Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Формирование остаточной газовой среды в современномоборудовании высоких вакуумных технологий 11
1.1 .Технологические требования к составу остаточной газовой средыбазовых технологических процессов электронной техники 11
1.2. Методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования 15
1.3. Пути развития безмасляных форвакуумных насосов вотечественной и мировой практике 23
Выводы 50
Глава 2. Создание безмасляных форвакуумных насосов на основевысокочувствительных сварных сильфонов и мембран 52
2.1. Опыт использования сильфонов в качестве герметичной рабочей 52
2.2. Анализ функциональных схем двухступенчатых безмасляныхфорвакуумных насосов на основе высокочувствительных мембран исильфонов 60
2.2.1. Мембранные форвакуумные насосы 61
2.2.2. Сильфонно-поршневые двух- и трехступенчатые насосы 64
2.2.3. Сильфонные насосы линейной и коаксиальной структуры
2.3. Анализ конструкций сильфонно-поршневых и сильфонныхдвухступенчатых безмасляных форвакуумных насосов 73
2.3.1. Сильфонно-поршневые двухступенчатые насосы 73
2.3.2. Двухступенчатые сильфонные форвакуумные насосы линейной 79
2.4. Особенности расчета быстроты действия сильфонно-поршневых и 84
Выводы
Глава 3. Метод расчета проводимости элементов вакуумной системы произвольной формы
3.1. Общие положения
3.2. Алгоритм метода пробной частицы
3.3. Исследования процессов столкновения молекул между собой и с поверхностями элементов вакуумной системы
3.4. Расчет проводимости канала сложной формы с изменяющимися геометрическими размерами
Выводы
Глава 4. Теоретические исследования откачныж характеристик двухступенчатых форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов
4.1. Анализ геометрических параметров сильфонов, образующих рабочую полость переменного объема форвакуумных насосов
4.2. Анализ геометрических параметров второй ступени сильфонно-поршневых насосов
4.3. Исследования откачных характеристик параметрического ряда двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных форвакуумных насосов
Выводы
Глава 5. Экспериментальные исследования основных эксплуатационных характеристик безмасляных форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складываю щихся сильфонов и перспективы развития
5.1. Цели и задачи экспериментальных исследований
5.2. Экспериментальное исследование откачных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных форвакуумных насосов
5.2.1. Методика экспериментальных исследований
5.3. Экспериментальное исследование структуры покрытия и характера износа контактной поверхности поршня второй ступени сильфонно-поршневого насоса методом сканирующей зондовой микроскопии
5.3.1. Обоснование метода исследований
5.4. Экспериментальная оценка ресурса сильфонных камер форвакуумных насосов с использованием метода рентгеновской дифрактометрии
5.4.1. Экспериментальная установка.
5.4.2. Методика экспериментальных исследований.
5.4.3. Расчет ресурса с использованием метода оценки остаточных напряжений
5.5. Перспективные разработки сильфонно-поршневых и сильфонных двухступенчатых форвакуумных насосов с «охранным» вакуумом
Выводы
Заключение
Литература.
- Методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования
- Анализ функциональных схем двухступенчатых безмасляныхфорвакуумных насосов на основе высокочувствительных мембран исильфонов
- Исследования процессов столкновения молекул между собой и с поверхностями элементов вакуумной системы
- Анализ геометрических параметров второй ступени сильфонно-поршневых насосов
Введение к работе
Анализ тенденций развития современной вакуумной техники как в отечественной, так и в мировой практике свидетельствует о растущих потребностях создания особо «чистых» вакуумных условий для технологических и научных целей, а также о непрерывном расширении масштабов применения высоких вакуумных технологий в ведущих отраслях промышленности, среди которых одно из первых мест занимает электронная техника.
Аналогичная потребность возникает в приборостроительной, аэрокосмической технике, в прецизионной металлургии, в уникальных процессах атомной и термоядерной энергетики, физике элементарных частиц, в набирающих темпы процессах развития высоковакуумной нанотехнологии.
