
При разработке электронных микроскопов, Оже-спектрометров и другой аналитической аппаратуры широко применяют бесфланцевые модульные насосы, привариваемые к откачиваемой камере. Заземленный ячеистый анод насоса модульного типа НМТ-0,025-1 (насос магнитный электроразрядный триодный) — рис. 12.30—
Рис. 12.30. Насос НМТ-0,025-1:
/ магннтопровод; 2 — катод; 3 — анод; 4 — магнит; 5 — корпус
Магнитные злектроразрядные насосы
369
Таблица 12.14
Параметр	Значение параметра для насоса			
	НМД-0,000063-2	НМД-0,00025	НМД-0,001	НМТ-0,025-1
Быстрота действия по воздуху S-10», м’/с	0,08 s	0,2	0,75	20
Наибольшее давление запуска, Па	0,8	0,67	7,5-10"1	1,3
Наибольшее рабочее давление, Па	8-10-*	1-10-’	1-10-»	1,3- 10~а
Предельное остаточное давление, Па	6,7-10-4	6,7-10~6	1,5-10-»	6,7-10-’
входного отверстия, ММ Блок питания:	8	10	15,6	190X48
тип	БП-252	БП-321	БП-353	БП-283
напряжение холостого хода, кВ	+ 3	+3,5	+5	—5
сила тока короткого замыкания, А габаритные размеры, мм	(4 ... 6)-10"’	(8 ... 12)-10-»	0,033	0,2
	100X310X158	100Х 360Х 160	301X 188Х Х207	520X24 0Х X 160
масса, кг	3,2	3,5	6,0	15
Габаритные разме-ры, мм	53Х 27Х 30	62 X 46 X 32	90X55X35	117Х U0Х Х210
Масса, кг	0,09	0,18	0,3	7,8
выполнен из коррозионно-стойкой стали. В насосе возможна индикация давления.
Для электропитания магнитных электроразрядных насосов обычно используют выпрямители (напряжением 3 ... 7 кВ) с ограничением силы тока короткого замыкания. Для эффективной работы насоса к разрядной системе следует подводить оптимальную мощность. При превышении оптимальной мощности электроды насоса разогреваются и поток газовыделеиия превышает поток сорбции. Мощность N насоса зависит от напряжения блока питания, поэтому ои должен иметь определенную вольт-амперную характеристику (рис. 12.31).
На рис. 12.32 дана схема источника литания, позволяющая получить вольт-амперную характеристику, близ-’ кую к требуемой [22]. В области дав
лений 1,3 ... 0,1 Па работа насоса характеризуется уменьшением напряжения между электродами до 200 ...
Рис. 12.31. Зависимость мощности .V и напряжения U от силы тока разряда / для реального (сплошные линии) и идеального (штриховые линии) блоков питания магнитных алектроразрядных насосов
370
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.32. Упрощенная электрическая схема блока питания магнитного электро* разрядного насоса
600 В. При этом диоды Д1—Д4 открыты, н выпрямитель дает силу тока разряда, близкую к силе тока короткого замыкания, которая обусловлена числом витков обмотки 1Г/ н настройкой трансформатора с магнитным шунтом. В этом режиме насос представляет для блока питания нагрузку с сопротивлением порядка 102 Ом. При этом быстрота действия насоса мала из-за малой энергии нонов. Увеличение силы тока разряда ограничено рассеянием мощности на электродах и конструкцией токоввода.
В диапазоне давлений I0-1 ... Ю-3Па в разрядной ячейке протекает ток относительно большой силы, а напряжение по мере снижения давления начинает быстро увеличиваться. В этом режиме насос представляет собой нагрузку с сопротивлением порядка 10* ... 10» Ом. Быстрота откачки насоса резко увеличивается, однако при этих давлениях все же необходимо ограничивать подводимую мощность во избежание перегрева электродов.
Область давлений менее I0-8 Па характеризуется малыми силами тока и напряжением более 2 кВ. Диоды Д1 и Д'2 в этом режиме заперты; вольт-амперную характеристику, определяемую удвоителем напряжения (ДЗ, Д4, С/. С2), регулируют подбором емкостей конденсаторов С1 и С2 (от 0,01 до 0,5 мкФ) и числа витков обмотки W11. При этом насос представляет собой нагрузку с сопротивлением порядка 10» ... Ю8 Ом. При дальнейшем уменьшении давления напряжение, подаваемое на насос, становится равным удвоенному амплитуд
ному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Подбор вольт-амперной характеристики существенен при рабочем давлении до 10-4 Па. При меньших давлениях питание насоса может обеспечиваться прн любой форме этой характеристики.
Откачные характеристики магнитных электроразрядных насосов обычно рассчитывают с помощью эмпирических зависимостей, полученных на основе экспериментальных данных. В эти зависимости входят напряжение питания и интенсивность разряда, которая является функцией всех параметров разряда, рода газа, материала катода, напряженности магнитного поля н геометрии ячейки.
Для расчета основных параметров насоса можно использовать следующие приближенные эмпирические зависимости:
S'Nj = 172,56-105Zd2Bp0,2 X
2,30-10» Hd
_	(12.21
1,33+ 4-Ю4/? ' ’	< I
= 3,125- 10~4Z<7°’5 X |
(12.22)
1,5-10’5-rf2/, (12.23)
где Sn, — быстрота действии по азоту одной разрядной ичейки Пеннинга, дм3/с; Z = 0,005 ... 0,030 м — высота анодной ячейки;.d = 0,01 ... 0,05 м — диаметр анодной ячейки; В = 0,1 ... 0,2 Тл — магвнтная индукция; р = 10~4 ... 10-7 Па — рабочее давление; ий = 3 ... 7 кВ — анодное напряжение; Н — 80 ... 150 кА/м— напряженность магнитного поля.
Формулы (12.21)—(12.23) применим! при Ub — 0,2 ... 0,9 (где b — расстоя ние между катодами, м).
В реальных магнитных электрораэ рядных насосах электродный блок состоит из п ячеек, соединенных параллельно и находящихся под Спиваковым анодным напряжением.
Быстрота действия п ячеек
Комбинированные насосы
371
Sn = nS' (12.24) уменьшается до 5Эф из-за уменьшения проводимости вследствие наличия зазора между анодом и двумя катодами, причем
5вф=.$пДЛ, (12-25) .Л
где * = -785б- V ~AL' *-коэффициент (k = 1, если доступ к электродному блоку открыт с одной стороны; k = 0,5, если блок открыт с двух сторон); А = 0,01 ... 0,20 мн 1= 0.01 ... 0,40 м — ширина и длина электродного блока; б = 0,0025 ... 0,0100 м — зазор между анодом н одним нз катодов.
Если насос содержит М электродных блоков, то эффективную быстроту действия 5Эф можно определять из соотношения
V = (^эф)-1 +	(12.26)
где U — проводимость между карманом, в котором находится электродный блок, и присоединительным фланцем иасоса, дм3/с.
Недостаток магнитных электрораз-рядных насосов — чувствительность
к загрязнению углеводородами. Загрязнение катодов возможно и после достаточно длительной работы при относительно высоком давлении. Насосы плохо откачивают газы (На, Не и др.) с малыми массовыми числами.
Преимущества этих насосов: работа в любом положении; большой срок службы; малая мощность насоса; надежность; возможность индикации давления; саморегулирование скорости испарения.
Для откачки вакуумного технологического оборудования, где требуются высокая быстрота откачкн, частые вскрытия вакуумного оборудования и применяются непрогреваемые установки, магнитные электроразрядные насосы малопригодны, так как при запуске этих установок происходит перегрев насоса и уменьшение быстроты откачкн. Кроме того, этн насосы имеют большие удельные массовые характеристики. В указанных условиях можно использовать комбинации различных насосов.
12.5. Комбинированные иасосы
Комбинированные насосы представляют собой совокупность нескольких откачных средств, размещенных
Рис. 12,33. Насос ЭГИН-1,6/0,25:
1 — нагреватель; 2 — магнитная система; 3 — высоковольтный ввод; 4 — корпус; 5 — изоляционный кожух; S — электродные блоки; 7 — испарители
372
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Рис. 12.34. Конструктивная схема иасоса НВГМ-4:
I -- водоохлаждаемые фланцы; 2 — экран-жалюзи; 3 — корпус; 4 — анод; 5 >— испаритель; 6 — водоохлаждаемый экран;
7 — магииторазрядные блоки
в едином корпусе: сорбционного и испарительно-ионного насосов испарительно-ионного геттеркого и магнитного электроразрядного насосов, дугового и магнитного электроразрядного и др. Целесообразность подобных комбинаций определяется тем, что геттерные насосы эффективно откачивают химически активные газы, но не пригодны для откачки инертных газов (даже в смеси с активными) и углеводородов.
Наиболее распространены комбинированные насосы типа ЭГИН (электро-разрядный геттерно-ионный насос), НВГМ (насос вакуумный геттерный магниторазрядный), ПВИГ (пост ва-. куум.чый ионно-геттерный). В этих насосах в одном корпусе совмещены геттерный испарительный или дуго
вой и магниторазрядные диодные или триодные модули.
Быстрота действия комбинированного насоса превышает ее суммарное значение для отдельно взятых испарительного и магниторазрядного откачных блоков. Преимущества комбинированных насосов особенно существенны в системе откачки установок^ с частым напуском атмосферного воздуха и в сверхвысоковакуумных установках.
Первые отечественные комбинированные насосы типа ЭГИН (рис. 12.33) разработаны на базе магнитных элект-1 роразрядных насосов типа НМД в со-1 четакии в одном корпусе с биметалли-1 ческими прямонакальными испарите-] лями насосов типа ГИН. При модер-| низации улучшена компоновка на-1 coca, улучшен доступ газа к магниторазрядным блокам, почти в 2 раза уменьшена масса. По аналогичной схеме выполнена промышленная серия комбинированных насосов типа ЭГИН, технические характеристики которых даны в табл. 12.15.
Для безмасляной откачки вакуумного технологического оборудования предназначены комбинированные вакуумные насосы типа НВГМ (рис. 12.34, табл. 12.15). В этих насосах использованы магниторазрядные блоки триодного типа с заземленным анодом в сочетании с прямоканальными испарителями из титаномолибденовой проволоки диаметром 6 мм. Для увеличения ресурса насоса НВГМ-4 в его конструкции предусмотрена автоматическая оптимизация скорости испарения титана в зависимости от давления.
Для сверхвысоковакуумной откачки аналитической аппаратуры и обору дования (Оже-спектрометров, установок молекулярно-лучевой эпитаксии и др.) разработаны комбинированные насосы типа НВГМ (рнс. 12-35) также на о'снове магниторазрядного блока, но с низкотемпературным охлаждением поверхности сорбции. ВнеШ-'ние магниты из клиновидных блоков в сборе составляют замкнутую кольцевую систему, поэтому магний ные поля рассеяния практически отсутствуют: в плоскости присоедини" тельного фланца и на осн иасоса
Комбинированные насосы
373
»-шян
Значение параметра для насоса
9‘г-шян	.	к/ 1Д о	eo	о .	_	о	«э	Xq —•	to co	о	S	04	®	«	<0	£  'CXX
з/о^-ниле	к, Xo ooo	гч 7. Хоо о s “ 1 • " = з gs; i ~хх .
	=- . з § . " § 5 |§1 § “Xх
j/s-HUje	у о о о о	_ о о Хо2 о »	» q о ео	—’	О ю со .	-	х х
	«о	«	3	<N <М g	С<	icgS	g' —	О	Т4	”	СЧ	00 4"^,	°° -’'Х*
ss‘o/9‘i-HUje	Ч « S сч сч g 8	S - о сч	g^x - ,	X
1‘o/i-HHje	„ 5 § <N <N g ”	« ^ХХ
Примечание. Для насосов типа ЭГИН и типа НВГМ наибольшее давление запуска соответственно 13 и 6,5 Па, наибольшее рабочее давление 6,6-10~3 Па, предельное остаточное давление соответственно 6,6-10'8 и 1,3-10-1 Па. Напряжение холостого хода разрядных блоков насосов ЭГИН и НВГМ соответственно +7 кВ и —7 кВ.
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ

Рис. 12.SS. Насос НВГМ-5:
I — корпус; 2 -- магнитораэрядиый блок; 3 — испаритель; 4 — охлаждаемый 5 — устройство ввода жидкого азота
экран;
Таблица 12.11
Параметр	Значение параметра для иасоса		
	НВГМ-2-1	НВГМ-5-1	НВГМ-5-2
Быстрота действия по воздуху, м:1/с: насоса магниторазрядного блока Быстрота действия по аргону, м3/с Dy входного отверстия, мм Блок питания (тип) Габаритные размеры, мм Масса, кг	2,5 0,5 0;1 250 БП-341; БП-187 510X503X520 145	5,0 0,8 , 0,2 400 БП-341; БП-187X2 898Х 770Х 550 352	5,0 0,8 0,2	1 400	1 БП-341; БП-187X2 1020 X 770 X 541 300
Примечание, Для указанных насосов наибольшее давление запуска 13 Па, наибольшее рабочее давление 5-10-8 Па, предельное остаточное давление 1-10~9 Па, число испарителей 7, диаметр испарителей 2 мм, масса геттера (титана) 125 г. Для блоков питания напряжение холостого хода х = —7 кВ, сила тока короткого замыкания 0,8 А.
КАмбикироваммеи масоем
375
Рис. 12.36. Зависимость быстроты действия иасосов НВГМ-5 от давления при охлаждении экрана жидким азотом: / — при совместной работе магнитораз-рядных блоков и дугового испарителя (воздух); 2 — при совместной работе ма-гниторазрядиых блоков и прямокаиаль-ных испарителей (воздух); 3 и 4 — прн работе только магииторазрядных блоков (соответственно воздух и аргон)
магнитная индукция не превышает 0,5 мкТл. Основные технические характеристики комбинированных насосов типа НВГМ с азотным охлаждением даны в табл. 12.16. Зависимость быстроты действия насосов НВГМ-5-1-И НВГМ-2-1 от давления приведена на рис. 12.36. Насосы можно снабжать дуговым испарителем со стабилизацией вращающимся магнитным полем вместо прямонакаль-
^нс. 12.37. Конструктивная схема иасоса НМДИ-16/40:
I — дингце; 2 — корпус; 3 — электроду-говой испаритель; 4 сорбционная панель; 5 — защитный экран; 6 — анод Нагииторазрядйого блока; 7 — катод ма-гннтораэрядиого блока; 3 — магниты
1
Таблица 12.17
Зиачеиие параметра для иасоса
Параметр	ПВИГ-100/160/9-018	ПВИГ-250/630/9-019
Быстрота действия	160	630
S-103, м®/с, насоса по азоту Быстрота действия S-103, м3/с, магииторазрядных блоков: по азоту	100	250
по аргону	20	40
£)у входного отвер-	100	160
стня, мм Габаритные разме-	400Х	560Х
ры, мм	Х400Х	Х560Х
Масса, кг	Х600	Х600 65
Примечание. Для указанных иасосов предельное остаточное давление не более 1,5-10~8 Па, наибольшее давление запуска 1 • 10"1 Па, наибольшее давление запуска испарителей не медее 1 • 10~в Па, наибольшее рабочее давление магннторазрядного блока 1 • 10-3 Па, напряжение холостого хода магниторазрядного блока +7 кВ, сила тока короткого замыкания 0,8 А, максимальная сила тока накала испарителя 38 А.
ных титаиомолибдеиовых проволочных испарителей.
Насосы НВГМ-2-1 и НВГМ-5-1 без блока испарителей и экрана можно использовать как магнитный электро-разридиый насос с днумя присоединительными фланцами, что позволяет применять их в качестве откачного модуля пролетного типа в ускорителях и других протяженных системах. Насосы пригодны для стабильной длительной откачки водорода, активных и инертных газов, а также коррозионных паров и газовых смесей, в том
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ
Геттерные вакуумные насосы .
377
376
S-'
♦50
Масса, кг
16
Габаритные размеры, мм . .
Рис. 12ЛЯ. Конструктивная схема комбинированного
I и 2 — высоковольтные вывод и ввод; 3 — перемычка; т —	.
спираль сублиматора; 7 — сублиматор; 8 — присоединительный фланец; магнитный; 10 — блок электродный
числе содержащих галогены, мышьяк и др.
Для откачкн газов, нейтральных к ма1ерналам конструкции, в широком диапазоне давлений яри значительной быстроте действия разработан испарительный диодный магнитный элект-роразрядный насос НМДИ-16/40 (рис. 12.37). Он рассчитан иа применение при нанесении покрытий, в металлургии (в процессе очистки металлов), в имитаторах космических условий, установках термоядерного синтеза и др. Особенность насоса — использование электродугового испарителя. Сорбционная панель выполнена в форме беличьего колеса и охлаждается до низких температур,
Техническая характеристика насоса НМДИ-16/40:
Быстрота действия по воздуху, м’/с ........ Наибольшее давление запуска , Па.................
Наибольшее рабочее давление Па ... . ............
Предельное остаточное давление, Па ........ . Dy входного отверстия, мм Сила тока дуги, А ....
13
6,6-10-’
6,6-10-’
630
150
насоса ПВНГ-250/630/9-019Ч!
4 — экран; 5 — корпус; 6 ’	9 — блок
Для откачки технологических объемов разработаны комбинированные не-охлаждаемые иасосы типа ПВИГ, отличающиеся повышенной быстротой откачки инертных газов. Насос представляет собой комбинацию испарителя с магииторазрядным блоком. Ис-, парители выполнены из титановой про- 1 волоки, навитой на вольфрамовую ft проволоку. На рнс. 12.38 дана кон- Й структивная схема комбинированного J насоса ПВИГ-250/630/9-019, в ,g табл. 12.17 — основные технические g характеристики насосов типа ПВИГ, /
12.6. Геттерные вакуумные насосы
В насосах с иераспыляемыми поглотителями откачка активных газов происходит за счет хемосорбции иа поверхности, растворении н диффузии молекул в объем газопоглотителя. Относительно невысокая (п° сравнению с достигаемой при напылении геттерных пленок) удельная ско
рость взаимодействия молекул остаточных газов с иераспыляемыми газопоглотителями компенсируется сильно развитой поверхностью геттера. В зависимости от технологии изготовления открытая пористость нераспыляемых газопоглотителей составляет 20 ... 60%, а истинная площадь поверхности геттера в 100 ... 700 раз превышает геометрическую.
Для изготовления сорбционных элементов откачных устройств используются металлы IV и V групп периодической системы, сплавы и составы на их основе. Наиболее, распространены бинарный (84% Zr + 16% Al) н тройной (70% Zr + 24,6% V -F 5,4% Fe) циркониевые сплавы, а также чистый титан. Сорбционные элементы насосов изготовляют из порошков геттера в виде покрытий на подложках из коррозионно-стойкой стали или константана, или в виде объемных пористых тел. Порошки циркониевых сплавов плохо поддаются ' спеканию, а объемные сорбционные элементы на их основе имеют недостаточную механическую прочность, поэтому основной способ формообразования состоит в плакировании металлических лент прокаткой и сваркой прокаткой. Объемные сорбционные элементы, изготовляемые методом спекания порошка титана в вакууме, имеют в 2—3 раза большую открытую пористость, высокую механическую прочность и по сорбционным характеристикам не уступают, а в ряде случаев превосходят покрытия из циркониевых сплавов. Для увеличения адгезнн пористые титановые покрытия спекают на подложке нз коррозионно-стойкой стали, предварительно покрытой слоем никеля толщиной 20 ... 30 мкм, либо напыляют плазмеино-дуговым способом.
Конструктивно насосы с нераспыля-емымн газопоглотителями представляют собой набор геттерных модулей в виде гофрированных лент, плакированных с обеих сторон активным веществом, или объемных геттерных элементов (штабнков, дисков, спиралей и др.).
В насосах с косвенным подогревом лента с геттерным покрытием разме
щена по окружности, а нагреватель установлен по оси цилиндра. Рабочая температура насоса 673 К, но его можно использовать и при комнатной температуре. Быстрота действия насосов этого типа по водороду в зависимости от размеров устройства составляет 0,1 ...2,0 м®/с, по азоту 0,02...0,5 м®/с. Для повышения эффективности использования нагревателя вокруг геттерного модуля установлен радиационный экран.
В насосах с прямым подогревом основным элементом насоса является гофрированный модуль «вафельного» типа. Из отдельных модулей собирают панели, которые встраивают внутрь вакуумной системы. Площадь активной поверхности геттерных элементов 0,15 и 0,3 мг. Для активации через модуль пропускают ток силой 45 ... 60 А. В рабочем режиме требуемую температуру (473 К) поддерживают прн силе тока 10 ... 15 А. Каждый модуль откачивает водород с быстротой 1,0 . . 1,2 м’/с. оксид углерода с быстротой 0,5 ... 0,6 м’/с. Суммарная быстрота действия геттерных панелей практически неограничена и зависит от размеров блока. Поглотительная способность геттерных модулей по водороду ограничена охрупчиванием геттерных элементов и составляет 1  102 . . 3- 10s Пя-м’, предельное количество поглощенного окснда углерода на порядок меньше.
Недостаток насосов этого типа — постепенное ухудшение нх вакуумных .характеристик из-за накопления в геттере необратимо сорбирующихся газов. Это явление особенно заметно после неоднократных контактов га.эд- . поглотителя с атмосферным воздухом. В то же время отсутствие электрических и магнитных полей, вибрации, высокая удельная (на единицу массы илн объема геттерного модуля) скорость откачки, низкая стоимость и малая мощность насоса позволяет рассматривать геттерные вакуумные насосы как эффективное средство откачки высоковакуумного оборудования и электровакуумных приборов.
378 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Г л а в а 13. Низкотемпературные средства откачки (крионасосы)
13.1.	Принцип действия и классификация
Действие крионасосов основано на физических явлениях, происходящих при низких температурах: конденсации газов на охлаждаемых металлических поверхностях (конденсационные насосы); адсорбции газов на твердых охлажденных сорбентах (адсорбционные насосы); адсорбции газов на слое предварительно сконденсированного вспомогательного легкокондеисируе-мого газа (конденсационно-адсорбционные насосы); одновременной конденсации откачиваемого газа и вспомогательного легкокоиденсируемого газа (криозахватные насосы); поглощении газов пленками геттера, осаждаемого иа криопанель насоса (криогет-терные насосы).
Принцип действия конденсационных насосов основан на конденсации газов иа металлических поверхностях, охлажденных до температуры 20 К и ниже (рис. 13.1, а).
Принцип действия адсорбционных иасосов основан на сорбции газов твердым сорбентом, нанесенным на криогенную поверхность (рис. 13.1, б).
В адсорбционных насосах важно обе-спечить хороший тепловой контакт сорбента с поверхностью, его тепловую защиту и исключить возможность за-' грязнеиия легкоконденсируемыми газами, поскольку это снижает вероятность поглощения водорода, обычно трудно удаляемого из систем. В качестве сорбентов, наносимых на поверхность криопанелей, наиболее, часто используют активный уголь, цеолиты, силикагели, оксидные пленки металлов. Физическая поверхность сорбентов на много порядков превышает геометрическую поверхность кри-опаиелн, достигая 107 см2/г.
Принцип действия конденсационно-адсорбционных насосов (рис. 13.1, в) основан на применении другого вида сорбентов — вспомогательных легко-коиденсируемых газов. В качестве вспомогательного газа используют пары воды, диоксид углерода, диоксид серы, окснд азота, метилхлорид, тетрахлорид углерода, пары спирта, ацетона, беизииа, аргон, азот н др. В этом случае вакуумную камеру с криопанелью, окруженной тепловыми экранами, предварительно откачивают
Рис. 13.1. Схемы работы криоиасосов:	Я
I — крнопаиель; 1, 5, 8 — откачанные молекулы (2 — конденсированные, 5 — адсорбв1* рованиые, 8 — хемосорбированные); 3 — свободные молекулы; 4 — твердый сорбент;
f — вспомогательный гаа; 7 — частицы геттера
Принцип действия и классификация
379
форвакуумным и высоковакуумным насосами до возможно более низкого, давления. После отсоединения насоса от камеры криопанель охлаждают и в камеру вводят вспомогательный газ, чтобы на криопанели образовался слой конденсата.
Принцип действия криозахватного насоса заключается в поглощении («криозахвате») некойденсируемых газов легкоконденсируемыми газами, постоянно подаваемыми иа криопанель (рис. 13.1, г). При откачке водорода необходим постоянный напуск большого количества диоксида углерода (50 молей на 1 моль водорода), что увеличивает тепловую нагрузку на крионасос и, следовательно, на холодильную установку. Явление криозахвата всегда сопровождает процесс конденсации многокомпонентной смеси газов. Особенно возрастает роль криозахвата при откачке водорода в непрогреваемых вакуумных системах, так как основные компоненты остаточной смеси газов этих систем— пары воды и диоксид углерода, которые способствуют откачке водорода вследствие криозахвата.
Принцип действия криогеттериого насоса основан на физическом и химическом связывании газов на поверх-, ности и в объеме непрерывно наноси-’ мой на криопанель пленки химически активного вещества, в качестве, которого чаще всего используют титан (рис. 13.1, '7). По удельной сорбционной емкости криогеттерные насосы примерно в 3 раза превосходят насосы, принцип действия которых основан на сорбции - пленками титана, нанесенными на поверхность при нормальной температуре. При низкой температуре миграция осаждаемых частиц геттера заторможена, поэтому образуется пористая пленка с хорошо развитой поверхностью. Кроме того, при кри-огеттерной откачке ие выделяются посторонние газы (например, метан) и снижается равновесное давление легко-конденсируемых газов. Для работы насосов этого типа достаточна температура 60 ... 80 К,
В настоящее время наиболее распространены конденсационные и адсорбционные насосы.
Принципиальная конструктивная
Рис. 13.2. Принципиальная схема крио-насоса:
I — криопанель; 2 — экран; 3 — жалюзи;
4 — корпус; .5 и б фланцы камеры н иасоса; 7 — конденсат (криоосадок)
схема крионасосов, несмотря на все многообразие их выполнения, включает, как правило, четыре основных конструктивных элемента (рис. 13.2): криопанель 7, теплозащитный экран 2, охлаждающее устройство (на рисунке не показано) и корпус 4.
Криопанель является основной (откачивающей) частью насоса и представляет собой поверхность, охлажденную до криогенных температур. Криопанели выполняют в виде дисков, цилиндров, змеевиков, сложных систем ребер и др.
Криооткачка — процесс экзотермический. так как во время работы насоса на охлажденной поверхности в результате перехода газа в конденсированное (связанное) состояние постоянно выделяемся теплота конденсации. В связи с этим обязательное условие криооткачки--постоянный отвод теплоты конденсации и поддержание температуры охлажденной криопанели на требуемом уровне. Кроме того, необходимо отводить тепловую энергию излучения с теплых поверхностей насоса па крнопаиель.
Теплозащитный экран 2, выполненный, как правило, в виде жалюзи, обычно устанавливают между стенками корпуса и криопанелыо и охлаждают до температур, промежуточных между температурой стенки корпуса и температурой криопанели. При отсутствии экранов тепловые нагрузки иа криопанель резко возрастают и не
380 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
обходимы более мощные охлаждающие устройства.
Поверхности экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Для уменьшения степени черноты е часто применяют электролитическое золочение илн серебрение поверхности медных деталей. Степень черноты полированного алюминия (0,02 ... 0,05) близка значению этой характеристики золоченой поверхности (0,014 ... 0,040). Длн создания поверхности с высокой степенью черноты используют специальный черный краситель, который наносят на медную обезжиренную поверхность. Степень черноты такой поверхности превышает 0,85. Для чернения поверхности алюминиевых деталей применяют анодирование.
Охлаждающее устройство служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальней температуры до рабочей, а также для компенсации тепловых нагрузок на криопанель и поддержания температуры криопанели во время работы крионасоса на необходимом уровне. В прямой видимости от криопанелн не должны находиться источники тепло+ы, например, датчики с накаленным катодом.
Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Иногда криопанель с теплозащитным экраном помещают непосредственно в вакуумную камеру; в этом случае корпус камеры является одновременно и корпусом насоса.
В зависимости от термодинамического состояния откачиваемого газа
внутреннюю полость крионасоса можно условно разделить иа три области (рис. 13.3): область / расположена между стеикой I (входное сечение насоса) и теплозащитным экраном 2, область И — между экраном я верхним слоем криоосадка 3, область III — это слой сконденсированного или сорбированного газа на криопанели 4.
Входное сечение иасоса условно показано в виде стенки /, температура которой Тс равна температуре окружающей среды. Это сечение является источником потока откачиваемых газов, а также теплового потока Фр
Теплозащитный экран 2, температура которого Т3 поддерживается охлаждающим устройством с холодопроизводительностью Qx, э на более низком температурном уровне, чем воспринимает тепловые излучения отИ степок, исключая возможность попада-И ния их на крнопанель (имеющую тем-И пературу Тп). Молекулы откачивав-™ мых газов, пройдя область I, ударяются о холодные поверхности экрана и теряют часть кинетической (тепловой) энергии. Одновременно часть мо-^ лекул из газового потока Qa, к, имеЯ ющих при температуре экрана ГИ давление насыщенных паров менып^И давления pi, конденсируется на х<яН лодных поверхностях экрана и iw попадает в область II. Часть молекул Сэ. о> отражаясь от экрана, возвращается в область Z.
Тепловой экран (по аналогии со стенкой /) можно считать источником потока Q2 газов для области II', при этом
Qz ~ Qi— (Qu о 4“ Qa. к)-	1 ’3.1)
Тепловой экран является также источником теплового потока Ф2 на криопанель 4, поскольку температура экрана выше температуры криопанели. Кроме того, экран является сопротивлением для прохода газов к откачиваемому элементу, поэтому давление в области II меньше, чем в области I (рп < pi).
В области III газ находится в сконденсированном или сорбированном состоянии прн температуре Тк. Теплота излучения и конденсации отводится соответствующим охлаждающим yet- .

Способы охлаждения	381
ройством с холодопроизводительностью Qu- п-
Крионасосы классифицируют по следующим основным признакам: принципу действия, температурному уровню йриопанели, быстроте действия, способу охлаждения криопаиели и конструктивной схеме.
Температурный уровень криопанели — это основной фактор, определяющий давление паров откачиваемого газа, - а следовательно, и предельный вакуум, создаваемый насосом. По температурному уровню .крионасосы подразделяют на четыре группы в соответствии с температурами кипения ( азота (77 К), неона (27,1 К), водорода (20 К) и гелия (4,2 К) прн атмосферном давлении.
Быстрота действия в основном определяется размерами криопаиели, а следовательно, и энергозатратами на ее охлаждение. По быстроте действия крионасосы условно подразделяют на три группы: малые с быстротой действия 5 < 10 м3/с (для их охлаждения требуется мощность в несколько ватт), средние с быстротой действия S = = 10 ... 50 м3/с (мощность — несколько десятков ватт), крупные с быстротой действия S > 50 м3/с (мощность— несколько сотен и даже тысяч ватт). Наиболее распространены средние крионасосы; их выпускают на нормализованных фланцах.
По способу охлаждения крионасосы подразделяют иа охлаждаемые сжиженными газами и автономными газовыми холодильными машинами. Конструктивное оформление и эксплуатационные особенности иасосов во многом зависят от способа охлаждения криопанелей. По этому признаку крно-насосы подразделяют на четыре основные группы: наливные, испарительные, с автономными ожижителями, с газовыми холодильными машинами (криогеиераторами).
По конструктивной схеме крионасосы подразделяют на фланцевые и встроенные. Быстрота действия насосов первого типа в основном определяется проводимостью фланца. Эти васосы обычно выполняют в виде отдельного агрегата, подсоединяемого к откачиваемому сосуду. Насосы второго типа проектируют применительно
к конкретным условиям эксплуатации. Криопанели в этих насосах обычно располагают в откачиваемом сосуде в непосредственной близости от источника гааовыделения.
13.2.	Способы охлаждения
Наиболее простой способ охлаждения крионасосов — охлаждение жидким криоагентом, наливаемым в сосуд, наружная поверхность которого служит криопанелью. Наливные насосы выполняют по типу криостатов. Они отличаются простотой конструкции и малой стоимостью, не требуют подсоединения к электросети, водопроводу или сети сжатого воздуха, в них нет движущихся деталей. Эти насосы легко прогреваются, поэтому их применяют в высоковакуумных системах. В качестве криоагентов обычно используют сжиженные газы (азот, неон, водород или гелий).
Несмотря на относительно высокую стоимость жидкого гелия, ему отдают предпочтение по сравнению с жидким водородом, поскольку последний взрывоопасен. Преимущество жидкого гелия — низкая температура кипения, недостаток — весьма малая скрытая теплота парообразования. следова-тельно. необходимость эффективной защиты от теплопритоков к криопанели насоса.	'
> Недостатки насосов наливного типа: необходимость оснащения системой сбора испарившегося рабочего газа; значительные потери холода (после окончания работы газ остается в сосуде); большой расход криоагента, необходимого во время пуска насоса для охлаждения криопанелей и экранов от нормальной до рабочей температуры; необходимость установки только в вертикальном положении; трудность получения и поддержания температуры, отличающейся от температуры кипения криоагента при атмосферном давлении. Такие насосы используют в основном для лабораторных исследований.
