ВАКУУМНАЯ ТЕХНИКА, ВАКУУМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ И ЭЛЕМЕНТЫ ВАКУУМНЫХ СИСТЕМ

  Вакуумная техника, методы которой когда-то не выходили за пределы научной лаборатории или фантастических фильмов про космос, в настоящее время применяется во многих отраслях промышленности. Первые области ее промышленного применения – откачка осветительных электроламп и электровакуумных приборов – по-прежнему имеют важное значение, но с появлением транзисторов электронная промышленность нашла новое применение вакуумному оборудованию в производстве высокочистых материалов.

  Переход с технологии ЭВП производства электровакуумных приборов на твердотельные модули, с применением вакуумных технологий в микроэлектронике и полупроводниках. Металлургия тоже нашла применение вакуумной технике: вакуумной плавкой металлы очищаются от растворенных газов и летучих примесей; удаления связующего вещества в вакуумных печах при помощи средств вакуумной откачки в тех случаях, когда требуется исключить возможность окисления и других загрязнений поверхности, в вакууме проводят отжиг и термообработку. Без вакуумной техники было бы невозможно производство в больших масштабах химически чистых и жаропрочных металлических материалов, порошков. Производство сверхпроводников второго поколения без вакуумной технике не представляется возможным. Тонкопленочные покрытия металлов и других веществ, напыляемые в вакууме, находят применение в самых разных отраслях промышленности – от производства детских игрушек до технологии оптических приборов и электронных компонентов. В химической промышленности молекулярная дистилляция при низких температурах, ставшая возможной благодаря понижению давления в перегонном кубе, позволила получать вещества, которые разлагаются, если перегонять их при атмосферном давлении. В медицине, биологии, пищевой промышленности так называемая сублимационная вакуумная сушка позволяет обезвоживать при низких температурах в вакууме материалы, которые разрушаются при температурах, необходимых для сушки другими способами. Наконец, без вакуумной техники не могла бы существовать атомная промышленность, где она применяется, в частности, для разделения изотопов, обработки материалов и откачки вакуумного оборудования. В деревообработке при вакуумной сушке древесины или вакуумной формовке, вакуумном литье пластмасс. Вакуумная техника в настоящее время применяется везде, для хранения пищевых продуктов, бытовые приборы, различные процессы и исследования частиц в ускорителях.

    Получение низких давлений, вакуумные и форвакуумные насосы

    Пластинчато-роторные насосы с циркуляционной смазкой

  Вращательные масляные вакуумные насосы. Для получения вакуума, достигающего одной миллионной атмосферного давления, по-прежнему применяются вращательные масляные насосы. Их конструкции разнообразны, а быстрота откачки составляет от 0,3 до 300 л/с. На рисунке схематически изображен (в разрезе) такой насос одной из широко распространенных конструкций. Цилиндрический ротор R эксцентрично вращается в цилиндрическом же корпусе с входным и выходным патрубками (в последнем установлен обратный клапан N).

 
 

  ВРАЩАТЕЛЬНЫЙ МАСЛЯНЫЙ НАСОС в разрезе (упрощенная схема) и фото. R – цилиндрический ротор; V и VZ – подпружиненные пластинки, разделяющие рабочий объем насоса на две части – входную A и выходную AZ; N – пружинный обратный клапан в выпускном патрубке. 

  В пазах ротора R сидят две пластинки V и VZ, которые прижимаются пружинами к внутренним стенкам корпуса. Вся система погружена в вакуумное масло, которое служит смазкой и обеспечивает уплотнение зазоров между внутренними стенками корпуса и деталями ротора. Газ из откачиваемого объема, захваченный в полости A (после того, как верхняя пластинка прошла входное отверстие), при дальнейшем повороте ротора сжимается, пока под его давлением не откроется обратный клапан, и выпускается наружу через масло внешней камеры.

  Такой процесс повторяется два раза за один оборот ротора. 

  Насос описанного типа неэффективен при откачке воздуха, содержащего конденсирующиеся пары (обычно это пары воды), так как высокая степень сжатия, необходимая для выхлопа в атмосферу, может приводить к их конденсации в камере насоса. Вместе с маслом конденсат затем снова попадает на вход насоса. 

