Lektsii_Fv-8 (1074295)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э. БАУМАНАТитулКурс лекций:ФИЗИКА ВАКУУМАМихайлов Валерий ПавловичЛекция № 8Молекулярный насос(изобретен в 1911г. инженером Геде)Главная идея молекулярного насоса - придание всеммолекулам откачиваемого газа, движущимся в произвольныхнаправлениях дополнительной составляющей скорости внаправлении к выпускному патрубку.Схема молекулярногонасоса Геде:1-всасывающий патрубок;2-выхлопной патрубок;3-ротор;4-статор (корпус);Dr – диаметр ротора;n r – частота вращенияротора;v r - линейная скоростьдвижений ротораСхема сложения скоростей при ударе молекул о роторСуммарная (средняя) скоростьотраженных молекул:V3 = V2 + VrДля того, чтобы молекулы послеуд а р а о р ото рз а м ет н оо т к л о н и л и с ь о т н о рм а л инеобходимо выполнение условия:Vr ≈ VaПример:Рассчитать скорость вращения ротора простейшегомолекулярного насоса - насоса Геде.
Диаметр ротора насосаDr = 0.4 м.π nDrЛинейная скорость ротора:V =≈Vr60aСредняя арифметическая скорость теплового движения молекул:2RTVa =≈ 400 м/сMОтсюда требуемая скорость ротора :60Va 60 ⋅ 400n==≈ 19000πDrπ ⋅ 0,4об/минВ низком вакууме для насоса Геде соотношение впускногоРвп и выпускного Робр давления определяется соотношением,определяемым вязкостью газа:Робр-Рвп=6 l n η / h ,где:n – частота вращения ротора;l – длина зазора;h – ширина зазора;η –вязкость откачиваемого газа.В высоком вакууме соотношение впускного и выпускногодавлений определяется вектором дополнительной скоростимолекул и геометрией ротора:Β⋅hοδρΒΠP /P=lгдеВ – константа, зависящая от параметров зазора и массымолекул газа.При зазоре h = 0.1 мм между ротором и статором, вкотором образуется обратный поток газа и при параметрахнасоса:Dr =50 мм, n = 12000 об/мин, Pвып = 5 Па, насос обеспечиваетпредельный вакуум Р’ = 5·10 -5 Па.При уменьшении частоты вращения ротора до 4000 об/мин (как в опытах Геде), тот же насос создает вакуум лишь Р ’ =5 · 10-2 Па.Опыт показывает, что с таким типом насоса невозможнообеспечить большую быстроту откачки (SH > 1 л/с) из-замалой пропускной способности рабочей полости насоса.
Длядостижения больших скоростей откачки используют другойтип молекулярных насосов – турбомолекулярные насосы.Турбомолекулярный насос (ТМН)(изобретён Беккером в 1958г.)В отличие от молекулярного насоса, где ротор иотраженные от него молекулы движутся в одном направлении,в турбомолекулярном насосе молекулы откачиваемого газадвигаются перпендикулярно плоскости вращения роторанасоса.Процесс откачки газа в турбомолекулярном насосеобеспечивается системой чередующихся, вращающихся инеподвижных дисков, в которых сделаны косые прорези.Для эффективной откачки молекул газа, движущихся сосредней тепловой скоростью Va = 500 м/с необходимо придатьротору (диаметром 200 - 400 мм) скорость вращения около16000-25000 об/мин.Схема работы турбомолекулярного насосаа) схема конструкции; в) процесс пролета молекул черезсистему дисков с прорезями; с) диаграмма скоростейГеометрическая быстрота откачки ТМН может быть выраженSΓ = F∑ ⋅ V1 ⋅ t1 / t2гдем3⋅с-1V1– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности вединицу времени, V1 =117 м/с;- суммарная площадь поперечных сечений прорезейF∑ (подвижного) дисков, т.е.