При охлаждении иасоса парами криоагентов (испарительные насосы) также используют сжиженные газы. В этом случае криопанели насосов выполняют в виде змеевиков или пло-
382 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Таблица 13.f
Криоагент	Температура кипения, К, прн давлении, Па							
	10*	8-10*	5.10«	2,7-10‘	1,3-10‘	7-10»	1,3-10*	7.10*
Гелий Водород Неон Азот Кислород	4,2 20,4 27,1 77,3 90,0	4,0 19,6 26,3 75,5 88,0	3,6 18,4 25,5 72,3 84,5	3,1 16,6 23,4 67,5 79,0	2,6 15,1 21,9 63,5 74,5	' 2.35 13,9 21,0 60,2 70,4	/ 1,75 11,7 19,0 52,0 62,3	1,6 S И,о" 17,5 50,0 60,0
скнх шайб с внутренними каналами. Криопанели охлаждаются в резуль-. тате циркуляции по каналам и змеевикам паров испаряющегося крно-агента. Циркуляция происходит под действием избыточного давления в сосуде Дьюара или от механического вакуумного иасоса. Эти способы позволяют легко регулировать температуру криопанели в широком диапазоне (выше н ниже нормальной температуры кипения криоагента), что обеспечивает экономичное расходование криоагента. Температуры кипения криоагентов при различных давлениях приведены в табл. 13.1.
В испарительных иасосах испаряющийся в криопанели газообразный гелий часто используют для охлаждения теплозащитных экранов до температур, промежуточных между нормальной и температурой криопанели; при этом отпадает необходимость использования другого криоагента. Поскольку в криопанелях испарительных иасосов нет жидких криоагеитов, то после остановки эти насосы легко отогревать. В этих насосах криопа-иель можно установить в любом пространственном положении.
Способ охлаждения с помощью автономных ожижителей обычно используют в крупных крионасосах. Сжиженный газ собирается в бачке, который служит и криопанелью. Отработанный газ, выходящий из бачка крионасоса, отдает холод в теплообменниках встречному потоку газа, идущему иа сжижение; это существенно повышает экономичность процесса охлаждения насоса. Недостатки этого способа охлаждения — сложность обслуживания н необходимость
постоянного контроля за работой ожижителя.
Охлаждение, с помощью автономных газовых холодильных машин (крио-генераторов) применяют для малых крионасосов. С помощью криогенера-' торов достигается температурный уровень 15 ...20 К н холодопроизводи-| тельность 2 ... 5 Вт. Холодильные машины удобны тем, что для их работы требуются только электропитание и техническая охлажденная вода. Они работают без расхода рабочего газа (гелия), так как рабочее тело в холодильном цикле криогенератора совершает замкнутый цикл, оставаясь в газовой фазе. Насосы с криогенераторами экономичны, так как холод используется непосредственно в месте его получения.
13.3,	Тепловые нагрузки
Тепловой расчет крионасосов разделяют* на два этапа: определение тепловых нагрузок на криопанель и теплозащитный экран; определение расхода криоагеитов или мощности криогенных устройств.
Тепловую нагрузку иа криопанель создают потоки: Фи — теплоизлучения с поверхностей, окружающих крио-панель; Фм — теплопроводности через тепловые мосты (механические опоры н держатели криопанелей, подвески заливных бачков, трубки для подвода жидких криоагеитов и отвода испаряющихся газов и др.); Фк — возникающие вследствие непрерывной конденсации откачиваемых газов; Фг— теплопроводности остаточных газов от стенки иасоса к криопанели. Следователь" но. суммарный тепловой поток Фо — Фи Н” Фм + Фк Фг-
Тепмвыг нагрузки
383
При давления менее 0,1 Па основными источниками тепловых нагрузок на криопанель являются тепловое излучение и теплопроводность по тепловым мостам. Теплота конденсации и теплопроводность остаточных газов в общем балансе тепловых нагрузок составляют незначительную долю н ими можно пренебречь.
Тепловой поток к холодному телу 1, заключенному в полости теплого тела 2,
Фв = ^У2(7'2-7’1).' (13.2) где о =, 5,67 10"8 Вт/(ма К) — постоянная Стефана—Больцмана; вПр — приведенная степень черноты; — площадь поверхности теплого тела; Гр Т2—температуры соответственно холодного н теплого тела.
Для коаксиальных цилиндров, концентрических сфер и параллельных плоскостей приведенную степень черноты определяют, считая диффузионное излучение серым, по формуле
(13.3)
где ег и е2 — степень черноты соответственно холодного и теплого тела;
— площадь поверхности холодного тела.
Экспериментальные значения степени черноты для материалов, наиболее широко применяемых в крионасосах, приведены в табл. 13.2.
Степень черноты криопаиели сильно зависит от количества газа (например, азота), сконденсированного иа единице площади ее поверхности (рис. 13.4).
В табл. 13.3 и 13.4 даны значения тепловых потоков к криопаиели (Т — == 4,2 К) от экрана (Т ~ 77 К) при площади поверхности криопаиели 1 ... 100 дм3 и приведенной степени Черноты е = 0,01 ... 1,0; в приложении — значения тепловых потоков к экрану (Г = 77 К) от теплой стенки насоса (Г = 300 К).
Чернением значение е для теплозащитных экранов можно увеличить До 0,9 и более в очень широком диапазоне длин воли, однако конденсация на этих- поверхностях паров воды
Таблица 13.2
Материал	Значение е при Т, К		
	300	78	7,3
Медь	0,03	0,019	0,015
Алюминий	0,03	0,018	0,011
Коррозиоино-	0,10	0,06	—
стойкая сталь Углеродистая	0,6	—	—
сталь Серебро	0,03	0,01	—
н углеводородов существенно уменьшает в.
Наиболее типичные конструкции экранов и варианты их расположения показаны на рис. 13.5. Характеристики этих вариантов приведены в табл. 13.5.
Тепловой поток через тепловые мосты, Вт:
7.
Фм =
(13.4)
где F — площадь поперечного сечения моста, м2; I — длина моста, м; л — теплопроводность материала моста, Вт/(м-К); X — средняя теплопроводность материала моста в температурном интервале Т, .... Т2. Вт/(м-К).
Для уменьшения потоков вследствие теплопроводности обычно используют длинные тонкостенные трубки из металлов с малой теплопроводностью Л (коррозиоиио-стойкой стали, нейзильбера, мельхиора) — табл. 13.6. В табл. 13.7 приведены значения теп-'
Рис. 13.4. Зависимость степени черноты € криопаиели от количества Gn конденсата (азота)
Таблица 13.3
									
е	Тепловой поток, Вт, От экрана к криопанелн площадью, дм»		_								
	1	2	3	4	5	в	7	8	9
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 / 0,08 0,09 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00	2-10"* 4-10-* 6,10"» 8-10"* 1•Ю"8 1,2-10"3 1,4-10"* 1,6-10"3 1,8-10"3 2-10"* 4-10"* 6-10"» 8-10"3 110"® 1,2-10-® 1,4-10"® 1,6-10-® 1 1,8-10"® \ 2-10"®	.4-10"* 8-10"* 1,2-10"3 1,610"* 2-10"* 2,4-10"* 2,8-10"* 3,2- 10"3 3,6-10 3 4-10"3 8-10"3 1,2-Ю"9 1,6-10"® 2-10-* 2,4-Ю”® 2,8-10"2 3,2-10"* 3,6-10"2 4-10"*	6-10 * 1,2-10"* 1,8-10"3 2,4- Ю"3 3-Ю"3 3,6-10"* 4,2-10"* 4,8-10"3 5,4-10"* 6-10"* 1,2-Ю"2 1,8-10"* 2,4-10"® 3-10"» 3,6-10"* 4,2-10"2 4,8-10"2 5,4-10"2 в- io-2	8-10-* 1,6-10"* 2,4-10"3 3,2-10"а 4-10"* 4,8-10"3 5,6-10"3 6,4-10"* 7,2-10"3 8-10"* 1,6-10"® 2,4-10"® 3,2-10"* 4-10"* 4,8-10"* 5,6-IO"® 6,4-10"® 7,2-10"** ишь	1-Ю"* 2-Ю"3 3-10"* 4-10-3 5-10"3 6-10"* 7-Ю"3 8-10-3 9-10"* 1-10"® 2-10"® 3-10"® 4-10"® 5-10"® 6-10"® 7-10"® 8-10"® 9,2-10"®	1,2-Ю"3 2,4-10"* 3,6-Ю"3 4,8- Ю"3 6- Ю"3 7,2- Ю"3 8,4- 10"3 9,6- Ю"3 10,8-10"* 1,2-Ю"® 2,4- Ю"2 3,6-10"® 4,8-10"* 6- ю-* 7,2-10"* 8,4-10"® 9,6- Ю"2 10,8-10"® | 1,2-10"»	1,4-10"* 2,8-10"* 4,2- Ю"3 5,6- Ю"3 7-Ю"3 8,4-10"3 9,8-10"3 11,2-10"* 12,6-10-* 1,4-10"2 2,8- Ю"2 4,2- Ю"2 5,4- IO"2 7-10"2 8,4-10-* 9,8' 10"® 11,2-10-® 12.6-10"® 1,4-10-®	1,6-10-* 3,2-10'* 4,8-10-* 6,4-IO"* 8- Ю"3 9,6- Ю"3 11,2-Ю"3 12,8-10"* 14,4- Ю"3 1,6- ю-® 3,2- Ю-® 4,8-10-® 6,4- Ю'2 8-10"* 9,6-10-® 11,2- Ю~2 12,8-10"® 14,4-10"2 1,6-10"»	1,8-10"* 3,6-Ю"3 5,4- Ю"3 7.2-10"* 9-10"* 10,8- Ю"3 12,6-10"3 14,4-10-* 16,2-10-* 1,8-10"2 3> 10"* 5,4-10"2 7,2-10“* 9-10“* 10,8- Ю"* 12,6-Ю~2 14,4-10"® 16,2-10"® 1,8-Ю"»
13 П/Р В. С. Фролов*
Таблица 13.4
.в	Тепловой поток, Вт, от экрана к криопанелн площадью, дм*									
	10	20	30	40	80	60	70	80	90	100
0,01
0,02
0,03
0.04
0,05
0,06
0,07
0,08
0,09
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,00
2 10"* 4-10-8
6-10"* 8-10-* 1-Ю"2 1,2-10"® 1,4-10"® 1,6-Ю"® 1,8-10"®
2-10"»
4«10"*
6-10"»
8-10"2
ЫО"1
1,2-Ю"» 1,4-10"» 1,6-10"1 1,8-10"»
2-10"»
4-10"»
8-Ю"8
1,2-10"8
1,6-10"*
2-10"®
2,4-10"®
2,8-10"*
3,2-10"»
3,6-10"®
4-10"*
8-10"*
1,2- 10"»
1,6-10"»
2-10"»
2,4-10"»
2,8-10'»
3,2-10"»
3,6-10"*
4-10"»
6-10"*	8-Ю"3	1 • ю-®	1,2-Ю"2	1,4-10"®
1,2- Ю"2	1,6-10-®	2- IO"®	2,4-10"®	2,8-10"®
1,8-10“®	2,4- Ю"2	з ю-2	3,6-10"®	4,2-10“®
2,4-10-*	3,2-10"*	4- IO"2	4,8-10“®	5,6-10-®
3-10-®	4-10-®	5- IO"2	6- ю-®	7-10“®
3,6-10-®	4,8-10"*	6-10"®	7,2-10-®	8,4-10"®
4,2-10-2	5,6-10"*	7-10"*	8,4-10"*	9,8-10-*
4,8-10-®	6,4-10-®	8- Ю~®	9,6- IO"*	11,2-Ю"®
5,4-10-®	7,2- Ю"2	9-10"2	10,8-10-®	12,6-10-®
6- ю-*	8-Ю"2	110"»	1,2-Ю"»	1,4-10"»
1,2- Ю-»	1,6- ю-»	2-10"»	2,4-10"»	2,8-10"»
1,8-10"»	2,4-10"»	3-10"»	3,6- ’0"»	4,2-10"»
2,4-10-»	3,2-10"»	4-10"»	4,8-10"»	5,6-10"»
3-Ю"»	4-10"»	5-10"»	6-10"»	7-10-»
3,6-10-»	4,8-10"»	6- 10"»	7,2-10"»	8,4- Ю"»
4,2-10"»	5,6-10"»	7-10"»	8,4-10-»	9,8-10"»
4,8-10-»	6,4-10"»	8-10"»	9,6-10"»	11,2-10"»
5,4-10"»	7,2-10"»	9-10"»	10,8-10"»	12,6-10"»
в- ю-»	8-10“»	1,0	1,2	1,4
1,6- ю-®	1,8-10-*
3,2- Ю-*	3,6- ю-*
4,8-10-®	5,4- Ю"2
6,4- Ю"4	7,2- Ю-*
8-10“®	9-10~*
9,6-10-®	10,8- Ю"2
11,2-10"®	12,6-10"*
12,8-10-*	14,4 Ю"2
14,4-10"»	16,2-10"®
1,6-10"»	1,8-Ю-*
3,2-10"»	3,6-10"»
4,8-10-»	5,4-10"»
6,4-10"»	7,2 10"»
8-10-»	9-10"»
9,6-10"»	10,8-10-»
11,2-10"»	12,6-10"»
12,8-10"»	14,4-10"»
14,4-10"»	16,2-10"»
1,6	1.8
2-10"*
4-10"*
6-10"®
8-10"*
1 • 10"*
1,2-10"*
1,4-10"»
1,6- 10"»
1,8-10"»
2-10"»
4-10"»
6-10"»
8-10"»
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,8
384 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)	 T,nzo,«« ншруоки

386 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Рис.
13.Б. Конструктивные схемы защитных экранов и криопанеаеЯ (Стрелки с< ствуют направлению откачки):
1 — экран; 2 — крнопаиель; 3 — корпус
левых потоков через тонкостенные трубки длиной 100 мм нз кованой коррозионно-стойкой стали.
Тепловой поток. возникающий вследствие теплопроводности остаточных газов, Вт:
Фг = 3,2- 10~3Fn X
«П«с k + 1 •
“с 4” п/Рс) (1 — «с) ап k — I
ХТЙЛ-Г"’- <а5>
где а — коэффициент аккомодации;
k — показатель адиабаты; Л1— мо>
Таблица 13.1
Конструктивная схема	Геометрический фактор		Вероятность пролета	Коэффициент ? тепловой , защиты
	обозначение j	значение		
Плоскощитковая (см. рис. 13.5, а}	4/4	0,080 0,125 0,250	0,090 0,122 0,134	0,010
Наклонно-щитковая (см. рнс. 13.5, б) 1	ч>.°	45	0,360	0,015	'
Шевронная (см. рнс. 13.5, а)	ф.°	60 90 120	0,290 0,324 0,360	0,007
Раднально-защитная (см. рнс. 13.5, г)	4/4	1.0 1,5	' 0,70 0,84 .	•—	1
Тгпмпи ширувхи
387
T а б л н н а 13.6
' Сплав	Значение X, Вт/(см. К), при 7, К							
	4	6	10-	20	40	80	150	300
Нейзильбер Коррозионно-стойкая сталь	0,007 0,0025	0,013 0,004	0,028 0,007	0,740 0,020	0,130 0,046	0,170 0,080	0,18 0,11	0,20 0,15
Таблица 13.7
Размеры трубки		моста	Тепловой поток Фм, Вт, прн температуре иа концах трубки длиной 100 мм		
диаметр, мм	толхцкна стенки, мм	площадь поперечного сечення, мм*			
			11 II	Tt = 77 К; 7, =- 300 К	7, = 4 К; 7, == 300 к
2		1,13	3,92-10"*	3,78-10-»	4,17-10-»
3		1,76	6,11-10"*	5,88-10-»	6,49-10-»
4		2,39	8,33-10-«	7,99-10"»	8,82-10"»
5		3,02	1,05-10-*	1,02-10-»	1,12-10-»
6		3,64	1,20-10-»	1,21-10-»	1,34-10-»
7		4,27	1,48-10-»	1,42-10“»	1,57-10-»
8	0,2	4,91	1,71-10-»	1,64-10“»	1,81-10-»
9		5,53	1,94-10-»	 1,85-10-»	2,04-10“»
10		6,16	2,14-10-»	2,06-10"»	2.27-10“»
11		6,78	2,36-10-» „	2,26-10"»	2,50-10“»
4		5,50	1,91-10-»	1,84-10-»	2,03-10"»
10		14,92	5,18-10-»	4,99-10-»	5,51 -10“»
11		16,49	5,72-10-»	5,52-10-»	6.09-10-»
12		18,07	6,26-10-»	6,05-10“»	6,68-10“»
13		19,63	6,81 -10-»	6,57-10“»	7,25-10“»
14		21,21	7,36-10-»	7,09-10-» .	7,83-10“»
15		22,78	7,90-10"»	7,61-10"»	8,40-10"»
16		24,34	8,44-10-»	8,12-10-»	8,96-10“»
17		25,92	9,00-10"»	8,67-10"»	9,57-10“»
18	0,5	27,49	9,55-10-»	9,25-10"»	1,02
21 я		32,20	1,12-10-1	1,08	1,19
10		22,00 '	7,64-10-»	7,36-10"»	8,12-10“»
14		28,27	9,83-10-»	9,42-10"»	1,04
18		40,84	1,42-10“»‘	1,37	1,51
20		53,41	1,85-10“»	1,79	1,97
25		59,69	2,07-10-»	1,99	2,20
	V	75,39 .	2,62-10“»	2,52	2,78
28		84,82	2,94-10-»	2,84	3,13
40		122,53	4,25-10-»	4,10	4,52
45	1,0 ,	138,23	4,79-10“» .	4,62	5,10
50		153,94	5,34-10“»	5,15	5,68 ,
60		185,35	6,48-10-»	6,24	6,89
70		216,77	7,54-10-»	6,25	8,00
13*
388 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Таблица 13.8
Значение а для
т, к	воздуха	н,	Не
300	0,8 ... 0,9	0,3	0,3
77	1,0	0,5	0,6
20	1,0	1,0	0.6
Рнс. 13.в. Зависимость теплового потока Фи, обусловленного конденсацией, от давления р для паров воды, водорода и ааота (линии соответственно /, 2 и 3)
Таблица 13.9
3. к и й S £ 5 о£	Температура кипения, К	Г		Скорость Испарения криоагента (иа 1 Вт теплового потока), дм*/ч
		Дж/г	кДж/дм®	
N,	77,3	200,0	162,0	0,021
Ne	27,2	87,0	102,0	0,035
Н,	20,4	450,0	31,7	0,160
Не	4,2	21,6	2,7	1,400
ляриая масса; Тг — температура газа; индексы п и с соответствуют панели и станки.
Ориентировочные значения коэффициента аккомодации а приведены в табл. 13.8.
Тепловой поток, обусловленный конденсацией, Вт:
тЙА/' (,3’6)
где у — коэффициент конденсации; R =8,314 Дж/(моль-К) — универсальная газовая постоянная; А/ — среднее изменение энтальпии при конденсации.
На рис. 13.6 приведена зависимость теплового потока Фн от давления азота, водорода и паров воды (на единицу площади поверхности криопаиели) при разности температур от 300 К до абсолютного нуля с учетом теплоты испарения и конденсации при у=1.
Если газ предварительно охлажден, например, иа азотоохлаждаемом теплозащитном экране, удельный тепловой поток на криопаиель, обусловленный конденсацией, будет меньше. При высоком вакууме тепловой поток, обусловленный конденсацией, составляет незначительную часть тепловых потоков и им можно пренебречь.
Расход криоагента иа предварительное охлаждение крионасоса в интервале температур от до Т2 при условии использовании только теплоты испарения криоагеита практически можно определить по формуле
QM = (m/r)cM(7’1-T2), (13.7) где пг — охлаждаемая масса иасоса; г — скрытая теплота парообразования (табл. 13.9); см—средняя удельная теплоемкость.
Значения см, Дж/(г-К), некоторых материалов при температуре 20 ... 77 К (числитель) и 77 ... 293 К (знаменатель) приведены ниже:
Медь .....................0,10/0,33
Коррозионно-стойкая сталь 0,07/0,36 Алюминий..................0,17/0,73
Никель....................0,09/0.86
Монель ...................0,08/0,33
^ысоковакууанси конденсационные насосы
389
Если при охлаждении насоса используют теплоту испарения и холод, то расход криоагеита, г:
_ ntcM г + (Ги — Тв) ср Чм“ /г Ь + ^п-ТиНр]’
(13.8) где /г — средняя энтальпия охлаждающего газа; Та — начальная температура; Ти — температура испарения; ёр — средняя удельная теплоемкость газа.
Расход испаряемого криоагеита во время работы криоиасоса
QH — Фп/г.	(13.9)
13.4.	Высоковакуумиые конденсационные иасосы
Условия, необходимые для проведения конденсационной откачки, т. е. процесса десублимации газа, следуют из диаграммы состояния веществ при фазовых превращениях (рис. 13.7). На диаграмме нанесены линии равновесного состояния фаз: ОВ — парообразной и жидкой, О А — жидкой и твердой, СО — парообразной и твердой. Эти линии разделяют плоскость диаграммы иа три области: область / соответствует газо- или парообразному состоянию вещества, область 11 —
Pae. It. 7. Диграмма состояния
Таблица 13.10
Гаа (пар)	Т •, К	Параметры тройной точки	
		р, Па	т, К
Na	126,3	1,24-10*	63,2
0,	154,8	146	54,4
Нг	33,2	7,2-103	13,9
Аг	150,7	1,52-10*	83,9
Ne	44,4 '	4,32-10*	24,8
Кг	209,4	7,68-10*	115,5
со.	304.2	14,5-106	216,9
СО	132,9 •	1,54-10*	68,1
СН4	191,1	1,18-10*	90,7
Н,0	647,33/	560	273,2
Таблица 13.11
Конденсируемый газ (пар)	Режим вапуска газа	Температура газа, К	Давление конденсации, Па	Температура крно-панели, К	Интенсивность конденсации, мг/(м2. с)	Плотность конденсата, г/см*
Н2О	Непрерывный Периодический	290 300	к 6,1-10-» 0,13	‘ 77 78	19	0,58±0,06 0,55
	Непрерывный	300	0,13	78	89	0,49 -
		290	0,5	77	255	1,46±0,18
со,	Периодический	300	0,13	78 4,2 4,2 77,4 77,4 77,4 77,4	1316 1267 450 1217 1383 4183	1 4Q 1,25±0,06 1,38±0,21 0,92^0,05 0,93±0,05 1,20±0,06 1,33±0,07
N.				4,2 4,2	367 783	1,62±0,26 1,51±0,19
,390 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Таблица 13.12		
Газ (пар)	Г, К	р, кг/м*
N,	20 ... 63	0,95-
О2	20,6	1,43
на	4,2 ... 13	0,08
Н2О	77	0,58
СО	21 ... 65	0.98
со2	77 ... 194	1,53
сн4	20	. 0,52
Аг	20 ... 83	1,69
Ne	4,3 ...24	1,44
Кг	14 ... 78	2,96
Хе	130	3,64
жидкой фазе, область III — твердой фазе.
Точку В называют критической. В области, расположенной выше этой точки, нет различия между жидким
Таблица 13.13
Газ	т.	К	X, Вт/(м. К)
N.	60 ..	. 62	о,1
н2	10 ..	. 14	1,0
СН*	14 ..	. 20	0,08
Аг	5 .	. 20	2,2
Кг	5 ..	. 40	1.8
Ne	4 .	. 10	1,2
и газообразным состоянием, и при температуре выше критической (Г*) вещество может находиться только в газообразном состоянии. Точка О, называемая тройной, соответствует равновесному состоянию трех фаз; газообразной, жидкой н твердой. Параметры тройных точек для некоторых газов приведены в табл. 13.10. Направление криооткачки на диаграмме показано линией ed. Точка f соответствует десублимации газа.
Физические свойства конденсата существенно зависят от условий, прн которых происходит конденсация газов в твердое состояние, поэтому некоторые значения следует рассматривать как ориентировочные.
В табл. 13.11 приведены значения плотности конденсата при различных условиях конденсации [30], а в табл. 13.12 — плотности р газов в твердофазном состоянии [43].
Эффективность процесса конденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой конденсата, т. е. от его теплопроводности. В табл. 13.13 приведены приближенные значения теплопроводности А конденсатов некоторых газов.
Основные характеристики крнона-сосое — предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс.
Предельное остаточное давление насоса, т. е. давление рпр, Па, во вход
Рис. 13.8. Зависимость давления рнас насыщенных паров различных газов от темпера тур» Т
Высокоеакуумньи конденсационные насосы
391
ной полости насоса немного превышает давление рвас насыщенных паров при температуре Тп конденсирующей поверхности:'
Рпр = Риас ~\^ТС/ТП,	(13.10)
где Гс — температура стенки.
Температуры насыщенного пара наиболее v распространенных в вакуумной технике газов при низких давлениях приведены в табл. 13.14. На рнс. 13.8 дана зависимость давления насыщенных паров от температуры.
Быстрота действия конденсационного насоса S, дм3/с, зависит от проводимости U3 теплозащитного экрана, дмя/с:
S = SKy8/(SH + i/8), (13.11) где SH — скорость конденсации на криопаиели;
SR = fensT^n, (13.12) где kn — коэффициент прилипания; sT — удельная теоретическая быстрота действия.
Коэффициент (табл. 13.15) учитывает сложность процесса конденсации и влияние различных факторов на его протекание. В табл. 13.16 приведены коэффициенты прилипания паров некоторых веществ, легко конденсирующихся иа криопаиелях, при охлаждении жидким азотом (Г = == 77 К).
Удельная теоретическая быстрота Действия sT (для конденсационного иасоса — удельная теоретическая скорость конденсации) зависит от вида течения газа:
при молекулярном течении
sT. м = 3,64 Ут^м; (13.13)
при вязкостном течении
sT. в = У2*/?Тг/(*-Н). (13.14)
Значения удельной теоретической скорости коидеисации рассматриваемых насосов по некоторым газам при молекулярном режиме течения приведены в табл. 13.17. При вязкостном режиме течения теоретическая скорость коидеисации выше, чем при молекулярном (табл. 13.18). Область переходного режима (рис. 13.9— аа-
ч* 2 <в
ч о
«0 н
Т, К, при р, Па	&	ООО’ФООЮООЮгО О о —i  00 СЧ СО* О* 1О г^* со ООООООСЧООСЧГ'-’—СЧСЧ СО	'	•—< —< —<	—t
	о	СО СО 1О Ю CO ^* —* О —* СЧ СО COb*C4*-t-b-OCOOC4© СО	—। —।	•—«
	о	o iqo r*Kio t^oto b-io ^СЧ^Г«--СОСЧгОобьГс5б10 ЮСООО—ЮСООО —- s	о’ сч —	—
	о	сэ со Ю —«^ООЮ СО 00 г*-г^^соо^^чфсоьчГхои? ЮЮ СО 1Л г*-о СО1 со СЧ —
	о	СЧ О о О —‘„CO_iQ СЧ о> обсОООгОоб^СО’~*0*СООО ф ’Ф СО СЧ СО О го —'N
	о	iq сч О О СО —< о со ь-С-Г со 1О СО ’ф со* о>* сч* сч* сч* *-* СО ’Ф	ю со Ifj - S сч	—<
	7	, ^CS Ю —^О_00_ о> ’Ф Г- СО ’ Ф О 00* СО СО* О СО -ф ь? —Г <о со со о о ад ю s xf <3
	7,	’Ф © О_Ф	тг ^го —«со — гогогОобсооГобсо©-* СО-СО 00 СП СО Ф СО Ф । со
	L	СЭ^О СЮ 1О —Ь- О> СЧ со О* СО* 00* Ф* ~-* Ф* Ю* СЧ* О* О* Ь-* сч со	о со ф со со iq
	1	О СО О Ф © СЧ СЧ ого О Ь*ОСЧФ10 — СЧ00СО00Ф СЧ со со 00 со ф 1О СО го
	т о	ь* со о о со © СО СЧ СЧ о о гОсбсО’ФО©©^^^© СЧ СЧ гО 00 СЧ СО гО со »О
	* о	Г*-ООЮЬ”-'СЧОООООСО’— со* со ’Ф со со об со* о* сч* t-.* ср СЧ СЧ	Г’-СЧсОЮсЮ
	т о	сосчогл«--^сосог-.оо>со сч* го г^-* со е7 со тг о со го ' СЧСЧСО 1- СЧ со ’Ф СО ’Ф
	* о	—СЧ^ тг СЧ_ СО О СООО го СЧ го об СО СО СЧ СЧ СО СОСЧСОтГСЧ ’’f
	7 о	ОЮООСЧОСЛЬ-.Ь-’^СО о сч* •чГ со го о сч* со* со —м сч сч сч со СЧ СО сч м*
	7 о	союоосч^оо^’юеооо’ф О’-ГобсЧСЧСЧоГогОгО© —«СЧ^ со СЧ СЧ ’Ф сч со
	т о	— адо ^\го_сю О> ю о ю ь-обососчО’-Гг^об’фгоь^ —< сч	Ю СЧ СЧ СО СЧ СО
Газ (пар) А			о ** •» u w	« и. 4> Ж а> О Z<XXoO^XuZZ
392 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Т а б л и ц а 13.1,51
Гаа	Гр. К	Значение	прн температуре крнопаяели, К						
		10	12,5	15	17,5	20	22,5	25
	77	1,0	0,99	0,96	0,90	0,84	0,80	0,79
N.	300	0,65	0,63	0,62	0,61	0,60	. 0,60	0,60
	400	0,49	0,49	0,49	0,49	0,49	0,49	0,49
	77	1,0	1,0	0,90	0,81	0,80	0,79	0,79
Аг	300	0,68	0,68	0,67	0,66	0,66	0,66	0,66
	400	0,50	0,50	0.50	0,50	0,50	0,50	0,50
	195	1,0	0,98	0,96	0,92	0,90	0,87	0,85
со2	300	0,75	0,70	0.67	0,65	0,63	0,63	0,63
	400 <	—	—	0,50	• 0,49	0,49	0,49	0,49
m	300	0,90	0,85	0,85	0,85	0,85	0,85	1,85
	400	0,73	0,73	0,73	0,73	0,73	0,73	0,73
Оз	77							__	1,0			_—
	300	—		—	—	| 0,86	—	—
Примечание. Для СО при криопанели ku = 1,0.
Таблица 13.16
Вещество	*п |	Вещество	
Н3О	0,92 1! СН.С1.		0,82
NH,	0,45 1	CF2C12	0,76
СН»ОН СяНяОН	1,0 1 1,0	so2 n2o	0,74 0,61
СС14	1,0	CHSC1	0,56
СНаС1	0,933	CH3COCH8	0,55
Таблица 13.17
Гаа	Тп. К	Значение sT, дма/(с- м8), прн Тг, К	
		293	78.
СО,	78	9,4		
Na	20,4	11,8	6,1
Од	20,4	11,0	5,7
Ne	4,2	13,9	7,2
н,	4,2	44,1	22,7
Тг — 77 К и указанных температурах
А
 Ч, I
штрихована) для скорости конденсации четко не определена. Однакя сохранить скорость конденсации в вяз-1 костном режиме на максимальном уров-1 не длительное время невозможно, тан как довольно быстро увеличивается толщина конденсата, следовательно! повышается температура поверхно!
		
		\
		
I	Ё	Л Р
Рнс. 13,9. Зависимость теоретической (кривая 7) и действительной (кривая 2) скорости конденсации от давления при различима режимах течения:
1 — молекулярном; П — переходном; iiJ — вязкостном
Высоковакуумныс конденсационные насосы
393
стного слоя и уменьшается скорость конденсации.
На рис. 13.9 показана качественная зависимость скорости конденсации от режима течения газа. Действительная скорость конденсации Зд всегда меньше теоретической ST. Это объясняется тем, что всегда Лп< 1, а при вязкостном режиме течения и тем, что затруднен теплообмен между крно-панелью и откачиваемым газом.
Ресурс конденсационного насоса определяется допустимой толщиной конденсата. Температура ГЕ поверхностного слоя конденсата из-за наличия температурного градиента (по толщине) не должна превышать температуры, прн которой давление насыщенных паров откачиваемых газов превышает допускаемое. Толщина слоя конденсата (криоосадка)
4 = А (Гк - ГП)/(ФЙ + Фк). (13.15)
В практических расчетах для области высокого вакуума потоком Фк можно пренебречь.
Пример расчета. Прн расчете высоко-вакуумных конденсационных насосов примем следующие допущения: режим течения газа — молекулярный; температурное сопротивление конденсата (криоосадка) пренебрежимо мало; свойства поверхностей» находящихся на одинаковых температурных уровнях, идентичны.
Упрощенную методику расчета рассмотрим на примере конденсационного насоса (рис. 13.10). Требуемая быстрота действия по азоту S » 2000 дм8/с.
Площадь поверхности криопаиели прн ее температуре Тк —4,2 К я коэффициенте прилипания Лп == 1 (для азота) крно-панели
Fn = s/(SK₽n)'	(W.16)
Пренебрегая изменением коэффициента аккомодации молекул откачиваемого газа на экране, можно считать, что при Тг ® « 300 К удельная теоретическая скорость конденсации азота $т = 11,9 дм8/(с. см*). Вероятность пролета молекул через шевронный экран Рп « 0,29 (см. табл. 13.6). Тогда
Fn = 2000/(11,9*0,29) « 600 см*.
* Задавшись соотношением размеров бачка 2r^ — h, найдем диаметр и высоту бачка (т. е. размер криопаиели):
2fg ~ b == "|/Fn/(1,5л) ** 11,5 см.
При ’ определении тепловой нагрузки на криопанель примем степень черноты
Т а б л и д а 13.18
Гаа	k	ST. в* дм*/(с. м«), прн Т = 293 к	*г. a/sT. к
Аг	1,67	17,9	1,81
N,	1,40	20,1	1,71
Пары	1,33	24,8	1,69
ВОДЫ			
крнопаиелж = 0,5 (с учетом покрытия ее слоем конденсата); тогда по формуле (13.2) получим Фи п » 6,28’10"* Вт.
Для определения тепловой нагрузки на теплозащитный экран найдем площадь его поверхности из условия, что он удалей от бачка на 1 см. При этом условия Fg « 885 см*. Прн зачерненной наружной поверхности теплозащитного экрана (еэ = = 0,9) по формуле (13.2) получим Фи э « « 36,5 Вт.