  Это исключается в газобалластных вакуумных насосах. В таких насосах в сжимаемый объем A через однопутевой клапан вводится контролируемое количество воздуха или другого неконденсирующегося газа. Балластный газ «разбавляет» конденсирующиеся пары, и поэтому при максимальной степени сжатия давление паров не достигает давления насыщения, при котором происходит конденсация. Количество паров, которое может быть откачано, зависит от количества дозы добавляемого балластного газа, но последняя не может быть очень велика, так как с ее увеличением ухудшается предельный вакуум насоса. 

  На схемах показана поэтапная работа пластинчато-роторного насоса с циркуляционной смазкой, при подачи воздуха через газобалластный клапан

    Обратный возврат масла через встроенный на выхлопе насоса маслосепаратор

    

  Вращательные масляные насосы применяются отдельно, когда не требуется очень низких давлений, а также в сочетании с двухроторными насосами Рутса и диффузионными высоковакуумными насосами, которые не могут работать при атмосферном давлении на выходе. 

 Двухроторные вакуумные насосы

 Для некоторых процессов в промышленности требуется очень большая быстрота откачки, хотя бы и не при очень низких давлениях. Этим требованиям удовлетворяют двухроторные объемные насосы типа воздуходувки Рутса. Схема такого насоса представлена на рисунке ниже. Два длинных ротора с поперечным сечением, напоминающим восьмерку, вращаются в противоположных направлениях, не соприкасаясь ни друг с другом, ни со стенками корпуса, так что насос может работать без смазки. Необходимости в масляном уплотнении тоже нет, поскольку очень малы зазоры между точно подогнанными деталями конструкции. Ротор вращается с частотой до 50 об/с, и высокая быстрота откачки поддерживается до давлений порядка одной миллионной атмосферного. Хотя такие насосы способны работать с прямым выхлопом в атмосферу, на их выходе обычно устанавливают вспомогательный вращательный масляный насос, который не только понижает их предельное давление, но и повышает КПД, снижая потребляемую мощность, что позволяет обходиться менее сложной системой охлаждения. Вспомогательный насос, пропускающий ту же массу газа, но при более высоких давлениях, может быть сравнительно небольшим. 
 

 ДВУХРОТОРНЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС. Молекулы газа, входящие в насос сверху, выбрасываются в выпускной патрубок справа под действием двух быстро вращающихся роторов. Роторы, вращающиеся в противоположных направлениях, не соприкасаются ни друг с другом, ни со стенками корпуса. 

 Диффузионные вакуумные насосы

 В большинстве высоковакуумных откачных систем применяются диффузионные насосы, действующие по тому же принципу, что и старый конденсационный насос Ленгмюра. Упрощенная схема диффузионного насоса представлена на рис. 3. Это вертикальная цилиндрическая труба, открытым верхним концом A соединенная с откачиваемым объемом. На нижнем конце электроплитка нагревает в кипятильнике рабочую жидкость – вакуумное масло, которая при этом испаряется. Пары рабочей жидкости проходят по трубке V вверх, где через кольцевое сопло выходят в виде кольцевой струи под углом к стенкам корпуса. На стенках, охлаждаемых снаружи змеевиком с холодной водой, они конденсируются, и образовавшаяся жидкость стекает по стенке обратно в кипятильник. Молекулы газа из откачиваемого объема, случайно, из-за хаотичности своего движения, влетающие во входное отверстие A насоса, попадают в струю пара и увлекаются ею вниз, где они удаляются вспомогательным механическим насосом, присоединенным к выходному патрубку диффузионного. Вероятность же случайного прохождения молекул газа через струю пара снизу вверх весьма мала. 
 

  Рис. 3. ДИФФУЗИОННЫЙ ВАКУУМНЫЙ НАСОС. Электроплитка поддерживает кипение рабочей вакуумной жидкости, пары которой поднимаются из кипятильной камеры B по трубке V и выходят через кольцевое сопло, образуемое отражателем A. Сопло создает направленную вниз кольцевую струю, которая увлекает с собой молекулы, попадающие в насос сверху. Пары конденсируются на стенках. Большая доля увлекаемых молекул выводится через выпускной патрубок, благодаря чему и понижается давление в откачиваемом объеме. 