воображаемая площадьнеподвижного“откачивающая” газ, м2;t1 - время, когда прорези дисков 1 не закрыты перемычкамидисков 2;t2 - период взаимного перекрытия прорезей перемычками.Основная причина, вызывающая отклонения действительнойбыстроты откачки от “геометрической”, заключается в отличиискоростей основной массы молекул газа от расчетной Va всоответствии с законом распределения молекул по скоростямМаксвелла.Турбомолекулярные насосы способны создать предельноедавление до Р’=10–6 Па и обеспечить стабильную быстротуоткачки100-1000 л/с (0,1 - 1 м3с-1) в диапазоне впускныхдавлений Р вп = 10-1 – 5⋅10-6 Па.Эти насосы хорошо приспособлены для откачкибольших потоков газов, в том числе агрессивных, что делаетих незаменимыми в микроэлектронике при реализациипроцессов нанесения и травления тонких пленок.Вид в разрезе насоса TurboV 1800 VARIANВид турбомолекулярного насоса фирмы VarianВид современных турбомолекулярных насосовВид современных сверхминиатюрных ТМНВ турбомолекулярном насосе процесс откачки газа обеспечивается системойчередующихся, вращающихся и неподвижных дисков с косыми прорезями, цена одногонасоса: 5000 – 50000 USDVarian Turbo-V 70Alcatel ATH 31∅ 95×134∅ 97×113S 68 л/сS 30 л/сРпред 10-9 ПаРпред 10-9 ПаВид современных сверхминиатюрных ТМН:PADT TMP∅ 50×110 S 4,5 л/с∅ 50×75 S 10 л/с Pпред 1,3·10-4 ПаЛекция № 10Диффузионные насосыДиффузионный насос был одновременно изобретен в 1914году в трех странах: в России, профессором СанктПетербургского Университета Боровиком, в Германии –инженером Геде и во Франции – Ленгмюром, поскольку кэтому времени в мире появилась острая потребность в дешевомсредстве получения высокого вакуума, необходимого дляпроизводства осветительных и приемно-усилительных ламп.Насос с “прямым” диффузионным соплом (соплом Ловаля)Молекулы откачиваемого газа, находящиеся в областивпускного патрубка, попадая в струю пара, переносятся этойструей к области выпускного патрубка насо са (кфорвакуумной области насоса).
Прямое сопло образуетструю высокой плотности, в которую откачиваемыммолекулам газа трудно проникнуть (диффундировать), чтоснижает скорость откачки (т.к. большая часть молекулгаза отражается от струи обратно).Если использовать струю паров малой плотности, томожно достичь высокой эффективности откачки.
Такаяструя образуется в так называемом “обращенном” сопле(зонтичном сопле).Насос с “обращенным” диффузионным соплом(зонтичным соплом)Геометрическая быстрота откачки такого сопла можетбыть рассчитана:SΓ = V1 ⋅ F ≈ V1 ⋅π ( D 2 − d 2 ) ⎡ Μ3 ⎤4⎢ C ⎥⎣⎦где V1 – объем газа, ударяющегося о единицуповерхности в единицу времени,V1 = 117м3/м2⋅с;F - площадь поверхности (сопла) откачивающей газ,м2;D - внутренний диаметр корпуса насоса, м;d - наружный диаметр сопла, м.Действительная быстрота откачки должна бытьрассчитана с учетом обратного потока газов (как суммапрямого и обратного потоков):Q = Qп – Qобр,гдеQп - прямой поток;Qп =V1·Pвп ·F;Qoбр- обратный поток;Qобр = V1·Pобр ·FСогласно определению, предельное давление - этоминимальное давление, достигаемое на впускном патрубкенасоса, когда насос не качает газ, т.е.еслиРвп=Р’, точто означает: Qобр= V1P’FQ = Qп – Qобр= 0 =V1PвпF – V1PобрFТаким образом, в общем виде можно записать:Q =V1PвпF – V1P’ F= V1F(Pвп - P’).По определению:1QPS== V1 F (1 −)PΒΠPΒΠс учетом отраженных обратно от струи молекул газа:1PS = V1 F (1 −)γPΒΠгдеγ – фактор качества (откачки), γ ≈ 0,25 … 0,3.Это означает, что только 25-30% молекул,ударяющихся о струю, проникают в нее и могут бытьоткачены.
Кроме того, обратное давление Робр в зоне работырассматриваемого сопла должно быть минимальным,чтобы уменьшить обратный поток газа. Водноступенчатом диффузионном насосе не удаетсяобеспечить малое обратное давление, поэтому обычноиспользуются многоступенчатые диффузионные насосы,где обратное давление растет от ступени к ступени. Обычноиспользуются три последовательных диффузионных“обращенных”(зонтичных) сопла и одно прямоточноеэжекторное сопло.Конструкция четырехступенчатого диффузионного насоса1-охлаждаемая водой ловушка – колпачок, которая уменьшает обратный поток паров масла;2-центральный паропровод, в который из кипятильника попадают только тяжёлые фракциимасла с меньшим давлением насыщающих паров);3-эжекторное прямоточное сопло; 4-козырёк внутри наружной трубы паропровода дляотражения капель при кипячении масла; 5-днище кипятильника, не допускающееперегрева свыше 240 С, чтобы избежать образования лёгких фракций , не улавливаемыхловушкой; 6-нагреватель (печь); 7-выпускной патрубок; 8-форвакуумная ловушка –лабиринт, уменьш.