В числе задач, направленных на формирование «чистого» вакуума с регламентированным составом остаточной газовой среды весьма актуальной становится проблема создания надежных и экономичных безмасляных средств создания предварительного разрежения в высоковакуумных системах.
Чистота технологической вакуумной среды, при этом, определяется отсутствием в составе остаточных газов углеводородных соединений и химически активных газов, а также других загрязнений, генерируемых исполнительными системами оборудования, в том числе абразивной пыли, которая может привести к повреждению самого насоса.
Стремление удовлетворить комплекс перечисленных требований стимулировало проведение работ в этом направлении.
Достаточно отметить, что в настоящее время более 20 зарубежных фирм разрабатывают и выпускают на мировой рынок около 40 моделей безмасляных форвакуумных насосов [1].
Заслуженной репутацией пользуются безмасляные форвакуумные насосы фирмы Alcatel (Франция), представляющие собой сочетание молекулярного и мембранного насосов [2].
Хорошо зарекомендовали себя форвакуумные насосы, выпускаемые фирмой Leybold Vacuum GmbH (Германия), а также безмасляные насосы фирмы Edwards (Англия) [4], Hitachi (Япония) и Varian (США) [5] и др. Безмасляный форвакуумный насос выпускается в ОАО «Вакууммаш» (Казань) [7].
Однако широкому распространению насосов, выпускаемых зарубежными фирмами, препятствуют высокие цены и сложность технического обслуживания [6].
В то же время конкурентная борьба за рынки сбыта безмасляных форвакуумных насосов вынуждают фирмы, занятые их выпуском, непрерывно совершенствовать существующие и создавать новые модели современных средств откачки.
Несмотря на интенсивные поиски новых технических решений в наиболее развитых странах мира по созданию безмасляных форвакуумных насосов, возможные варианты создания новых конструкций, удовлетворяющих требованиям по эксплуатационным характеристикам и стоимости, еще не исчерпаны [3].
В связи с этим в настоящей работе была поставлена задача создания нового поколения экономичных, безмасляных форвакуумных насосов, гарантирующих получение «чистого» вакуума, свободного от углеводородных соединений с массовыми числами свыше 44 и исключения жидкой смазки и какой-либо рабочей жидкости. В соответствии с этими требованиями возникла необходимость поиска принципиально новых технических решений, в числе которых автором было предложено несколько конструктивных вариантов, использующих в качестве рабочей камеры герметичную полость переменного объема в виде высокочувствительных мембран и сварных складывающихся сильфонов.
Для получения вакуума на уровне 30-50 Па была предложена серия двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных насосов.
Решение поставленной задачи с доведением ее до создания действующих образцов перечисленных вариантов насосов, потребовало проведения комплекса поисковых, конструкторских работ, теоретических и экспериментальных исследований для обеспечения возможности широкого использования форвакуумных насосов этого типа в современном высоковакуумном технологическом оборудовании.
В соответствии с поставленной задачей на защиту выносятся следующие вопросы:
Систематизированная классификация современных форвакуумных насосов с учетом последних достижений отечественной и мировой практики, в том числе предложенного в работе нового подкласса деформационных насосов сильфонного типа.
Комплекс впервые предложенных в диссертационной работе новых технических решений и созданный на их основе ряд безмасляных форвакуумных насосов с использованием герметичных упругодеформируемых рабочих камер переменного объема, образованных мембранными сварными складывающимися сйльфонами высокой чувствительности из высокопрочных конструкционных материалов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных безмасляных форвакуумных насосов, в том числе:
исследование откачных характеристик
оценка ресурса работы сильфонных камер по величине возникающих в сильфоне напряжений с использованием метода рентгеновской дифрактометрии
исследование характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов методом сканирующей
зондовой микроскопии с целью выбора оптимальных конструкционных материалов и покрытий по критерию износостойкости.