Далее определим потоки через тепловые мосты, которыми являются трубки подвеса гелиевого и азотного бачков. Гелиевый бачок подвешен на двух трубках длиной I = 40 см, 0,25 длины которых контактирует с азотоохлаждэемой поверхностью. Диаметр трубок 11 мм, толщина стенкн 0,2 мм. Для трубок из коррознонно-стойхой стали по табл, 13.7 в диапазоне
Рис. 18.10. Расчетная схема коидеиса» двойного иасоса
394 НИЗК0ТЕМ.ПЕРА ТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
температур 4 ... 77 К получим Ф^ п в =«0,016 Вт.
Тепловой поток на азотный бачок передается через две трубки гелиевого бачка (0,25 длины) и две трубки азотного бачка (0,5 общей длины трубок гелиевого бачка); тогда по табл. 13.7: Фм в = 0,452 -|-0,226 = 0,678 Вт.
Таким образом, тепловая нагрузка на гелиевый бачок (крнопанель) Фп =* = Фи. и + Фм. и » 0.-08 Вт, а на азотный бачок (экран) Фэ — Фи_ s + Фм_ э « = 37,2 Вт.
Последний этап расчета — определение расхода криоагентов. По табл. 13.9, в которой приведена скорость испарения крио-агента на 1 Вт теплового потока, определим расход гелня (0,11 дм*/ч) н жидкого азота (= 0,8 дм’/ч).
Эффективность и экономичность криооткачки существенно зависят от конструктивных схем иасоса и теплозащитного экрана, а также от расположения иасоса относительно камеры.
13.5.	Низковакуумиые конденсационные насосы
Низковакуумная откачка газов конденсационными насосами, как и высоковакуумная, возможна, если температура криопанели ниже темпё-ратуры насыщенных паров откачиваемого газа. При откачке воздуха до низкого и среднего вакуума (от атмосферного до давления 1 Па) температура насыщенных паров изменяется от 81,6 до 34,5 К. В связи с этим в иизковакуумных насосах наиболее распространены криоагенты, переохлажденные откачкой паров жидкого й твердого азота, жидкого неона с температурой 75... 11 К.
Конструктивно низковакуумиые иасосы разделяют иа имеющие сборник жидкого конденсата (если откачка воздуха происходит при р > 5,9 кПа) и без сборника жидкого конденсата. При использовании жидкого крио-агента конструкция иасоса включает сосуд для криоагеита; если криопа-иель охлаждается газообразным крио-агеитом, то он циркулирует по змеевику, находящемуся в тепловом контакте с криоагейтом.
Большая часть иизковакуумных насосов снабжена предварительными теплообменниками с жидким азотом, в которых откачиваемый воздух перед конденсацией на криопаиели охлаждается до температуры 80 К. Для
уменьшения энергозатрат иа откачку и количества используемого в насосе криоагеита его подают в криопаиели в рефрижераторном режиме.
Основные преимущества иизковакуумных конденсационных иасосов — высокая чистота остаточной атмосферы; отсутствие шумов и различных выбросов в окружающую среду; малые капит альные затраты и а изготовление; недостатки — повышенные энергозатраты при откачке газов с давлением, близким к атмосферному; необходимость установки для получения криоагеита.
В настоящее время разработаны низковакуумные конденсационные насосы для откачки камер объемом от 1-Ю"3 до 120 м3.
Методика расчета иизковакуумных конденсационных иасосов. При расчете иизковакуумных насосов основное внимание уделяют определению массы требуемого для откачки криоагента или мощности охлаждающих устройств, а также интенсивности процессов теплообмена в предварительных теплообменниках и в конденсирующем элементе для нахождения длительности процесса откачки.
В отличие от высоковакуумных насосов в иизковакуумиом насосе расход криоагента определяется не теплопри-токами излучением и через тепловые мосты, а количеством теплоты, выделяемой прн конденсации.
Масса газа, откачиваемого криоиа-сосом,
“ ~Rf~ <₽о ~ ₽иас)' (13.17>
где V — объем откачиваемой камеры; Гг — температура газа в откачиваемой камере; R — газовая постоянная; р0 — начальное давление откачки; Рнас — давление насыщенных паров откачиваемого газа при температуре криоагеита.
Скорость процесса конденсации от-' качиваемого газа в жидкую фазу, как правило, превышает скорость поглощения теплоты криоагеитом, поэтому время откачки при использовании жидкого криоагента
^--А/[Фуд(ДГкр)^п], <13-18> где Qe — количество теплоты, отдаваемой откачиваемым газом при охлаж
Адсорбционные насосы
395
дении до температуры конденсации и при конденсации; Фуд (ДГкр)—тепловой поток при кипении криоагеита; Fa— площадь поверхности криопанели.
При откачке в рефрижераторном режиме
tV = mrQ0/Q, (13.19) где Q — холодопроизводительность криогенной рефрижераторной установки.
Масса расходуемого при откачке жидкого криоагеита
mK =	(13.20)
где г — скрытая теплота парообразования криоагента.
Мощность, затрачиваемая на откачку в рефрижераторном режиме:
N = Notv = NomMQ, (13.21) где Nf, — мощность электрооборудования криогенной установки.
Если иизковакуумиый насос снабжен теплообменником для предварительного охлаждения откачиваемого газа на температурном уровне, отличном от температуры конденсации (папример, при использовании жидкого азота, кипящего при атмосферном давлении), то интенсивность охлаждения газа зависит от режима течения газа (турбулентное или ламинарное) и определяется критериальным уравнением
Nu = f (Re, Рг, Z/d), где Nu, Re н Рг — критерии Нуссель-тз, Рейнольдса и Прандгля; I — длина участка охлаждения; d — характерный диаметр.
Значение критерия Нуссельта позволяет рассчитать коэффициент теплоотдачи и температуру, до которой охлаждается газ в предварительном теплообменнике.
При конденсации откачиваемого газа в иизковакуумном насосе в твердую фазу время откачки определяется скоростью увеличения толщины слоя криоосадка на охлажденных панелях, при этом справедливо соотношение
Q'Pk
(13.22) где h — толщина криоосадка; Хн, Q', ря — .соответственно теплопровод
t д == (А® — 2-^-а) \ а )
ность, теплота десублимации и плотность криоосадка; ДТН — ’'перепад температуры в крноосадке; а — коэффициент теплоотдачи от криопанели к криоагенту.
13.6.	Адсорбционные насосы
Принцип действия адсорбционного насоса основан на температурной обратимости физической адсорбции, т. е. поглощении газа твердым сорбентом' при снижении температуры и выделении его сорбентом при повышении температуры.
Адсорбционные насосы применяют в системах безмасляиой откачки для получения как форвакуума, так и весьма низких* давлений (до 10-6 Па) в замкнутых объемах.
В качестве сорбента в насосах применяют пористые вещества с сильно развитой внутренней поверхностью (Еад« 1000 м3/г), к которым относятся синтетические и природные цеолиты, активные угли и силикагели. На практике наиболее широко используют углеродные гранулированные сорбенты типа СКТ, специализированный вакуумный цеолит СаЕН-4В и специализированный углеродный тканый сорбент типа К.УТ-2.
Адсорбционные насосы создают вакуум, свободный от углеводородов, имеют практически неограниченный срок службы и при эксплуатации не создают шума.
Адсорбционный насос представляет собой устройство, содержащее слой сорбента толщиной ие более 30 мм внутри корпуса на развитой теплообменной поверхности _криопанели, омываемой криоагентом. Корпус насоса снабжен, как правило, двумя патрубками: один (большего диаметра) служит для подсоединения к камере, другой (меньшего диаметра) — для проведения регенерации. Насос включает устройство для иагрева сорбента и предохранительный мембранный узел иа случай аварийного повышения давления в объеме насоса.
Недостатки адсорбционного насоса — необходимость периодической регенерации и значительное время пуска.
Основные характеристики адсорбционных иасосов — быстрота дейст-
396 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОВАСОСЫ)
Таблица 13.19
среднюю температуру вычисляют по формулам соответственно:
Диаметр частиц, мкм
Пористость И» ~
1
2
3
4
5
80 200
200 350
350 500
500 630
630 1000
105
245
400
555
755
0,295 ... 0,315
0,325 ... 0,340
0,350 ... 0,395
0,400 ... 0,425
0,415 ...0,460
Т'ад — 0,5 (Tg -f- ТНр);
Тад = ТНр + (Т3 — ТНр) X
J-Л___________
I 1)2-П20	2 1п(Пэ/Пс)1’
Т _ т . Dc(Ts — Гкр) 'аД~ укрН D3-Dc ,
2 Dj-D,D, + % ’ ( -М)
вня по откачиваемому газу н ресурс — определяются температурой сорбента и его удельной сорбционной емкостью.
Температура сорбента в адсорбционных насосах всегда выше температуры криоагеита и характеризуется функцией распределения или полем, которое прн расчете удобно заменить средней температурой Гад, отнесенной к массе сорбента. Средняя температура сорбента определяется системой тепловой защиты. Для реальных систем при использовании для защиты сорбента от теплового потока шевронных или жалюзийных охлаждаемых теплозащитных экранов средняя температура на 10 ... 20 К выше температуры криоагента. Прн использовании пористых теплозащитных экранов, изготовленных из медного порошка, средняя температура сорбента превышает температуру криоагеита на несколько градусов.
С точки зрения эффективности тепловой защиты сорбента, а также технологичности конструкции насоса пористый теплозащитный экран предпочтителен. Пористые экраны изготовляют нз порошков фосфористой медн спеканием прн температуре 1073 .. 1425 К в восстановительной среде при свободной насыпке в специальные пресс-формы. При этом используют порошки различных фракций, основные параметры которых, а также получаемых экранов приведены в табл. 13.19.
Для адсорбционных кассет основных видов — плоской, цилиндрической, сферической — с пористыми экранами
где Гкр — температура криоагента: Та — температура на периферии адсорбционного слоя, принимаемая равной температуре теплозащитного экрана; Dc и Dq — диаметры сосуда соответственно для криоагента и теплозащитного экрана.
Если экран охлаждают отводом теплоты на криогенную поверхность через тепловые мосты, его средняя температура
Т ~Т J- ФудП^м I фудПг
+ ndMXM 12лгХэ<4 ’
(13.24) где Фуд — удельный тепловой поток на единицу поверхности экрана;. П — периметр теплозащитного экрана; 1М и dM —длина и толщина теплового моста; п — число тепловых мостов; и Хд — теплопроводность материалов соответственно моста и экрана; dg — толщина экрана.
Теплопроводность материала экрана определяется пористостью Пэ этого материала и теплопроводностью компактного (монолитного) материала, используемого для изготовления экрана. Теплопроводность материала экрана можно определить по эмпирической формуле
Хд = 0,14Х„(1 — Пэ)/(1 4-Пэ), (13.25) где Хн — теплопроводность компактного (монолитного) материала исходного порошка.
Удельный ’ тепловой поток для наливных насосов
Фуд^прС7!-7!),	(13.26)1
где Г» — температура корпуса насоса.1
Адсорбционные насосы
397
Приведенную степень черноты для цилиндрической и сферической кассеты определяют по формуле (13,3); для плоской кассеты
®пР = [1/Вэ + 1/е, - I]-1, (13.27) где еэ н еа — степени черноты соответственно поверхности экрана и внутренней поверхности корпуса (для пористых экранов из порошка фосфорита меди еэ = 0,3 и практически не зависит от размера частиц и температуры экрана).
Для насосов с охлаждаемым корпусом (погружных) тепловой поток определяют опытным путем.
В уравнения для определения средней температуры сорбента не входят его теплофнзнческне параметры, поскольку стационарное температурное поле в слое сорбента при отсутствии внутренних тепловых источников полностью определяется граничными условиями, т. е. температурами экрана, ребер н криоагента. Теплофизическне параметры сорбента влияют на время его охлаждения, а также иа скорость нагрева при регенерации. В связи с этим для расчета нестационарных тепловых процессов необходимо знать теплофизические характеристики слоев сорбента в условиях вакуума н криогенных температур; Ориентировочные данные для цеолитов приведены в табл. 13.20.
Углеродные сорбенты имеют более высокую теплопроводность, чем цеолиты, поэтому для адсорбционных насосов, в которых используют активные углн, характерна меньшая тепловая инерционность, чем для цеолитовых. Точных данных по теплопроводности слоев углеродных сорбентов в условиях вакуума и криогенных температур нет.
Удельная сорбционная емкость сорбента v — основной расчетный параметр, который зависит . от давления, температуры и условий подготовки сорбента. Прн определении удельной сорбционной емкости фактор подготовки учитывают коэффициентом регенерации рр, который показывает, какая часть потенциальной сорбционной емкости сорбента реализуется в насосе. Для цеолита СаЕН-4В значения коэффициента регенерации в
Т а б л и ц а 13.20
Цеолита	’/•" ‘«01 -о	X-10«, Вт/(м. К)	а, Вт/(и‘. К)
Гранулированные Порошковые	1 ... 2 4 ... 5	5... 6 1 ... 2	, 0,3 ... 0,4 2,0 ... 3,0
Примечания: 1. а — температуропроводность; z X — теплопроводность слоя; а — коэффициент теплоотдачи. 2. Для указанных цеолитов удельная массовая теплоемкость 400 Дж/(кг. К), степень черноты поверхности слоя 0,3 ... 0,4.
зависимости от давления, температуры и временя регенерации приведены в табл. 13.21. При отклонении реального процесса регенерации от приведенных параметров ориентировочные значения коэффициента регенерации можно определить интерполяцией. При проектных расчетах для углеродных сорбентов с учетом их гидрофобности можно принять Рр = 0,90 ... 0,95.
Для определения емкостных характеристик сорбентов используют графические зависимости удельной сорбционной емкости от давления при постоянной температуре сорбента (изотермы адсорбции).
На рис. 13.11, а приведены изотермы адсорбции водорода на используемых в вакуумной технике сорбентах прн Т — 20,4 К. При этой температуре удельная сорбционная емкость сорбентов велика (п > 10s Па-м3/кг) даже при очень низких давлениях (р gj 10-4 Па). Многие промышленные системы не требуют таких низких давлений, поэтому в ннх допустимы более высокие температуры. На рис. 13.11, б приведены изотермы адсорбции азота при Т = 77 К-
Для определения удельной сорбционной емкости графическим методом необходима сетка изотерм. При ее отсутствии можно воспользоваться аналитической зависимостью удельной
398 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
СМ СО
8е
Ef К *4
а
X
х со
х X
V ч
9) X X <У
X сх С
X 3
g> &
ь?
1,33 Па	423 К	о -Ф —< СО см о COCMUOt^QOOOO о ь. Ь-- Г* об 00 о о о о о о о” о*
	393 К	OxOOQQCOb-O—« СМСМ^ОООООООО 1Г) Ю Ю Л ю ю ю о о о о о о* о* о
	373 К	(N Л СМ со СМ со U0 tO tO СО СО СМ	-чГ Xf Xf -чГ о о о о о о о о
	343 К	СО—<’£QOCOQOCOb* QOCOUOLOCOCOb-.b. — CM CM CM CM СМж CM CM o' о о о” о о o' о
4,0 Па	423 К	0*«ГЬЮСМ0100 —-’ОСОООО- см Ф to Ф Ф b b b Ь ообосооо
	393 К	оеооооь-юсм to to b- 00 о CO xf	XJ4 о о о о о о о о
	373 К	to tocM’’t’iototot’-Ь'-°?. оооооооо
	343 К	COtOCOQOCOb-OCM LOQOOOOOO-x ; -И CM CMW CMw CM оооооооо
13,3 Па	423 К	— ю to QO <30 00 QO t4' о —' ’ф Л 1Л 1Л in U J ю o'* o* o' cP o“ о о о
	393 К	toiootoc—> CM co —1 W Ю to b b l> b COCOCOCOCOCOCOCO оооооооо
	373 К	шеот-’Люьсо oco^ioitouomio CM CM CM^CM CM CM CM CM оооооооо
	343 К	Ь^СОООСМСО^ЮО —< co co оооооооо
К 4) , 3 X s <у «и а сх~ £ и &•
** А
Таблица 13.22
Гаа	' В, м*/кг, для		§ . я 9* щ ч
	СаЕН-4В	СКТ-4; КУТ-2	
N. .	3,8- КУ8	5,0-10~8	12 560
оа	2,3- IO"2		9 630
Аг	2,3-10-*	1,4-10~*	9 631
н2	1,7-10"1	2,5-10-1	5 000
СН4	1,6.10-®	2,0-10-®	16 300
Не	—	1,0-ю-1	585
сорбционной емкости от температуры и давления — термическим уравнением адсорбции. В вакуумной технике обычно применяют два уравнения: Генрн и Дубинина—-Радушке-вича.
Уравнение Генри, справедливое для вакуумных сорбентов при степени заполнения 0^0,15, имеет вид
о = Вр ехр (£ад/(/?Гад)], (13.28) где В — эмпирическая константа; Еяд — адсорбционный потенциал (теплота адсорбции); R — универсальная газовая постоянная.
Значения В и Еяд приведены в табл. 13.22.
Уравнение Дубинина—Радушке-вича, удовлетворительно описывающее адсорбцию на цеолитах и углеродных сорбентах при 0 > 0,15, имеет вид
с- ехп Л a? f 1с Л3 J
-ехр	ng j j,
где а>о — удельный объем адсорбционного пространства (табл. 13.23); а — молярный объем пара в адсорбированной фазе, принимаемый равным
Таблица 13.21
Адсорбент	а»0.10*, м*/кг	А. 10' к-»
Цеолит	2,4	2,9
Уголь	4,0	0,6
Угольная ткаиь	3,0	0,4
КУТ-2		
Адсорбционные насосы
399
Рис. 13.11. Изотермы адсорбции водорода при Т = 20,4 К (а) и азота при Г = 77 К (<Г) для сорбентов:
/ — активный уголь СКТ-4; 3 — угольная ткань КУТ-2; 3 -—цеолит СаЕН-4В
молярному объему жидкости; А — постоянная пористой структуры (см. табл. 13.23); рняс — давление насыщенного пара при температуре Тад; р — коэффициент аффинности, зависящий от рода газа (для азота р = 1,0; для кислорода р = 0,90, для аргона р = 0,87).
При выборе сорбента кроме емкостных характеристик следует учитывать требования техники безопасности. Так, углеродные сорбенты нежелательно использовать в системах, где
они могут контактировать с жидким кислородом (это может привести к взрыву), однако применение углеродных адсорбентов в совокупности с пористыми экранами в насосах для откачки сред с большой долей кислорода взрывобезопасно; при откачке агрессивных сред необходимо применять специальные кислотостойкие сорбенты.
После выбора сорбента по описанной методике находят его удельную сорбционную емкость с учетом коэффициента регенерации рр и определяют поглотительную способность насоса пря рабочем давлении.
Предельное остаточное давление адсорбционного насоса
Рпр -— Ро X
Ия + РрМадВехр [Дад/(ДТ0)]
Ин + РрА/адВехр^ад/^^ад)) *
X	(13.29)
1 о
где рв — начальное давление в объеме иасоса перед пуском; Ун — внутренний объем насоса; /Иад — масса сорбента в насосе; То — температура газа в объеме насоса перед пуском,, как правило, равная температуре окружающей среды.
Быстроту откачки адсорбционной полости в зависимости от ее геометрических характеристик и коэффициента прилипания удобно определять графически (рис. 13.12). Для определения быстроты откачки ,$вх
на входе в адсорбционную полость ' необходимо знать коэффициент прилипания fen, отношение h!A длины адсорбционной полости к ширине и проводимость UBX входного • сечения адсорбционной полости.
Рис. 13.12. Зависимость относительной быстроты откачки .односторонней адсорбционной полости от ее геометрического । фактора
400 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Коэффициент прилипания характеризуется отношением действительной быстроты действия адсорбционной кассеты к теоретической:
^==5^5,.	(13.30)
Действительная быстрота действия адсорбционной кассеты
Зл = «ад(/9/(5ад+1/в), (13.31)
где 5ад— быстрота Откачки адсорбционного слоя за экраном; и.й = = UgFa — проводимость экрана (ыэ— удельная проводимость экрана; — площадь поверхности экрана).
Удельная проводимость пористая экранов, м®/(м2-с),
(13.32)
гдейч — средний размер частиц исходного порошка, из которого изготовлен экран (см. табл. 13.19), м; d9—толщина экрана, м; Пэ — пористость материала экрана (см. табл. 13.19); Тг — температура газа, поступающего к экрану (обычно принимают равной температуре корпуса иасоса), К; М — молекулярная масса откачиваемого газа.
Для шевронных экранов Us — = (0,20 ... 0,25) ST.
Быстрота откачки адсорбционного слоя
„ ^эфРр® ехР (^ад/С^^ад)!
—vl	”
(13.33)
техники, а начальную быстроту дей- 1 сгвия иасоса — по формуле	1
/(Sax + t/n), (13-35) 1
где Ua — проводимость входного па- | трубка иасоса.	1
•( Найденная таким образом быстрота Я действия насоса соответствует малой 1 степени заполнения сорбента газом -1
(6 я» 0).	1
Поглотительная способность иасоса я определяется предельным объемом  газа, который может поглотить насос J при заданном равновесном давлении Я над адсорбентом:	Я
L = Л4адо, (13.36) 'I
где Л4ад— масса сорбента в насосе, кг;  v — удельная емкость сорбента при I заданном режиме подготовки, Па X  X ма/кг.	
Масса адсорбента	
Мад = Ур, (13.37) I
где V — объем адсорбционной кас-  сеты, м8; р — насыпная плотность  сорбента, кт/м8.	"
Адсорбционные насосы относятся к устройствам периодического действия; по мере насыщения сорбента давление в вакуумной системе возрастает, а быстрота действия уменьшается. Зависимость быстроты действия от степени заполнения 6 можно описать полуэмпирической зависимостью
S >== Sq exp (—йк9),	(13.38)
где £>Эф — эффективный коэффициент диффузии (для азота и кислорода а* 2-10“12 м2/с; для аргона « 10-12 м2/с); В — см. табл. 13.22;
k3 — коэффициент формы зерна адсорбента (для плоских, цилиндрических и сферических зерен соответственно ks = 1/3; 1/8 и 1/15);	—характер-
ный размер зерна.
Теоретическая быстрота действия
Sr = 36,4fB VTjM. (13.34)
Проводимость входного сечения адсорбционной полости вычисляют по известным уравнениям вакуумной
где Se — начальная быстрота действия иасоса при в 0; kB — постоянная насыщения (kK = 5 ... 10);	0 =
= mlL — степень насыщения адсор
бента газом, показывающая, какая часть поглотительной способности
иасоса израсходована (ш — количество газа, поглощенного сорбентом, Па X X м8).
Постоянная насыщения kK зависит от диаметра пор адсорбента: с его увеличением йя уменьшается. Так, для цеолитов типа Е и А постоянная kB ра 10, для цеолитов типа X —	&
pa 7, для углеродных сорбентов — Ак«5.
Адсорбционные насосы
401
Время, в течение которого адсорб- ционный насос обеспечиваем давление не выше требуемого (/> рр):
~	1п>(5оРр/0, (13.39)
где рр — рабочее давление, Па; Q — поток газа, Па-м8/с.
Если время ip больше или равно продолжительности рабочего цикла установки, то достаточно одного насоса; в противном случае требуются дополнительные насосы, которые в зависимости от условий работы установки можно подключать параллельно или последовательно.
Пример расчета наливного иасоса (рве. 13.13).
Исходные данные. Размеры насоса: диаметр сосуда для криоагеита Dp ® С,08 м; диаметр пористого теплоизоляционного экрана — 0,12 м; диаметр корпуса насоса Da =« 0,2 м; диаметр входного патрубка Da — 0,1 м; высота корпуса насоса h* ® 0,4 м; высота адсорбционной кассеты Лс » 0,3 м; число тепловых мостов п =е 3; длина и толщина теплового моста L. — 0,02 м и = 0,003 м: м	м
толщина пористого экрана йэ = 0,003 м.
Элементы конструкции имеют следующие теплофизические характеристики; степень черноты внутренней поверхности корпуса е, ~ 0,7, пористого экрана а., = 0,3. Экран наготовлен из порошка фракции Ns 3 со средним размером частиц Щ = — 0,4-10-’ м, пористостью П9 = 0,30 и
теплопроводностью материала порошка >-к ~ 320 Вт/(м- К); теплопроводность материала моста Хм = 400 Вт/(м- К)-
Сорбент — цеолит СаЕН-4В с насыпной плотностью р = 650 кг/м’; зерна сферической формы диаметром 1,5 мм. Крио агент — жидкий аэот (Тнр = 78 К). Температура корпуса (окружающей среды) Т, = Тц 300 К. Начальное давление pa = 1 Па. Условия подготовки адсорбента соответствуют коэффициенту регенерации й = 0,25. Постоянная насыщения kB == 10.
Определить поглотительную способ-
ность насоса при рабочем давлении р = = 10~* Па, быстроту действия насоса и
время непрерывной работы при потоке газа Q = 5.10-* Па-м’/с. Натекающий газ — азот.
Решение.
Вкутренний объем иасоса
2	9.
Vg = Л/УдАд — 0,25Л/?эЛэ
= 0,25 3,14-0,2*-0,4 — 0,25-3,14-0,12»-0,3 = = 9,'2-10- • м«.
Рис. 13.13. Расчетная схема адсорбционного насоса
Объем сорбента в адсорбционной кассете
V =0.25л (z>3 - £>?) Лс =
= 0,25-3,14 (0,12« —0,08«) О,3 = 1.9-10~’ м».
Масса сорбента [см. формулу (13.33)] ЛС„^Ь9-10"а-650 = 1,23 кг.
Приведенная степень черноты системы корпус—экран [см. формулу (13.3)]
Удельный тепловой поток на экран 1см. формулу (13.26)1	/
®уд ~ ®пра ( ^2	•
Так как температура экрана близка температуре криоагента и, следовательно, значительно ниже температуры корпуса, 4
значением Т9 можно пренебречь ввиду его малости.
Тогда
Фуд = епраТ2 = 0.28-5.67-10“8-3004 =
= 128,6 Вт/м*.
Теплопроводность материала экрана [см.. (13.25)]
Х.= 0,14-320	= 20 Вт/(М-К).
®	1 “Г' 0»38
Средняя температура экрана [см.
(13.24), где П = лРэ] • у -» .	128,6-3,14-0,12-0,02 ,
ГЭ = '8+	3-400-0,003	+
д. 128.6 (3,14 0,12)»
+	12-3’-20-0,003	*’
402 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Средняя температура сорбента [см. формулу (13.23)]
—	Г 0Л2* '
Тад = 78+ (87-78)
2 In (0,12/0,08) j Л*
Удельная сорбционная емкость сор* бента при рабочем давлении [см. (13.28), табл. 13,22Т при учете режима регенерации
и=0,25-3,8-КГ* 10“2 ехр (12560/(8,314’83)]=* — 1004 Па«м8/кг.
Поглотительная способность [см. (13.36)1
L = 1,23. 1,004 = 1,24.10’ Па-м’.
Предельное остаточное давление 1см. (13.29)5
9,2-10-’ + 0,25-1,23-3,8-10-’ X X ехр [12 560/(8,314-300)]
"пр—1 9,2-10-’ 4- 0,25-1,23.3,8-10-’ X Х
X ехр [12 560/(8,314-83)]
Х~ = 5,5-10-’ Па.
Быстрота откачки адсорбционного слоя за экраном 1см. (13.33)]
2-10-’’-0,25-3,8-10~’ X
«	= Х ехр [‘2 560/(8,314-83)]
ад (1715) (1.5-10-’)•	~ ’ ~
•= 1.65 м5/с*
Проводимость пористого экрана [см. (13.31) и (13.32)]
£/ — 21 5бО.4-Ю-’-3,14-0,12-0,3
£/э - 21,56	—	X
X 0,38* |/"~ = 0,16 м’/с.
Действительная быстрота откачки адсорбционной кассеты [см. (13.31)1
Теоретическая быстрота действия [см. (13.34), где РЭ = ЛОЭЛС]
ST = 36.4-3.14-0,12-0,3 /300/28 = 13,5 м’/е
Коэффициент прилипания 1см. (13.30)1 kn = 0,146/13,5 = 1,08-10-’.
Проводимость входного сечения адсорбционной полости [сы. (3.17), где F = ~ 0,25 (Dj - О2Э)]
ивх = 36,4-0,25л (z>2—°э) V^2/^ =
= 36,4-0.25-3,14 (0,2’ — 0,12») У 300/28 = = 2,39 м’/с.
Быстроту откачки на нходе в адсорбционную полость определим графически При » 1,08-10-** и Л/Д « 2Лс(£>2 —’ — Пэ) =* 2-0.3/(0,2 — 0,12) = 7.5 пр графику (см. рис. 13.12) найдем $вх/^'вх = = 0,05, откуда
SBX =0.05(/вх « 0,05-2,39 = 0,12 м’/с.
Проводимость входного патрубка (| верстня)
ип = 36,4-0,25лО2 т2/м = 36,4-0,25 j
X 3,14-0.1’ /300/28 = 0,94 м’/с- I
Начальная быстрота действия иасоса [см. (13.35)]
S, = 0,12-0,94/(0,12 4- 0,94) = 0,1! м’/с.
Время работы насоса при .заданных давлении и потоке газа [см. (13.39)]
1.24-	103
<P = 4fiFTio-'ntoJI-'o"I/(5'lo’1)) =
= 1.96-10’ с.
13.7. Технические характеристики крионасосов
Основные технические характеристики конденсационных насосов типа ГСВ приведены в табл. 13.24, насосов на базе холодильных газовых машин — в табл. 13.25, адсорбционных .цеолитовых насосов и агрегатов — в табл. 13.26, адсорбционных насосов с пористыми экранами — в табл. 13.27.
Таблица 13.24
Параметр	Значение параметра для насоса	
	ГСВ-250	ГСВ-4000
Быстрота действия, дм3/с Предельное оста-	250	4000
		
точное давление,		.‘Я
Па:		i
без прогрева	10“3	Ю-w 3
с прогревом		—	1
Расход, дм3/ч:		
жидкого гелия	8-10-»	1,2-10-*
жидкого азота Емкость сосуда, дм3:	0,2	1,0
гелиевого	7	23 j
азотного	7	30 |
Технические Характеристики криокасосое
403
Таблица 13.25
Параметр	Значение параметра для насоса			
	НВК-1А-Р1	нвк-oe-Pi	нвк-iK-pi	НВК-1А-Р1
Dy, мм X олодопроизводитель-ность при Т ~ 20 К, Вт	250	160	250	250
	3	—	3	—
Быстрота действия по. воздуху, дм®/с Предельное остаточное давление (в обезгажеииой системе), Па	1000 ... 1300	600	1000 ... 1300	1000
	5-10“7	5-10"’	5-10“’	10-’
Давление иуска, Па	10	1	5-Ю"1	1,5-10"1
Поглотительная способность по воздуху, Па.дм®	50-10® '	—	104	—
Максимальный газовый поток (в течение 1 ч), Па. дм®/с	500	—	100	—
Время охлаждения до Т = = 20 К, мин	60	но *	60	50
Максимальная температура прогрева блока криооткачки, К Мощность, кВт	353	343	353 • \	—
	6,0	1,5	6,0	2,5
Время непрерывной работы (без отогрева пане-' ли), ч Габаритные размеры, мм:	200	200	—	—.
блока криооткачки	580Х455Х Х410	—	580Х455Х Х410	—.
компрессорной уста-, новки	840Х 1090Х Х670	—	840Х 1090Х Х670	—
Длина труо'опроводов и кабелей, соединяющих блок криооткачки с компрессорной установкой, м	30		30	
Периодичность технического обслуживания, ч	3 000	—	3 000	—‘
Ресурс, ч Масса, кг:	15 000	10 000	15 000	5000
блока криооткачки	40	13	40	120
компрессорной установки	270	—	270	—-
Таблица 13.26
Параметр	Значение параметра для насоса (ЦВН) и агрегата (ЦВА)			
	ЦВН-1,5-3	ЦВН-0,3-2	ЦВА-1,б-3	ЦВА-0,3-1
Предельное остаточное давление, Па	2	6	2-10-®	2-10-®
Объем откачиваемого сосуда, м®	0,1	0,03	0,1	0,03
404 НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ СРЕДСТВА ОТКАЧКИ (КРИОНАСОСЫ)
Продолжение табл. 13.26
Параметр	Значение параметра для насоса (ЦВН) в агрегата (ЦВА)			
	ЦВН-1,5-3	ЦВН-0,3-2	ЦВА-1,5-3	ЦВА-0,3-1
Время откачкя (без учета времени предварительного охлаждения), ч	'	1,0	1,5	2,?	1,0
Расход жидкого азота, дм3/ч	0,5	0,35	0,75	0,085 Л
Масса цеолита, кг	1.5	0,3	3,0	0,6 Л
Продолжительность регенерации при р = 106 Па, ч	3,0	2,0	• 3,0	2,0 Я
Мощность нагревателя, Вт	350	130	350	130 
Таблица 13.27
Параметр	, , 					- —  — — Значение параметра длн насоса					
	КС4205 '		КС4023		КС4107	
Быстрота действия по азоту, м3/с Масса сорбента, кг: СаЕН-4В СКТ-4 Поглотительная способность по азоту, Па-м®, при давлении, Па: ю-3 io--4	80 675 1,1-10-» ' 2,0-104		0,020 0,480 0,330 30 . 12 8-108 6.6- 10s		0,025 0,680 0,470 140 50 3,4-103 2,8-103	
Параметр	Значение параметра для насоса					Насос-секцня
	ИКС-100	НКС-ЮОВ		ВАН-160		
Быстрота действия по азоту, м3/с Масса сорбента, кг: СаЕН-4В СКТ-4 Поглотительная способность по азоту, Па-м3, при давлении, Па: ю-3 ю-1	0,100 3,900 2,700 3,12-Ю8 8,1-10» 2,34-104 1,89-104	• 0,150 3,600 2,500 ЗЮ3 7,8- 10s- 2,20-104 1,80-104		0,165 0,600 6-10» 4,8-10»		0,070 3,500 5.10» 2- 1СГ* 1	**
Примечания: 1, Предельное остаточное давление для всех указанных иасосов 10-4 Па, диапазон рабочих давлений для насосов НКС-ЮОВ и ВАН-160 р — 10 .., 10~4 Па, для остальных — р — 106 ... 5-10-4 Па. 2. Поглотительная сцособиость дана для сорбентов СаЕН-4В (числитель) и СКТ-4 (знаменатель).
