Выберите ваш филиал:
ул. Иркутская, д.3 стр. 20
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:30
сб 10:00-17:00
ул. Енисейская, 1
+7 (495) 788-93-33
пн-пт 9:30-18:00
ул Складочная, 1, стр. 31
+7 (495) 788-07-80
пн-пт 9:30-18:00
МО, п. Трехгорка,
ул. Трехгорная, дом 12
+7 (495) 788-15-16
пн-пт 9:30-18:00
МО, Подольск, пр-т Юных
Ленинцев, д.70, стр. 3
+7 (495) 788-04-80
пн-пт 9:30-18:00
Керамическая втулка - кольцеобразный керамический изолятор, установленный на металлическом стакане изолятора защиты его торца от разрушения [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Эксплуатация вакуумных насосов. Часть 1.

Евгений Авдонин

Вакуумная обработка - неотъемлемая часть технологического процесса изготовления любого электрического источника света. Для чего необходимо и насколько тщательным должно быть вакуумирование?

Известно, что тлеющий разряд способен гореть и в воздухе, и даже в атмосфере чистого кислорода. Только срок службы такой кислородной лампы будет очень невелик. Тем не менее газосветные лампы (ГЛ) подвергают вакуумной обработке на откачном посту (ОП) для обезгаживания стекла и электродов. Воздух - это сложная смесь газов, и входящие в его состав кислород, углекислый газ, водяные пары, а также находящаяся во взвешенном состоянии микроскопическая пыль губительны для ГЛ. Электрический разряд способствует протеканию химических реакций между газом-наполнителем и конструкционными материалами лампы. Можно изготовить ГЛ, наполненную воздухом при давлении 1-15 мм рт. ст. [133-1995 Па], но, как правило, она не способна проработать более 20-100 ч, сильно нагревается при работе, что вынуждает ограничивать ее ток величиной 10-20 мА, а так же имеет грязно-белый цвет свечения. Обычная причина выхода из строя такой ГЛ - чрезвычайно быстрое и интенсивное распыление катодов и следующее за ним жестчение лампы.

Исходя из вышеизложенного, приходим к выводу о необходимости наполнения ГЛ газом, достаточно инертным по отношению к конструкционным материалам лампы, а также способным давать оптическое излучение с нужным спектром. Для этой цели пригодны азот, диоксид углерода (углекислый газ), инертные газы - элементы VIII группы Периодической системы эле­ментов. Инертные газы предпочтительнее для наполнения ГЛ благодаря их высокой химичес­кой инертности, а также способности под воз­действием протекающего электрического тока достаточно ярко светиться. Естественно, что на­личие любых примесей в ГЛ нежелательно.

Рис. 1. Вакуумная схема откачного поста

Для удаления из колбы ГЛ воздуха лампу от­качивают. В связи с этим возникают два очень важных вопроса - о необходимой глубине ваку­ума и скорости откачки. Для ГЛ достаточной считается откачка до остаточного давления 103 мм рт. ст. [0,133 Па]. Это значение установле­но экспериментально, исходя из следующих факторов. Во-первых, получение более глубоко­го вакуума сопряжено со значительным сниже­нием скорости обработки ламп на ОП и с техно­логическими трудностями. Во-вторых, несмотря на более тщательную эвакуацию остаточных га­зов, срок службы ГЛ, подвергшейся глубокому вакуумированию, увеличивается очень незначи­тельно. Более существенным фактором повыше­ния срока службы ГЛ является высокая скорость откачки, так как при обезгаживании ГЛ прогре­вом газы, выделившиеся из стекла и электродов, должны быть как можно быстрее удалены из по­лости лампы, поскольку нагретые материалы, остывая, способны повторно их сорбировать.

Рассмотрим обобщенную схему вакуумной системы ОП. На рис. 1 показаны два варианта построения системы, имеющие наибольшее рас­пространение. Будучи в целом схожими, системы различаются числом ступеней понижения давле­ния. В первом варианте (рис. 1а) применена двухступенчатая схема откачки: механический вакуумный насос (ВН) создает форвакуум, как правило, порядка 102 мм рт. ст. [1,33 Па], однако при таком остаточном давлении в ГЛ остается достаточно много вредных газов, и поэтому в сис­тему включается вторая ступень откачки, постро­енная на диффузионном паромасляном ВН. Вто­рая ступень обеспечивает остаточное давление порядка 103 мм рт. ст. [0,133 Па], достаточное для качественного обезгаживания ГЛ. В некоторых ОП специальной конструкции, рассчитанных на резкое повышение производительности и качест­ва ГЛ, высоковакуумную откачку выполняют турбомолекулярным насосом. Второй вариант конструкции (рис. 1б) существенно проще за счет отказа от применения второй ступени откачки. В этой схеме используют двухступенчатый меха­нический ВН, на основе которого строится одно­ступенчатая система откачки.

ВН классифицируют по целому ряду при­знаков (рис. 2), наиболее существенным, из ко­торых является физический принцип их рабо­ты. В подавляющем большинстве современных ОП используются ВН двух типов:

вращательные: пластинчато-роторные и пластинчато-статорные;

диффузионные: паромасляные, отличающи­еся числом ступеней и наличием или отсут­ствием возможности фракционирования масла, а также системой охлаждения.

