ЛекцииВТ(8 ч) (Лекции по физике вакуума)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНА
Титул
Курс лекций:
ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА
Михайлов Валерий Павлович

Лекция 9
Элементы вакуумных систем
Как было показано ранее, любая технологическая
вакуумная установка предполагает наличие вакуумных камер,
в которых осуществляется технологический процесс и
трубопроводов для соединения насосов и коммутирующей
аппаратуры в вакуумную систему. Для реализации
технологического процесса в вакууме необходимо подводить
ток, измерять температуру, перемещать в вакууме
инструменты и изделия, визуально наблюдать за процессом.
Для конструирования устройств, реализующих эти задачи,
используются
стандартные
элементы:
разборные
и
неразборные
вакуумные
соединения,
электрические
вакуумные вводы, смотровые окна, устройства для передачи
движения в вакуум, вакуумные затворы и др. При этом
высоковакуумные конструкции (Р > 10-4 Па) и
сверхвысоковакуумные (Р  10-4 Па) резко отличаются друг
от друга.

Конструкционные вакуумные материалы
Требования к конструкционным вакуумным материалам:
1.Давление насыщенных паров при рабочей температуре
должно быть значительно ниже рабочего давления;
2.Минимальное газовыделение;
3.Вакуумная герметичность при малых толщинах (малая
газопроницаемость);
4.Коррозионная стойкость;
5.Немагнитность.

Давление насыщенных паров вакуумных материалов, Па
Материал
Температура, о С
20
500
Ртуть
10 –1
10 6
Вакуумное масло ВМ-4
510 –3
-
Вакуумное масло ВМ-1
510 –6
-
Цинк
10 –12
10 2
Индий
10 –18
10 –6
Серебро
-
10 –7
Олово
-
10 –8
Алюминий
-
10 –8
Медь
-
10 –9
Золото
-
10 –9

Удельное газовыделение конструкционных материалов,
применяемых в вакуумной технике (Т=293 К)
Материал
Обработка
Удельное
газовыделение q, м3Па/
(м2с)
Сталь конструкционная Без обработки
(сталь 20, сталь45 и др.) Хромирование
Вакуум, 450оС, 15 ч
Сталь нержавеющая
(12Х18Н10Т и др.)
Без обработки
Медь
(МБ, М0, М1 и др.)
Без обработки
Латунь
Без обработки
Алюминий
Вакуум, 450оС, 15 ч
Вакуум, 450оС, 15 ч
410–4
1,310–7
10–8 … 10–10
410–5
10–8 … 10–10
210–4
10–8 … 10–10
310–4
То же
610–6
Никель
«
710–6
Резина вакуумная
«
10–2
Полиэтилен
«
10–4
Фторопласт
«
310–4

В высоковакуумных конструкциях используются для
герметизации различные сорта резин: белая вакуумная резина
7889 (218…353К), черные резины 9024 (253…363К), ИРП-1345
(253…523К), фторопласт-4 (4…523 К) и другие эластичные
материалы.
Сверхвысоковакуумные конструкции должны обладать
малым потоком газовыделения (Q<10-7 ... 10-10 м3·Па · с-1)
Для
получения
малого
потока
газовыделения
конструкция должна быть прогреваемой (от 250°С до 450°С).
Это исключает использование эластомеров и требует
использование
мягких
металлов
(Cu,
Al)
для
герметизирующих прокладок и керамики для изоляторов.
Рассмотрим все виды перечисленных вакуумных
элементов, сравнивая конструкции предназначенные для
высокого и сверхвысокого вакуума.

Вакуумные камеры
Низковакуумные
(105-10-1 Па)
Высоковакуумные
(10-1-10-4 Па)
Сверхвысоковакуумные
(прогреваемые)
(P<10-4 Па)
Материалы вакуумных камер: нержавеющая сталь, конструкционная
сталь, алюминиевые сплавы, медь, стекло (лабораторные камеры)
Формы вакуумных камер: цилиндрические, сферические, коробчатые
Диаметры цилиндрических обечаек Dу (из ряда ГОСТ 9617-76), мм: 100;
150; 200; 250; 300; 350; 400; 500; … 900; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000.
Толщина стенки обечайки: 2,5…10 мм для диаметров от 100…2000 мм

Расчет вакуумной камеры на прочность
а) Цилиндрическая камера
Допустимое наружное давление газовой среды, Па:
 P 
где
[ Pp ]
1  ([ Pp ] /[ PE ]) 2
[Pp] – допустимое давление из условий прочности, Па;
[PЕ] – допустимое давление из условий устойчивости в пределах
упругости, Па;

2[ ]( s  c)
[ Pp ] 
Dв  ( s  c)
где
[] – допустимое напряжение, Па; ([] = вр )
s – толщина обечайки, м;
с – сумма прибавок к расчетной толщине для компенсации
коррозии, допуска на изготовление, м;
Dв – внутренний диаметр обечайки, м.