. РАЗДЕЛ 4
» ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ
Глава 14. Вакуумметрия
14.1. Классификация
Полное давление намеряют специальными приборами — манометрами. Манометры, предназначенные для измерения давлений меньше атмосферного, называют вакуумметрами. Основным элементом вакуумметров является измерительный преобразователь давления (ПД). Кроме того, как правило, они включают измерительный блок (ИБ). ПД — устройство, вакуумно-плотно присоединяемое к вакуумной камере, воспринимающее непосредственно измеряемое давление и преобразующее его в другую физическую величину. ИБ вакуумметра — устройство, обеспечивающее требуемый электрический режим работы ПД, усиление и измерение его выходного сигнала.
Вакуумметры классифицируют по принципу действия и методу измерения давления. На рис. 14.1 приведены погрешности и диапазоны давлений, измеряемых вакуумметрами различных классов.
По методу измерения различают вакуумметры, основанные на прямых и косвенных измерениях давления. К первой группе относят вакуумметры, измеряющие непосредственно давление как отношение силы к площади чувствительного элемента. Это жидкостные, грузопоршневые и деформационные вакуумметры, отличающиеся независимостью показаний от рода газа. Наименьшее давление, которое можно измерить вакуумметрами этой группы, 10~4 ... 10~6 Па. Ко второй группе относят вакуумметры, принцип действия которых основан на использовании зависимости некоторых физических процессов от давления. Такие вакуумметры измеряют физические величины, связанные с давлением определенными функциональными зависимостями (силу тока, напряжение, ЭДС,
частоту и др.). Это — ионизационные, вязкостные, радиометрические и тепловые вакуумметры; ях показания зависят от рода газа. Диапазон измерений и вид градуировочной характеристики устанавливают по результатам их градуировки для соответствующего газа с использованием образцовых средств измерений. Диапазоны измерений и погрешности современных образцовых вакуумметров различных классов показаны на рис. 14.2.
Метрические характеристики промышленных вакуумметров обычно приводят для воздуха или азота. Шкалы вакуумметров градуируют в единицах давления, относительных единицах или в единицах физической величины, связанной с давлением определенной функциональной зависимостью. Для вакуумметров с нелинейной градуировочной характеристикой эту зависимость приводят в паспорте в виде графика, для вакуумметров с линейной характеристикой указывают чувствительность (постоянную).
Рис. 14.1. Погрешность и диапазоны из* мерений промышленных (сплошные линии) и лабораторных (штриховые линии) вакуумметров:
/, 3, 7 — ионизационных (/ —• магнитных электроразрядных, 3 — электронных, 7 — радиоизотопных); 2 — тепловых; 4 — вязкостных; 5 — деформационных; 6 — жидкостных
406
ВАКУУММЕТРИЯ
Рис. 14.2. Погрешности и диапазоны .измерения образцовых вакуумметров:
1 — мембранных; 2 — жидкостных (компрессионных); 3 — ионизационных электронных; 4 — тепловых; 5 — вязкостных
Некоторые приборы этой группы позволяют измерять давлеиве до 10~13 Па.
14.2. Жидкостные вакуумметры
Принцип действия жидкостных вакуумметров основан на уравновешивании измеряемого давления или разности давлений давлением столба жидкости. Об измеряемом давлении судят по высоте уравновешивающего столба жидкости, т. е. измерение давления сводится к измерению линейной величины. В этих вакуумметрах жидкость является чувствительным элементом, реагирующим на изменения давления. Жидкостные вакуумметры подразделяют на U-образные и компрессионные.
U-образиые вакуумметры — жидкостные вакуумметры, состоящие из
Рис. 14.3. (/-образные вакуумметры с открытым (а) и закрытым (tf) коленом
сообщающихся сосудов, в которых J измеряемое давление определяют по | одному или нескольким уровням жид- Я кости. Простейший U-образный 1 вакуумметр представляет собой изо- 3 гнутую в виде буквы U стеклянную Я трубку постоянного сечения, запол- 'Я ненную рабочей жидкостью. Для исключения погрешности измерений, J вызванной действием капиллярных Я сил, внутренний диаметр стеклянной 1 трубки должен быть не менее 7 мм. Ч Один конец трубки соединяют с ва- -I куумной системой, другой может быть ’ открытым нли запаянным (рис. 14.3). Давление в закрытом колене должно
быть значительно меньше измеряемого. Для поддержания давления на этом уровне применяют периодическую илн постоянную откачку. Измеряемое давление р, Па:
для манометра с открытым коленом р = Ра — p«g ДА;
для манометра с закрытым коленом .
Р = Рж?АА,	|
где ра — атмосферное давление, Пай Рж — плотность рабочей жидкости-' при температуре измерения, кг/м3; g — I ускорение свободного падения, м/с3; М — разность уровней жидкости, м. Диапазон измеряемых давлений зависит от свойств жидкости, геометри
ческих размеров прибора и способа определения уровня жидкости. В качестве рабочей выбирают жидкость
с малыми давлением насыщенного пара и способностью к растворению газов. Для измерения давлений, близкнхйвИ и атмосферному, необходимо выбирать^И жидкости большой плотности (ртуть) а для измерения самых малых давле^М иий — жидкости с минимальной птотЦ^Н иостью. Ниже указана плотность р^^Н кг/м8, различных жйдкостей при Т = 293 К:
Вода ....
Спирт этиловый Дибутилфталат Ртуть ....
Масло:
вм-з . . .
ВМ-5 . . .
5Ф4Э . . .
ЭЭаяИ
789 
1 046 :
13 546
850
870
1 200
Жидкостные вакуумметры
407
Погрешность измерения давления определяется В первую очередь погрешностью отсчета уровня жидкости, неравномерностью сечения трубок, влиянием температуры и др.
Нижний предел измеряемого давления ограничивается возможностью измерения с требуемой точностью малой разности уровней в соответствии с формулой
Pmm = Ю 3Рж£ ЛЛт[П = 10 1рда§Пд/6, где Дйш1п — минимально допускаемая разность уровней, мм; ah — абсолютная погрешность отсчета уровней, мм; 6 — требуемая относительная погрешность измерения, %.
Значения минимального давления Риш,, измеряемого с погрешностью 10% , при различной абсолютной погрешности ah отсчета уровней ртути и масла ВМ-3 приведены в табл. 14.1.
На практике используют различные U-образные вакуумметры — чашечный, ' укороченный, наклонный, по-плавковый, двухжидкостный с переменным сечением трубки и др. Наиболее распространен укороченный двухтрубный вакуумметр. Ниже приведен диапазон измеряемых давлений, гПа, для промышленных двухтрубных вакуумметров типа МВ (абсолютная погрешность измерения для всех вакуумметров ±0,196 гПа); >
Таблица 14.1
Способ отсчета ’ уровня	ам мм		
		ртуть	масло вм-з
Линейкой	1.0	1,3-103	83,0
Нониусным устройством штангенциркуля	0,1	1,3-ю2	8,3
Катетометром	0,02	27,0	1,7
Интерференционный	10~®	1,3-io-2	8,3- IO"4
в сравнительном капилляре 1 и давлением газа в вакуумной системе:
Pi = pV/Vt = Ржй | Л2 — | + р.
Измеряемое давление, Па:
Р = QW I Ар — Л11 | ht — ftj | X
X 10-»/(1 — С |h0 —Лх I),
где С = 0,25n.d'2/V — постоянная вакуумметра, мм-1; % — координата вершины запаянного конца капилляра, мм; d — внутренний диаметр измерительного капилляра, мм.
В качестве рабочей жидкости чаще всего используют ртуть, так как она
МВ 9,8 , МВ 15,68 МВ 24,5 .
МВ 39,2 .
МВ 58,8 .
МВ 98,0 .
. . . О ... 9,8
. . . 0 ... 15,68
. . . 0 ... 24,5
. . . 0 ... 39,2
. . . 0 ... 58,8
. . . 0 ... 98,0
Компрессионный вакуумметр — жидкостный вакуумметр, в котором для измерения абсолютного давления разреженного газа последний предварительно сжимают. Принцип действия вакуумметра (рнс. 14.4) следующий. Находящийся в измерительном баллоне 3 объемом V газ, давление р которого необходимо измерить, сжимается в измерительном капилляре 2 до некоторого объема 7Х вследствие принудительного подъема жидкости из резервуара 4. Давление р, в измерительном капилляре уравновешивается давлением столба жидкости
Рис. 14.4. Компрессионный вакуумметр
408
ВАКУУМ МЕТРИК
не смачивает стекло и плохо растворяет газы. При работе с компрессионным вакуумметром разности —hr и
— Л, не должны быть меньше 7- мм.
Применяют три способа измерения давления компрессионным вакуум-, метром:
1)	уровень ртути в измерительном капилляре поднимают до определенного значения hr и получают линейную зависимость давления от разности уровней да hj (способ позволяет измерять давления в узком диапазоне);
2)	уровень ртути в сравнительном капилляре доводят до конца запаянного капилляра (Ла — h0) и получают квадратичную зависимость давления от разности уровней —й1т т. е. р ~ (/i0 —Л1)2;
3)	уровень ртути в измерительном капилляре повышают до получения максимально возможной разности уровней в капиллярах, соблюдая-усло-вие ftp —	> 7 мм.
Первые два способа определения давления позволяют пользоваться графиком или таблицей, но высокой точности установления заданного уровня ртути добиться весьма сложно. Третий способ, лишенный этого недостатка, предпочтительный. Погрешности измерения компрессион-. иыми вакуумметрами обусловлены погрешностями определения постоянной вакуумметра и уровней ртути в капиллярах, депрессией ртути в капиллярах, отличием формы мениска ртути от формы запаянного конца измерительного капилляра, степенью точности принятых в расчет значений g и р,.к, а также погрешностью из-за откачивающего действия струи ртутного пара, направленной нз компрессионного вакуумметра к вымораживающей ртутные пары ловушке.
Компрессионные вакуумметры обычных конструкций позволяют измерять давление в диапазоне 10“3 ... 4-103 Па. Минимальная погрешность измерения 1 ...3%. Обычно компрессионные вакуумметры применяют в качестве образцовых приборов.
14.3.	Деформационные вакуумметры
В деформационных вакуумметрах давление определяют по деформации упругого элемента под действием раз
ности давлений. Их показания и^В зависят от рода газа. Такие вакуум^И метры различают по типу чувстви^И тельного элемента и способу измерениями деформации.
По типу чувствительного элемент^И вакуумметры подразделяют на труб^И чатые, сильфонные и мембранные, Де^Н формацию чувствительного элемент^И определяют механическими, оптнче^И скими илн электрическими снособамиЯ| В последнем случае для определения г деформации применяют тензопреобра- ' зователи, индукционные, механо- •' тронные и другого типа датчики, обеспечивающие преобразование линейного (механического) перемещения чувствительного элемента в электрический сигнал (сила тока, напряжение, частота).
Трубчатые (пружинные) вакуумметры (трубки Бурдона) представляют собой запаянную с одного конца тонко- ’ стенную трубку эллиптического сечення, изогнутую по дуге окружности (пружину); другой конец трубки соединяют с вакуумной системой. При изменении давления в трубке под действием разности давлений между г наружным (атмосферным) и давлением внутри трубки меняется радиус ее И кривизны, что приводит к перемещению а запаянного конца трубки и повороту ’ на некоторый угол стрелки, связанной Я с ним системой зубчатых передач. Я Показания прибора зависят от атмо- Я сферного давления. Обычно атмосфер- И иому давлению соответствует нулевое Я показание прибора. Измеряемое я давление, Па:	||
Р = Ра(1 — П/N),	I
где п — отсчет измеряемого давления 1 в делениях шкалы; N — число делений I шкалы прибора, соответствующее раз- I ности показаний при р = ра и I 0.	’
В табл. 14.2 и 14.3 приведены основные технические характеристики промышленных вакуумметров соответственно трубчатого (рис. 14.5) и сильфонного типов.
Применение мех экстренного преобразователя перемещения позволяет повысить чувствительность деформационного вакуумметра сильфонного типа, а использование набора механо-
Деформационные вакуумметры
.409
Таблица 14.2 .
Вакуумметр	Модель	Класс точности	Верхний v предел измерений, МПа	Габаритные размеры (см. рис 14.5), мм			
				D	*1	h.	ft.
Образцовый (ВО)	11201 1227	0,4 0,25	0,1	160 250	205 310	125 165	60 90
Точных измерений (ВТИ)	1218	0,6; 1,0	0,06; 0,1	160	205	125	60
Примечание. Для вакуумметров указанных моделей d — 27 мм.
тронов — расширить диапазон измерения.
Цифровой блокировочный широко-диапазонный вакуумметр сильфонного типа ВМБ-133/1,3-002 выполнен на базе четырех механотронов.
Габаритные размеры вакуумметра 520Х 174X570 мм, масса 15 кг, цифровой отсчет в Па и в мм рт. ст., автоматическое переключение диапазонов, аналоговый выход 0 ... 10 В, приведенная погрешность 3%. Ниже указаны диапазоны измерений, Па, механотроиных преобразователей:
6МДХ12С...............0,13.. 1,3- Ю«
6МДХ4С.................1,3...	1,3-10s
6МДХ5С..................13... 1,3-10*
6МДХ11С...............6,7-10s... 10s
Чувствительные элементы мехаио-тронов (сильфоны) выполнены из коррозионно-стойкой стали 36НХТЮ, что позволяет использовать их для
Рис. М.5. Габаритный чертеж трубчатого вакуумметра
измерения давления агрессивных газовых сред.
Основные недостатки сильфонных преобразователей давления — их высокая чувствительность к вибрациям и гистерезис, градуировочной характеристики вследствие консольности чувствительного элемента н его больших линейных деформаций. Этих недостатков лишены преобразователи с мембранным чувствительным элементом.
Б мембранных вакуумметрах чувствительным элементом служит тонкая плоская или гофрированная герметичная мембрана (реже мембранная маио-
Таблица 14.3
Вакуумметр	Модель	Верхний предел измерений р, МПа	Класс точности
ВС-Э1	9223 9523	0.025 0,04 0,06 0,1 0,04 0,06 0,1 0,006 0,01 0,016 0,025 . 0,04	1,0; 1,5 0,6; 1,0; 1,5 х0,6; 1,0; 1,5 0,6: 1,0; 1,5 1,5 1,0; 1,5 1,0; 1,5 2,5 1,5; 2,5 1,0; 1,5 0,6; 1,0; 1,5 0,6; 1,0; 1,5
МАС-Э1	9231 9531		
МАС-ЭЗ	9233 9533		
410
ВАКУУММЕТРИЯ
I .
(Таблица 14.4
Измерительный комплекс	Диапазон измерений, кПа	Относительная погрешность выходного сигналь, %	Масса, кг	Длина ", мм
ИКДбТДа-10	0,13 ... 1,3		0,85	128
ИКД6ТДа-20	0,13 ... 2,6	3		128
ИКД6ТДа-30	8,13 ... 3,9			128
ИКД6ТДа-50	0.13 ... 6,5			128
ИКДбТДа-100	0,13 ... 13		0,7	128
ИКДбТ Да-200	0,13 ...26			110
ИКД6ТДа-250	0,13 ... 32	1,5		ПО
ИКД6ТДа-400,	0,13 ... 52			110
ИКДбТДа-800	0,13 ... 100		*	105
1 Диаметр комплексов 86 мм.
Примечание. Нет отчетного устройства. Выходной сигнал — напряжение от 0 до 6 В. Нелинейность характеристики не превышает ±3%, для приборов типа 10 и 20 ие более ±1,5%.
метрическая коробка), по прогибу которой под действием разности давлений судят об измеряемом давлении. По одну сторону от мембраны давление пренебрежимо мало по сравнению с измеряемым, что обеспечивает возможность измерения абсолютного давления. Для определения прогиба мембраны применяют оптические и (чаще) электрические методы. В последнем случае прогиб измеряют' с помощью тензопреобразователей или способом компенсации прогиба мембраны электростатическими силами (нулевой метод измерения), а также механо-
Рис. К.в. Габаритный чертеж преобразователя «Сапфир-22»
тронными, индукционными' и струнными методами.
Мембранные деформационные вакуумметры с оптико-механической деформацией мембраны выпускают двух типов: ОМ6 и ОМ7. Масса вакуумметров 3.5 кг, габаритные размеры 160X 98X 250 мм. Верхние пределы измерений вакуумметров ‘ типа ОМ6; 1,3; 2,7; 4,0; 7,0; 10; 130; 270 и 400 кПа: класс точности 1,0. Вакуумметр ОМ7 имеет веохний предел измерений 0,13 кПа, класс точности 2,5.
Характеристики мембранных деформационных измерительных комплексов давлений с индукционным преобразователем деформации (типа ИКДбТДа) приведены в табл. 14.4. Высокая точность измерений давления приборами типа ОМ способствует их применению в качестве образцовых при градуировке и поверке рабочих средств измерений, однако отсутствие электрического выходного сигнала не позволяет применять их в автоматизированном оборудовании.
Для непрерывного преобразования значения измеряемого давления в унифицированный токовый сигнал в системах автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами можно приме
Деформационные вакуумметры
411
нять мембранные измерительные преобразователи типа «Сапфнр-22» (рис. 14.6) с тензопреобразователями (табл. 14.5); предельные значения выходных сигналов 0 ... 5; 0 ... 20 мА или 4 ... 20 мА постоянного тока.
Наиболее распространен емкостный способ определения прогиба мембраны. При этом мембрана вместе с дополнительным неподвижным электродом образует обкладки электрического конденсатора, емкость которого зависит от измеряемого давления ри. При незначительных прогибах относительное изменение емкости конденсатора прямо пропорционально давлению, что позволяет получить линейную зависимость выходного сигнала (/вых вакуумметру от давления.
Для уменьшения влияния окружающей температуры на дрейф нули в вакуумированной камере устанавливают дополнительный электрод, расположенный около наружной поверх^ иости мембраны. При этом для определения давления измеряют разнооть емкостей двух конденсаторов. Схема сравнения вырабатывает напряжение постоянного тока, пропорциональное
Рис. 14.7. Принципиальная схема мем-браино-сыкостного преобразователя давления^ (а) и структурная схема (б) его измерительного устройства:
1 — вакуумированная камера; 2 — обкладки конденсаторов; з -• мембрана; 4 — измерительна я камера; Г — генератор переменного напряжения (30 ... 50 кГц); СР — схема сравнения; УЛТ — усилитель постоя иного тока; — регулятор ие линейности
Таблица 14.5
		0) «	as	
		К В	о	
Преобразо-		Р. Jl- 4!	о	
ватель	Л	»1		
	5х		га	и и
	X		5	X
		2,5	1.0	
		4,0	1,0	
	2020	6,0	0,5	4,0
		10,0	0,25;	
	1		0,5	
		6	0,5	
Сапфир-22 ДА	2030	10 16 25	0,25	
		40		5,0
		40		
	2040	60 100 160	0,25; 0,5	
		250		
		0,25	1,0	
		0,4	0,5	
		0,6	0,5	
	2210	1,0	0,25	8,0
		1,0	0,5	
		,1,6	0,25	
		1,6	0,5	
		2,5	0,25	
		2,5		
	2220	4,0		4,0
		6,0		
Сапфир-22ДВ		10,0	0,5'	
		6,0		
		10,0		
		16		
	2230	25	0,25	
		25	0,5	5,0
		40	0,25	
		40	0,5	
	2240	40 60 100	0,25; 0,5	
Примечание. Размеры преобразователей (см. рис. 14.6): h = 112 мм; D = 110 мм; для модели 2210 — Н — ~ 255 мм; L — 182 мм; для остальных моделей, приведенных в таблице, Н = 205 мм, L = 136 мм.
412
ВАКУУММЕТРИЯ
Таблица 14.6
Вакуумметр	Диапазон изменений.	Относительная погрешность измерения, %	Масса измерительного блока, кг
ВДГ-1	10... 10*	10	10,0
ВД-1	1,3 ... 1,3-10»	5	5,8
ВД-2	1,3-10-» ... 13,3 1,3... 1,3-10»		4,0
ПДД-1-10А			1,0
РДД-1 (реле)	0,13 ... 133	—	1,0
Габарнт-иые размеры нэмери-тельного блока, мм
165Х
Х230Х
Х420
120Х
Х158Х Х345
270Х
X 120Х
Х173
0 83Х
Х212
Примечание
Стрелочный; нет аналогов! го выходного сигнала
Цифровой с одним каналом блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В; коррозионно-стойкий преобразователь
Диалоговый сигнал 0 ... 10В на полный диапазон, пропорциональный измеряемому давлению. Питание от
источника постоянного напряжения ±15 В. Нет отсчетного устройства ।
0 87Х Возможность сегулирова X 235 иия порога срабатывания I
разности измеряемых емкостей. Для получения линейной зависимости выходного сигнала от давления применяют регулятор нелинейности, создающий нелинейность характеристики измерительного устройства для обеспечения коррекций градуировочной характеристики преобразователя.
Принципиальная схема преобразо-
вателя и схема измерения прогиба мембраны емкостным способом приведены на рис. 14.7.
Мембранные вакуумметры емкостного типа обладают наивысшей чувствительностью по сравнению с деформационными выкуумметрами всех типов. Они позволяют измерять давление от 10» до 10-* Па, причем одним
преобразователем можно измерять давления, различающиеся иа 3—4 порядка. Характеристики промышлен- i иых мембранных вакуумметров при- . | ведены в табл. 14.6.	
14.4.	Тепловые вакуумметры	I
Принцип действия тепловых вакуум- J
метров основан на зависимости тепло-
проводности разреженного газа от давления. Давление измеряют косвенным методом, т. е. измеряют какую-либо физическую величину, которая зависит от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. ВВД зависимости этой физической величины от давления устанавливают экс-
Тепловые вакуумметры
413
пернментально градуировкой вакуумметра по образцовому средству измерения. Градуировочные характеристики тепловых вакуумметров нелинейны.
Преобразователь давления теплового вакуумметра представляет собой баллон, внутри которого расположен нагреваемый • электрическим током чувствительный элемент (обычно нить). По конструкции тепловые преобразователи подразделяют на термопарные и терморезисторные.
Существуют два способа измерения давления тепловыми вакуумметрами: прн постоянном токе нагревания (накала) чувствительного элемента и прн постоянной температуре нити. Первый способ обеспечивает большую чувствительность прибора при низких давлениях, второй — расширение диапазона измерений в сторону высоких давлений.
Электрические схемы питания термопарного и терморезнсторного .'Преобразователей даны на рис. 14.8.
Преобразователи могут работать в режимах постоянной силы тока или постоянной температуры нити. Мерой давления прн работе по методу постоянной температуры нити является сила тока нагрева, напряжение или мощность, подводимые к нити, прн работе по методу постоянной силы тока — температура нити, которую, определяют по ее сопротивлению (терморезисторные преобразователи), с помощью термопары (термопарные преобразователи), по изменению натяжения нити (струнные частотные тепловые преобразователи), изменению линейных размеров илю угла изгиба чувствительного элемента (биметаллические реле).
Тепловые вакуумметры измеряют полное давление газов и паров в диапазоне 10~2 ... 104 Па. Они не выходят из строя прн нарушениях герметичности до атмосфеоного давления в преобразователе . (температура нити ие превышает 420 К). Возможность изменения низких давлений ограничена влиянием побочного теплообмена, его обусловливает малое отношение мощности, отводимой от нити газом, с мощности, например, теплового излучения нити. Нижний предел измерений может быть смещен на один-два
Рнс. 14.8. Электрические схемы питания термопарного (а) и терморезнсторного (S} преобразователей:
1, 4 — преобразователи () — термопарный, 4 — терморезисторяый): 2 — иагре-' ваемая нить; 3 — термопара
порядка в область низких давлений повышением чувствительности прибора прн охлаждении корпуса преобразователя до температуры жидкого азота. Верхний предел измерений ограничен давлением, при котором теплопроводность газа не зависит от давления (длина свободного пути молекул становится меньше расстояния между нагретым элементом и стенкой). Верхний предел измерений можно увеличить вплоть до атмосферного давления использованием конвективной теплопередачи. Характеристики такого' конвекционного вакуумметра сильно зависят от ориентации преобразователя в пространстве.
Зависимость теплопроводности от рода газа обусловливает зависимость
414
ВЛКУУММЕТРИЯ
Рис. 14.9. Градуировочные характеристики преобразователей терморезисториого ПМТ-6 (кривые 1, 2) и термопарного ПМТ-2 (кривые 3, 4), работающих в режиме постоянной температуры нити:
1,3 — для паров воды; 2, 4 — для азота
от него показаний тепловых вакуумметров. Давление различных газов рг, Па, рассчитывают по показаниям ва-
Рис. 14.10. Градуировочные характеристики термопарного преобразователя ПМТ-2, работающего в режиме постоянного тока;
1 — для паров воды; 2 — для азота
куумметра, отградуированного по воздуху (азоту), согласно формуле
Рг = Ръ/Я, (14.1)
где рв — показания вакуумметра; q — относительная чувствительность вакуумметра, зависящая от рода газа:
Газ Воздух Не Ne	Ат	Кг
q . .	1,00 0,89 0,76 0,64 0,43
Газ	Хе	Н2 *	СО	СО2	СНл
q .	.	0,45	1,49	1,03	1.06	1,64
Газ	С2Н2	С2Н^	C2He	H2S	О2
q .	.	1,67	1,16	1,26	1,41	1,30
Для измерения давления паров воды используют градуировочные характеристики (рис. 14.9; 14.10).
Для газов, не указанных выше,
относительную чувствительность вычисляют по формуле
__ аг (fer + 1) (&в — 1) 1 /” А1В ав(^в+1)(^Г— 1) *	’
где а — коэффициент аккомодации (см. табл. 13.8); k — показатель адиабаты: Л4 — молекулярная масса; ин-
дексы г и в соответствуют газу и воздуху.
Для смеси газов относительная чув-
ствительность
9-м — ci?i +	+ cs7s + •. •; (14-2)
где Ci, сг, с3, ... — молярные доли компонентов смеси; qt, q2, q%, ... — коэффициенты относительной чувствительности соответствующих газов.
На точность изменений существенно влияют длина и диаметр, иити, состояние поверхности чувствительного элемента (например, загрязнение парами масла) и температура корпуса. Вследствие неконтролируемое™ значений коэффициента аккомодации приборы этого типа ие относятся к прецизионным.
Для снижения погрешности измерений тепловой вакуумметр подвергают калибровке при атмосферном и гну-левом» давлении (на один-два порядка меньше наименьшего измеряемого).
При атмосферном давлении и нулевом сопротивлении резистора R$ (рис. 14.11), изменяя резистором R1 силу тока моста, устанавливают по вольтметру V максимальный отсчет, соответствующий максимальному да8”
Ионизационные еакуумметры
415
Рис. 14.11. Принципиальная элежтричесжая схема двухточечной калибровки терморези-сториого преобразователя:
I — преобразователь; 2 — источник постоянного тока
лению по градуировочной характеристике, и балансируют мост (7 = 0) резистором R2. Затем уменьшают силу тока моста до нуля, откачивают вакуумную систему с калибруемым преобразователем до «нулевого» давления,-балансируют мост увеличением силы тока моста резистором R1, а затем резистором R3 устанавливают нулевое показание вольтметра. Калибровку выполняют дважды.
Точность измерений можно повысить струнным методом изменения температуры, как в вакуумметре ВТСО-1. Выходным сигналом' вакуумметра является частота, зависящая от давления газа:
/= /оуТ-К/ф (Р) 1
где /0' — частота собственных колебаний нити (струны) в магнитном поле при атмосферном давлении и силе тока накала, равной 0; К — постоянная; <Р (р) — функция давления.
Важная эксплуатационная характеристика тепловых вакуумметров — быстродействие.
Постоянная времени теплового вакуумметра зависит в основном от постоянной времени преобразователя давления, характеризующей инерционность чувствительного элемента; последняя зависит от начального и конечного давления. Наибольшей инерционностью обладают термопарные преобразователи, работающие в ре-
жиме постоянного тока (2 ... 4 с), наименьшей — преобразователи сопротивления, работающие в режиме постоянной температуры .	(50 ...
100 мс). При уменьшения давления инерционность увеличивается.
Основные характеристики тепловых преобразователей давления и ва-, куумметров приведены в табл. 14.7 и 14.8.
14.5. Ионизационные вакуумметры
Принцип действия ионизационных вакуумметров основан на зависимости ионного тока, возникшего в результате ионизации молекул разреженного газа, от измеряемого давления.
По способу ионизации газа ионизационные вакуумметры подразделяют на три типа: электронные ионизационные, в которых ионизация газа осуществляется электронами, ускоряемыми электрическим полем; радиоизотопные, в которых для ионизации газа применяют излучение радиоизотопных источников; магнитные электроразрядные, действие которых основано на зависимости тока электрического разряда в магнитном поле от измеряемого давления. Чувствительность ионизационных вакуумметров всех типов зависит от рода газа, давление которого измеряют.
Электронные иоиизацнонные вакуумметры. Измерительный преобразова-
Вакуумметр $я о е вт-з	 g ВТ-2А-П . о 		Преобразователь ПМТ-2 ПМТ-4М	Диапазон измерений, Па 0,13 ... 7-10* 0,13 ... 3-10*	Относительная погрешность измерения, % ±30	Габаритные размеры» мм 320Х 185Х 150 430Х 220Х 146	Масса» кг			Т а б л и ц а 14.8 Примечание
й ВТБ-1 13BT3-003 РВТ-2М	Типа ПМТ-6-3	2,6 ... 3,9-10s (индикация в диапазонах - 0,26 ... 2,6 и 3,9-10s ... 10е)	-40 ... +60	200Х 158X319 Ю0Х 158X206 80Х 158Х 206	4,5 9,0 6,0 2,5 к 2,5	% © Два канала блокировки и 8 аналоговый выход 0 ... 10 В * § X X § S - . .	* —	ш к Вакуумметр образцовый	|
РВТ-1 РВБ-1 ВТСО-1	ПДТСО-2-1	1,3 ... 3,9-103 (блокировка) Реле срабатывает прн р = 30 Па 0,5 ... 7-Ю8	±60 ±10	|	100Х 158X 328 / 76X 24X 24 80Х 150X 295	4,0 0,04 2,5	
ВТ-6	ПМТ-2	10~х ... 7-10* 10-* ... 133 133 ...7-10*	±30 ±50	180Х 160X 305	5,0	— "" ~		  £ Стрелочный; аналоговый выход 0 ... 10 В; один канал блокировки
ВТБ-6	ПДТ-20	4-10“* ... 1-10* 4-10-* ... 10 10 ...3-10*	±25 ±30	120Х 158Х 470	6,0	« Светоцифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; один канал блокировки м
418
ВАКУУММЕТР#*
Продолжение табл. 14.8
Примечание	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала блокировки	Датчик вакуума, выдающий аналоговый сигнал 0 ... 10 В. Нет отсчетного устройства	Цифровой; восемь измерительных каналов; аналоговый выход 0 ... 10 В	
Масса, кг	U3 U3	0,2	14,0 I	
Габаритные । размеры, мм	120Х158Х 455	74Х 49Х 52 	_	л	_	'	212Х 128X490	
Относительная погрешность измерении, %	—50 ... -F70	8 + .		
Диапазон измерений, Па 		6-10-» ... 4-10» (индикация в диапазоне 4-10» ... 10»)	ъ *-<		
& Е Е В <6 0
СЧ
8
СО «я
из н CQ
сч
8 о со со
>»
ВТЦ-1	ПДТ-8 1,3- 10~г ... 6,7-10»	±20	260X110X 250	2,0 Цифровой; аналоговый вы-
ПДТ-9 1,3-10~» ... 13	±30 '	ход 0 ... 10 В; один канал
блокировки
Ионизационные вакуумметры
419
Рнс. 14.12. Принципиальные схемы ионизационных преобразователей:
а — прямопролетный (высоких давлений); б — с цилиндрическим коллектором; е — с осевым коллектором (Байарда —Альперта); г — с осевым коллектором и торцовыми сетками; д — с осевым коллектором и модулятором; е — экстракторный; яв — орбнтрон-иый; з — супрессорный; 1 — катод; 2 — анод; 3 — коллектор; 4 — модулятор; 5 — отражатель ионов; 6 — экран; 7 — супрессор	,
тель давления электронного ионизационного вакуумметоа пэедставляет собой электронную лампу с тиемя (не менее) электродами: катодом, эмитирующим электроны: анодом, ускоряющим эти электроны до достижения энергии, значительно превышающей энергию ионизации газа: коллектором ионов, образовавшихся при ионизаций.
Градуировочная характеристика вакуумметра линейная; ей соответствует уравнение
р =	= h/s = Ch,
где h — сила ионного тока на коллектор, А; 1е — сила электронного тока, А; К. — приведенная чувствительность, Па-1; S — абсолютная чувствительность, A/Па; С — постоянная вакуумметра (преобразователя), Па/А.
Значения S или С определяют для данного газа экспериментально по результатам • градуировки вакуумметра
14*
(преобразователя); данные по азоту приводят в паспорте.