Универсальный метод и алгоритм расчета проводимости внутренних каналов сильфонных камер с изменяющейся в процессе цикла геометрией, позволяющий расширить область применения расчетов для широкого круга задач, связанных с определением проводимости элементов вакуумных систем и каналов произвольной формы для режимов течения газа от молекулярного до вязкостного.
Конструкции сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов линейной и коаксиальной структуры.
Перспективные технические решения по созданию новых моделей экономичных сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.
Работа состоит из 5-ти глав, в которых последовательно излагаются вынесенные на защиту вопросы.
В первой главе анализируются технологические требования к составу остаточной газовой среды, необходимой для выполнения базовых вакуумных технологий электронной техники, в том числе использующих методы обработки, основанные на физических явлениях взаимодействия высокоэнергетических, электронных, ионных, оптических, рентгеновских лучей и газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела. Сформулированы требования к вакуумным системам оборудования этого класса.
Рассмотрены также требования к созданию вакуумных условий для процессов осаждения тонких пленок современными методами ионного легирования, молекулярно-лучевой эпитаксии и др.
Обращено внимание на необходимость формирования остаточной газовой среды строго регламентированного состава в приборах вакуумной электроники, требующего отсутствия углеводородных соединений,
которые приводят к нарушению стабильности работы катода и, в конечном счете, к его «отравлению».
Наряду с этим рассмотрены методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования электронной техники, приведен краткий обзор работ, посвященных этой проблеме и изложенных в работах Кеменова В.Н., Минайчева В.Е., Пипко А.И., Розанова Л.Н., Александровой и др.
Отмечено, что наиболее полно вопрос проектирования оптимальных вакуумных систем отражен в работах Кеменова В.Н., в которых приводятся рекомендованный им перечень основных показателей параметров средств откачки и варианты оптимальных базовых вакуумных систем. Подробно анализируются пути развития и создания вариантов безмасляных форвакуумных насосов в отечественной и мировой практике.
Вторая глава посвящена вопросам создания безмасляных двухступенчатых и трехступенчатых форвакуумных насосов на основе высокочувствительных сварных сильфонов и мембран, рассмотрены функциональные схемы каждого из них и последовательность процессов откачки мембранным, сильфонно-поршневым и двухкамерным сильфонным насосом.
Приводятся конструкции насосов и их подробное описание. Обращено внимание на отсутствие жидкой смазки в поршневой ступени сильфонно-поршневого насоса за счет покрытия контактных поясков поршня алмазоподобной пленкой. Высказывается целесообразность создания сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.
В главе 3 на основе известного метода статистических испытаний предложен универсальный метод и алгоритм расчета проводимости элементов вакуумных систем от вязкостного до молекулярного режима течения газа и выполнен комплекс исследований, необходимых для оценки
эксплуатационных характеристик форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных сильфонов.
В главе 4 приведены теоретические исследования вакуумных характеристик двухступенчатых форвакуумных насосов сильфонно-поршневого и сильфонного типов.
Выполнен анализ геометрических параметров сильфонов» образующих герметичную рабочую полость насосов и комплекс теоретических исследований откачных характеристик насосов. Установлена достигаемая быстрота действия насосов в зависимости от геометрических параметров сильфонных и поршневых ступеней, частоты циклов, а также уровня предельного остаточного давления в зависимости от величины совокупного «мертвого» объема в рабочей камере.
Показано, что разработанные конструкции насосов позволяют получить разрежение порядка 30-50 Па, а при условии создания во второй ступени разрежения не хуже 10 Па можно получить в Iй ступени насоса 10_1Па.
Методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования
Вопросам выбора средств откачки и создания на их основе оптимальных вакуумных систем технологического и научно исследовательского оборудования посвящено значительное количество работ, которые в ретроспективе до 80-х гг. базировались на использовании практического и научного опыта создания приборов вакуумной электроники и явились теоретической и практической базой для дальнейшего развития вакуумных технологий, средств откачки, вакуумных систем и промышленного оборудования в применении к твердотельной электронике и акустоэлектронике. В работе [23] сформулированы основные принципы построения вакуумных индивидуальных постов для откачки приборов вакуумной электроники до давления 5 1(Г5Па и 10"5 Па, а также 5 10 7 Па. В качестве средств высоковакуумной откачки используются диффузионные насосы, гетеро-ионные и турбомолекулярные. Для предварительной (форвакуумной) откачки во всех рекомендованных схемах предусмотрено использование механических форвакуумньиі насосов с масляным уплотнением. В работе [24] изложены общие принципы конструирования вакуумных систем, приводятся характеристики откачных средств, в том числе струйных, конденсационных и сорбционных, а также рекомендации по выбору вакуумных насосов и конструктивных элементов вакуумных систем.
В работе [25] сформулированы критерии выбора откачных средств, показана целесообразность использования на крупных промышленных предприятиях централизованных форвакуумних систем, рассмотрены вопросы физики процесса откачки, приводятся схемы оборудования для откачки мощных металлокерамических СВЧ приборов.
Технологические вопросы формирования остаточной газовой среды в приборах вакуумной электроники изложены в работе [26]. Вопросы расчета и конструирования вакуумных систем различного назначения - в работах Л.Н. Розанова [27, 28]. Но в наиболее конкретном, научно-обоснованном и законченном виде, вопросы оптимального проектирования вакуумных систем оборудования были разработаны Кеменовым В.Н. [29, 30]. Для выбора оптимальных средств откачки при выполнении конкретных технологических процессов с учетом перспективного развития электронной техники им предложена база данных, отличающаяся широким диапазоном эксплуатационных и физических критериев.
Так, например, оборудование вакуумно-термического осаждения, ионной имплантации, ионно-лучевого осаждения из сепарированных ионных пучков, ионного травления и др. требуют от вакуумных систем обеспечения постоянства быстроты действия в широком диапазоне давлений и регламентированного состава остаточной газовой среды.
Средства откачки, используемые в вакуумных системах ионно-плазменных и плазмохимических технологий должны одновременно отвечать и требованиям химстойкости и способности эффективно работать как при низком, так и при высоком давлении вплоть до 1 Па.
Для большинства высоковакуумных насосов имеют важное значение такие показатели, как стойкость к прорыву атмосферы, ремонтопригодность, уровень шума и вибраций, давление запуска, надежность, стоимость.
В вакуумных системах оборудования электронно- и ионно-лучевых технологий недопустимо использование вакуумных насосов с неэкранированным магнитным полем. Если необходимо обеспечить избирательную откачку газов создаются сложные (интегрированные) вакуумные системы с несколькими насосами.
Рекомендованная в работе база данных для проектирования вакуумных систем приведены в табл. 1.2, а системный подход к выбору средств откачки явился основой создания базовых откачных модулей и вакуумных систем на их основе.
Базовые вакуумные системы, приведенные на рис. 1.1 состоят из модулей форвакуумной откачки на основе пластинчато-роторного насоса или на основе цеолитового сорбционного насоса, модуля байпасной системы откачки модуля высоковакуумной и сверхвысоковакуумной откачки, а также блока коммутационной аппаратуры. Ряды базовых средств откачки, используемых при создании сложных вакуумных систем технологического и физико-аналитического оборудования приведены в работах [29, 30]. Модуль байпасной системы откачки приведен на рис. 1.2.
Базовые низковакуумные модули создаются либо на основе безмасляных сорбционных насосов, либо на основе механических вакуумных насосов с масляным уплотнением за отсутствием в настоящее время надежных безмасляных форвакуумных насосов, например, объемного действия.