18 10 6 E Dв 100( s  c) 2
[ PE ] 
[
]
n у B1
l
Dв
где
100( s  c)
Dв
E – модуль упругости материала камеры, Па;
nу – коэффициент запаса устойчивости в пределах упругости
(для рабочих условий nу=2,4);
В1 – безразмерный коэффициент;
l – длина обечайки, м.
Dв
Dв
В1  min{1,0; 8,15
}
l 100( s  c)

а) Коробчатая камера
Допустимое наружное давление газовой среды из условий прочности, Па:
2
2
[ Pp ] [ ] ( s  c) /(0,25b )
где
b – меньшая сторона прямоугольной стенки, м.

Типовые конструкции вакуумных коробчатых камер
а) с фланцами
б) с приварными днищами

Схемы укрепления прямоугольной стенки ребрами
а) поперечными
б) продольными
в) сетчатыми
b - подставляется в расчетную формулу

Прогрев и охлаждение вакуумных камер
Типовые режимы обезгаживающего прогрева
Предельное
остаточное давление,
Па
Параметры режима
Температура, К
Продолжительность, ч
1,310–7
283 … 333
2…5
1,310–8
333 … 573
До 20
10–8 и менее
673 … 773
До 150

Наружный коробчатый нагреватель
1, 5 – токовводы; 2 – корпус; 3 – нихромовая спираль; 4 –
асбоцементная плита

Наружный нагреватель из керамических трубок и
нихромовой проволоки
1 – лента крепления; 2 – нихромовая проволока; 3 – керамические
трубки; 4 – обечайка; 5 – теплоизоляция; 6 - фольга

Внутренний нихромовый нагреватель
1 – нихромовая проволока; 2 – изолятор; 3 – лента крепления

Узел ввода термостойкого кабеля
в вакуумную камеру
Для
наружного
и
внутреннего
нагрева камер также используют:
• термостойкие кабели КНМС с
минеральной изоляцией в стальной
оболочке;
• инфракрасные кварцевые лампы
накаливания.
Скорость нагрева камер 10 … 50 К/ч
1 – фланец; 2 – кабель; 3 –
втулка (сталь 12Х18Н9Т);
керамические бусы

Лекция № 10
Разборные вакуумные соединения
Принципиальные схемы соединений с резиновыми
уплотнителями
Соединение с прямоугольной канавкой

Расчет потока натекания газа через
резиновую прокладку
Т  dв 2
QН 450
Ra pe
М а
pd
3
R
где dв – диаметр прокладки; Ra – параметр шероховатости;
T и M –
температура (К) и молекулярная масса (кг/кмоль) натекающего газа; a –
ширина контакта уплотнительного элемента, м;
на уплотнении, Па;
Δp – перепад давления газа
pd – контактное давление уплотнительного элемента на
вал, Па; R – коэффициент уплотнения, Па

Ширина контакта:
а=d(2 - 0,15),
где  - степень деформации прокладки ( = (d – h)/d);
d – диаметр сечения кольцевой прокладки;
h – глубина канавки.
Контактное давление:
pd = 1,25 E,
где Е – модуль упругости материала прокладки.
Коэффициент уплотнения:
R = 0,05 Е.

Соединение со ступенчатой канавкой

Соединение с канавкой и фаской

Соединение со скругленной треугольной канавкой

Соединение с трапецеидальной канавкой

Соединение с фасонной канавкой

Конусное уплотнение

Штуцерное уплотнение
1 – корпус; 2 – гайка; 3 – кольцо; 4 - уплотнение

Фланец разъемный с резиновым уплотнителем (рабочий
вакуум Р > 10-4 Па)
D
Dу
d
1 – верхний фланец (сталь 1Х18Н10Т); 2 – уплотнение из резины (круглый
профиль диаметром dмм, имеет деформацию около 12%); 3 – ограничитель
деформации (алюминиевое кольцо); 4 – нижний фланец (сталь 1Х18Н10Т); 5
– болт

Параметры высоковакуумного фланцевого соединения

Поток
газовыделения
и
газопроницаемости
из
высоковакуумного фланцевого соединения внутрь вакуумной
системы:
Q = q г рез · F рез + q г Al · F Al + q г ст · F ст + q п · F рез
где:
q г рез – удельное газовыделение резины, q г рез =10-3 м · Па · с-1
q г Al – удельное газовыделение алюминиевого кольца, q г Al =
10-5 м · Па · с-1
q г ст – удельное газовыделение нержавеющей стали, q
10-5 м · Па · с-1
q п – удельная проницаемость резинового кольца, q
… 10-6 м · Па · с-1
F рез , F Al, F
ст
п
г ст
=
= 10-5
– площади резины, алюминиевого кольца,

Быстроразъемный фланец с накидным хомутом (рабочий
вакуум Р > 10-4 Па)
1 – полукольцо; 2 – гайка; 3 – болт; 4 – шайба; 5 – штифт; 6 – фланец;
7 – центрирующее кольцо; 8 – уплотнение; 9 – серьга;