С помошью ионизационных вакуумметров различных конструкций можно измерять давление в диапазоне от 300 до 10“п Па. За минимальное измеряемое давление принимают давление, при котором сила фонового тока составляет 10% силы ионного тока газовой фазы. Средняя быстрота откачки преобразователя при токе эмиссии 5 мА составляет 5-10~6 м’/с, при токе 0,5 мА — 5-10“’ м’/с.
Принципиальные схемы электронных ионизационных преобразователей даны на рис. 14.12.
Давление различных газов вычисляют по показаниям вакуумметра в соответствии с формулой (14.1).
Для вакуумметров с линейной градуировочной характеристикой q ~ — Sr/SB, где индексы г и в соответствуют газу и воздуху.
Относительная лувствительность qa электронных ионизационных вакуум-
420
ВАКУУММЕТРИЯ
Табл и ц а 14.9
Значение я для
Коэффициент	Н,	о»	NH.	Н,О	со	со.	NO	О.
	0,44	0,45	0,64	1,10	1,02	1,60	1,15	0,87
	0,38	0,41	1,23	1,03	1,06	1,39	1,24	0,96
9рг . *7р»	0,44	0,46	1,02	0,83	1,03	1,58	0,87	0,83
	0,47	—	1,21	0,94	1,05	1,42-	0,96	0,93
Значение я для
Коэффициент	воздуха	H.S	на	N.O	SF,-	CF.C1,	N,
<7э	0,97	1,30			1,24	2,50	2,90	-l.ttj
<7р1	0,75	2,03	1,61	 1,30	2,41	—	
*7рй	0,97	1,00	0,88	1,38	—	2,92	1,я
?р»	0,88	2,46	1,82	1,46	3,45	4,25 .	
и парам
поперечное сечени!
метров к одноатомным газам по азоту, найденные экспериментально, приведены
ниже:
.Газ .
<7э	•
Газ .
9э •
. Не
. 0,19
. Хе
. 2,80
Ne 0,33
Hg 3,3
Аг 1,37
Cd 2,4
Кг 1,91
No
1,0
Относительные чувствительности по
относительное ионизации; г — число электронов в молекуле  газа (в нейтральном , атоме число электронов равно атомному номеру); DB — энергия диссоциации газообразных молекул на атомы при температуре 0 К, кДж/моль; ,т. — число атомов одного рода, входящих в состав молекулы; г; — относительное эффективное сечение ионизации дан-
азоту электронных ионизационных вакуумметров к многоатомным газам и парам, а также к органическим соединениям, найденные экспериментально (<?э) и рассчитанные (<?р), приведены соответственно в табл. 14.9 и 14.10.
Кроме того, коэффициенты относительной чувствительности можно вычислить по формулам [19, 24];
"7р1 = ^r/^N. = VI (14-3) Qpa >= 4,06-10“2г ехр (7,88. Ю-3£>0/?);
(14.4)
^рз = Zj miri< (14-5) где Qr и QNj — полные абсолютные поперечные сечения ионизации соответственно газа и азота, см-3; у —
ного атома.
Значения п и £>0 соответственно для атомов и молекул различных веществ при Т — 0 приведены ниже:
Атом rt  '	N 0,500 0	ОН С F ,464 0,236 0,588 0,243	
Атом г, . .	Cl 1,589 2	Вг I Р S ,204 3,050 2,050 1,990	
Молекула Do	Bio 190.1	do Fo 238,9 154,8	13 148,7
Молекула Do	СО 1070,0	NO Oj 697,1 493,8	N2O 1109,3
Молекула Do	N. 942,0	Но 431,9	НС1 427,3
Ионизационные вакуумметры
421
Таблица 14.10
Коэффициент	Значение q для								
	сн4	с2н.	с>н8	С4Н,0	С4н„	С.н14	с,н14	С.н„	с,н„
Ча	1,49	2,53	3,80	4,37	5,50	5,65		L.				
^р!	1,63	2,74	3,64	4.57	5,60	6,77	7,72	8,18	8,86
	1,50	2,50	3,50	4.51	5,54	6,60	7,58	8,60	9,60
Чр» '	1,53	2,59	3,65	4.71	5,77	6,83	7,89	8,95	10,0
Коэффициент				Значение q		ДЛЯ			
	с„н2	с,н4	с,н.	С4Н,	Св Н*е	с.н„	с,н14	С.И,,	
									
Ча	1,66	2,14	3,16	3,60										.
<7р1	2,06	2,27	3,25	3.82	4,51	6,49	7,22	8,72	10,37
	1,44	1,97	3,00	4.05	5,10	6,14	8,20	9,26	10,30
?рг	1,65	2,12	3,74	4,24	5,30	6,36	8,48	9,54	10,60
Значение q для
Коэффициент	С,Н«	Цикло-с3н6	Цикло-Св Ню	Цикло-с6н12	С.Н2СН2	(СН3)2СО	с.н,он
Ча	5,18					'5.70	6.81	2,80	2,40
<7 pi	5,19	3,75	6.00	6,60	—	—	—
<7рз	4,72	3,13	5,20 •	6,25	5,74	3,32	2,76
Чрз	4,94	3,74 . •	5.30 	6.36 . 	6,00	3,64	3,06
Кроме того' значение: Do можно рассчитать по формуле ' т
Do — У, i=l тде т — число типов связей в молекуле; п. — число связей данного типа в молекуле; — средняя энергия связи i-ro типа, кДж/моль (табл. 14.11). Результаты расчета относительной чувствительности q по формулам (14.3)—(14.5) приведены в табл. 14.9, 14.10. В соответствии с формулой (14.4) коэффициенты относительной' чувствительности к парам вакуумных масел МФТ-1; ПФМС-2/5л; ФМ-1; 5Ф4Э равны соответственно 27,1; 30,6; 29,7 и 24,6. Коэффициенты относительной чувствительности для смеси газов рассчитывают по формуле (14.2).
Основные характеристики промышленных электпонных ионизационных преобразователей и вакуумметров приведены соответственно в табл. 14.12 и 14.13.
Радиоизотопные вакуумметры. В радиоизотопных вакуумметрах ионизация газа осуществляется а- нлн Р-ча-стипами, излучаемыми радиоактивными изотопами. Преобразователь давления содержит источник а- нли P-излучения, коллектор ионов и анод, находящийся под положительным потенциалом относительно коллектора, что обеспечивает попадание на коллектор’ образовавшихся ионов. Эти вакуумметры имеют линейную градуировочную характеристику и позволяют измерять давления в диапазоне 10-3 ... 106 Па с погрешностью до 5%. Основные преимущества радиоизо -
Ионизационные вакуумметры
423
422				ВАКУУММЕТРИЯ	Л		
			Таблица 14.11		тонных вакуумметров — неперегора-	
					ющий катод н высокая стабильность чувствительности. Коэффициенты от-	
						
				Л	иосительной чувствительности радио-	
				о	. изотопных вакуумметров к различным	
Связь			Соединения, t , группы	ч	газам приведены ниже:	
				М '	Гаа ... . N2 Не Ne Аг	
				1ц	q .... . 1,0 0,21 0,5	1,2	
			Парафины Олефины Ацетиленовые	331,8 587,8 823,1	Газ ... . Н2 СО2 Н2О (СН2)2СО	
С С		с с			q .... . 0,23 1,5 0.88	2,7	i',
С	=	с			Магнитные электроразрядные вакуум-	wl
С		с	Бензольное коль-	487,1	метры. Простейший магнитный элек-	
			цо	350,5	троразрядный преобразователь дав-	
С		с	Альдегиды и ке-		леиия представляет собой помещенную	
			ТОНЫ		в магнитное поле двухэлектродную	
с			н	Парафины	413.0	систему (катод и анод). В системе	
с	—	н	Олефины	415.9	возникает самостоятельный разряд при высоком напряжении между ее	!
с	—	н	Ацетиленовые	402,9	электродами. Принципиальные схемы	J
с	—	н	Бензольное коль-	421,2	преобразователей приведены на	
			ЦО		рнс. 14.13.	
•		С1 F		318,0 486,6	В общем случае градуировочная	
с с	—		Галогеналкины		характеристика 'имеет вид	('f
					П — •$₽ ,	1 '
с	=	О	СО2	799,1		I
с	—	О	Спирты	333,1	' где I, — сила измеряемого тока, А;	1
с	=	О	Кетоны	705,8	S — абсолютная чувствительность,	
н		О	Н2О	458,7-	A/Па: п — показатель степени (в зависимости от типа преобразователя	1
н		О	Спирты	438,0	п= 0.9 ... 1,7).	
н		S	HaS	363,2	Вакуумметоы позволяют измерять	
N		н	NH3> амины	385,0	давление в диапазоне 10-1а ... 10а Па.	
N		о	no2	464.8	Благодаря отсутствию накаленного	
					катода значительно возрастает срок	
С	—	О	со	1070,0	службы преобразователей. Выделяемая в иих тепловая энергия (мош-	
2
1
1
f)
a)
1
S)
I H
схемы магнитных електроразрядиых преобразователей давления:
а — Пениннга; б — магнетронный; в — инверсно-магнетронный; I — катод; 2 — аиод: 3 — экран; Н — вектор напряженности магнитного поля
Ряс. 14.13. Принципиальные
Соединение с вакуумной системой	Штуцерное (£>у16) Паяное, штуцерное 10) Фланцевое (Пу50) Паяное			Фланцевое (£>у50)				Паяное, штуцерное РуЮ) Фланцевое (Пу50) №нно между анодом
Масса, кг	Ч**	10 о О	10 «О СО О О	ООО				О		10	Е. СО	О	СО	Ж о	о	o	g	
Габаритные размеры, мм	о	S	8	8 8 <3 ся XX	XXX 8	й	8	8g 8	5	Q 8				| 0 90Х 130		10	м 8^8	| XXX	8 Q	|0	О	К О	СО	О	сх. s	s	о	I	
Диапазон измерений, Па	——	| о о Х>	? •• со	*7	”•* ’Т	о •*? ® ъ	о, О « «	« о	Т —	 Я : : : :::::: ; : : ® «	•*»	*>	*7	и	*	• ’	*	•	«	г- ®	« О О	О О о о	о сэ о Ь СЧ	СО	N со 4	' w	~ N. 2 СЧ	СЧ	-7-	со	О							
1 К Ч	со	и	со	и 1	III О Г-	10 О 0,0	10 10 О	О ь- СО сч о r-Г	С0 10						0,12	е.	g . о	ея	я	о —•	Я-Й	ЕС	«Г О о СО	о	СХ.	Н со	gg
я ,я ’л	.. —50		—100 —100 —30			—100		—50 —100 —100 — сила эл ектором и
^а. к- В	1 130	200			270	□ ё " В 	2	л	м <	о	а сч	щ	Я « 3 « «		
X V" '*1		  . —-т	—— 1	_	—	  .	ьЦ о О 10	SJ ® ~	>0	*о	О	о	.	Од	Ю	О10	10	ож	щ	>» OO	О	10	10 О 10	О	10	О	О	мэ	дз • <	ЕГ .. S							
\ Преобразователь	О|	оо 6	<*> Т *? • °? ся "7 11 fit				ПМИ-27		ПМИ-39-2	ПМИ-51 ПМИ-55 Приме и катодом и
Таблица 14.13
Вакуумметр	Преобразователь	Диапазон измерений, Па	Относительная погрешность измерения, %	Габаритные размеры, мм	Масса, кг	Примечание
ВИТ-2	ПМТ-2 ПМТ-4М ПМИ-2 ПМИ-3-2 ПМИ-51	0.13... 13 2,4-10-$ ... 0,13 2,6- 10”» ... 1,3 10”» ... 1	±60 —70 ... +250 ±30	320X 280X 215	10	
ВИТ-3	ПМТ-2 ПМТ-4М ПМИ-2 ПМИ-3-2 ПМИ-10-2 ПМИ-51	0,13 ... 13 2,4-10-» ...0,13 2,6-10-» ... 1,3 2-10~3 ... 1,3-10» 10-$ ... 1	±35 ±35 ±35 ±30	485Х 230Х 360	15	Стрелочный
ВИ-12	ИМ-12 МИ-12-8	10"’ ... 10-* 7-10"» ... 10-*		448Х 340Х 287	30	
ВИ-14	ИМ-12 МИ-12-8 ПМИ-27	io-’... 10"» 7-10-8 ... 10"» 4-10“* ... 13		480Х 220Х 360	20	
РВИЦБ-1А	ПМИ-10-2	2-10"» ... 1,3-10»	—-	100Х 158X230	3	Цифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
to
*
& & Й
•о % Ч
Продолжение табл. 14.13
Вакуумметр	Преобразователь	Диапазон измерение. Па	Относительная погрешность измерения. %	Габаритные размеры, мм	Массвг кг	Примечание
ВИО-1	ПМИ-39-2	7-10-» ... 0,1	±(10 ... 30)	410Х 181X360 228Х 95Х 328 259X 180X322	25	Образцовый; состоит из трех блоков
ВИЦБ 2/7-002	ПМИ-51	1-10-»... 10 (индикация в диапазоне 1-10”» ... 6,7-10-$) 6,7-10”» ... 1-10-» 1-.10”» ... 1- ю-i l-КН ... 1 1 ... 10	±40 ±35 ±60 ±40	240Х 158Х 470	9	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала блокировки
ВИЦ 9/0-001	ПМИ-55	7-10-® ... 1 7-Ю"» ... 1-10-’ l-10-’...l	±55 ±25	242X160Х 445	15,8	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; выход в двоично-десятичном коде; ручное и дистанционное управление
ВППД-1	ПМК-1	2-Ю-8 ... 1-Ю-» 2-Ю”8 ... |.10~7 ЫО"’ ... ыо-»	—50 ... + 100 ±30	366Х 177X420	12,0	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В. Измерение парциальных давлений в диапазоне 2-10-8 ... ... 1-10"» Па для газов с массовыми числами от 2 до 99
Таблица 14.14
Преобразователь	[7кВ	В, Тл	Диапазон измерения, Па	Габаритные размеры» мм	Масса, кг	Соединение л с вакуумной системой
ПММ-22	2,0	0,04	1,3-10~4 ... 1,3	0 90X80	1,3	Фланцевое (Dy 50)
ПММ-28		0,045	1,3-10-* ... 1,3-10*	0 78Х 118	0,6	Фланц^ьи*! (-^у 2U)
ПММ-32-1		0,11	1,3-10-’ ... 1,3	0 90X85	0,9	
ПММ-38	2,5	0,125	1,3-Ю~* ... 1,3	0 90X85	0,8	Фланцевое (Dy 50)
ПММ-42		0,11	10-* ... 0,1	150Х 150Х 150	2,0	
ПММ-44		0,094	1,3-10-* ... 1,3	0 24Х 83	0,1	Штуцерное (Dy 16)
ПММ-46	5,5	0,18	2-10~ц ...0,13	95Х 98Х 106	1,8	Фланцевое (Dy 50)
Примечание. Здесь (7а.к —напряжение между анодом и катодом, В — магнитная индукция.
С!	О	ьэ	Ж	—	О
Ъ>	ж	'сп	й	О
о	0^0®»
>	.0	г	х	г	z
8	ж	8CQ	8	о
S
л 2?


о>
S
Таблица 14.15
Вакуумметр	Преобразо* ватель	Диапазон измерений, Па		Относительная погрешность измерения, %		Габаритные размеры, мм	Масса, кг	Примечание
РВМ-1М	ПММ-22	10"* ..	. 1	±60		100Х 158X315	4,5	Два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
ВЭМБ-1.'	ПММ-28 ’	io-*..	10»	±60		245Х 177Х 310	7,0	Стрелочный; один канал блокировки
ВМБ-8	ПММ-32-1	10-’ ..	1	—40 .	..4-80	240 X 158Х 335.	7,5	Стрелочный; два канала блокировки; аналоговый вы-
ВМБ-10	ПММ-38	10-*..	1 .	±60		240Х 158Х 388	9,0	ход 0 ... 10 В
ВМБ-11	ПММ-46	10-’ ..	.0,1	—40	..4-80	120Х 158Х 395	11,8	Светоцифровой; один канал блокировки; аналоговый вы-
ВМБ-12	ПММ-44	10-* ..	1	—50 .	..4-80	80Х 158Х 395	3,5	ход 0 ... 10 В
ВМБ-14	ПММ-32-1	10-’ ..	1	—40	..4-80	80Х 158Х 467	4,0	Светоцифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
ВМЦБ-12	ПММ-32-1	10-* ..	.0,1	—50 ..	.4-100	100Х 158Х 230	3,0	Цифровой; два канала блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
ВМБ 1/8-001	.ПММ-46	го-»..	0,1	-4Q.	..4-80	120X158X 463	10,2	Светоцифровой; пять каналов блокировки; аналоговый выход 0 ... 10 В
Ионизационные * вакууметры
428
ВАКУ У М МВТРИ Я
Продолжение табл. 14.15
Примечание	Стрелочный	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В; два канала блокировки ! 				Без отсчетного устройства; аналоговый выходной сиг- нал 0 л. 10 В	Цифровой; одни высоковакуумный канал и четыре низковакуумных; аналого-; вые выходы 0 ... 10 В по каждому каналу	Цифровой; аналоговый выход 0 ... 10 В
। Масса, кг	10,0	15,0	9'0	14,0	12,0
Габаритные размеры, мм	240Х 158X336 1	320Х 158X 480	56X72X156 1 i 		212Х 128X490	360Х 180Х 400
Относительная погрешность измерения, %	±60	—40 ...+80 —55 ... +130	001+•" 09—	001+09—	—35 ... +60 —35 ...+60 —45 ...+85
Диапазон измерений, Па	o' ы» 1 о	2- IO”11 ... ЫО"1 (индикация в диапазоне 2-10-11 . .7-10"’) 7-Ю-8 ... 1 • 10’а МО"2 .. МО’1	2-10-7 ... 1	2-10-’ ...4-Ю3. 2-10-’ ...1_ 1 ... 4-Ю3	1,3 ... 3,9-10® (индикация в диапазонах 1,3-10-1 ... 1,3 и 3,9-10® ... Ы08) 1,3 ... ыо-8 1,3-ю-1... МО"» 1,3 ... 1,3-10~х
Преобразователь	ПММ-42	ПММ-46	ПММ-32-1  1.	ПММ-32-1 ПМТ-6-3 1	ПМТ-6-3 ПММ-32-1
Вакуумметр	ВТИ-1	со Ю а	ДВЭ-0/7-007	УКВ-3/7-001	ВТМ-2
Общие сведения
429
Г а в а 15. Масс-спектрометрия
15.1.	Общие сведения
Задача масс-спектрометрий — определение химического состава и парциальных давлений остаточных газов в откачиваемых сосудах. Анализ включает ряд последовательных операций: снижение давления анализируемого газа до 10-2 ... 10-3 Па; превращение молекул газа в положительные ионы электронной бомбардировкой; формирование ионного пучка заданной энергии в электростатическом поле; раз-, деление ионного пучка по массам; улавливание и регистрация ионов, выполняемые' раздельно для каждой массовой составляющей ионного пучка; расшифровку масс-спектра.
Масс-спектрометры состоят из двух Основных частей: анализатора и измерительного блока. Анализаторы масс-спектрометров различают по способам разделения ионов по их массам или массовым числам Mi, которые представляют собой отношение массы иона М к его заряду е: Mt = Mie. Это отношение выражают в атомных единицах массы (1 а. е. м. равна 1/16 массы атома основного изотопа кислорода16 О. Заряд иона выражают числом зарядов электрона (для однозарядных ионои их массовое число равно молекулярной массе).
В масс-спектро.метрическом преобразователе после разделения по массовым числам ионы определенной массы, на которую настроен масс-спектрометр, попадают на коллектор и создают в его цепи ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению данного газа. Эту силу тока регистрирует измерительный блок иа само- ’ пишущем потенциометре или осциллографической трубке. Давление в камере преобразователей во избежание рассеяния ионов из-за столкновений с частицами остаточного газа Должно быть не более 10-2 ... 10-3 Па.
Для получения масс-спектра анализируемого газа анализатор поочередно настраивают на ионы с различными массовыми числами и регистрируют их прохождение через" коллектор в виде последовательного ряда пиков. Для
получения развертки масс-спектра изменяют параметры полей или энергию ионов. По способу разделения ионов в преобразователе масс-спектрометры делят на статические и динамические [1, 41]. В статических масс-спектрометрах для разделения ионов используют постоянные электрические или магнитные поля, в динамических — изменяющиеся во времени электрические поля (табл. 15.1).
Основные параметры масс-спектрометров:
разрешающая способность, определяемая отношением Мц/е к наименьшему различаемому изменению массоиого числа k-Mi/e, т. е. р — = Mil&Mi (ширина пика составляет 10 ... 50% высоты пика);
диапазон анализируемых масс (обычно 2 ... 200, иижиий предел соответствует водороду, верхний — ртути);
чувствительность, A/Па, определяемая отношением изменения ионного тока в цепи коллектора к вызывающему его изменению парциального давления газа и зависящая от рода газа;
порог чувствительности — наименьшее определяемое парциальное давление газа;
максимальное рабочее давление, при котором отклонение от линейной зависимости между силой ионного тока и соответствующим парциальным давлением (вследствие рассеяния ионов в преобразователе с повышением давления) достигает предельно допускаемого значения (обычно 10%).
Для проведения количественного анализа масс-спектрометр предварительно градуируют по каждому компоненту смеси. Пробный газ вводят в стандартный объем', из которого он поступает в источник ионов. Давление в этом объеме измеряют обычным манометрическим преобразователем. Определяют главную линию спектра, соответствующую данному компоненту, и устанавливают по ней чувствительность прибора. Затем находят отношение интенсивностей всех линий спектра данного Газа к интенсивности
430
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
Таблица 15.1
Масс-спектрометры		Принцип разделения ионов	Область применення
Группа	Тяп		
Статические	Панорамный (фарвитрон)	В продольном электростатическом поле с параболическим ’ распределением потенциала	Качественный анализ газов (индикаторный прибор)
	С магнитным отклонением	В однородном поперечном магнитном поле	Высокоточный количественный анализ состава газовой среды в высоко-’ вакуумных установках
Динамические	Омега-трониый	В радиочастотном электрическом и постойи-ном магнитном взаимно перпендикулярных полях	Измерение парциальных давлений (преимущественно легких газов), анализ физико-химических процессов в высоком вакууме
	Квадруполъ-НЫЙ	В	высокочастотном электрическом	поле анализатора, образованного четырьмя параллельными электродами	Измерение парциальных давлений в широком диапазоне масс, контроль и управление технологическими процессами
	Моно-полирный	В высокочастотном электрическом поле анализатора, ' образованного двумя электродами	
	ВреМя-пролетный	По времени пребывания в пространстве дрейфа, свободном от электрических и магнитных полей	Исследование газовой ки| нетики с контролем газо! вых процессов длитель! ностью до нескольких ми| кросекунд 1
	Радиочастотный	В радиочастотном продольном электрическом поле	Газовый анализ в при мышленных установках! анализ молекулярных по--токов пара в установках вакуумного нанесения пленок
Общи» сведения
431
Таблица 15.2
Газ	Ион	Массовое число	Относительная высота пика
	Ht	2	1,00
Hs	н	1	0,06
	Н3+	3	0,01
\	н HD+		
Не	Не+	4	1,00
Ne	Ne+	20 22	1,00 0,10
	N?	28	1,00
Ns	N|+	14	0,08
	и N+ (* 12 * 14 *N16N)+	29	0,01
	Os	32	1,00
U8	О?+ и О+	16	0,10
		84	1,00
	Кг+	86 82	0,33 0,20
Кг		83	0,20
		42	0,19
			
	Кг’+	43 41	0,06 0,04
		41,5	0,04
	Hg+	200	1,00
ng	Hg»+	100	0,5... 0,7
	Аг+	40	1,00
Аг	Аг>+	20	0,15
	Аг+	36	0,004
			
	Н8О+	/ 18	1,00
Н’,О	ОН+	17	0,30
	0+	16	0,02
	н? '	2	0,01
	СО+	28	1,00
СО	0+	16	0,13
	с+	12	0,03
	13со+	29	0,01
	СО+	44	1,00
со8	СО+	28	0,12
	о.+	16	0,08
	с+	12	0,04
Продолжение табл. 15.2			
Га»	Ион	Массовое	Относительная высота
		число	пика
	CH?	16	1,00
	СНГ	15	0,80
сн/ .	СНГ	14	0,14
	CH+	13	0,06
	C+	12	0,02
	CjH?	26	1,00
	C2H+	25	0,20
CsH,	ОГ	24	0,05
	CH+	13	0,04
	H?	2	0,04
	W	28	1,00
CsH* «	CsHJ	27	0,50
	C,HJ	26	0,50
	QH?	28	1,00
	CsHJ	27	0,28
-	W	30	0,26
C^sHs	QHJ CsHJ	29 26	0,20 0,18
	CsHJ	15	0,03
	и СНГ		
	C,H+	25	0
		14	0
	CsHf	29	1,00
	C»H?	28	0,60
	СзНГ	44	0,45
С,Н3«	CsHJ	27	0,40
	CsHt	43	0,31
	С»Н?	39	0,20
	CsH?	41	0,16
CjHjO •«		31 46	1,00 0,24
CsH.0	СДО*	43 58 .	1,00 0,36
C4H10O	—-	31	1,00
	С4нвдо?	74	0,28
*1 Массовые числа 25, 29, 14, 24, 13,
12 дают пики от 0,1 до 0,01.
*а Массовые числа 6, 38, 37, 15, 30,
14 дают пики от 0,1 до 0,01.
** Большое число других пиков.
432
МАСС-СПЕКТРОМ Е ТРИ Я
Таблица 15.3
г - Т"		 Прибор		Порог чувствительности, Па	Разрешающая способность	Диапазон регистрируемых масс ионов, а. е. м.		Рабочий диапазон Давлений, Ла
Наименование	Марка					
	ИПДО-1	З-Ю"»	20	2	...100	10“* ... 1
Омегатрон	ИПДО-2	5-10-®	35	1	.. 250	3-10-8 1 10-3 - J
Радиочастотный	МХ-4301	10-«	25	1	.. 100	5-10“9 j io-3... io-g
масс-спектрометр	МХ-6401	5-10“’	50	1	.. 4;	10-» ... 101
Импульсный вре-	РМС-2М	5-10“’	45	12 2	.. 56 .. 12;	10“» ... 101
мяпролетный масс-аиализатор (хронотрон)	МСХ-ЗА	10“’	30	10 40 1	.. 60; ..200 .. 250	1О-» ... 10-J
Квадрупольный	МСХ-2М МСХ-4	10“10 10“*	100 >100	1 1	.. 250 .. 600	10“®,..; 10“| 10“® ... 10-1
масс-спектрометр	У А В.Э-100/2-006	1--10-»	100	2	.. 100	1.10-8 ... 1
Радиочастотный	ЭФМ-1	10“’	50	i	.. 50;	10“’ 1 10-1 ... 101
однополярный масс-спектрометр	КМ-2	10-’	300	12 2	.. 100 .. 300	io-®... 1о|
Линейный резо-	МХ-7301	10“«	200*	1	.. 200	10-» ... 1оЦ
нансный масс-ана-	АПДМ-1	10“и	400	1	..400	5-10-® ... |
лнзатор (фарви-трон)	АПДМ-2	10“’	20	2	.. 200	10“12 1 10-8 ... 10“”
Статический масс-	MX-1304	10-’	100	1	.. 120	106 ... 10-’
спектрометр	MX-1306	10“’	800	2	.. 450;	10* ... 10“’
	МСД-1	10“*	60	4 2	.. 900 .. 150	10-* ... 10“*
* В области 70 а. е. м;
главной линии. Имея спектры чистых газов, по интенсивности масс-спектра смеси можно определить состав и парциальное давление компонентов смеси.
Расшифровка масс-спектра затруднена по многим причинам. Основные из них: 
доминирование в спектрах однозарядных ионов, наряду с которыми имеются и двухзарядные; массовое число последних вдвое меньше их
молекулярной Массы (например, Аг+ I и Аг++);	Ц
наличие компонентов, состоящих 9 из нескольких изотопов и дающих Я пики интенсивности отдельных изо- Ц топов в их количественном соотно- Ц шении;	.И
при нонизацнн молекул под дей- 9 ствием электронного луча и накален- М ного катода частичная диссоциация Я сложных молекул на простые состав- 9 ляющне, которые дают в спектре соот- Ц
Статические масс-спектрометры
433
ветствующие пики иоиов (например, СО2 дает пики COt, СО+, С+, О+ и OJ); иногда различным веществам соответствуют пики с одним и тем же массовым числом (например, массовое число 1& соответствует CHJ и О+); большое число «осколочных» пиков (для спектров органических соединений), по которым можно составить представление лишь приближенное об исходном анализируемом продукте.
Для высАковакуумиых герметичных систем не характерно присутствие кислорода; кислород преимущественно дает соединения СО (массовое число 28) и СОа (массовое число 44). Признак натекания воздуха через течи — параллельный рост пиков азота (массовое число 28), кислорода (массовое число 32) и аргона (массовое число 40).
Идентифицировать вещества можно только с учетом характерного наличия дополнительных сопутствующих пиков, поскольку в масс-спектрах всех соединений при неизменной энергии ионизирующих электронов соотношение пиков примерно постоянно и практически не зависит от типа масс-спектрометра. В табл. 15.2 приведены ориентировочные спектральные характеристики некоторых газов и паров, наиболее часто применяемых в вакуумной технике, табл. 15.3 —- технические данные измерителей парциальных давлений н масс-анализаторов.
15.2.	Статические масс-спектрометры
В магнитном масс-спектрометре (рис. 15.1) анализируемый газ ионизируется в ионном источнике 2 пучком медленных электронов, эмитируемых накаленным катодом 3 и нейтрализуемых на коллектрре 1. Ионы вытягиваются из ионизатора через узкую выходную щель, ускоряются и дополнительно фокусируются полем электрических линз 4. -Пучок И моно-энергетических ионов, имеющих разные скорости в соответствии с их массами Mj и зарядами е, попадает в зону действия поперечного магнитного поля магнита 5 и, изменив направление движения под влиянием
Рис. 15.1. Принципиальная схема магнитного масс-спектрометра
лоренцовой силы, поступает через выходную щель на коллектор 6 ионов различных масс. Далее ионный ток коллектора проходит через усилитель 7 и подается на регистрирующий прибор 8. Обычно угол развертки газо-аналнтическнх масс-спектрометров 90; 120 или 180°.
Массовые числа ионов связаны с параметрами анализатора уравнением
Mi/e = 4,79-l07r2lH2m/U, (15.1)
где г* — радиус траектории иона в магнитном поле;. Нт — напряженность магнитного поля; U — ускоряющее напряжение в источнике ионов.
Анализ уравнения (15.1) показывает, что возможны два способа развертки .масс-спектра: магнитный (изменением Нт) и электростатический (изменением U).
Разрешающая способность магнитных масс-спектрометров
Р = ri/[bi + Ьг -ф а (63)],
где — ширина щели на выходе из источника ионов; Ьа — ширина щели перед коллектором ионов; а (Ь3) — суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели шириной Ьа в результате аберраций.
Панорамный масс-спектрометр (фар-витрон) -+ рис. 15.2, а — служит для качественной оценки состава остаточных газов. Анализируемый газ ноии-
434
МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЯ
Рис. 15.2. Принципиальная схема анализатора панорамного масс-спектрометра
зируется электронами, эмитируемыми накаленным катодом /, проходящими через диафрагму-модулятор 2 и ускоряемыми полем сетки 3. Ионы, образовавшиеся в анализаторе при прохождении электронов, ускоряются параболическим полем, образованным электродами 4 н 5, я под воздействием этого поля совершают колебания между сеткой 3 и сигнальным электродом 7, имеющими нулевые потенциалы. На электрод 6 подается максимальный отрицательный потенциал U (рис. 15.2, б). Каждый вид ионов наводит на сигнальном электроде 7 напряжение собственной частоты. Анализ ионов по массам заключается в измерении частот сигнальных напряжений узкополосным усилителем. Частота колебаний ионов
где Ка — коэффициент, определяемый геометрией анализатора.
Частота колебаний ионов не зависит от места их возникновения. Для получения развертки масс-спектра в панорамном масс-спектрометре изменяют резонансную частоту диафрагмы-модулятора 2.
15.3.	Динамические	И
масс-спектрометры	И
Омегатронный масс-спектрометр И (омегатрон) — рис. 15.3 — один из И самых распространенных. Электроны, И эмитированные катодом 5 накала, проходят через отверстия в улавлива-ющих пластинах 6 и попадают на коллектор ионов. Узкий пучок элек-тронов, проходя через камеру 2 ана-лизатора, ионизирует находящиеся там молекулы газа. Ионы с различ-ными массами подвергаются одновре-менному воздействию взаимно пер-пендикулярных полей: радиочастот-ного электрического (напряженно-стью | Е | = £ sin cor), приложенного между пластинами 1 и 3, и достоян-ного магнитного поля напряженностью Нт от внешнего магнита (на рисункеЦИ не показан). Ионы, для которых ча-^Ч стота кругового движения в данном магнитном поле совпадает с частотой приложенного высокочастотного напряжении, попадают в резонанс с этим полем, ускоряются им и, двигаясьяЯ по раскручивающейся спирали, дости-|^И гают коллектора 4 ионов. Силу ионногс^М тока резонансных ионов регистрируется измерительный прибор.	^Я
Ионы с другими массами вращаются^И вокруг электронного пучка, то при-ЧИ ближаясь к нему, то удаляясь от него, н Пространственный заряд, образуемый нерезонансными ионами, постепенно рассеивается и рекомбинирует на пластинах диэлектрика.
Рис. 15.3. Принципиальная схема анализатора омегатрониого масс-спектрометра
Динамические масс-спектрометры
435
Развертку масс-спектра в омегатроне получают изменением частоты высокочастотного напряжения. Резонансная частота, МГц, связана с массовым числом иона соотношением
15,3/7,п
' Mt/e ‘
Разрешающая способность омега-,трона обратно пропорциональна массе иона тг.