Анализ функциональных схем двухступенчатых безмасляныхфорвакуумных насосов на основе высокочувствительных мембран исильфонов
Мембранные и сильфонные форвакуумные насосы, впервые предложенные в составе настоящей работы, относятся к средствам откачки объемного действия. Процесс откачки рассматриваемых насосов состоит из четырех этапов: - всасывание откачиваемого газа за счет расширения объема рабочей камеры; - уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в ней газа до давления достаточного для перекачки во вторую ступень; - удаление сжатого газа из рабочей камеры в камеру второй ступени; - выхлоп сжатого во второй ступени газа на атмосферу.
Мембранные форвакуумные насосы Реализация указанных этапов процесса откачки в применении к мембранному насосу иллюстрируется его функционально-конструктивной схемой, приведенной на рис. 2.6 [65, 96]. Насос состоит из корпусов 1 и 5, между которыми размещен мембранный рабочий узел, содержащий гибкую мембрану 4 и полый шток 12. В корпусе 1 для перемещения штока и мембраны установлена пружина 2. Стакан 10, снабженный обратным клапаном 13 для разделения объемов А и Б, жестко закреплен в корпусе 1.
Стакан клапана 6, разделяющий откачиваемый объем и объем А способен совершать возвратно-поступательные перемещения под действием пружины 7, установленной в корпусе 5. В корпусе 1 предусмотрены два обратных клапана 3 и 9. клапан 3 предназначен для разделения изменяющегося объема Б и атмосферы, клапан 9 - для разделения изменяющегося объема Б и постоянного объема В, соединенных трубкой 14.
Электромагниты 8 и 11 располагаются в корпусах 5 и 1 соответственно.
Действие насоса состоит в следующем. На первой стадии откачки при обесточивании электромагнита 11 пружина 2 перемещает шток 12 вниз вместе с мембраной 4 до прилегания последней к конической поверхности корпуса 5.
При этом газ, заполнявший объем А через клапан 13 перетекает в объем В и далее по трубке 14 перераспределяется в объем Б, образуемый конической поверхностью корпуса 1 и мембраной 4 при ее перемещении вниз.
Объем А уменьшается до объема, заключенного между торцами стакана 6 и 14 и штоком 12.
После установления торца штока 12 в стуле стакана 7 давление в объемах А, Б и В выравнивается, клапаны 9 и 13 закрываются.
Вторая стадия откачки начинается с обесточивания электромагнита 8, вследствие чего пружина 7 поднимает стакан 6 вместе со штоком 12.
Поскольку стакан 10 неподвижен, давление в уменьшающемся объеме А растет, что приводит к открытию клапана 13 и истечению газа из объема А в объем Б.
Подъем мембраны 4 вместе со штоком 12 приводит к повышению давления в объеме Б, открытию клапана 3 и выхлопу газа в окружающую среду.
В то же время при подъеме мембраны 4 «зарождается» новый объем А, в который газ через отверстие в стакане 6 поступает газ откачиваемого объема. При соприкосновении торцев стаканов 6 и 10 Объем А сводится к нулю, а клапаны 3 и 4 закрываются.
Для удержания штока 12 в верхнем положении включается электромагнит 11, после чего для возврата стакана 6 в нижнее положение подается напряжение на электромагнит 8 и цикл повторяется.
Следует признать, что хотя область применения вакуумных насосов этого типа ограничена достаточно низкой быстротой действия, их применение для специальных целей, где можно удовлетвориться откачкой сравнительно небольших объемов, не только будет оправдано, но и достаточно эффективно.
Для достижения более высокой быстроты действия с успехом могут применяться рассмотренные далее безмасляные двухступенчатые форвакуумные насосы сильфонно-поршневого и двухкамерного сильфонного типа.
Функциональная схема сильфонно-поршневого двухступенчатого насоса наглядно иллюстрируется рис. 2.7 а-г [66]. На схеме рис. 2.7 а показано исходное состояние элементов насоса перед всасыванием откачиваемого газа.