потери масла.Внешний вид диффузионного насосадиффузионный насос НВДМ-100 (ООО ВакуумМаш, Казань)Характеристики:м3— быстрота действия насоса;S HВВ = 0,34сPHʹ′ = 6,6 *10 −5 Па — предельное давление насоса;DУ = 100 ммЗдесь «вязкостный»перенос, (нет охлаждения)— диаметр впускного патрубка;Внешний вид диффузионного насосадиффузионный насос HS-2, Varian Co имеет характеристики:S HВВм3= 0,16с−6PHʹ′ = 10 ПаDУ = 100 мм— быстрота действия насоса;— предельное давление насоса;— диаметр впускного патрубка;Поскольку вакуумное масло – полимер, состоящий изсмеси фракций со слегка различающимсядавлениемнасыщающих паров, необходимо не допустить лёгкие(легкокипящие) фракции ко впускному патрубку.Показанный насос - разгоночный, так как отделяет(разгоняет) лёгкие фракции, кипящие в зоне внешнегопаропровода от тяжёлых, достигающих центральной, болеенагретой зоны кипятильника 5 и кипящих в зоне внутреннегопаропровода, поз.2.
Таким образом, достигается улучшениепредельного вакуума примерно на порядок (на вакуумноммасле ВМ-5 достигается Р ≈ 1 · 10 - 6 Па).Требования к рабочими жидкостям диффузионного насоса1 — малое давление насыщающих паров при температурестенки2 — высокая термическая стойкость3 — высокая химическая стойкость по отношению коткачиваемым газам и материалам насоса4 — минимальная способность растворять газы5 — малая теплота парообразованияРабочие жидкости диффузионного насосаВМ-1, ВМ-5 – высоковакуумные минеральные масла,которые получают вакуумной дистилляциейпродуктовпереработки нефти (представляют собой смесь углеводородов сразличной молекулярной массой, температурой кипения,давлением насыщенных паров).Алкарен-24 – синтетическая углеводородная жидкость наоснове алкилнафталинов.
По термоокислительной стойкостипревосходит минеральные масла.Кремнийорганические жидкости – полисилоксановыесоединения, молекулы которых состоят из чередующихся атомовкремния и кислорода с присоединенными углеводороднымирадикалами.Благодаря сильной связи между кремнием и кислородомкремнийорганические жидкости обладают высокой термическойи термоокислительной стойкостью.П Э С - В - 1 – к р е м н и й о р г а н и ч е с к а я ж и д ко с т ь(полиэтилсилоксановая жидкость).ПФМС-2/5л – кремнийорганиче ская жидко сть(полифенилметилсилоксановая жидкость).ФМ-1, ФМ-2 – кремнийорганические жидкости(фенилсилоксановые жидкости).Параметры рабочих жидкостей диффузионных насосовРнас., ПаР’, Паρ, кг/м3r, кДж/мольВМ-11⋅10-62⋅10-4887115ВМ-52⋅10-71⋅10-6885119Алкарен-245⋅10-88⋅10-7915132ПЭС-В-15⋅10-62⋅10-4970103ПФМС-2/5л5⋅10-52,5⋅10-41050108ФМ-15⋅10-91⋅10-71095118ФМ-21⋅10-105⋅10-81105144РабочаяжидкостьРнас.
– давление насыщенных паров рабочих жидкостейР’ – предельное остаточное давление диффузионного насосаρ – плотность жидкостиr – теплота парообразования жидкостиПример:Рассчитать фактор качества (откачки) насоса, имеющегоследующие геометрические параметры:D=86 мм; d=40 мм.Насос создаёт предельный вакуумP ʹ′ = 4 ⋅ 10−4Па.При впускном давлении Р вп = 10 -2 Па, насособеспечивает быстроту откачки SН=120 л/с = 0,12 м3/с.Действительная быстрота действия насоса безучета γ:P1π 2P1π4 ⋅ 10−6 Πa222SΓ = V1 F (1 −) = V1 ⋅ ( D − d )(1 −) = 117 (0.086 − 0.04 )(1 −) = 0.52−2PΒΠ4PΒΠ410 Πa[м3 / с]Тогда фактор качества:SΓ 0.12γ === 0.23SΗ 0.52Вакуумные ловушкиЛовушки служат для улучшения вакуума, получаемоговакуумными насосами,для улавливания паров или газов сцелью предотвращения или уменьшения их проникновения изодной части вакуумной системы в другую.Отрицательные факторы при использовании ловушек:- уменьшение быстроты откачки вакуумной камеры;- насыщение рабочих поверхностей ловушек откачиваемымипарами и газами, что приводит к ухудшению их характеристик ипрекращению работоспособности.Классификация вакуумных ловушекСхемы вакуумных ловушекВодоохлаждаемые ловушкиВодяная ловушка фирмы VARIAN, «Низкий профиль» удлиняет входнойтрубопровод не более, чем на 2 дюйма (50,8 мм).D у = 100Термоэлектрические ловушкиТермоэлектрические ловушки используют элементыПельтье.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