Р = eff2mro/(2Emi), где г0 — расстояние от коллектора ионов до оси электронного пучка.
С увеличением массового числа разрешающая способность уменьшается, поэтому омегатрон может анализировать с достаточной точностью только легкие газы.
Квадрупольный масс-спектрометр обладает высокими разрешающей способностью и чувствительностью. Его преимущество — отсутствие магнитных полей. Принципиальная схема анализатора (без корпуса) приведена иа рис. 15.4. Исследуемый газ ионизируется пучком электронов, эмитируемых катодом накала и проходящих к коллектору электронов в коробке ионизатора' 1. Из ионизатора ионы поступают через диафрагму 2 в анализатор, представляющий собой высокочастотный электрический квадруполь и образованный четырьмя параллельными стержнями (электродами) 3 круг-' лого сечения. Противолежащие электроды попарно соединены, и между ними приложено высокочастотное напряжение l/_+ U~ cos ((of), где и U~ — напряжение соответственно постоянного и переменного тока. Ион, движущийся вдоль оси стержней, раскачивается высокочастотным полем. Амплитуда колебаний ионов зависит от их массовых чисел и напряжений на стержнях.
Траектории ионов могут быть устойчивыми и неустойчивыми. Ионы с устойчивыми траекториями (амплитуда их колебаний меньше расстояния г0 от центральной оси квадруполя до стержня) проходят через анализатор и попадают на коллектор 4, создавая в цепи коллектора ток, сила которого
Рис. 15.4. Принципиальная схема анализатора квадрупольного масс-спектрометра
Пропорциональна парциальному давлению. По мере продвижения ионов с неустойчивыми траекториями вдоль анализатора амплитуда нх увеличивается. Сталкиваясь, с электродами; ионы нейтрализуются.
Дли получения развертки масс-спектра изменяют напряжения на электродах ионизатора. Массовые числа ионов, имеющих устойчивые траектории, связаны с параметрами поля соотношением
Mz/a=l,39.10-6C/J(/2r§), где f — частота, МГц.
Разрешающая способность квадру-польиого масс-спектрометра р = 0,75/(1 — у/ушах).
где у = U-JU ~ — отношение, определяющее диапазон масс ионов с устойчивыми траекториими; угаах = 0,168.
Точность определения у должна быть очень высокой, поскольку эта характеристика определяет разрешающую способность масс-спектрометра.
Монополя рный масс-спектрометр представляет собой модификацию квадрупольного, его преобразователь — один квадрант квадруполя (рис. 15.5). Преобразователь состоит из круглого стержня / и угловой пластины 2, которая находится под потенциалом земли. На стержень 1
Рис. 15.5. Принципиальная схема анализатора ыоиополярного масс-спектрометра
436
МА СС-СПЕКГРОМ Е ТРИ Я
Рнс. 15.6. Принципиальная схема анализатора времяпролетного масс-спектрометра
подается высокочастотное напряже-ние U_ + U ~ cos a>t.
Ионы из источника проходят в зазор между электродами. Для ионов, проходящих через монополярный анализатор:
Mz/e = 9.8.10-6C/~/(gr2f2), где q — параметр, в первом приближении равный 4у (для монополярных масс-спектрометров у = 0,5 ... 1,4).
Разрешающая способность моно-полярного масс-спектрометра
Mj 4£^уск е ’
где L — длина анализатора; 1/уСВ —. ускоряющее напряжение ионов в источнике.
Времяпролетный масс-спектрометр (хронотрон) — рнс. 15.6 — является наиболее быстродействующим. Камера ионизации 3 имеет катод накала /, управляющий электрод 2 и коллектор 5 электронов. В ионном источнике длительность ионизирующего электронного импульса порядка 0,1 мкс. После Прекращения ионизации образовав-
Рнс. 15.7. Принципиальная схема анализатора радиочастотного масс-спектрометра
шиеся ионы выталкиваются в ускоряющую камеру 6 при подаче на выталкивающий электрод 4 импульса напряжении той же длительности. Под действием ускоряющего напряжения L/yCK ионы приобретают одинаковые энергия. Анализатором яонов служит камера дрейфа 7, свободная от полей. В ней ноны по инерции движутся к коллектору 10. Скорость движения отдельных яонов зависит от их энергий и массовых чисел, поэтому прн пролете от источника до коллектора ионы разделяются на группы в соответствии с их массовыми числами. Время пролета ионов от источника до детектора D
ti = ^Д 1/^г/(2гС7урк) > где L% — длина камеры дрейфа.
Попав на коллектор, группы ионов создают в его цепи ток, сила которого пропорциональна парциальному давлению. Перед коллектором ионов обычно устанавливают систему, сеток, из которых ближайшая к коллектору 9 является антядннатронной. Супрессорная сетка 8 не пропускает на коллектор ионы рассеяния, энергия которых меньше энергии ионов в пакете.
Разрешающая способность прибора р = 0,5ti/Atj,
где Aij — временная характеристика ионного пакета с отношением М(/е, определяемая пространственной шириной пакета, разбросом начальных скоростей ионов, влиянием поля объемного заряда пакетов яонов и др.
Преимущество радиочастотного масс: спектрометра (рис. 15.7) — отсутствие ограничения площадей поперечных сечений ионного пучка и выходного отверстая. Электроны, эмитированные катодом накала 1, ионизируют газ в камере 2 и попадают на коллектор 3 электронов. Ионы ускоряются напряжением ИуСК в направлении анализатора масс-спектрометра, который представляет собой несколько трехсетчатых каскадов 4, расположенных на определенном расстоянии один от другого. Между крайней и центральной сетками каждого каскада приложено высокочастотное напряжение, в зависимости от которого часть ионов при движении получает энергию и
Общие сведения
437
1 1,1 -	—~-------
соответствующее дополнительное ускорение, а другая часть — отдает энергию и тормозится. Перед коллектором 6 ионов установлены тормозя-| щие сетки 5, через которые проходят только ионы с максимальной энергией. Сила тока коллектора пропорциональна парциальному давлению. Масса ионов, получающих максимальный ' прирост энергии, связана с параме
трами анализатора соотношением
где К — коэффициент пропорциональности; 10 — расстояние между сетками в каскаде.
Для получения развертки масс-Спектра в радиочастотном масс-спектрометре изменяют ускоряющее напряжение или частоту.
Глава 16. Испытания на герметичность
16.1.	Общие сведения
Испытания на герметнчность проводят для определения степени герметичности вакуумной аппаратуры (установок) и их элементов, а также выявления отдельных течей (тече-нскание).
Методы теченскания относятся к методам контроля пробными веществами и основаны на регистрации протекающих через течи пробных веществ. В зависимости от рода пробного вещества методы испытаний на герметичность подразделяют на две группы: газовые и жидкостные. Метод испытаний выбирают в завнснмости от назначения изделий, их конструктивно-технологических особенностей, требований к степени герметичности, а также техннко-экономнческих характеристик испытаний. При этом метод должен обеспечивать проведения испытаний в условиях, соответствующих действующим на предприятии требованиям по технике безопасности и промышленной санитарии.
Степень герметичности вакуумных систем и их элементов характеризуется потоком воздуха через все имеющиеся в них течи (через суммарную течь), выявленным при испытаниях и приведенным к нормальным условиям. Если при испытаниях натекание нли утечка не зафиксированы, можно утверждать, что вакуумная система или ее элементы герметичны в пределах порога чувствительности проведенных испытании. Для определения степени негерметичности нормальными считают условия перетекания .воздуха при температуре 293 ± 5 К
из атмосферы в объем, откачанный до давления меньше 10 Па, при атмосферном давлении 105 ± 4-10® Па.
Для систем, находящихся под постоянной откачкой, параметрами, определяющими герметичность, являются необходимое равновесное . давление и эффективная быстрота от-' качки. Для изолированных вакуумных . систем требования к герметичности определяются их объемом н допускаемым возрастанием давления во времени.
Методы испытаний на герметичность изложены в соответствии г с ГОСТ 24054—80 и ОСТ 11 293.031-81.
В связи с неопределенностью размеров н формы течей для оценки потоков через них следует применять моделирование: течн типа пор представляют в виде прямых каналов круглого сечения, течи типа щелей н трещин — в виде каналов прямоугольного сечения.
Режим перетекания газов через течи в вакуумных системах в зависимости от размеров н формы течи, природы газа, температуры и среднего давлении *в канале течи может быть молекуляр-( ным, вязкостным и молекулярновязкостным.
Поток следует рассчитывать по формулам:
для молекулярного течения через канал круглого сечения
Qm.k— з/ у пМ
= -^-(рв-рх);	(16.1)
Ol

438
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
у (о)
Рис. 16.1. Зависимость Y (Q) от X (г, Л) для каналов круглого сечення (линия /) и щелевндных (линия 2)
для молекулярного течения через канал щелевидного сечения
-1 /
Ч»:“-ТГ I' -а?-<р.-л> =
(18.2)
для вязкостного течения через канал круглого сечеиия
^ва. к = j6r)Z ^1)> П6-3)
для вязкостного течения через канал щелевидного сечения
«вз.	<16'4)
В формулах (16.1)—(16.4):  Q — поток, Па'м’/е; г — радиус канала круглого сечения, м; I — длина канала, м; 7? — универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т—абсолютная температура, К; М — молярная масса газа, кг/моль; р2 и р± — давление соответственно иа входе в канал и выходе из него, Па; v — средняя тепловая скорость движения молекул
газа, м/с; hub — длинная и короткая стороны щелевидного сечения, м; т| — динамическая вязкость газа, Па-с. 
Для молекулярно-вязкостного течения через каналы круглого и щелевидного сечений можно рекомендовать упрощенную формулу
Q— Фвз ~г Qm- (16.5)
Если известен поток через течь в нормальных условиях, то поток через течь в условиях, отличных от нормальных, определяют по формулам:
при вязкостном режиме течения	.
• В-вз = Свз ~	тз—~~^г i (16.6) J
чв Pi — Р2	та
при молекулярном режиме течения
где . ра — атмосферное давление, Па; I индексы пив соответствуют произ- I вольному газу и воздуху.	"
Соотношение между определя-
ющим размером канала течи и потоком через нее в общем случае молекулярновязкостного режима течения характеризует зависимость (рис. 16.1), построенную с использованием выражений для безразмерного потока и безразмерного радиуса (или «раскрытия» щели). Основное исходное уравнение имеет вид
Qk — акг4 + РИ:	'
Сщ — ссщ/i3 Рщй2, (16.8)
гдеаи=	,
_ b(p{ — pl) .
ш 24т]1
а 2л . .	.
Рк = -Jj- р (Р1 — Рв);
Рщ = -3j- 0 (Pi — .Рв)-
Для каналов круглого и щелевид иого сечений:
безразмерный поток
^ = Qk«k/P4; кщ = рщ</р3щ;
(16.9
Общие сведения
439
относительный определяющий размер
^и = лан/Ри! Лщ = Лащ/Рщ.
(16.10)
В табл. 16.1 приведены данные к определению потока В газа через течь в молекулярно-вязкостном режиме при различных определяющих размерах г круглого канала или h (при различных Ь/1),щелевидного канала. Соотношения между потоком газа через течь и ее определяющими размерами при заданных значениях I и lib (при I > г, h): Z = Bl для круглого канала радиусом г; Z — В1/Ь для трещин с раскрытием h.
Верхней границей существования молекулярного режима течения ориентировочно можно считать: для круглых течей 10“8 Па-м3/с, для щелевидных 10~4 Па-м3/с. Течение в нормальных условиях ориентировочно считают чисто вязкостным при Вк 3»
10-4 Па-м3/с и Вщ>1 Па-м3/с.
Допускаемый поток натекания в систему:
при необходимости достижения равновесного давления р в процессе откачки с эффективной быстротой So
при ограничении изменения давления Др в объеме V, изолируемом от откачной системы иа время Д/,
(?доп<631/Др/Д*,	(16.12)
где fe3 — коэффициент запаса по степени герметичности, вводимый для учета возможного влияния газовыде-ления на установившееся давление; пн — критическая концентрация компонента в натекающей газовой смеси (при определяющей роли общего газового потока пв = 1); U — проводимость системы.
Исходя из допускаемых потоков натекания в вакуумные системы, следует установить допускаемые потоки натекания их отдельных элементом, подлежащих независимой проверке.
Если возможны пористость отливок и наличие течей в листовом материале, из которого изготовлены оболочки про-
Т а б л и ц а 16.1
Z	Г» И	h, м
1,3-io-13	5,0- 10~8	2,1 - IO-10
6,7-10-12	8,5-10-8	4,6-10"10
1,3-1 о-11	1,1-10-’	6,5-10-10
6,7-10’11	1,8-10-’	1,5-10-»
1,3-io-10	2,2-10-’	2,1-10“»
6,7-10-10	3,7-10-’	4,7-10-»
1,3-10-»	4,5-10-’	6,5-10-»
6,7-10-»	7,2-10-’	1,5-10-8
1,3-10-8	8,8-10"7	2,bl0-8
6,7-10-8	1,4 10-в	4,6-10-8
. 1,3-10-’	1,7- IO”6	6,4- IO’8
6,7-10-«	4,8-10-е	4,1-10"’
1,3- io-6	5,7-10-в	5,5-10-’
6,7-10-6	8,7- IO"®	1,1-10-8
1,3-10~4	1,0-ю-6	1,4-10-8
6,7-10"4	1,5-Ю'6	2,7-10-в
1,3-ю-3	1,8-10~6	3,5-10-в
1,3- io-2	3,3- io-6	7,9- IO-6
6,7-10"»	4,9- 10-Б	1,4-10-6
0,1	5,9-10-6	1,7-IO*6
0,67	8,8-10~6	з,о- ю-6
1,3	1,1 • io-4	3,8-10-6
веряемых элементов, допускаемый поток
Фдоп. ЭЛ СдоП^Эл/^ • (16.13) где Еэл и F — площади поверхностей соответственно элемента и вакуумной системы, м.
Если все течи находятся в разборных или сварных соединениях, то
Фдоп. эл Рдоп»элЛ> (16.14) где 1..)л и 1 — длины сварных соединений соответственно элемента и системы, м.
В вакуумных системах, подлежащих контролю герметичности, должен быть обеспечен доступ пробного газа ко всем поверхностям оболочек, отделяющим вакуумный объем от атмосферы, сварным швам, разборным и неразборным уплотнениям, а также должна быть предусмотрена возможность свободного прохождения пробного газа к контролируемым участкам поверхности и от них к течеискателю. В сложных вакуумных системах предусматривают возможность секционирования системы в процессе тече-
440	ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Рис. 16.2. Многослойные сварные швы:
а — с течью; б — со сквозным каналом, в — со сквозным каналом и штуцером; 1 — сило-| вые слои шва; 2 — герметизирующие слои шва; 3 — дополнительная планка или обечайка;!
4 — штуцер	I
искания для быстрого нахождении участка с течью.
Конструкция вакуумной системы должна исключать образование внутренних течей, которые могут стать источниками длительного поступления воздуха в вакуумную систему, а также плохо откачиваемых полостей; в последних может задерживаться пробный газ, вызывающий повышенный уровень фонового сигнала тече-искателя. В местах явного образования полостей (например, за резьбовым соединением внутренних детален, за их сопряжением и др.) следует предусматривать прорези нлн проточки, обеспечивающие их эффективную откачку.
Вакуумную систему снабжают штуцерами, фланцами и другими деталями для присоединения вакуумных иасосов, преобразователей вакуумметров и течеискателей (необходимых для контроля герметичности), а также вспомогательного оборудования (чехлов, вакуумных присосок, разъемных камер и др.).
При выборе режима испытаний следует иметь в виду, что в многослойных сварных швах возможно образование сложных течей Б с промежуточными полостями Л, ' увеличивающими время прохождения пробного газа (рис. 16.2, а). Возможно также образование внутренних течей В в полость за первым герметизирующим швом. Испытание многослойных швов упрощается, если они выполнены со сквозными, по возможности секционированными, каналами Г за герметизирующим швом (рис: 16.2, б). Выведенные
через штуцера секции такого канала ЧЦ можно откачивать, контролируя изменение давления в вакуумной системе, или продувать через них пробный газ. Варианты выполнения швов со сквозными каналами приведены нгшЦВ рис. 16.2, б, в.
Перед испытанием вакуумных си^И стем и их элементов, длительное врем^М хранившихся на воздухе, необходимей подготовить нх к испытаниям — осво-бодать течи от влаги. Для удаления : воды из течей с потоком натекания менее 10-6 Па м3/с систему прогревают , в условиях вакуума прн температуре I выше 623 К- Поверхности непрогрева- Р емых вакуумных систем следует про- ; мывать летучей жидкостью с малым L’ поверхностным напряжением, на- • пример ацетоном, с последующим про- 51 гревом. Из течей с потоком натекания d более 10“6Па-м3/с воду удаляют в про- 1 цессе откачки (без прогрева).	1
Перед испытаниями на герметнч- ' I ность поверхность оборудования J должна быть тщательно промыта и I обезжирена растворителями, реко- >1 мендуемыми для вакуумных систем, ’I и просушена для освобождения кана- 'I лов течей от растворителей.	Я
Если программой испытаний пред- .'1 усмотрены испытания на вибростенде ; I или испытания на прочность (сжатие, I растяжение, тепловые удары, не- И равномерные нагрев, охлаждение и 1 др.), проверка на герметичность долЖ-на быть заключительным этапом испы- .1 таний.	I
Испытания следует проводить В в три этапа, каждый раз выбирая В метод и способ проведения, позволя- В
Общие сведения
441
ющие решать конкретную задачу этапа. Цель первого этапа (предварительных испытаний) — оценка общей герметичности испытуемого объекта, второго — поиск течей, который проводят при установлении факта негерметичности, третьего (заключительного) — проверка соответствия степени герметичности вакуумной системы техническим требованиям (проводят при испытаниях вакуумных систем или сборочных единиц).
Этап поиска течей рекомендуется разбивать на два подэтапа: выделение негерметичных участков контролируемой вакуумной системы с помощью чехлов, охватывающих отдельные участки системы, нли секционированием вакуумной системы с поочередной подачей пробного газа на отдельные участки (для обеспечения оперативности испытаний крупногабаритных си
стем выделенный негерметичный участок желательно разделить на более Мелкие для локализации течей; прн этом сокращается время испытаний и снижается вероятность пропуска течей); уточнение места расположения течей обдувом тонкой струей или с помощью щупа.
После устранения выявленных течей описанную часть испытаний повторяют до тех пор, пока на предварительных испытаниях не будет установлено, что система герметична.
Классификация основных методов контроля герметичности вакуумных систем и их элементов, а также способов проведения испытаний в соответствии с ОСТ 11 293.031—81 приведена в табл. 16.2.
Основные параметры течеискателей приведены в табл. 16.3.
Т а б л и ц а 16.2
Метод контроля	Метод проведения испытаний	Этап испытаний	Область применения
Манометр ически й	—	Первый— третий	Все виды испытаний вакуумных систем^
Масс-спектрометрический '	С использованием вакуумных присосок "	Второй	Поиск течей в незамкнутых или газонаполненных элементах ъакуум-. ных систем
	Накопление в вакууме	Третий	Контроль малогабаритных вакуумных систем и их элементов
	Обдува; применение гелиевых чехлов (камер)	Первый— третий	Испытания непрерывно откачиваемых объектов
	Испол ьзова н ие( барокамеры	.Первый, третий	Испытания элементов вакуумных систем, работающих при избыточном давлении
442
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Продолжение табл. 16.2
Метод контроля	Метод проведения испытаний	Этап испытай ай .	Область применения
Масс-спектрометрический !	Накопление проб-ного газа в атмосферном чехле	Первый— третий	Испытания газонаполненных или незамкнутых элементов прн невозможности проведения вакуумных испытаний
	Применение щупа	Второй,-третий	При использовании способа накопления при атмосферном давлении
Катарометрический	—	Второй	Контроль газонаполненных систем и элементов
Аммиачный	—		
Галогенный	Использование щупа н опрессовка объекта		Контроль вакуумных cJ стем с низкими требовя инями к степени гермя тичности	1
Высокочастотного разряда		Первый, второй	Контроль герметичности вакуумных систем со стеклянными элементами
Пузырьковый	—	Первый	Контроль систем, работающих при избыточном давлении
Люми несцентный и цветной	—	Второй	Поиск места течи; определение структуры течей в элементах вакуумных систем
Общие сведения
443
Таблица 16.3
—,—,	...	1	 Тип прибора	Принцип действии	Порог чувствительности (по пробному газу). Па. м3/с .	Пробный газ	Питание	Потребляемая мощность, Вт	Габаритные размеры, мм, не более	Масса, кг. Не 1 ! более	1
ПТИ-6 ПТИ-7 « (ПТИ-7М)	Масс-спектр о-метри-ческий	5- 10-ц 5.10--1»	Гелий	Трех фазная сеть; 220/380 В; 50 Гц	1100	600Х780Х X 1250	250
ПТИ 10		5-Ю-13				14'70Х X 675Х 620	215
СТИ-8 *1		5- IO'16				1250Х X 550X 600	260
СТИ-11						1245Х Х70Х 1325	
ГТИ-3 *1 (ГТИ-ЗА)	Галогенный	2-10-’	Хладон и другие галогены	220 В; 50 Гц	230	315Х230Х Х210	9
ВАГТИ-4 «		2-Ю-7*3 5-10-’ *’			180	388Х 245Х ХЗОО	18
БГТИ-5		7.10-’		12 аккумуляторов кнгк-ю		286X 203X X 135 (зарядное устоойство); 296Х 293Х X 135 , (измерительный блок)	6
ГТИ-6		10-7*а . ю-» *8		220 В; 50 Гц	75	360Х 160Х X 200	10'
ТП7101	Катаро-метрический	2-10-»	Гелий, хладон, диоксид углерода	127/220 В;. 50 Гц		124Х 162Х Х78 (стабилизатор); 164Х 136Х Х62 (преобразователь)	3,5
И043-009	Искро-вый	—	—	220 В; 50 Гц	60	250X210Х Х200	3
** Сняты с производства.
** Для атмосферного преобразователя.
** Для вакуумного преобразователи.
444
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
16.2.	Манометрический метод
С помощью вакуумметра можно определить суммарный поток натекания через течи в систему и обнаружить места течей. Завышенные показания вакуумметра по сравнению с расчетными или полученными ранее свидетельствуют о наличии течей в системе, если прн заливке жидкого азота в охлаждаемые ловушки давление практически не меняется.
Для определения суммарного потока натекания через течи необходимо отсоединить испытуемую систему от средств откачкн н по показаниям вакуумметра, снятым через определенные промежутки времени, построить зависимость (рнс. 16.3, кривая 2) давления от времени, определяемую суммарным потоком газовыделения внутренних поверхностей системы и потоком натекаиня через течи. Суммарный поток определяется углом наклона касательной 1 к кривой 2 в её начальной точке, поток натекания — углом наклона прямолинейного участка кривой 2 к оси абсцисс. Для определения потока натекания необходимо: установить момент времени t, в который начинается близкое к Линейному изменение давления (при этом устанавливается равновесный поток газовыделения и дальнейшее повышение давления в системе происходит только вследствие натекания через течи); измерить давление рг в вакуумной системе, соответствующее моменту времени выждать время наблюдения А? и измерить давление р2, соответствующее моменту времени /2; определить изменение давления Др
Рнс. le.S. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времени
за время наблюдения А/ и суммарный поток натекания
Q=VAp/Al,	(16.15)
где V — объем проверяемой системы, м8; Д/ — время наблюдения, с.
В системах с большим газовыделе-нием манометрический преобразователь целесообразно подсоединить через охлаждаемую ловушку, применение которой повышает эффективность поглощения продуктов газовыделения и позволяет уменьшить время выхода на линейный участок характеристики (см. рис. 16.3). Прн измерениях уровень жидкого азота в ловушке должен быть постоянным.
Прн испытаниях газонаполненных систем испытуемый элемент помещают в вакуумную камеру, в которую подают воздух под избыточным давлением. О степени негерметичности судят по изменению показаний манометрических преобразователей вакуумной камеры прн известном изменении избыточного давления в элементе. Место течи определяют по изменению показаний вакуумметра прн подаче на отдельные участки поверхности пробного вещества. Наиболее чувствительны к течи неабсолютные манометрические преобразователи, показания которых зависят от рода газа. Для получения количественной оценки обнаруживаемых течей предварительной градуировкой манометрического преобразователя устанавливают его чувствительность по воздуху йв и пробному газу k„.
Прн работе с неабсолютным манометрическим преобразователем изменение его сигнала вследствие замены потока воздуха через течи потоком пробного вещества может быть обусловлено тремя факторами: различными скоростями натекания воздуха и пробного вещества через течн; различными значениями быстроты откачкн воздуха и пробного вещества насосами испытуемой системы; различными чувствнтельностямн манометрического преобразователя к воздуху н пробному, веществу. Рекомендуется использовать пробное вещество, по которому все трн фактора действуют в одном направлении, вызывая увеличение или уменьшение
Масоспектрометрический метод
445
показаний вакуумметра, т. е. чтобы удовлетворялось неравенство
l> (16.16) нли
^П^вСп/С^В^пСп) 1> (16.17) где Sj и Sn ~ быстрота действия насоса прн откачке соответственно воздуха и пробного вещества, м3/с; QB и Qn — поток через течь соответственно воздуха и пробного вещества, Па-м3/с; kB н kn — коэффициенты чувствительности манометрических преобразователей соответственно к воздуху и пробному веществу, А/Па.
При использовании манометрического преобразователя с линейной характеристикой испытания второго этапа можно проводить с количественной оценкой обнаруживаемых течей. Для этого необходимо: снять показания Pi манометрического преобразователя, отградуированного по воздуху, до подачи пробного вещества на течь; обдуть пробным газом или смочить пробной жидкостью предполагаемые места течн и снять показания вакуумметра р2 при вновь установившемся давлении; определить изменение давлений Др = р2 — pi по воздушному эквиваленту и рассчитать поток газа через течь, вызвавший реакцию вакуумметра:
для молекулярного режима
Вм = vSnAp/(6v —Р); (16.18)
для вязкостного режима
Вв8 = Е«пДр/(6&-Р),. (16.19) где v = Мп/Мв — отношение молярных масс пробного вещества и воздуха; 6 = Sn/SB — отношение эффективных быстрот действия по пробному веществу и воздуху; 0 = knlkB — коэффициент относительной чувствительности манометрического преобразователя по пробному веществу; £ = =	— отношение динамических
вязкостей пробного вещества и воздуха.
Если в испытуемой системе применено селективное средство откачкн с Sn = 0, то обнаруженный поток газа через течь оценивают пр формуле
В = УДрп/(Д/₽),	(16.20)
где Дрп — изменение давления пробного вещества за время А/.
При испытании вакуумных систем жидкие пробные вещества рекомендуется применять лишь в тех случаях, когда требуется обнаружить поток газа через течь В^ 10-Б Па-м3/с; в этом случае сигнал о течи больше, чем при работе с пробным газом. Экспериментально установлено, что реакция вакуумметра на пары ацетона почти на три порядка превышает реакцию на гелий.
Манометрический метод испытания на герметичность широко применяют, так как практически в каждой вакуумной установке есть по крайней мере один из наиболее распространенных вакуумметров, который можно использовать для выявления и поиска течей. Это позволяет проводить испытания без применения дополнительного оборудования.
16.3.	Масс-спектрометрическнй метод
Масс-спектрометрический метод основан на принципе ионизации газов и паров с последующим разделением образовавшихся ионов в магнитных и электрических полях. Этот метод — наиболее чувствительный и универсальный. Разнообразие объектов исследования по объему н рабочим характеристикам обусловливает разнообразие способов реализации метода: с применением обдува и гелиевых чех? лов (камер), щупа, барокамеры, вакуумных присосок, метода накопления.
Перед _ началом испытаний масс-спектрометрические течеискатели градуируют с помощью диффузионной гелиевой течи типа «Гелит» в соответствии с инструкцией по эксплуатации, прилагаемой к каждому образцу течи. Градуировкой определяют цену деления шкалы выходного прибора тече-нскателя
SQ = Не/(аНе~аф)> (16-21) где QHe — поток гелия от течи «Гелнт», Па-м3/с; аНе — установившийся сигнал течеискателя при измерении гелиевой течн, мВ; аф — сигнал течеискателя, обусловленный фоном гелия, мВ.
Предельные возможности течеискателя . характеризуются порогом
446
ИСПЫТАНИЯ НА .ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
Рис. 16.4. Схемы испытаний на герметичность:	I
1 — испытуемая система: 2 — дроссельный клапан; 3 — теченскатель; 4 — вспомогательный механический насос; 5, 7 — клапаны; 6 — пароструйный насос
чувствительности, т. е. минимальным потоком пробного газа, регистрируемым течеискателем:
О . =2AaAso (16.22) х min	ф Q> *	'
где Л«ф — минимальная амплитуда флуктуаций фонового сигнала. мВ.
Вакуумные системы и отдельные элементы испытывают по одной из трех схем, показанных на рис. 16.4, в зависимости от суммарного газового потока Q2, предварительно рассчитанного или найденного экспериментально.
По первому варианту (рис. 16.4, а), как правило, испытывают отдельные элементы вакуумных систем, суммарный газовый поток которых не превышает предельно допускаемый поток течеискателя <2П0П. Вспомогательный механический насос 4 отключают сразу после достижения форвакуума в системе и соединительных коммуникациях. Если суммарный газовый поток <?£ проверяемого элемента превышает предельно допускаемый поток течеискателя 9доП, испытания проводят с работающим механическим насосом. Дроссельный клапан 2 течеискателя 3 открывается до получения максимально допускаемого давления в анализаторе рдоп — 0,02 Пй.
Минимальные размеры обнаруживаемой течи при испытании со вспомогательным механическим насосом зависят от давления в проверяемом элементе, предельного остаточного давления механического насоса и уровня фонового сигнала, определяемого про-
тиводиффузией гелия из окружающей атмосферы через механический насос. , Проверяемый элемент присоединяют к'входному флаицу течеискателя непосредственно илн с помощью присоединительных трубок с достаточно высокой проводимостью по гелию (ие менее 10-2 м3/с).
Применение второго варианта (рис. 16.4, б) целесообразно в двух случаях: при испытаниях элементов вакуумной системы нли объемов с большими потоками газовыделеиия и натекания . когда объем отбираемого в тече-искатель газа достаточен для создания в анализаторе предельно допускаемого давления рдоп при соединении течеискателя с высоковакуумной системой: прн большом и нестабильном фоновом сигнале, создаваемом механическим насосом (если этот сигнал нельзя устранить).
Схема, приведенная на рис. 16.4, в, позволяет получить наиболее высокую чувствительность в широких пределах изменеиня объема, различных потоках газовыделеиия проверяемых элементов и системы в целом, а также при разной длительности подачи гелия. Схема обеспечивает возможность максимального отбора газа в тече-искатель, малое время установления сигнала н, следовательно, . наибольшую чувствительность (если поступление газов нз форвакуумной линии приводит к увеличению фонового сигнала).
До тех пор, пока через течеискатель проходит предельно допускаемый поток, минимальные размеры обнаружи
М асс-спектрометрический мччюд
447
ваемой течи не зависят от числа параллельных линий откачки и лимитируются суммарным газовым потоком испытуемой вакуумной системы. Чувствительность максимальна в условиях, когда весь газовый поток линии, к которой подсоединен течеиска-тель, меньше или равен максимально допускаемому потоку через течеиска-тель, а механический насос этой линии отключен. При испытании больших объемов следует сводить к минимуму объем форвакуумной линии, к которой присоединен теченскатель, а также применять пароструйные насосы с большой быстротой действия.
Испытания на герметичность вакуумных систем можно проводить с помощью масс-спектрометрических анализаторов парциального давления, устанавливаемых наряду с манометрическими преобразователями на высоковакуумных системах. С их помощью можно оценить общую степень негерметичности по содержанию кислорода в остаточных газах системы. Места течей устанавливают по изменению пиков масс-спектра, соответствующих выбранному пробному газу. Наименьшие размеры обнаруживаемой течи при таких испытаниях сравнительно велики вследствие значительной быстроты действия пароструйных насосов. В качестве пробных веществ целесообразно применять аргон и гелий.
Способы обдува и гелиевых чехлов (камер) применяют при испытаниях Непрерывно откачиваемых вакуумных систем, первый для обнаружения мест течей, второй — для определения степени негерметичности оболочки проверяемой системы или ее элемента, оперативного выявления негерметичных участков и течей сложной конфигурации, повышения чувствительности испытаний систем с большой постоянной времени откачки.
Гелиевую камеру обычно используют для испытаний малогабаритных систем; при контроле крупногабаритных систем камеру можно заменить полиэтиленовым чехлом. Способ гелиевых чехлов или камер дает более объективные и точные результаты (поток натекания- через течи), чем способ обдува. При обдуве больше ска
зываются разбавление гелия воздухом, временные характеристики’ течей и испытаний, невозможность выявления течей из-за быстрого перемещения обдувателя над отдельными участками испытуемой поверхности или случайного пропуска этих участков. Для проведения испытаний теченскатель соединяют с испытуемой системой по одной из схем, показанных на рис. 16.4.
Испытания по первому варианту (рис. 16.4. а) проводят в следующем порядке. Откачивают систему 1 и все соединительные коммуникации вспомогательным насосом 4\ при достижении в системе давления менее 10 Па плавно открывают дроссельный клапан 2, устанавливая в течеискателе рабочее давление ppag < рдоп; включают теченскатель 3 и приступают к поиску течей; по мере обнаружения и устранения течей плавно открывают дроссельный клапан 2."После полного его открытия перекрывают клапан 5, отделяющий механический насос, если давление в течеискателе не начнет превышать предельно допускаемого, при котором обеспечивается обнаружение течи с минимальными размерами. Иногда полное открытие дроссельногр клапана невозможно из-за высокого предельного остаточного давления механического насоса; тогда перекрывают механический насос. Если давление при этом не уменьшается, значит насос не является причиной повышения давления и его следует подключить вновь.