  Если давление под струей пара выше некоторого предельно допустимого значения, то струя размывается и ее откачивающее действие ослабевает. Поэтому от вспомогательного насоса требуется, чтобы он не только отводил все откачиваемое количество газа, но и поддерживал достаточно низким указанное давление. Для снижения требований к предельному вакууму вспомогательного насоса диффузионные насосы делают многоступенными. Несколько кольцевых сопел располагают на разной высоте и рассчитывают их так, чтобы предельно допустимое давление после самого нижнего сопла было достаточно высоким без уменьшения количества газа, проходящего через струю первого сопла. Схема четырехступенного насоса такого типа представлена на рисунке ниже. Конструкции подобных насосов весьма разнообразны в деталях; выпускаются насосы самых разных типоразмеров с быстротой откачки от нескольких литров в секунду до 20 000 л/с. 

  Рисунок ЧЕТЫРЕХСТУПЕННЫЙ ДИФФУЗИОННЫЙ НАСОС с дополнительными соплами. Четвертая, эжекторная ступень дополнительно повышает степень сжатия. 1 – электроплитка; 2 – дно кипятильной камеры; 3 – термореле; 4 – третья ступень; 5 – вторая ступень; 6 – первая ступень; 7 – входное отверстие; 8 – змеевик водяного охлаждения; 9 – маслоотражатели; 10 – патрубок для механического насоса (выход); 11 – эжекторная ступень; 12 – внутренний отражатель. 

  Первоначально все конденсационные насосы были ртутными, но в 1928 Ч.Берч показал, что в качестве рабочей жидкости можно использовать и высококипящие дистилляты нефти. В ртутных насосах необходима низкотемпературная входная отражательная ловушка, которая не пропускала бы в откачиваемый объем пары ртути. Масла же с более низким давлением пара позволяют обходиться простой отражательной ловушкой, охлаждаемой водой, благодаря чему они и получили широкое распространение. В настоящее время в качестве рабочих жидкостей диффузионных насосов используются в основном сложные эфиры органических кислот и кремнийорганические (силиконовые) жидкости, поскольку они химически стойки и имеют крайне низкое давление паров. Ртутные насосы применяются лишь в тех случаях, когда пары ртути не рассматриваются как загрязнение. 

  Турбомолекулярные насосы. Современный вариант молекулярного насоса Геде (1913) не вносит ни масляных, ни ртутных загрязнений. Это, в сущности, турбина с 30 роторными секциями и таким же числом статорных. Частота вращения ротора – порядка 20 000 об/мин, зазоры между ротором и статором меньше 0,1 мм. Турбомолекулярный насос не может работать с выхлопом в атмосферу и нуждается во вспомогательном насосе предварительного разрежения. 

       Рисунок   Схема работы турбомолекулярного вакуумного насоса:

                   а) схема конструкции;

                   б) процесс пролета молекул через систему дисков с прорезями;

                    в) диаграмма скоростей

       Цифрами:

                  1 – диски статора с прорезями, наклоненными под углом  β к плоскости дисков;

                  2 – диски ротора с прорезями под углом α к плоскости (вращения) дисков;

                  3 – вал ротора;

                  4 – выпускной патрубок

        Молекулы движущиеся вниз от впускного фланца вдоль наклонных прорезей неподвижного диска 1 попадая в объем, занимаемый диском 2 не соударяются со стенками прорезей в диске 2, которые движутся с линейной скоростью V_r , которая может быть рассчитана с помощью векторной диаграммы скоростей показанной на рисунке, где V_m –вектор скорости теплового движения “откачиваемой” молекулы, V_r - скорость перемещения стенки зазора ротора; пунктир – направление вектора “проскальзывания” молекулы вдоль стенки прорези ротора. Молекулы газа, движущиеся в других направлениях, с другой (резко отличающейся от V_m) скоростью или движущиеся в обратном направлении пропускаться системой дисков не будет.