Насос состоит из сильфона 1, клапанов 4, 5 и 7, вытеснителя 3 и поршневой системы 6, расположенный в цилиндре вытеснителя клапан 4 открывается под действием потока откачиваемого газа при растяжении сильфона (рис. 2.7 б), заполняющего полость I. При возвращении сильфона в исходное (сжатое) состояние (рис. 2.7 в) давление газа в полости I повышается, клапан 4 закрывается, а через открывшийся клапан 5 откачанный газ устремляется во вторую ступень - полость вытеснителя П. При очередном растяжении сильфона полость II сжимается, давление газа в ее объеме увеличивается и вызывает открытие клапана 7, в торце поршня 6, через который сжатый газ удаляется в атмосферу. Соосность сильфона и вытеснителя с поршневой системой обеспечивается направляющими 8.
Следует подчеркнуть, что вторая вакуумная ступень создается насосом в процессе откачки основного объема на втором этапе цикла его работы в результате перемещения, связанного с сильфоном вытеснителя относительно неподвижно закрепленного поршня 6.
Поршень при этом не только обеспечивает требуемую герметичность в месте контактных поясков, но и предельно низкий коэффициент трения благодаря нанесению на их поверхность износостойкого покрытия. Приведенное техническое решение относится к ресурсосберегающим, поскольку не требует лишних затрат энергии и позволяет создать компактную конструкцию насоса с высоким значением общего КПД при растяжении сильфона на длину L.
Исследования процессов столкновения молекул между собой и с поверхностями элементов вакуумной системы
К верхнему неподвижному фланцу 8 присоединен поршень 9, в торцевой поверхности его установлен клапан. При движении вытеснителя 3 вниз создается разрежение во внутренней полости «А» вытеснителя между торцем поршня 9 и торцем вытеснителя, который является II ступенью насоса. В то же время сильфон сжимается, а газ из полости «Б» между торцем входного патрубка 10 и наружным торцем вытеснителя через клапан перетекает в полость «А».
При возврате вытеснителя 3 в исходное верхнее положение происходит сжатие в полости «А» откачанного газа и его выхлоп на атмосферу через клапан, установленный в поршне, а из откачиваемого объема газ поступает в полость «Б».
Внешний вид форвакуумного насоса рассмотренной конструкции приведен нарис. 2.12.
Сильфонно-поршневой насос горизонтального типа (рис. 2ЛЗ) не отличается по принципу действия от рассмотренной выше вертикальной модели насоса, однако характеризуется некоторыми конструктивными особенностями и производительностью, определяемой геометрическими параметрами сильфона и видом привода возвратно-поступательного движения, в качестве которого использован кривошипно-шатунный механизм, обеспечивающий в отличие от пневмопривода плавность хода в начале и конце цикла. Применение двигателя постоянного тока, кроме того, позволяет в широком диапазоне осуществлять регулирование частоты вращения параметрическими методами, в том числе изменением сопротивления цепи якоря, потока возбуждения и напряжения, подводимого к якорю двигателя.
Первая ступень насоса, как и в вертикальном варианте, выполнена на основе сильфонного узла 1, совершающего возвратно-поступательное перемещение. К переднему неподвижному торцу подсоединен патрубок 2, через который осуществляется откачка. Рис. 2.12 Внешний вид сильфонно-поршневого насоса вертикального типа --4
В патрубке предусмотрен клапан 3, открывающийся под действием потока откачиваемого газа в условиях перепада давления.
Во внутреннюю полость сильфона введен вытеснитель 4 в виде цилиндра, в торцевой части которого предусмотрен клапан 5, срабатывающий при перекачке газа из первой ступени во вторую. Вторая ступень образуется и вступает в действие при каждом очередном сжатии сильфона, когда между неподвижно закрепленным поршнем 6 и внутренней полостью вытеснителя образуется разреженное пространство, и газ из первой ступени перекачивается во вторую. При возврате сильфона в растянутое состояние объем второй ступени уменьшается до полного соприкосновения торцов поршня 6 и вытеснителя 4, а сжатый газ через шариковый клапан 7, встроенный в канал поршня вытесняется на атмосферу, определяющую давление выхлопа - РВЬХ второй ступени.