Испытания по схемам, показанным на рис. 16.4, б, в, проводят в следующем порядке. Откачивают механическим насосом 4 систему 1, включая патрубок, соединяющий ее с течеиска-телем 3. Если в системе удается получить давление меньше предельного выпускного давления пароструйного насоса 6, включают его. В противном случае откачку системы проводят только механическим насосом 4; плавно открывая дроссельный клапан 2 течеискателя, устанавливают в системе течеискателя 3 рабочее давление; включают катод и приступают к поиску течей. Если после устранения ряда течей давление в системе снизится настолько, что можно включить пароструйный иасос 6, его включают и
448
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
б)
Рис. 16.5. Схема испытаний иа герметичность с помощью вакуумных присосок: 'а — схема установки (1 — течеискатель; 2 — дроссельный клапан течеискателя; 3 — манометрический преобразователь; 4, 6, 9 — клапаны; 5 — вакуумная присоска; ? — механический вакуумный насос; 3 — течь «Гелнт»); б — присоска
продолжают испытания после достижения в системе высокого вакуума.
По мере обнаружения н устранения течей плавно открывают дроссельный кл-апан 2 течеискателя. Если пр-н полностью открытом дроссельном клапане давление в течепскателе 3 ниже рабочего, то для увеличения чувствительности течеискателя прн работе по схеме, показанной на рнс. 16.4, в, перекрывают трубопровод к механическому насосу 4 системы (давление прн этом не должно превышать рабочего), закрыв клапан 5, н стремятся работать иа более чувствительных шкалах течеискателя компенсацией фоновых сигналов.
Для уточнения места течи следует использовать способы, препятствующие попаданию гелня в течи, располо-| женные на участках поверхности, смежных с обдуваемыми. Эффективно создание у обдувателя воздушной струн, смещающей поток гелия в одном направлении. При этом ступенчатое перемещение обдувателя позволяет точнее установить место течи.
Если градуировку выполняют с помощью течи «Гелит», поток гелия через обнаруженную течь
Q = Sq (а Юф) сНе, (16.23) где а — сигнал течеискателя; сНе —
концентрация гелия в смесн газов, подаваемой на течь.
Способ вакуумных присосок применяют при контроле герметичных листовых заготовок для вакуумных систем и их незамкнутых, а также газонаполненных элементов.
Прн испытаниях вакуумные присоски устанавливают на проверяемые участки поверхности, с противоположной стороны которых подают гелий (рнс. 16.5). Прн проверке незамкнутых элементов (например, сварных швов обечаек) гелий можно подавать с помощью полиэтиленового чехла, наклеенного на поверхность липкой лентой. Присоску предварительно откачивают механическим насосом и соединяют с течеискателем специальным штуцером.
При использовании присосок испытания рекомендуется проводить в такой последовательности. По течи «Ге-лнт», установленной на входе течеискателя, определить цену деления sQ; установить присоску на заведомо герметичном участке проверяемой поверхности; открыть клапан 6 (при этом дроссельный клапан 2 течеискателя открыт, клапан 4 закрыт), зафиксировать момент начала откачки и откачать присоску до давления, не превышающего 7 Па; перекрыть клапан 6 и открыть клапан 4. Через заданное время после начала откачки присоски несколько раз определить фоновый сигнал а*, переуплотняя присоску, и подсчитать разброс- фоновых сигналов Да* и значение QmIn по формуле (16.22). Установить присоску на проверяемом участке и, выполнив те же операции, что н при определении Юф, зафиксировать сигнал течеискателя а. Если а — "Хф < (2 ... 3)Х ХДаф, проверяемый участок следует считать герметичным в пределах чувствительности, определяемой значением Qmln.
Прн малом разбросе фонового сигнала ДсСф можно повысить чувствительность испытаний компенсацией фонового сигнала Яф и переводом измерений на более чувствительную шкалу. Разброс Даф не должен превышать 10 ... 20% по выбрациой шкале.
Измерения проводят следующим образом. Включают компенсационную
Масс-спектрометрический метод
449
схему течеискателя н прн одновременном переключении шкалы плавным изменением компенсирующего напряжения уменьшают показания выходного прибора так, чтобы стрелка установилась на расстоянии одной трети от начала отсчета выбранной для измерения шкалы. Измеряют скомпенсированные показания выходного прибора течеискателя ак. Затем переключатель шкал переводят в исходное положение и тумблером исключают компенсацию (положение потенциометра схемы компенсации при этом не должно меняться).
После уплотнения присоски иа контролируемом участке (через заданное после начала откачки время) измеряют сигнал выходного прибора течеискателя. Если a aj «ф, следует тумблером перевести измерение на более чувствительную шкалу. Если отклонение полученного сигнала от ак не превышает (2 ... 3) Даф, течь отсутствует.
Способ барокамеры применяют для проверки герметичности элементов вакуумных систем, работающих прн избыточном давлении.
Для проведения испытаний элемент помещают в откачиваемую барокамеру. Внутреннюю полость элемента заполняют гелием или смесью, содержащей гелий. Теченскатель подсоединяют к барокамере (см. рис. 16.4, б, в) и, отградуировав систему, определяют значения sQ и Qm(n по формулам (16.21) и (16.22). Порядок проведения испытаний аналогичен описанному для способа обдува гелиевых чехлов (см. рнс. 16.4, б, в).
Испытания с накоплением пробного газа проводят в следующем порядке. С помощью течи «Гелнт», установленной на барокамере, определяют цену деления выходного прибора течеискателя по объему гелия в системе испытания. Для этого при подсоединенных течи и сорбционном насосе отключают пароструйный насос и определяют цену деления шкалы выходного прибора течеискателя, Па-м3/мВ:
8« = СнВД7(аНе-“ф)- <16-24)
Затем перекрывают течь «Гелит», откачивают барокамеру пароструй-
15 П/р В. С. Фролова
Рве. 16.6. Схема испытаний на герметичность способом щупа:
1 — щуп; 2 — гибкий трубопровод; 3 — манометрический преобразователь; 4 — дроссельный клапан течеискателя; 5 — теченскатель; б — механический вакуумный насос; 7 — клапан
ным насосом до установившегося давления, отключают пароструйный насос, определяют фоновый сигнал течеискателя Иф через определенное время Д/ после отключения пароструйного насоса, подсоединяют пароструйный насос, заполняют внутреннюю полость изделия гелием илн смесью с концентрацией гелня сНе> отключают пароструйный насос, определяют сигнал течеискателя через то же время Д/.
Суммарный поток гелня
а — а* 1
с = 5«~дА^- <16-25>
Способ щупа применяют для обнаружения мест течей в элементах вакуумных систем, работающих под избыточным давлением, а также для определения степени негерметичности этих элементов при испытаниях способом накопления гелня в чехле прн атмосферном давлении. Испытания способом щупа проводят при заполнении испытуемого элемента гелием (илн смесью гелня с балластным газом) до максимально допускаемого давления.
Щуп 1 (рнс. 16.6) представляет собой устройство, проводимость которого обеспечивает прохождение через него потока 2- 10~3 ... 10~2 Па.м3/с; оптимальный поток (2 ... 5) Ю-3 Пах Хм3/с. Расстояние между всасывающим соплом щупа н входом в вакуумный объем должно быть минимальным. Гибкий трубопровод 2 должен быть герметичным и обладать предельно малым газовыделением н «памятью» по гелию. Длина трубопровода также
450
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
должна быть минимальной, но достаточной для исследования наиболее удаленных участков системы. Рекомендуются трубопроводы, состоящие из металлических трубок с короткими резиновыми вставками.
Щуп с гибким трубопроводом можно заменить капиллярным зондом, представляющим собой длинный гибкий капилляр из коррозионно-стойкой стали с распределенным вакуумным сопротивлением. Капилляр длиной 4 ... 5 мм, диаметром 0,1 ... 0,2 мм создает рабочий поток газа (4 ... 6)-3 Па-м3/с. Капиллярный зонд не требует регулирования и обеспечивает высокую стабильность газового потока.
Испытания способом щупа проводят в следующем порядке. Заполняют испытуемое изделие гелием до максимально допускаемого давления для данного изделия. Присоединяют щуп 1 с трубопроводом 2 (нли капиллярный зонд) ко входу течеискателя 5. механическим насосом 6 через клапан 7 откачивают систему трубопроводов, клапан 7 оставляют открытым. Регулируют шуп на оптимальную проводимость. Поток регулируют, например, по сигналу манометрического преобразователя на входе течеискателя; потоку (2 ...51 10“3 Па-м3/с соответствует давление 7 ... 30 Па. Открывают входной клапан течеискателя так. чтобы давление в анализаторе составляло 0,01 Па; проверяют чувствительность течеискателя, поднося всасывающее сопло щупа или свободный конец капилляоного зонда к диффузионной течи типа «Гелит», закрытой пробкой со сквозным отверстием диаметром 0,1 ...0,2 мм (можно использовать пробку, которой комплектуется течь «Гелит»): компенсируют фоновый сигнал на удобную для работы шкалу. Перемещая шуп вдоль поверхности испытуемого изделия, заполненного гелиевой смесью, определяют место течи. При приближении к месту течи поток газа, всасываемого щупом, обогащается гелием, что индицируется течеискателем.
Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяют по формулам (16.21) и (16.22). При градуировке щуп подносят к отверстию в пробке течи «Гелит» на расстояние около
0,2 мм. Чувствительность в значительной мере зависит от скорости перемещения и расположения щупа относительно течи. В связи с тем, что при градуировке и испытаниях трудно добиться идентичности условий, зарегистрированный поток через течи можно оценить лишь ориентировочно. Поток газа через течь в зависимости от давления в испытуемом элементе можно оценить по формуле /16.6).
Для повышения точности получаемых результатов испытания целесообразно проводить с помощью насадки. идентичной по профилю обследуемой поверхности, чтобы большая часть гелиевого облака захватывалась щупом. Точное расположение места течи рекомендуется определять зоидом с. иглой.
Герметичность всего элемента системы или его отдельной части можно проверить, собрав вытекающий через течи гелий в полиэтиленовый чехол, содержащий атмосферный воздух. Степень герметичностн определяют по повышению концентрации гелия в чехле, измеряемой с помощью щупа в начале и в конце испытания. Этот способ основан на накоплении пробного газа, проникающего через течи, в сосуде, изолированном от откачной системы, и последующем перепуске накоплеиного гелня в течеискатель после откачки всех остальных газов сорбционным насосом. Такой способ позволяет обнаружить с помощью тече-искателей типа ПТИ потоки до 10~14 Па-м3/с.
Испытания по способу накопления с применением сорбционного насоса можно осуществить, например, с помощью простейшей установки (рис. 16.7). Установка позволяет производить накопление в нескольких испытуемых элементах одновременно либо заменять или откачивать одни элементы, в то время как в других проходит накопление.
Минимальный обнаруживаемый поток через течь определяется значением и стабильностью фоновых гелиевых потоков в испытуемой системе. Для уменьшения этих потоков в соединениях системы применяют металлические уплотнения. В части системы, которую лишь иа короткое время от
Галогенный метод
451
деляют от средств откачки, можно устанавливать резиновые уплотнения. Для присоединения к течеискателю проверяемых деталей и сборочных единиц следует использовать специальные быстроразъемиые приспособления, обеспечивающие высокую степень герметичности при малом газовыделении.
Испытания по способу накопления проводят в следующем порядке (рис. 16.7): открывают клапаны 3, 6, 8, 12 и откачивают систему форвакуумным насосом 11 (клапан 2 закрыт); закрыв клапан 12 и откпыв клапан 2, откачивают систему высоковакуумным насосом течеискателя 1 или вспомогательным высоковакуумным насосом, если объем проверяемого объекта велик. Охлаждают сорбционный насос 9 жидким азотом, закрывают клапан 3, а затем клапан 6 и осуществляют накопление фонового гелия в испытуемых изделиях 5 в течение времени Д/. Закрывают клапан 2; кратковременным открытием клапанов 6 перепускают накопленный газ в объем насоса 9, открывают клапан 4, перепускают накопленный фоновый гелий в течеиска-тель 1, зафиксировав максимальный сигнал Юф иа лейте самопишущего потенциометра, и закрывают клапан 2.
Из-за возможной нестабильности фонового сигнала такой опыт рекомендуется повторить несколько раз н определить среднее значение Юф н Даф. Течь можно обнаружить, если вызываемый ею сигнал удовлетворяет условию
а>Юф + 2Даф. (16.26)
Далее на изделие надевают чехол (полиэтиленовый или резиновый) и заполняют его гелием. Выполнив те же операции, что и при определении Юф, фиксируют максимальный сигнал а течеискателя, определяют цену деления Sq течеискателя с помощью гелиевой течи 4. Последнюю операцию выполняют в определенной последовательности: накапливают гелий в течи (все клапаны установки закрыты), открывают клапаны 6 и 8 и кратковременным открытием клапана 3 перепускают накопленный гелий в насос 9 (клапаны 6 открыты для сохранения одинаковых- условий испытаний и градуировки), открывают клапан 2 и,
5
Рис. 16.7. Схема испытаний иа герметичность способом накопления с применением сорбционного цеолитового насоса:
1 — течеискатель; 2, 3, 6 — 8, 12 — клапаны; 4 — гелиевая течь; 5 — испытуемые изделия: 9 — насос; 19 — манометрический преобразователь; 11 — механический форвакуумный иасос
перепустив накопленный гелий в течеискатель,, регистрируют фоновый сигнал аНе течеискателя от течи. Определяют цеиу деления выходного прибора течеискателя по уравнению (16.24), а поток гелия, вытекающего в изделие, — по Формуле (16.25).
16.4.	Галогенный метод
Галогенный метод основан на свойстве накаленной пластины в присутствии галогенов или галогеносодержащих веществ (хладоиа, хлорида метила и др.) оезко увеличивать эмиссию положительных ионов, регистрируемых течеискателем. Галогенные те-чеискатели имеют анализаторы двух типов — вакуумный и атмосферный. Течеискатели с вакуумными анализаторами применяют для контроли вакуумных систем с относительно низкими требованиями к герметичности, течеискатели с атмосферными анализаторами — для контроля газонаполненных систем, работающих в вакууме и допускающих опрессовку галогеио-содержащим газом.
При испытаниях вакуумный анализатор рекомендуют присоединить к вы-соковакуумиой части системы. При таком расположении анализатора минимальный обнаруживаемый поток газа через течь уменьшается, так как повышается стабильность температуры эмит
15*
452
ИСПЫТАНИЯ НА ГЕРМЕТИЧНОСТЬ
тера (колебания форвакуумного давления приводят к нестабильности этой температуры) и соответственно силы фонового тока, исключаются эффекты сорбции хладоиа на переходных коммуникациях и снижается степень загрязнения анализатора.
Контроль герметичности систем галогенным течеискателем с атмосферным анализатором следует проводить способом, аналогичным способу щупа.
Поток газа через течь, зависящий от давления опрессовки и концентрации галогена в контролируемой системе, вычисляют по формуле (16.6) для вязкостного режима течения газа.
Помещение, в котором проводят испытания галогенным течеискателем, должно быть оборудовано системой приточно-вытяжной вентиляции. Содержание галогенов в атмосфере помещения ие должно превышать 10~4%.
Течеискатели следует градуировать в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
16.5.	Катарометрический метод
Катарометрический метод применяют при проведении атмосферных испытаний н для обнаружения течей в газонаполненных системах с допускаемым потоком натекания <2ЯОП Ю-в ПаХ Хм3/с.
Катарометрический теченскатель реагирует на изменение теплопроводности газовой смеси при добавлении к воздуху пробных газов, отличающихся по теплопроводности от воздуха. При этом благодаря применению компенсационной схемы теченскатель нечувствителен к общему уровню фона пробных газов.
В качестве пробных можно использовать газы, существенно отличающиеся по теплопроводности от воздуха. Ниже приведены относительные теплопроводности некоторых газов (индексы г и в соответствуют газу и воз-ДУХУ):
дующем порядке. Заполняют испытуемую систему пробным газом под избыточным давлением, перемещают анализатор течеискателя вдоль контролируемой поверхности. Приближение его к месту течи сопровождается попаданием в теченскатель пробного газа Н изменением теплопроводности газовой смеси. При этом меняются температура и электрическое сопротивление нагретой инти анализатора, что регистрирует выходной прибор течеискателя.
16.6.	Метод высокочастотного разряда
Метод высокочастотного разряда основан иа возбуждении высокочастотного разряда при давлении 103 ... 10-1 Па в вакуумных системах, имеющих стеклянные участки.
Контроль герметичности необходимо проводить в следующем порядке. Подготовить к работе искровый течеиска-тель в соответствии с техническим описанием и паспортом, прикосновением электрода течеискателя к контролируемой стеклянной поверхности или к металлическому стержню, впаянному в стекло, возбудить высокочастотный электрический разряд в вакууме; для обнаружения течей в стеклянных оболочках вакуумных систем перемещать электрод вдоль контролируемой поверхности откачанной вакуумной системы и следить за характером и цветом искрового разряда.
Цвет свечения разряда зависит от состава газовой смеси; газовьщелению соответствует серый цвет, натекание воздуха вызывает лилово-красное свечение; если поток воздуха через течь заменить парами ацетона, бензина, эфира или диоксида углерода, цвет свечения из лилово-красного станет серым.
В процессе перемещения электрода
Газ.......................
ХГ/1В .....................
Газ........................
...................
Испытания на герметичность метрическим методом проводят
со2	Аг	Хладон-12	Хладон-22
0,674	0,674	7,300	9,300
о2	СН4	Не	Н2
1,015	1,318	6,040	7,130
катар о-	над стеклянной оболочкой при отсут-		
в еле-	ствии в	ней течей на конце электрода	
Люмингсцвнтный метод
453
виден пучок искр, направление которых не связано с какнми-лнбо фиксированными точками иа контролируемой поверхности системы. При приближении электрода к месту течи разряд формируется в тонкий и яркий пучок, направленный на течь.
При контроле герметичности методом высокочастотного разряда возможен пробой стеклянной стенки контролируемого элемента. Для исключения пробоя ие следует задерживать электрод с высокочастотным разрядом над каким-либо участком стеклянной поверхности.
16.7.	Пузырьковый метод
Пузырьковый метод применяют прн предварительных испытаниях отдельных элементов прогреваемых вакуумных систем, способных выдерживать избыточное давление. Испытания проводят в следующем порядке. Испытуемый объект заполняют воздухом или пробным газом под избыточным давлением, погружают объект в жидкость нлн смачивают его поверхность мыльным раствором. Наличие течи определяют по пузырькам, появляющимся на наружной поверхности объекта. Поток газа, вытекающего через течь,
Q = 0,4пп^ра/Д/,	(16.27)
где пп — число пузырьков, появившихся за время наблюдения Aft Da — диаметр пузырьков.
Так, при диаметре наименьшего поддающегося наблюдению пузырька 0,5 мм и частоте появления пузырьков пп/Ы = 1/30 с-1 минимальный регистрируемый поток натекания составит 10-7 Па-м’/с. После проведении испытаний объект извлекают из жидкости и просушивают, сохраняя в нем давление пробного газа или воздуха.
Порог чувствительности можно увеличить повышением давления в испытуемом объекте или откачкой газа над испытуемой жидкостью.
16.8.	Аммиачный метод
Аммиачный метод основан на химическом взаимодействии аммиака, проникающего через течн, с индикаторным веществом, нанесенным на по
верхность испытуемого объекта. Испытания с помощью аммиачного метода необходимо проводить в следующем порядке. Испытуемую систему заполняют аммиаком в виде аммиачио-воздушиой смеси под избыточным давлением; на участки поверхности с предполагаемой течью накладывают бинт, смоченный нитратом ртути. Для повышения точности результатов испытаний рекомендуется применять индикатор метиловый красный.
Место течи определяют по образующимся иа бинте пятнам. Минимальный обнаруживаемый поток аммиака составляет IO-8 Па-м3/с.
16.9.	Люминесцентный метод
Люминесцентный метод применяют в основном при отработке технологии герметизации для визуального наблюдения «устья» течей, а при изготовлении шлифов с разрезом по месту течи для исследования структуры каналов течей. Общие требования к проведению испытаний этим методом изложены в ГОСТ 18442—80. Сущность метода заключается в том, что испытуемый объект полностью или частично погружают в раствор люминофора в органической жидкости, так чтобы он ие попал во внутреннюю полость. При наличии течи под действием капиллярных сил раствор втягивается внутрь течи и через некоторое время проходит иа ее противоположную сторону, где по мере испарения растворителя скапливается подсохший люминофор.
Обследуя поверхность испытуемого изделия в ультрафиолетовом излучении (ртутно-кварцевая лампа), можно обнаружить места течей в виде светящихся точек и линий. Этим методом можно индицировать течи до 10-6... IO-8 Па-м3/с. При наблюдении используют лиизы для фокусировки ультрафиолетового излучения, что увеличивает площадь видимой поверхности светящегося сигнала и его яркость.
Необходимо выбирать люминофор, цвет свечения которого исключает появление ложных сигналов. В качестве растворителей используют трихлорэтилен, бензол и тетрахлорид углерода. При проведении испытаний
454
ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
люминесцентным методом необходимо соблюдать правила работы с этими растворителями.
Главное преимущество метода — отсутствие необходимости в откачке испытуемых объектов.
Глава 17. Испытания вакуумных насосов н агрегатов
17.1.	Общие сведения
После изготовления н ремонта, а также в процессе эксплуатации насосов и агрегатов их подвергают испытаниям для оценки пригодности к эксплуатации.
Основные параметры вакуумных насосов и агрегатов, подлежащих испытаниям: предельное остаточное давление, быстрота действия (кроме адсорбционных насосов), наибольшее выпускное давление (для пароструйных насосов), наибольшее давление запуска и наибольшее рабочее давление (для геттерных насосов), наибольшее отношение давлений (для двухроторных насосов), максимальный откачиваемый объем в диапазоне рабочих давлений (для адсорбционных насосов).
Для напуска воздуха в испытательную установку следует применять сухой воздух, имеющий точку росы не выше 233 К (условия и порядок проведения испытаний изложены в соответствии с ОСТ 11 295.021—74).
Испытательная установка включает испытуемый насос (агрегат) с присоединенной к нему измерительной
камерой, аппаратуру для измерения давления и потока газа, а также соединительную и запорную арматуру.
Диаметр D измерительной камеры (рис. 17.1, а) для всех насосов, кроме механических с масляным уплотнением и адсорбционных, должен быть равен условному проходу Dy на входе испытуемого насоса, но не менее 100 мм. При DV<C 100 мм между измерительной камерой и испытуемым насосом устанавливают переходник (рис. 17.1, б).
В испытательной установке для измерения потоков газа с помощью диафрагм предусматривают две камеры (рис. 17.2) — измерительную 1 и напускную 2, изготовленные из коррозионно-стойкой стали. Диафрагмы 4 устанавливают при измерении потоков менее 10~4 Па-м3/с, а также потоков в безмасляных системах. Диафрагма может служить одновременно вакуумным уплотнением фланцевого соединения между измерительной и напускной камерами.
Проводимость ия диафрагм выбирают в зависимости от требуемой быстроты действия S испытуемого на-
Рис. 17.1. Измерительная камера (а) и переходник (tfl:
/ — напускная трубка; 2 — фланец или штуцер для присоединения манометрического преобразователя
Механические насосы (агрегаты) с масляным уплотнением
455
Рис. 17.2. Схема установки для измерения потока газа с помощью диафрагм:
1 — измерительная камера; 2 — напускная камера; 3, 5 — манометрические преобразователи; 4 — диафрагма
coca (агрегата). Проводимость (Уд рекомендуется принимать равной 0,1 S.
Диаметр диафрагмы
4Д = 0,59 Уиул/^Т), где М — молекулярная масса газа; k — коэффициент Клаузинга; Т — температура газа, К.
Рекомендуемая толщина диафрагмы 0,5 мм.
Для измерения давления в одном диапазоне рекомендуется выбирать вакуумметры и манометрические преобразователи одного типа.
Поток газа можно измерять бюретками, ротаметрами, с помощью диафрагм и т. д. Допускаемые погрешности измерения потока Q газа; ±3% при Q > 1 Па-м3/с, ±5% при Q= 1 ... 10~4 Па-м3/с, ±20% при Q < 10-4 Па-м3/с.
Перед сборкой все поверхности испытательной установки, которые будут находиться в вакууме, следует очистить и обезжирить в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). После сборки испытательную установку необходимо проверить на герметичность. Здесь следует учитывать, что по быстроте действия насосы зарубежных фирм несколько превосходят аналогичные отечественные иасосы. Это объясняется различием в методиках измерения. Обычно в зарубежной практике при измерениях вводят поправку на проводимость участка между штуцером 2 (см. рис. 17.1) на измерительном колпаке и входным сечением насоса. При
учете этой поправки, рассчитанной по обычным формулам вакуумной техники. получают быстроту действия насоса на 8 ... 10% больше значения, определенного без поправки (как принято в отечественной практике).
17.2.	Испытания механических насосов (агрегатов) с масляным уплотнением
Параметры механических насосов с масляным уплотнением проверяют на установке, схема которой приведена на рис. 17.3.
Измерительная камера должна иметь объем
F > 5FBC — 3003/п, где VBC — объем всасывания за один оборот насоса; 3 — требуемая быстрота действия испытуемого насоса, дм3/с; п — частота вращения, мин-1.
Между испытуемым насосом и измерительной камерой допускается устанавливать переходник (см. рис. 17.1, б).
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый иасос 1 (рис. 17.3) согласно инстоукции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2 при закрытом натекателе 4 до установления в ней равновесного давления. Равновесным считают давление, которое в течение 3 ч изменяется не более чем на 10%. Это значение принимают за предельное остаточное давление насоса. Давление следует измерять
Рнс. 17.3. Схема установки для испытаний механических вакуумных насосов с масляным уплотнением н адсорбционных:
1 — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 6 — манометрические преобразователи; 4 — натекатель;
5 — напускная трубка
456
ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
Рис. 17.4. Схема системы иапуска газа: 1 — закрытая бюретка: 2 — кран бюретки; 3 — фланец для присоединения к измерительной камере; 4 — фланец для присоединения к напускной камере при измерении методом диафрагм; 5 — манометрический преобразователь; 6 — промежуточная камера; 7 — клапан; 8 — газовый баллон с редуктором
питательной установке и кран 2 бюретки 1 открыты, а клапан 7 закрыт. После достижения указанного давления закрывают натекатель на испытательной установке и открывают клапан. Промежуточную камеру 6 наполняют газом до атмосферного давления. Измеряют быстроту действия в указанном порядке.
Для газобалластных насосов одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроты действия следует выполнять с закрытым, а вторую — с полностью открытым газобалластным устройством.
при закрытом натекателе с периодичностью не менее 1 ч.
Быстроту действия измеряют методом постоянного давления следующим образом. Включают испытуемый насос и откачивают измерительную камеру до предельного остаточного давления. Допускается откачивать камеру до давления, равного 0,1 рвх, где рвх— давление во входном сечении насоса, прн котором требуется измерить быстроту его действия. Не прекращая откачки, в измерительной камере устанавливают давление газа рвх так, чтобы результаты трех последних измерений давления не отличались более чем на 10%. Одновременно измеряют поток Q газа, поступающего в измерительную камеру через натекатель. Вычисляют быстроту действия насоса при заданном давлении рвх по формуле S = Q/pBX.
Для получения зависимости между быстротой действия испытуемого насоса и давлением рвх следует определить быстроту действия иасоса при различных давлениях не менее 3 раз в каждом десятичном диапазоне (для значений в интервалах от 2 до 3; от 5 до 6; от 8 до 10). Измерения начинают с самого низкого давления. Эту зависимость изображают графически в полулогарифмических координатах 1g р—S.
Быстроту действия по определенному газу измеряют с помощью закрытой бюретки в следующем порядке. К на-текателю испытательной установки подсоединяют систему иапуска газа (рнс. 17.4). Откачивают собранную систему до предельного остаточного давления; при этом натекатель на ис-
17.3.	Испытания двухроторных насосов (агрегатов)
Параметры двухроторных вакуумных насосов (агрегатов) проверяют иа установке, схема которой приведена на рис. 17.5. Длина трубопроводов от выходного фланца испытуемого насоса 1 до манометрического преобразователя 7 на выходном трубопроводе должна быть ие более 150 мм, а от манометрического преобразователя до натекателя — не менее 200 мм. Предельное остаточное давление и быстроту действия измеряют согласно
Рис. 17,5. Схема установки для испытаний двухроторных и пароструйных насосов и агрегатов:
1 — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 6t 7 — манометрические преобразователи; 4, 8 — натека-тели; 5 — напускная трубка; 9 — клапан;
10 — форвакуумный насос
Турбоаомкуляршм насрал (асрегаты)
457
методике, изложенной для механических насосов.
Если в качестве форвакуумного насоса 10 использован газобалластный иасос, то одну серию измерений предельного остаточного давления и быстроты действия следует проводить с закрытым, а вторую — с полностью открытым газобалластным устройством .
Наибольшее отношение давлений тшах определяют в следующем порядке. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления и измеряют давление на выходе испытуемого насоса рвых. Постепенно увеличивают с помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе давление рВых Д° значения, допускаемого инструкцией по эксплуатации насоса. При этом измеряют давления рвых и Ро для заданного ряда давлений в измерительной камере. Для каждого измерения вычисляют отношение давлений "Чпах = Рвых/ро- Строят зависимость в полулогарифмических координатах 1g Рвых ^шах-
ПЛ. Испытания турбомолекулярных насосов (агрегатов)
Параметры турбомолекулярных насосов проверяют, на установке, схема которой дана на рис. 17.6. Испытуемый насос (агрегат) прогревают в соответствии с инструкцией по эксплуатации. Одновременно для обезгажи-ваиия измерительной 2 и напускной 6 камер с установленными на них нате-кателем 4 и манометрическими преобразователями 3, 7 их прогревают при температуре не выше 673 К.
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по эксплуатации и проверяют частоту вращения ротора иа соответствие паспортным данным. Включают нагреватели 10 и 9 насоса и камеры и, не прекращая откачки, прогревают испытательную установку н насос (натекатель 4 камеры должен быть открыт, а его входное отверстие заглушено). Выключают нагреватели и измеряют предельное остаточное давление в соответствии с ранее описанной методикой.
Рис. 17.8. Схема установки для испытаний турбомолекулярных и сверхвысоковакуум-иых диффузионных насосов и агрегатов: 1 — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 7, 11 — манометрические преобразователи; 4, 12 — натека-телн; 5 — напускная трубка; б — напускная камера; 8 — диафрагма; 9, 10 — нагреватели; 13 — клапан; 14 — форвакуумный насос
При давлении ниже 0,1 Па быстроту действия измеряют методом постоянного давления в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления (допускается откачивать камеру до давления, равного 0,1 рвх, где рвх— давление, при котором требуется измерять быстроту действия). Закрывают натекатель 4 камеры и снимают заглушку с его входного отверстия. С помощью натекателя камеры в ней устанавливают давление рвх. Число измерений должно быть не менее трех; результаты трех последних измерений ие должны отличаться более чем иа 10%. Одновременно измеряют давление рн в напускной камере 6. При заданном давлении рвх вычисляют быстроту действия иасоса (агрегата)
S = t/д (Рн/Рвх 1)-
Определение зависимости между быстротой действия иасоса н давлением на его входе, измерение быстроты дей
458
ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
ствия насоса по какому-либо газу, а также при рВ1 > 0,1 Па следует проводить по методике для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением.
Прн испытаниях турбомолекуляр-иых насосов (агрегатов) одновременно с измерением давления иеооходнмо проверять частоту вращения ротора на соответствие паспортным данным.
17.5.	Испытании пароструйных насосов (агрегатов)
Параметры пароструйных насосов проверяют на установке, аналогичной показанной на рнс. 17.5.
Предельное остаточное давление и быстроту действия определяют согласно методике, изложенной для механических вакуумных насосов с масляным уплотнением. При измерении предельного остаточного давления паро-ртутных вакуумных насосов (агрегатов) перед манометрическими преобразователями следует устанавливать азотные ловушки.
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном давлении измеряют в следующем порядке. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного остаточного давления р0. С помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5 Подавление, измеренное в этот момент манометрическим преооразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого насоса (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации и откачивают измерительную камеру до давления в 10 раз меньше давления, соответствующего максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере 2 устанавливают давление р, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 8 на выходном трубопроводе в измерительной камере Увеличивают давление до 1,5 р0. Дав
ление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 7, принимают за наибольшее выпускное давление.
Для испытаний сверхвысоковакуумных диффузионных насосов (агрегатов) используют установку, собранную по схеме, которая показана на рнс. 17.6, без нагревателя насоса.
Предельное остаточное давление и быстроту действия сверхвысоковакуумных диффузионных насосов измеряют согласно методике, приведенной для турбомолекулярных насосов.
Наибольшее выпускное давление при предельном остаточном давлении измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления р0. С помощью натекателя 12 на выходном трубопроводе увеличивают давление в измерительной камере до 1,5 р0. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
Наибольшее выпускное давление при входном давлении, соответствующем максимальной производительности испытуемого насоса 1 (агрегата), измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации н откачивают измерительную камеру 2 до давления в 10 раз меньше давления, соответствующего максимальной производитель ностн насоса (агрегата). С помощью натекателя 4 в измерительной камере устанавливают давление р, соответствующее максимальной производительности насоса (агрегата). С помощью натекателя 12 на выходном трубопроводе давление в измерительной камере увеличивают до 1,5 р. Давление, измеренное в этот момент манометрическим преобразователем 11, принимают за наибольшее выпускное давление насоса (агрегата).