      Для эффективной откачки молекул газа, движущихся со средней тепловой скоростью V_a 500м/с необходимо придать ротору (диаметру 200-400 мм) скорость вращения около 16000-25000 об/мин.

       Геометрическая быстрота откачки ТМН может быть выражена:

 м³*с^-1

где         V₁– объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени,

               V₁ =117м/с,

                - суммарная площадь поперечных сечений прорезей неподвижного      

                    (подвижного) дисков, т.е. воображаемая площадь “откачивающая” газ,м².

              t₁ - время, когда прорези дисков 1 не закрыты перемычками дисков 2

              t₂ - период взаимного перекрытия прорезей перемычками.

 Основная причина, вызывающая отклонения действительной быстроты откачки от “геометрической”, заключается в отличии скоростей основной массы молекул газа от расчетной V_a , в соответствии с законом Максвелла о распределении молекул по скоростям.

  Турбомолекулярные насосы способны создать предельное давление до Р¹ =10⁶Па и обеспечить стабильную быстроту откачки  100-1000 л/с (0,1-1 м³с^-1) в диапазоне впускных давлений Р _вп = 10^-1 – 5*10^-6 Па.

   Эти насосы хорошо приспособлены откачки больших потоков газов, в том числе агрессивных, что делает их незаменимыми в микроэлектронике при реализации процессов нанесения и травления тонких пленок.

  В лабораториях и на особо чистых производствах получили широкое распространение насосы трех других типов. Все они, в отличие от предыдущих, не сжимают газ и вытесняют его наружу, а улавливают и удерживают молекулы газа. Два из них – титановый геттерный и сорбционно-ионный – требуют для своей работы предварительного разрежения порядка 10^–5 атмосферного давления. 

  Титановые геттерные насосы

  На начальном этапе производства электронных ламп после их откачки для дополнительного понижения давления в уже запаянном баллоне применялись «геттеры» – пленки химически активных веществ, например бария, которые химически связывают молекулы воздуха, вступающие с ними в контакт. Один из трех упомянутых методов откачки основан на непрерывном обновлении геттера. Геттерным материалом служит титан. В насосе одного типа он напыляется испарением титановой проволоки, подводимой к месту контакта с раскаленной поверхностью. Инертные газы, такие, как аргон и гелий, плохо поглощаются свежеобразованной титановой пленкой, если их атомы предварительно не ионизованы. Для ионизации предусматривают электроды, подобные электродам ионизационного манометра (см. ниже). Такие насосы имеют то преимущество, что они не нуждаются в отражательных и охлаждаемых ловушках; требуется лишь вращательный насос предварительного разрежения. 

  Ионные насосы

 Ионный насос представляет собой камеру, присоединяемую непосредственно к откачиваемому объему. Электроны, испускаемые катодом прямого накала или возникающие в статическом разряде, ионизуют молекулы газа в столкновениях с ними. Ионы переносятся электрическим полем к коллектору и связываются на его поверхности. Существуют два механизма связывания: одни ионы адсорбируются на поверхности коллектора, а другие вступают в химическую реакцию с материалом коллектора, образуя устойчивые соединения. Для химически активных газов эффективны оба механизма, а для инертных – только первый. Коллекторные поверхности большинства ионных насосов покрыты титаном. Под действием ионов, бомбардирующих коллектор, его поверхность распыляется, так что непрерывно открываются свежие слои титана, способные связывать ионы химически активных газов. 

  Быстрота откачки ионных насосов составляет от 1000 до 10 000 л/с. Поскольку в таких насосах нет рабочей жидкости, они вносят гораздо меньше загрязнений, чем самые лучшие диффузионные. К недостаткам же их можно отнести то, что химически активные газы они откачивают гораздо быстрее инертных и отдают обратно небольшую часть откачанного газа. 

  Комбинированные вакуумные насосы

  Принцип работы геттерно – ионных насосов основан на сорбции ионизированных молекул газа сорбентами (геттерами), использующими принцип хемосорбции. При этом для повышения эффективности процесса поглощения ионизированные молекулы газа (ионы) с помощью электрического поля принудительно направляются к сорбирующей поверхности и с большой силой “вбиваются” в нее.