Соосность сильфонно-поршневой системы достигается применением двух установленных в сварном каркасе цилиндрических направляющих 8 вдоль которых перемещается каретка 9 сильфонно-поршневой системы. Для снижения коэффициента трения в трубчатых опорах каретки предусмотрено использование втулок 10 из фторопласта или капролактама. Возможно также на поверхность направляющих и втулок, выполненных из других конструкционных материалов, в том числе ст. 12Х18Н10Т нанести алмазоподобное покрытие, позволяющее получить предельно низкий коэффициент трения скольжения вплоть до 0,01. Кривошипно-шатунный механизм 11 подсоединен непосредственно к вытеснителю сильфонно-поршневой системы.
Учитывая возможность увеличения объема сильфонной полости за счет работы сильфона не только на сжатие, но и на растяжение на некоторую величину без изменения принципа предлагаемой конструкции необходимо в зависимости от коэффициента растяжения увеличить линейные размеры И-ой ступени, согласуя их с элементами привода, определяющими величину хода. Внешний вид сильфонно-поршневого насоса горизонтального типа иллюстрируется рис. 2.14.
Двухступенчатые сильфонные форвакуумные насосы линейной и коаксиальной структуры
Конструкция форвакуумного двухступенчатого насоса линейной структуры на основе сварных сильфонов представлена на рис. 2.15.
Сильфонная двухступенчатая система откачки рассматриваемого насоса состоит из двух идентичных по геометрическим параметрам сварных высокочувствительных сильфонов 1, 2, образующих рабочие камеры.
Рабочие камеры первой и второй ступени соединены между собой через приводной и одновременно уплотнительный фланец 3 с вытеснителем 4 симметрично расположенных относительно фланца и сильфонных камер.
Противоположные торцевые элементы сильфонов закреплены на опорных стойках 6 и 7 неподвижно. Патрубок 8 на входе в первую ступень предназначен для подсоединения к откачиваемому объему и содержит клапан 9, открывающийся в период процесса откачки.
В торцах вытеснителя предусмотрены клапаны 5, 10 и 11. Клапан 5 открывает доступ откачанного первой ступенью газа при перекачке его в полость вытеснителя, а клапан 10 открывается при очередном возвратном цикле, то есть при сжатии камеры 1 и растяжении камеры 2 с образованием в ее полости разрежения, соответствующего второй ступени и перекачки очередной порции остаточного газа из объема вытеснителя.
Анализ геометрических параметров второй ступени сильфонно-поршневых насосов
В конструкциях сильфонно-поршневых и сильфонных форвакуумных насосов, предложенных в работе и рассмотренных в работе [32], использованы сильфоны с двухволновым профилем мембран с отогнутыми плоскими участками в соответствии с ГОСТ(ом) 21754-76 [70] (рис. 4.1).
Выбор сильфона с мембранами этого типа основан на их способности среди всех других сварных сильфонов для заданных значений геометрических параметров в том числе: наружного диаметра „, внутреннего диаметра Д., толщины стенки ёс и высоты профиля волны h выдерживать большие напряжения как от воздействия перепада давления, так и от перемещений в процессе деформирования в осевом направлении от приложенных нагрузок.
В соответствии с этим сварные сильфоны с двухволновым профилем мембран, по сравнению с сильфонами, выполненными на основе других мембран, в том числе одноволновых и трехволновых, обладают наибольшим ресурсом.
Для достижения наибольшей эффективности действия насоса, использующего высокочувствительные сильфоны, его деформация L в осевом направлении должна обеспечить полное складывание мембран, т.е. где I, - длина сильфона в нейтральном не нагруженном состоянии; Lc - длина сильфона в полностью сложенном состоянии.
Длина сильфона в сложенном состоянии определяет длину вытеснителя с заглушённым торцем. Назначение вытеснителя, как отмечено в работе автора [32] состоит в вытеснении объема, не участвующего в процессе откачки, т.е. так называемого «мертвого» объема.