17.6.	Испытания адсорбционных иасосов (агрегатов)
Параметры адсорбционных вакуумных насосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 17.3.
Объем измерительной камеры (см. рис. 17.1, а) должен быть равен мак
Геттгрныс насоси (асрееати) и крнонасоси,
459
симальному откачиваемому объему Vmax в диапазоне рабочих давлений. Между испытуемым насосом н измерительной камерой допускается устанавливать переходник (см. рнс. 17.1,6).
Предельное остаточное давление измеряют согласно методике, разработанной для механических насосов с масляным уплотнением.
Максимальный откачиваемый объем Утах в диапазоне рабочих давлений проверяют в следующем порядке. Включают испытуемый насос 1 (агрегат) согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают измерительную камеру 2 до давления 1,33 Па; при этом через каждые 15 мин измеряют давление. Строят зависимость давления, на входе в насос от времени откачки в полулогарифмических координатах 1g Рвх
17.7.	Испытания геттерных насосов (агрегатов) и крионасосов
Параметры геттерных насосов и крио-насосов проверяют на установке, схема которой дана на рис. 17.7.
Форвакуумную систему, которая должна обеспечивать откачку установки до давления, необходимого для пуска испытуемого насоса (агрегата), следует выбирать в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). Проникновение в установку паров рабочего вещества (масла, геттера и др.) и продуктов его разложения не допускается.
Предельное остаточное давление измеряют в следующем порядке. Включают форвакуумную систему и откачивают испытательную установку до давления, необходимого для запуска испытуемого насоса (агрегата) 1. При этом натекатель 4 должен быть открыт, его входное отверстие заглушено, клапан 9 открыт. Включают нагреватель 11 и, не прекращая откачки, прогревают установку в соответствии с инструкцией по эксплуатации насоса (агрегата). Температура прогрева не выше 673 К- Выключают нагреватель и после охлаждения установки до температуры 333 ... 343 К закрывают клапан 9. Измерительную камеру 2 откачивают до предельного
Рис. 17.7. Схема установки для испытаний геттерных насосов и крионасосов (агрегатов):
1 — испытуемый насос (агрегат); 2 — измерительная камера; 3, 7, 10 — манометрические преобразователи; 4 — натекатель; 5 — напускная трубка; 6 — напускная камера; 8 — диафрагма; 9 — клапан;
11 — нагреватель остаточного давления в соответствии с методикой, изложенной для механических насосов с масляным уплотнением.
Быстроту действия измеряют в следующем порядке. Откачивают измерительную камеру 2 до предельного остаточного давления. Измеряют быстроту действия в соответствии с методикой, изложенной для турбомолекулярных насосов.
Прн измерении быстроты действия испарительных геттерно-нонных насосов (агрегатов) допускается использовать закрытую бюретку и систему напуска газа по схеме, показанной на рис. 17.4.
Наибольшее рабочее давление измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 (см. рис. 17.7) согласно инструкции по эксплуатации. В испытательной установке с помощью натекателя 4 устанавливают давление, равное предполагаемому наибольшему рабочему. Если при работе насоса (агрегата) в течение 1 ч давление в измерительной камере 2 меняется не более чем на
460 ИСПЫТАНИЯ ВАКУУМНЫХ НАСОСОВ И АГРЕГАТОВ
10%, давление на входе насоса принимают за наибольшее рабочее давление. Если давление меняется более чем на 10%, следует уменьшить давление в испытательной установке и повторить измерение.
Наибольшее давление запуска измеряют в следующем порядке. Включают испытуемый насос (агрегат) 1 согласно инструкции по эксплуатации. Откачивают испытательную установку до давления 10~4 Па. Выключают насос (агрегат). Наполняют испытательную установку воздухом до атмосферного давления, открыв натекатель 4. Закрывают натекатель, открывают клапан 9 и откачивают испытательную установку с помощью форвакуумной системы до давления, равного ожидаемому давлению запуска. Измеряют давление манометрическими преобразователями, установленными иа измерительной камере 2. Закрывают клапан 9. Включают испытуемый насос и регистрируют время откачки испытательной установки до давления 10~4 Па. Если время откачки составляет 7 ... 10 мин, давление в начале откачки принимают за наибольшее давление запуска. Если время откачки больше 10 мия, опыт повторяют, уменьшив начальное давление
в испытательной установке; если время откачки меньше 5 мин, опыт повторяют, увеличив давление.
Для новых или прошедших капитальный ремонт магнитных электрораз-рядных насосов перед испытаниями необходимо измерить предельное остаточное давление по изложенной методике. Затем следует включить испытуемый насос (агрегат) и провести тренировку, поддерживая в испытательной установке натекателем давление в пределах 10-2 ... 10~3 Па, откачать систему в течение 2 ... 3 ч, после чего повторить прогрев установки в течение 10 ч при температуре не выше 673 К.
Испарительные геттерные и конденсационные насосы, ие откачивающие инертные газы, следует испытывать при открытом клапане 9. Эффективная быстрота действия форвакуумной системы должна составлять не более 15% номинальной быстроты действия испытуемого иасоса.
Вакуумные крионасосы проверяют иа установке, схема которой дана иа рис. 17.7. Предельное остаточное давление и быстроту действия измеряют согласно методике, изложенной для геттерных насосов.
Я “о S Ь О
Я га
I S га
Продолжение приложения	Тепловой поток, Вт, от стеякн насоса к экрану площадью, дм*	о о	00 <0 СЧ 00	50 СЧ 00 Ч1 ^’СОСОООСОГ>СЧ<0 — СОСЧООчГОеОемаО^неъ ^^СЧСЧСОСОяфяф
		о	Ч" CD СЧ Ф	5 00	СЧ	Ю •"^СО’ФЮЬ.СОО	—	С^’фООСЧСО	00	СЧ	СО * |Ч М Q О * 00*	СО	S -и* СЧ чг Ю	N оо	ф	-	СЧ	*
		о со	ОО^.’ФЮ	00 со	СЧ <0	- *4 А. *4 ** "1 °®	°1 оо со сч СО <0 ~	СО* СЧ* 1Л Ф О) Ср СО О N	О* к*	СС — — -"Счсчсчсоль--«	ао сч io	со со — — — СЧСЧСЧСОСО
		о	сч	S	—	SSintScncM-fioco	сч	со	со	оо ”	ю	о сч	со	2 сч ю g g £ со со	-	£	Ю	<	g	сч —	~	сч	сч	сч	со
		о <о	СО^$Оу_СрСЧОО'* Ь^^^ОООЮСООООСОСЧОО^*	СО	СЧ	00	’Ф СЧ* »Р СО — СО* СО*	СЧ*	N Ю* СЧ* Ф* СО Ю СО* О 00* (D — — — — СЧСЧСЧЮ0О —	СО	со	о	СЧ	«Ф	N —	—	—	—•	сч	сч	сч
		о ш	СОе©ОСЧ10СО — ’ФЬ. СЧ*	50* Ch ~ СО Ф 00* О « Q 05 СЧ IO 00 —	N О -~--СЧСЧ'*'ОО->сСЮС0ОМ « - «	сч сч
		о	1 о	00	СЧ	со	00	СЧ	со —	С©	IP	СО,	СЧ^	О	00,	N	Ю	'f	00	СЧ	CD	00	СЧ	CD СО	Ю	ьГ	О	-£	СЧ	со	00	Jg	|g	g	gj °"	00	Jg	Cg
		о е*э	7* ОСО’ФСЧ	CO CD. * сч —' b. — io О СЧ CO о	00 CD	СЧ	00 co ’Ф сч co сч tjT io с© qo 0> —* сч co	~ ig g eg eg o* xjT co
		О сч	о *	°5 _ «3 5 <o oo —	'Ч 4 “1 *. n. 01 T. ®	сч	<o co_ •	СЧ n	1Л !O s’ » и и n to a in -j" n с/ СЧ -C4M4'in(Osooc> o>
		о	z;	7. CO 00 CO	N	СЧЙ	о	- (D	СЧ	00	’ff-	CD	СЧ	00 Д	сч*	СЧ*	co*	co*	<t<*	о	co	co*	co S	O?	CD	- cp --сч^сосо^З ’Ф о
	а		00 0^0 00000 — счео’фюсоь-оооо oooooooooooooooooo —
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Аверина А. П., Левина Л. Е. Масс-спектрометрия разреженных газов. Методы и аппаратура течеискания. М.: Машиностроение, 1977. 47 с.
2.	Александрова А. Т. Новые способы передачи и формирования движения в вакууме. М.: Высшая школа, 1979. 69 с.
3.	Александрова А. Т., Поло-тай Г. А. Заготовка деталей электровакуумного производства. М.: Высшая школа, 1980. 223 с.
4.	Александрова А. Т., Назаров Л. Н., Дривинг Н. Я. Исследование параметров процесса герметизации сверхвысоковакуумной арматуры с использованием жидкофазных металлических уплотнен ий//Электронная техника (сер. 4). 198.0. Вып. 4 (81). С. 42—44.
5.	Александрова А. Т., Горю-йов А. А., Ермаков Е. С. и др. Вакуумные маиипуляторы//Электрои-ная промышленность. 1981. Вып. 106. № 10. С. 45—52.
6.	Амосова Л. М., Цейтлин А. Б., Ширяев А. Т. Рабочие жидкости для вакуумных насосов. М.: ЦИНТИхим-нефтемаш (ХМ-6), 1989. 28 с.
7.	Арсентьев П. П., Коледов Л. А. Металлические расплавы и нх свойства. М.: Металлургия, 1976. 376 с.
8.	Балицкий А. В. Технология изготовления вакуумной аппаратуры. М.: Энергия, 1974. 312 с.
9.	Беляков И. Т., Борисов Ю. Д. Технология в космосе. М.: Машиностроение, 1974. 375 с.
10.	Вакуумное оборудование. Каталог М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1985. -60с.
11.	Гейнце В. Введение в вакуумную технику. М.—Л.: Госэнергоиздат, 1960. Т. 1. 512 с.
12.	Гладков А. С. Металлы и сплавы для электровакуумных приборов. М.: Энергия, 1970. 505 с.
13.	Глазков А. А., Малышев И. Ф., Саксаганский Г. Л. Вакуумные си
стемы электрофизических установок. М.: Атомиздат, 1975. 288 с.
14.	Ротационные компрессоры/ А. Г. Головинцов, В. А. Румянцев, В. И. Ардашов и др.; Под ред. А. Г. Го-ловинцева и В. А. Румянцева. М.: Машгиз, 1964. 314 с.
15.	Гуревнч Л. С. Расчет испарительных геттерных насосов. Л.: 1975. 23 с. (Препринт/НИИЭА; А = 0243).
16.	Данилин Б. С., Минайчев В. Е. Основы конструирования вакуумных систем. М.: Энергия, 1971. 392 с.
17.	Дубинский В. А., Дмитриев Р. В., Кеменов В. Н. Форвакуумная каталитическая ловушка//Электроиная промышленность. 1988. № 6. С. 65.
18.	Дубинский В. А., Лавыгин В. А. Вакуумные адсорбционные ловушки повышенной проводимости для механических вакуумных насосов//Элек-тронная промышленность. 1988. № 4. С. 64—65.
19.	Жмакин Г. Г. Относительная чувствительность ионизационных ма-иометров//Всесоюз. симпоз. «Состояние и перспективы разработки и производства новых видов вакуумного оборудования». Тез. докл. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1981. Вып. 2. С. 171—172.
20.	Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением: Пер. с англ./Под ред. Б. А. Хрусталева. М.: Мир, 1975. 934 с.
21.	Зиман А. Д. Адгезия жидкости и смачивание. М.: Химия, 1974. 416 с.
22.	Контор Е. И. Геттерные и ионио-геттерные насосы. М.: Машиностроение, 1977. 64 с.
23.	Кошмаров Ю. А., Рыжов Ю. А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение, 1977. 184 с.
24.	Кузьмин В. В., Левина Л. Е., Творогов И. В. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискаиия. М.; Энергоатомиздат, 1984. 240 с.
25.	Кучеренко Е. Т. Справочник
464
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
по физическим основам вакуумной техники. Киев: Вища школа, 1981. 264 с.
26.	Львов Б. Г., Шувалов А. С. Современные свер'хвысоковакуумиые уплотнения. М.: Высшая школа, 1984. 72 с.
27.	Львов Б. Г., Шувалов А. С. Техническое обслуживание новой вакуумной коммутационно-регулнрую-щей аппаратуры. М.: Высшая школа, 1987. 80 с.
28.	Серия азотных форвакуумных ловушек на условные проходы £>у = = 16 , 32 , 63, 100 и 160 мм/В. Г. Мартыненко, В. Л. Першии, С. Ф. Гришин и др.//Вопросы атомной науки и техники. Харьков: ХФТИ АН СССР, 1980. Вып. 4 (14). С. 26—27 (Сер. Общая и ядерная физика).
29.	Медников М. Й. Вводы движения в вакуум. М.: Машиностроение, 1974. 182 с.
30.	МииайчевВ. Е. Вакуумные крио-насосы. М.: Энергия, 1976. 151 с.
31.	Минайчев В. Е., Мирош-кин С. И. Обзоры по электронной технике//Орбитронные геттер но-ионные насосы. М.: ЦНИИ «Электроника». 1970. Вып. 4 (201) (Сер. Микроэлектроника).
32.	Найдич Ю. В. Контактные явления в металлических расплавах. Киев: Наукова думка. 196 с.
33.	Номенклатурный каталог на освоенные и серийно выпускаемые изделия вакуумного машиностроения иа 1989 г. М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1989. 14 с.
34.	Одинокое В. В. Шлюзовые системы в вакуумном оборудовании. М.: Высшая школа, 1981. 55 с.
35.	Передача движения в вакуум/ Е. А. Деулин, Э. П. Амосов, Ю. А. Хруничев и др. М.: ЦИНТИхим-иефтемаш, 1975. 58 с. (Сер. Криогенное и кислородное машиностроение).
36.	Петрунин И. Е. Физико-химические процессы при пайке. М.: Высшая школа, 1972. 560 с.
37.	Пипко А. И., Плисковский В. Я-> Пенчко Е. А. Конструирование и расчет вакуумных систем. М.: Энергия, 1970. 505 с.
38.	Рот А. Вакуумные уплотнения: Пер. с англ.М.: Энергия, 1971. 464 с.
39.	Саксаганский Г. Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М.: Атомиздат, 1980. 216 с.
40.	Сильфоиы/Л. Е. Андреева, А. И. Беседа, Ю. А. Багдаиова и др. М.: Машиностроение, 1975. 159 с.
41.	Слободенюк Г. И. Квадруполь-ные масс-спектрометры. М.: Атомиз-дат, 1974. 272 с.
42.	Соколов Е. А., Зингер Н. М. Струйные аппараты. М.: Энергия, 1970. 287 с.
43.	Справочник по физико-техническим основам криогеиики/М. П. Малков, И. Б. Данилов, А. Г. Зельдович и др.: Под ред. М. П. Малкова. М.: Энергия, 1973. 392 с.
44.	Таблицы физических величин Под ред. И. К- Кикоина. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
45.	Усюкин И. П. Установки, машины и аппараты криогенной техники. М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. 296 с.
46.	Физико-химические свойства окислов/Под ред. Г. В. Самсонова. М.: Металлургия, 1969. 455 с.
47.	Фролов Е. С. Турбомолекулярные вакуум-насосы. М.: Машиностроение, 1980. 119 с.
48.	Фролов Е. С., Никулин Н. К. Теоретические основы процессов высокого вакуума. М.: МВТУ им. Н. Э. Баумана, 1978. 72 с.
49.	Фролов Е. С., Автономова И. В., Васильев В. И. и др. Механические вакуумные насосы. М.: Машиностроение, 1989 . 284 с.
50.	Цейтлин А. Б. Пароструйные вакуумные насосы. М.—Л.: Энергия, 1965. 396 с.
51.	Чайлдс У. Физические постоянные: Пер. с англ. М.: Физматлит, 1962. 76 с.
52.	Liu В. X. and Jang Z. J. An Investigation of the characteristics of different Sorbents for Trapping oil Molecules. Proc. 8 th Int. Vac. Congr., Cannes, 1980. V. 2.
53.	Richman J. Consideration in Utilization of Large Mechanical Vacuum Pumping Sistems, Ind. Heat, 1986, 53, N 6, pp. 18—20.
54.	Sawada T., Suzuki M., Tanigu-chi O. The axial molecular pump. Part I, — sehent. Papers Inst. Phys, and Chem. Res., 1968, N 2, pp. 49—64.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Авогадро число 23, 30
Агрегат вакуумный 7 — пароструйный 330 — типа АВР 241 ---НВЗ и АВЗ 260
Аппаратура запорно-регулирующая 150
Б
Баллон предохранительный 7 — уравнительный 7 Бойля—Мариотта закон 31 Быстрота действия вакуумного насоса И, 42 — откачки 11, 42 ---эффективная 11
В
Вакуум 4
—	низкий 4
—	высокий 4
—	средний 4
—	сверхвысокий 4
Вакуумметр 11 абсолютный 11 быстродействие 415 деформационный 408 дифференциальный 11 жидкостный 406 — компрессионный 407 — U-образный 406 ионизационный 415 — магнитный электроразрядиый 422 — радиоизотопный 421 — электронный 415 классификация 405 тепловой 412 условное обозначение 15 чувствительность относительная 414 Вакуумметрия 405 Вводы вакуумные 8 механические 173 конструкции 185 электрические 185 принципиальные схемы передачи движения 174—179
Вероятность перехода молекул газа че
рез межлопаточные каналы 272 Вещество пробное 13 Воздух атмосферный парциальное давление компонентов 24 состав 21 Время откачки 5 Вязкость газов 37 — динамическая 38
F
Газы идеальный 28 нормальное состояние 5 основное уравнение состояния 30 остаточный 5 разреженный 5 — режимы течения 43 — скольжение 41
Газовыделен ие 7
Гей-Люссака закон 31
Генри уравнение 398
Герметичность 13
—	норма 13
Геттер 341
физические свойстна 342
Гребенка 7
условное обозначение 19
Д
Давление атмосферное 5 — газа 5 ----абсолютное 5 ---- парциальное 5 — запуска вакуумного иасоса наибольшее 11, 297 — насыщенных паров 390 — остаточное предельное 5, 296
Дальтона закон 32
Диффузия в газах 38
Длина свободного пути частицы 5 — средняя 5 — эффективная 5
Дубинина—Радушкевича уравнение 398
Е
Емкость сорбционная 397
Ж
Жидкость рабочая 215, 313, 318
466
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
3
Закон Бойля—Мариотта 31
—	Гей-Люссака 31
—	Дальтона 32
—	Максвелла 34
Замазка вакуумная 75
Замуровывание атомов 341
Заряд электрона 23
Затворы вакуумные 8, 154 конструкции 154—158 характеристики 154—158
Звенья герметизирующие гибкие 200 диафрагма резиновая 200 компенсатор резиновый линзовый 201 сильфоны 201 — конструкции 201 — основные параметры 202—204
И
Испарители 345
К
Камеры вакуумные 137 классификация 137 конструктивные элементы 137 охлаждение 143 прогрев 143 условные обозначения 17 Клапан вакуумный 8, 159 конструкции 159—167 напускной 169 условные обозначения 19 характеристики 159—167 Клапейрона уравнение 30
Клаузннга коэффициент 48, 49 — значения для трубопроводов различного сечения 50—52 — формула 48
Кнудсена число 44
Константы физические 23
—	основные для газов 31
Концентрация газа молекулярная 5
Коэффициент аккомодации 6, 40
—	диффузии 5, 39
—	эжекции объемный 299 306
Крионасосы испытания 459 классификация 378 принципы действия 378 способы охлаждения 381 тепловые нагрузки 382 технические характеристики 402 — условное обозначение 16
Л
Лак вакуумный 75
Ловушки 8, 331
высоковакуумные 332 — адсорбционные 336 — механические 332 ----- принципиальные схемы 334 — низкотемпературные 333 защитная способность 332 классификация 331 конденсационная 8, 333 назначение 331 сорбционная 8, 337 удельная проводимость 332 условное обозначение 17 форвакуумные 337 —' адсорбционная 337 —/ низкотемпературная 337 Лошмидта число 23
М
Максвелла закон 33 Масло вакуумное 267 Маслоотражатель 332 Масса молекулярная 30 Масс-спектрометрня 429—437 Масс-спект рометры динамические 434 — времяпролетные 435 — квадрупольные 435 — монополярные 435 — омегатронные 434 — радиочастотные 436 классификация 429 статические 433 — магнитные 433 — панорамный 434 условное обозначение 17 Материалы вакуумных систем керамика 84—86 клей 89 металлы тугоплавкие 82 — цветные 83 пластмассы 87, 88 резины 88, 89 ситаллы 84—87 стали и сплавы для работы при ниаких температурах 80 стали жаропрочные 79 — коррозионно-стойкие 79, 80 — легированные 79 — углеродистые 76 стекло 84, 85 титан и его сплавы 81, 82 чугуны 76
Н
Насосы вакуумные адсорбционный 378, 395 — расчет 401
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
467
—	технические характеристики 403 геттерные 376
геттерно-ионные 354
—	орбитронные 358
испарительные геттерные 348
— характеристики 352, 353
—	электродуговые 351
комбинированные 371
конденсационно-адсорбционный 378 конденсационный 378
—	высоковакуумный 389
--- расчет 393
—	низковакуумный 394
--- расчет 394
криогеттерный 378
криозахватиый 378
магнитные электроразрядные 363
механические 206
—	водокольцевой 215
—	газобалластиые 265
— двухроторные 206, 232
—	испытания 454
—	классификация 232
—	принципиальная схема 233
—	расчет 235
— технические характеристики 241
— жидкостно-кольцевые 206, 215
—	классификация 215
—	расчет 217
—	технические характеристики 224 многопластинчатый 249 молекулярный 9
объемного действия 9 пластинчато-роторные 249
—	конструктивная схема 250
—	технические характеристики 255
—	условное обозначение 16, 255 пластинчато-статориые 251
—	конструктивная схема 251
плунжерные 259
—	откачная характеристика 265
—	размеры 260
—	техническая характеристика 262 поршневые 206
—	классификация 206
—	конструкция 213
—	принцип действия 206
—	расчет 209
—	технические характеристики 212
с масляным уплотнением 249
—	выбор рабочей жидкости 251
—	испытания 454
—	откачные характеристики 255
—	расчет 252
струйные 296
—	диффузионные 316
---рабочие жидкости 318
--- технические характеристики 321 — жидкоструйные 297 — испытания 458 — классификация 296
—	основные характеристики 296
—	пароструйные бустерные 310
—	пароэжекторные 299
—	эжекторные 296 турбомолекулярные 268 — испытания 457 — конструкция 269
—	откачная характеристика 291
—	размеры 272
—	расчет 282, 291
—	технические характеристики 272 центробежный 10 условные обозначения 16 Натекание 13
Натекатель 8, 167 конструкция 167 принцип действия 168 условное обозначение 20
О
Обезгаживанне 7
Окна вакуумные 189 коэффициенты защиты от запыления 191
Опрессовка 14
Откачка 5 — ионная 343
П
Плаика постоянная 23
Плотность газа 5
Порог чувствительности 14
Пост откачной 7
Постоянная газовая универсальная 23
Поток газа 6
Проводимость 43
— статистический метод расчета 54 — пример расчета 61
— элемента вакуумной системы 42, 43 Производительность вакуумного насоса 296
С
Система вакуумная 7
— централизованная, расчет 58
Скачок температурный 41
Скорость света в вакууме 23
Смазка вакуумная 7, 75
Соединения вакуумные герметичные классификация 97, 98 паяные 102—105 разъемные 107—137 сварные 98—102
468
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
с помощью глазурей, ситаллоцементов
и эпоксидных смол 97, 106
Сопротивление элемента вакуумной си-
стемы 43
Сорбент 395
Сорбция 343
Сосуд Дьюара, условное обозначение 18
— откачиваемый 7
Средства откачки электрофизические
341
Степень негерметичности 13
Стефана—Больцмана постоянная 23
Схемы вакуумные принципиальные 15
буквенные коды элементов 15
правила выполнения 15
пример выполнения 20
размеры основных обозначений 21
Сюзерлеида постоянная 36
Т
Теплопроводность газов 36
Техника вакуумная 4
материалы 75, 76
основное уравнение 43
термины и определения 4
Течеискание 13
методы контроля герметичности 441
— галогенный 451
— искровой 452
— катарометрический 452
— люминесцентный 453
— манометрический 444
— масс-спектрометрический 445
теченскатель 14
Течение газа 6, 43
— вязкостное 6, 44
— молекулярное 6, 47
Течь 13
внутренняя 440
калиброванная 14
перекрытие 13
Трубопровод вакуумный 7
— байпасный 7
условное обозначение 18 форвакуумный 7
У
Уравнение Генри 398
— Дубинина—Радушкевича 398
— Клапейрона 30
Условный проход 7
ряд нормальных размеров 14
Установка вакуумная 241
с насосами типа 2ДВН 241, 243 типовые схемы 243
Устройства вакуумные 169
дозаторное 266 загрузочные 197 напускные 169 противоаварийные 169 распределительные 173
Утечка 13
Ф
Фильтр ВЫХЛОПНОЙ 8
Форвакуум 5
Ч
Чувствительность относительная аа куумметров 414
— магнитных электроразрядиых 426
— радиоизотопных 421
— тепловых 414
— электронных ионизационных 419
Ш
Шланг вакуумный 8
Шлиф 8
Шлюз ваауумиый 7
Э
Экран теплозащитный 380, 386
пористый 399
шевронный 400
Элементы вакуумной системы 7
проводимость 6
условные обозначении 14
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ...............
Раздел 1
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ
Глава 1. Общие сведения. . .
1.1. Понятие вакуума . . . . 1.2. Термины и определения 1.3. Условные проходы элементов вакуумных систем. . .
1.4.	Принципиальные вакуумные схемы................
1.5.	Единицы физических величин .....................
1.6.	Соотношеиие единиц давления и потока газа........
1.7.	Состав атмосферного воздуха ......................
1.8.	Некоторые физические коистаиты .................
1.9.	Приведение массы тела в атмосфере к массе тела в вакууме .....................
1.10.	Газокииетические параметры .....................
1.11.	Основные области применения вакуумной технологии .......................
Глава 2. Основные сведения из молекулярно-кинетической теории газов ..............
2.1.	Давление газа.........
2.2.	Законы идеального газа 2.3. Барометрическая формула ......................
2.4.	Скорость молекул газа. Закон распределения молекул газа по скоростям .........
2.5.	Средняя длина свободного пути молекул газа....
2.6.	Теплопроводность газов
2.7.	Вязкость газов........
2.8.	Диффузия в газах. . .
2.9.	Законы взаимодействия
3
4
4
4 4
14
15
21
21
21
23
25
25
25
28
28 30
32
33
35
36
37
38
молекул газа с поверхностью
твердого тела................  40
2.10.	Скольжение разреженных газов..................... 41
2.П.	Температурный	скачок	41
Глава 3. Течение разреженных газов и проводимость элемеитоа вакуумных	систем.............. 42
3.1.	Основные понятия ...	42
3.2.	Основное уравнение вакуумной	техники............... 43
8.3.	Режимы течения газов	43
3.4.	Вязкостный режим течения .......................... 44
3.5.	Молекулярный режим течей ия	......................  47
3.6.	Переходный режим течения .....................  .	52
3.7.	Статистический метод определеиия проводимости вакуумных систем................ 54
3.8.	Расчет централизованных вакуумных систем ....	58
3.9.	Процесс откачки газа из вакуумной системы............. 59
З.Ю.	Пример расчета проводимости сложного трубопровода 	 61
3.11.	Определеиие проводимости вакуумных систем методом угловых коэффициентов 63
Раздел 2
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИ-
СТЕМ ...................... 75
Глава 4. Материалы вакуумных систем .................... 75
4.1.	Общие сведения ....	75
4.2.	Чугун ................ 76
4.3.	Углеродистые стали ...	76
4.4.	Легированные стали . .	79
4.5.	Жаропрочные стали и
сплавы....................  79
470
ОГЛАВЛЕНИЕ
4,6.	Коррозионно-стойкие стали ......................... 79
4.7.	Стали и сплавы для работы при низких температурах	80
4.8.	Титан и его сплавы. .	.	81
4.9.	Тугоплавкие металлы.	.	82
4.10.	Цветные металлы и сплавы 	 83
4.11.	Стекло, керамика, ситал-лы	 84
4.12.	Пластмассы ......	87
4.13.	Резины .................. 88
4.14.	Клеи............... 89
4.15.	Легкоплавкие металлы и сплавы .... ................. 89
4.16.	Вакуумные свойства материалов ....................... 91
Глава 5. Вакуумные герметичные соединения................. 97
5.1.	Общие сведения и классификация ..................... 97
5.2.	Сварные соединения	...	98
5.3.	Паяные соединения	. . .	102
5.4.	Вакуумно-плотные соединения на основе глазурей, си-таллоцементов и эпоксидных
смол.......................... 106
5.5.	Разъемные соединения. .	107
5.6.	Сверхвысоковакуумные разъемные соединения с расплавляемыми уплотнителями 131
Глава 6. Вакуумные камеры . .
6.1.	Классификация камер. .
6.2.	Обечайки .............
6.3.	Днища.................
6.4.	Крышки................
6.5.	Прогрев и охлаждение камер .......................
6.6.	Расчет иа прочность. . .
Глава 7. Запорно-регулирующая аппаратура .......... .
7.1.	Классификация и предъявляемые требования . . . .
7.2.	Затворы ..............
7.3.	Клапаны...............
7.4.	Натекатели ...........
7.5.	Противоаварийиые и напускные устройства и системы 7.6. Распределительные устройства ...................
137
137
138
140
140
143
147
150
150
154
159
167
169
173
Глава 8. Конструкционные элементы вакуумных установок ......................... 173
8.1.	Механические вакуумные вводы ....................... 173
8.2.	Прецизионные манипуляторы .......................  184
8.3.	Электрические вакуум- , ные вводы.................... 185
8.4.	Вакуумные	окна ....	189
8.5.	Загрузочные вакуумные устройства .................. 197
8.6.	Гибкие герметизирующие звенья ...................... 200
8.7.	Заглушки ............... 205
Раздел 3
ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ . .	206
Глава 9. Механические вакуумные насосы................... 206
9.1.	Поршневые	иасосы . . .	206
9.2.	Жидкостно-кольцевые насосы ........................ 215
9.3.	Двухроторные иасосы . .	232
9.4.	Пластинчато-роторные и пластинчато-статорные насосы	249
9.5.	Плунжерные насосы . . .	259
9.6.	Турбомолекулярные иасосы ...................... 268
Глава 10. Струйные вакуумные иасосы..................... 296
10.1.	Классификация. Основные характеристики........... 296
10.2.	Жидкостно-струйные насосы ........................ 297
10.3.	Пароэжекторные иасосы	299
10.4.	Бустерные иасосы . . .	310
10.5.	Диффузионные иасосы . .	316
10.6.	Вакуумные пароструйные агрегаты................. 330
Глава 11. Вакуумные ловушки	331
11.1.	Назиачеиие и классификация ....................... 331
11.2.	Высоковакуумиые ловушки ....................... 332
11.3.	Форвакуумные ловушки	337
Глава 12. Электрофизические средства откачки .......... 341
12.1.	Принцип действия и классификация ................. 341
12.2.	Испарительные геттер-ные иасосы................... 348
12.3.	Геттер ио-иоииые иасосы	354
12.4.	Магнитные электрораз-рядные иасосы................ 363
12.5.	Комбинированные иа-
сосы ........................ 371
12.6.	Геттерные вакуумные иасосы ........................ 376
ОГЛАВЛЕНИЕ
471
Глава 13. Низкотемпературные средства откачки (крио-
насосы) ..................... 378
13.1.	Принцип действия и классификация ................... 378
13.2.	Способы	охлаждения.	.	381
13.3.	Тепловые нагрузки	.	.	.	382
13.4.	Высоковакуумные конденсационные насосы.......... 389
13.5.	Низковакуумные конденсационные насосы............. 394
13.6.	Адсорбционные	иасосы	395
13.7.	Технические характеристики крионасосов....... 402
Раздел 4
ВАКУУМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЯ............. 405
Глава 14. Вакуумметрия	.	.	.	405
14.1.	Классификация	....	405
14.2.	Жидкостные вакуумметры ......................... 406
14.3.	Деформационные вакуумметры ..................... 408
14.4.	Тепловые вакуумметры	412
14.5.	Ионизационные вакуумметры ..................... 415
Глава 15. Масс-спектрометрия	429
15.1.	Общие сведения ....	429
15.2.	Статические масс-спектрометры .................... 433
15.3.	Динамические масс-спектрометры . .................. 434
Глава 1в. Испытания иа гер-
метичность ................. 437
16.1.	Общие сведения ....	437
16.2.	Манометрический метод	444
16.3.	Масс-спектрометрический метод ...................... 445
16.4.	Галогенный метод . . .	451
16.5.	Катарометрический метод	452
16.6.	Метод высокочастотного разряда ...................... 452
16.7.	Пузырьковый метод . . .	453
16.8.	Аммиачный метод . . .	453
16.9.	Люминесцентный метод	453
Глава 17. Испытания вакуумных иасосов и агрегатов. . .	454
17.1.	Общие сведения ....	454
17.2.	Испытания механических насосов (агрегатов) с масляным уплотнением.........	455
17.3.	Испытания двухроторных насосов (агрегатов)....	456
17.4.	Испытания турбомоле-кулярных насосов (агрегатов)	457
17.5.	Испытания пароструйных иасосов (агрегатов). . .	458
17.6.	Испытания адсорбционных насосов (агрегатов)....	458
17.7.	Испытания геттерных насосов (агрегатов) и крноиа-сосов ........................ 459
Приложение.............. 461
Список литературы.........	463
Предметный указатель	....	465