   В качестве геттера используется титан (иногда в сплаве с цирконием) вследствие высокой энергии сорбции, позволяющей прочно удерживать сорбированные молекулы. На практике используются  три вида геттерно – ионных насосов, различающиеся способом увеличения траектории электронов, и способом испарения титана:

Магниторазрядные вакуумные насосы НОРД – насос орбитронный разрядный диодный

Геттерно – ионные насосы ГИН

Сорбционные титановые охлаждаемые насосы СТОН

Рисунок Схема конструкции магниторазрядного насоса

    1 – корпус;

    2 – фланец для крепления к вакуумной системе (камере);

    3 -  ячеистый анод;

    4 – катод (два катода по обе стороны анода);

    5 – магнит, образующий поперечное магнитное поле;

    6 – переключатель для работы в среднем, либо в высоком вакууме;

    7 – дополнительное сопротивление для работы в среднем вакууме;

    8 – амперметр;

    9 – высоковольтный источник;

   10 - токоввод

       Насос работает следующим образом. Первичные электроны, образовавшиеся в центре ячеек ячеистого анода 3 (например, вследствие космического излучения) ионизируют молекулы находящегося в объеме  ячеек газа. Образовавшиеся  вторичные электроны устремляются к стенкам ячеек положительно заряженного анода. Поперечное магнитное поле превращает их траекторию в архимедову спираль, лежащую в плоскости нормальной к магнитным силовым линиям. Увеличение траектории электронов резко повышает вероятность ионизации остальных молекул газа. Образовавшиеся ионы, летят к титановым катодам и, бомбардируя их, распыляют титан на стенки ячеек анода. Таким образом, катоды поглощают газ в виде ионов, а аноды – в виде нейтральных молекул (поглощая их свежераспыленной титановой пленкой).

       Суммарная геометрическая быстрота действия насоса может быть ориентировочно оценена:

S_Г = F*V₁

где         F - площадь поверхностей катодов и анода, покрытая свежей титановой   

                    пленкой и поглощающая газ, м²;

             V₁ - объем газа, ударяющегося о единицу поверхности в единицу времени, м*с^-1

    Поскольку реальная быстрота откачки определяется эффективностью ионизации и сорбции молекул, то  она в значительной степени зависит от электронной оболочки молекул и минимальна для благородных газов, имеющих полностью заполненную внешнюю электронную оболочку, как это показано в таблице.                                                                                                                         

Газ	H2	N2	CO2	O2	He	Ar
Быстрота      откачки	270٪	100٪	100٪	57٪	10٪	1٪

       Ярко выраженное свойство геттерных насосов откачивать разные газы с разной скоростью (селективность откачки) может быть использовано для целей течеискания. Так, обдувая негерметичную вакуумную систему аргоном или гелием при попадании струи пробного газа на место течи оператор наблюдает увеличение давления, т.к. эти газы медленнее  откачиваются (медленнее, чем N₂ и O₂ , составляющие основу атмосферы).

       Геттерно – ионный насос работает в широком диапазоне давлений 10^-1 –10^-7 Па.

  Криосорбционные и криогенные вакуумные насосы

 Насосы такого типа представляют собой, в сущности, ловушки с цеолитами – пористыми сорбентами, поглощающими молекулы газа за счет физической адсорбции при охлаждении; они требуют для своей работы жидкого азота. Однако криосорбционные насосы позволяют откачивать систему от атмосферного давления примерно до одной миллионной его. Такой насос достаточно прогреть, чтобы удалить весь откачанный им газ, и он снова будет готов к работе. Идеальное применение для получения высокого вакуума чистого без углеводородов.

Конструктивные особенности.

Крионасосами называются вакуумные насосы использующие очень низкие температуры (Т = 4…20К) для удаления остаточных газов из вакуумного объема. Откачка происходит за счет конденсации молекул откачиваемого газа на поверхностях криопанелей, охлаждаемых до криогенных температур порядка 4 Кельвин.