Принципиальные схемы соединений с металлическими
уплотнителями
Уплотнение клин-канавка с плоским кольцом

Рекомендуемые моменты затяжки крепежных болтов для
обеспечения герметичности уплотнения с медной прокладкой
Для
достижения
необходимой
пластической
деформации
уплотнителя рекомендуется выбирать следующие моменты затяжки:
Резьба
М4
М6
М8
М10
М12
М16
Момент
затяжки,
Н м
3,5
10
23
40
60
150

Уплотнение с выступами и медным плоским кольцом
(конфлат)

Уплотнение с выступом и свинцовым и индиевым
кольцом
Может подвергаться нагреву до 423 К.
Для обеспечения герметичности уплотнения удельная сила
прижатия составляет 50 … 60 Н/см при ширине уплотнения
1 мм.

Уплотнение ступенчатое с медным или алюминиевым
плоским кольцом

Коническое уплотнение с медным кольцом

Коническое уплотнение с медным плоским кольцом

Угловое уплотнение с золотым кольцом

Плоское уплотнение с медным кольцом с острыми
кромками

Сверхвысоковакуумный фланец «конфлат»
с неподвижными фланцами ГОСТ 26526-85
(рабочий вакуум 10-5 ... 10-10 Па)

Сверхвысоковакуумный фланец «конфлат»
с поворотными фланцами ГОСТ 26526-85
(рабочий вакуум 10-5 ... 10-10 Па)

Сверхвысоковакуумный фланец «конфлат»
с комбинированными фланцами ГОСТ 26526-85
(рабочий вакуум 10-5 ... 10-10 Па)

Параметры сверхвысоковакуумного фланцевого соединения

Поток газовыделения и газопроницаемости
сверхвысоковакуумного фланцевого соединения:
из
Q = qг М1 · FM1 + qг ст · Fст + q п · FМ1
где:
q г М1 – удельное газовыделение медной прокладки (из меди
М1) после прогрева, q г М1 = 10-9 м · Па · с-1
q
г ст
– удельное газовыделение прогретой нержавеющей
стали, q г ст = 10-13 м · Па · с-1
q п - удельная проницаемость медной прокладки
FM1, Fст – площадь медной прокладки и стальных

Сверхвысоковакуумный фланец с диаметрами условного
прохода 400 и 630 мм и медным кольцом
ГОСТ 26526-85 (рабочий вакуум 10-5 ... 10-10 Па)

Разборные соединения вакуумных
трубопроводов
Прогреваемое гибкое звено на основе сильфона

Разъемное соединение с помощью струбцин

Сильфоны однослойные из нержавеющей стали
по ГОСТ 22388-77

Расчет металлического сильфона (гидроформованного)
Пример условного обозначения сильфона диаметром 16 мм,
с числом гофров 12, толщиной стенки 0,12 мм, исполнения 1:
Сильфон 16 – 12 – 0,12 – 1 ГОСТ 22388 – 77

Расчет металлического сильфона
Точный расчет сильфона довольно сложен, поэтому обычно
используют
расчетную схему, в которой сильфон
рассматривается как система кольцевых пластин, попеременно
связанных по внешнему и внутреннему контурам.
В результате деформации сильфона в осевом направлении
на величину h в нем возникает напряжение:
h
 h  К сил.1
RВ
где
RВ – внутренний радиус сильфона;
Ксил.1 – постоянный для данного
сильфона
коэффициент, определяемый геометрическими параметрами
и свойствами материала.

Виды деформаций сильфона
При изгибной деформации (схема а)
наибольшее напряжение, возникающее
в сильфоне, равно:
   К сил.2
Виды деформаций упругой
линии сильфона:
а) изгибная; б) поперечная;
в) поперечно-изгибная
где  - угол относительного
поворота торцов;
Ксил.2 – постоянный для данного
сильфона коэффициент, определяемый
геометрическими
параметрами
и
свойствами материала.

Для поперечной деформации сильфона на величину h
(схема б) в нем возникает напряжение:
6h
 h  К сил.2
L
Максимальное напряжение при поперечно-изгибных
деформациях (схема в) равно:
 h
6h  2 L

К сил.2
L

Строго говоря, необходимо также учитывать напряжения,
возникающие в сильфоне в результате действия перепада
атмосферного давления Р=105 Па (этим дополнительным
напряжением обычно пренебрегают):
 Р
где
РRВ2
 2 К3

 - толщина стенки сильфона;
К3 – постоянный для данного сильфона
коэффициент, определяемый геометрическими параметрами и
свойствами материала.

После определения напряжений в сильфоне сравнивают
наибольшее полученное напряжение с допустимым (для стали
12Х18Н10Т Т = 200 МПа).
На практике для получения достаточной долговечности
сильфонов (108 циклов) рекомендуется использовать не более
50% максимального рабочего хода. Рабочий ход сильфона
определяется как сумма рабочих ходов на растяжение hраст и на
сжатие hсж. При этом:
hраст = 0,8 hсж

Сварной металлический сильфон по ГОСТ 21754-76