Важными геометрическими параметрами сильфона, используемого в качестве рабочей камеры форвакуумных насосов, является ее эффективная площадь F и эффективный объем V , определяющие быстроту действия насоса.
Эффективный объем сильфонной камеры насоса определяется из простой зависимости У,Ф. = F+ L (4.1) где F5ip - эффективная площадь сильфонной камеры L - полный ход сильфона L-L -L,.. Эффективная площадь сильфонной камеры с достаточной для инженерных расчетов точностью определяется следующим образом: ,, , где . ,(4.2) где Dliap - наружный диаметр сильфона D - внутренний диаметр сильфона.
При определении эффективного объема необходимо учесть влияние на указанные параметры невытесненного, вредного объема Vep, что иллюстрируется расчетной схемой, приведенной на рис. 4.2, из которого ясно, что истинное значение эффективного объема будет меньше на величину объема кольцевого зазора между внутренним диаметром сильфона De№ и наружным диаметром вытеснителя Dsum. Этот объем определятся из следующей зависимости: KP= iDi DlJ, (4.3) ПО Рис. 4.3 Схема формирования разрежения во IIй ступени при положении всасывания откачиваемого газа Iй ступенью Ш где I длина вытеснителя.
Таким образом, истинное значение эффективного объема будет меньше на величину Vep - объема вредного пространства. Объем вредного пространства существенно влияет на величину предельного давления, которое является наиболее важной характеристикой любого вакуумного насоса.
Для определения предельного давления вакуумного насоса используется следующее выражение [27] (4.4) р = р Ук П 1 + \+\Vk где Vp - откачиваемый объем; Ук - объем рабочей камеры насоса; Vep объем вредного пространства; Рдых - давление выхлопа; ах — коэффициент, учитывающий газовыделение; / „,?, - начальное и конечное давления в откачиваемом объеме. Анализ зависимости для определения Рпред позволяет прийти к следующим уточнениям.
Во-первых, при большом числе циклов работы сильфона в пределах 100-500 и более циклов первое слагаемое стремится к нулю, а второе слагаемое при больших значениях п может быть определено по формуле для суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии, а также щ при отсутствии или незначительном газовыделении может не учитываться.
В совокупности перечисленных допущений, выражение 4.4 может быть представлено в виде, широко используемом при оценке предельного давления форвакуумных насосов.
Как следует из выражения 4.5 при формировании необходимой величины предельного давления важным фактором является отношение вредного объема Vep к объему камеры. В дополнение к этому в конструкциях вакуумных насосов на основе сильфонных камер, необходимо оценить влияние межмембранных зазоров Д, образующихся в результате недоскладывания сильфона и рассматривать совокупный объем вредного пространства. Если 6 - толщина мембраны, an- количество гофр, то очевидно длина сильфона в полностью сложенном состоянии равна: Lc=S-n
Если 2S-п Lc на некоторую величину т значит имеет место недоскладывания сильфона, а межмембранный зазор AH_,H, создающий дополнительный вредный объем во внутренней полости сильфона, может быть определен из следующей зависимости т и хотя зазор Д в виде кольцевой щели имеет малую проводимость, тем не менее, строго теоретически его следует учитывать.
Важным эксплуатационным параметром сильфонных форвакуумных насосов является развиваемые в процессе работы насоса усилия, возникающие при перепаде давления, равного 0,1 МПа, которое необходимо преодолевать.
Для форвакуумных насосов, создаваемых на базе сварных складывающихся сильфонов сравнительно малых диаметров, эффективная площадь которых сравнительно невелика, «охранный» вакуум не требуется. В случае большой эффективной площади сильфонов создание «охранного» вакуума необходимо.
Похожие диссертации на Исследование и разработка комплекса безмасляных средств форвакуумной откачки для оборудования высоких вакуумных технологий электронной техники