  Охлаждаемые жидким азотом маслоотражающие колпачки диффузионных насосов, или патроны с адсорбентом в ловушках, у адсорбционных насосов в известном смысле являются крионасосами, но в общем понимании крионасосами называются такие насосы, которые могут конденсировать азот и кислород, что требует температур более низких, чем 77 К, обеспечиваемых жидким азотом.

   Обычно криогенные насосы используют жидкий гелий (температура кипения в атмосфере 4,2 К) или реже, жидкий водород (температура кипения 20,3 К). Для того, чтобы минимизировать потери (испарение) используемых жидких хладоагентов (H₂ и  Не) и не допустить нежелательного повышения температуры криопанелей с конденсированным на них газом в крионасосах используются экраны, охлаждаемые  жидким азотом и уменьшающие тепловую радиацию с деталей корпуса нагретых до комнатной температуры (300 К). Защитные экраны проектируются таким образом, чтобы криопанель не была “видна” со стороны нагретых до комнатной температуры деталей.

   Схема конструкции “заливного” крионасоса (т.е. насоса в который хладоаген – жидкий гелий или водород заливается снаружи) показана на рисунке ниже:

    Рисунок Схема работа заливного криогенного насоса

        Рабочая криопанель 7 представляет собой объем, заливаемый рабочим хладагентом. Эта панель окружена охлаждаемым жидким азотом (77 К) экранами 2. Емкость 1, охлаждаемая жидким азотом, не дает нагреваться до комнатной температуры крепежной горловине 8 криопанелями. Для уменьшения теплового потока, подводимого по материалу горловины, она выполнена в виде тонкостенного сильфона  поз. 8 из нержавеющей стали, обладающей малой теплопроводностью. Такая конструкция горловины уменьшает подвод тепла от корпуса к рабочей криопанели и уменьшает расход жидкого гелия. Экраны 2 служат для той же цели, уменьшают теплоподвод, осуществляемый  за счет тепловой радиации от корпуса насоса (нагретого до комнатной температуры 293К). В тоже время экраны конструируются таким образом, чтобы не уменьшать быстроту откачки насоса (криопанели).

       В принципе, криогенный насос может работать начиная с атмосферного давления, но при этом большое количество хладоагента (жидкого гелия или водорода) надо затратить на конденсацию газов, которые можно было бы откачать другими типами насосов с минимальными затратами средств. Поэтому перед запуском (заливкой) крионасоса вакуумируемый объем откачивается системой предварительной откачки, которая обычно включает турбомолекулярный насос или диффузионный насос, (т.к. пары масла хорошо вымораживаются  ловушкой поз.4), механический насос, поз.6 и присоединяется к корпусу криогенного насоса через затвор, поз.3 . Эта система создает предварительное разрешение порядка 10^-2-10^-3 Па.

​​​​​  Крионасосы, охлаждаемые жидким гелием, работающие в конденсационно-сорбционном режиме особенно эффективны для достижения сверхчистого, полностью безуглеродного вакуума в диапазоне рабочих давлений 10^-5 - 10^-11 Па. Они высокоэкономичные при эксплуатации, имеют ресурс непрерывной работы. Компания ВАКТАЙМ поставляет криогенные заливные насосы для научных применений, где требуется обеспечить вакуум порядка 1*10-10 Паскаль. Мы изготавливаем заливные криогенные насосы с присоединительным диаметром от 160 мм до 630 мм. Все криогенные насосы укомплектованы цельнометаллическими шиберными затворами фирмы VAT. Наша компания производит и разрабатывает сверхвысоковакуумные стенды на базе геттеро-ионных насосов комбинированных с криоловушками и заливными крионасосами. Предельное остаточное давление, получаемое в вакуумных объемах лучше 1*10-11 мбар. Данные вакуумные криогенные насосы не имеют аналогов за рубежом.

 

    Надеемся, что статья помогла Вам прояснить ряд вопросов, связанных с пониманием устройства и работы и подбором вакуумных насосов. В случае, если Вы затрудняетесь с подбором насоса для вакуумной системы или установки, обратитесь за консультацией к инженерам Компании ВАКТАЙМ. Если же у Вас есть понимание, Вы можете купить вакуумный насос, выбрав оборудование самостоятельно по таблицам с характеристиками.