Основные параметры и характеристики ВН

Обозначим впускное давление р2, - со стороны впускного отверстия ВН, и выпускное р1- со сторо­ны выпускного отверстия.

Наибольшее давление запуска рнач - наибольшее давление во входном сечении ВН, при котором на­сос может начать работу.

Наибольшее выпускное давление рнаиб - наибольшее давление в выходном сечении ВН, при котором насос еще может нормально работать. Для двухроторных и турбомолекулярных ВН впускное давление плавно за­висит от выпускного, поэтому для них понятие на­ибольшего выпускного давления неприменимо. Предельное остаточное давление насоса - пре­дельно низкое давление, которое достигается насосом при работе без нагрузки, т.е. когда на вход насоса не поступают извне газы или пары. Быстротой действия при данном впускном давлении р2 называется объем газа, поступающий в работаю­щий насос в единицу времени при этом давлении: Si=Vi/t, или Si=dVi/dt. Размерностью быстроты действия является объем газа в единицу времени при задан­ном давлении. Для большинства ВН быстрота дей­ствия практически постоянна в области рабочих давлений и начинает уменьшаться при достижении давлений, близких к остаточному, а также при пре­вышении наибольшего рабочего давления, которое определено принципом действия насоса. Производительностью насоса называется произве­дение быстроты его действия SH на впускное давле­ние р2 (размерность - м3Па/с) Qi=p2Si

Рис. 2. Классификация вакуумных насосов

Конструкции ВН

Наиболее распространены пластинчато-ро­торные ВН. Массовость их применения обус­ловлена простотой и надежностью конструк­ции, позволяющей достичь достаточно глубокого вакуума при довольно высокой быстроте действия. Насосы этого типа составляют около 90% рынка форвакуумных насосов.

Конструкция пластинчато-роторного насо­са (рис. 3) была предложена в 1905 г. Неме0цким физиком Вольфгангом Геде. В рабочей каме­ре (1) насоса находится эксцентричный ро­тор (2), имеющий диаметральный паз. Две пла­стины (3) плотно прижимаются усилием пру­жины (4) к стенкам рабочей камеры. Пластины делят рабочую камеру насоса на три полости переменного объема - полость впуска (I), рас­положенную со стороны входного отверстия, полость выпуска (II) - со стороны выходного, и полость переноса. Поскольку зазоры между трущимися поверхностями деталей насоса очень малы и уплотнены вакуумным маслом, находящимся в камере, то в той полости, объем которой увеличивается (полости впуска), со­здается разрежение. В результате в эту полость через входное отверстие будет всасываться газ. А в полости, объем которой уменьшается (по­лости выпуска), газ сжимается, и, как только пластина доходит до выходного отверстия, сжатые газы выбрасываются в него.

Рис. 3. Схема пластинчато-роторного ВН Рис. 4. Схема работы газобалласта

Для повышения быстроты действия и снижения предельного остаточного давления насосов применяют многоступенчатые ВН (обычно двухступенчатые): в одном корпусе совмещены два одинаковых ВН, работающих последовательно, т.е. один из них служит форвакуумным для другого. Как правило, объем рабочей камеры первой ступени больше, чем второй - это обусловлено тем, что во вторую ступень газ поступает уже достаточно сжатым. Ступени сообщаются между собой через пере­пускной клапан.

Важным недостатком пластинчато-ротор­ных насосов является утечка паров масла в откачиваемый объем, а также затруднения, связанные с откачкой конденсирующихся па­ров, в частности водяного, содержащегося в атмосферном воздухе. От примеси воды ухудшаются свойства вакуумного масла, что ведет к снижению глубины вакуума, а соот­ветственно, и скорости откачки. Наконец, вода вызывает коррозию стальных деталей насоса. Чтобы этого избежать, были созданы газобалластные ВН.

Газобалластный ВН аналогичен обычному пластинчато-роторному и отличается от него лишь наличием специального клапана газобал­ласта. В определенный момент в конце сжатия порции газа в рабочей камере насоса газобал­ластный клапан открывается и впускает в ка­меру порцию атмосферного воздуха (рис. 4). Таким образом, к моменту выпуска газа из ка­меры насоса в атмосферу парциальное давле­ние конденсирующихся паров возрастает, за счет чего конденсация предотвращается. Однако постоянная работа насоса с газовым балластом снижает и скорость откачки, и глу­бину вакуума. Поэтому клапан газобалласта может отключаться при помощи специальной рукоятки. Включают его лишь в случае необ­ходимости - например, при откачке камеры большого объема от атмосферного давления, при необходимости обезгаживания масла ВН и т.п. Обычно же клапан газобалласта закрыт и не препятствует работе ВН. В двухступенча­тых ВН клапан газобалласта предусматривает­ся во второй ступени.

Рис. 5. Схема работы пластинчато-статорного ВН

Пластинчато-статорный ВН (рис. 5) отли­чается от пластинчато-роторного тем, что подвижная пластина (3) установлена не в по­лости ротора (2), а в полости неподвижного корпуса (статора) (1). Пружина (4) воздей­ствует на пластину через рычаг (5). Рабочая камера разделяется на две полости - полость впуска I и полость выпуска П. Основной пре­имущество такой конструкции - меньшее просачивание газа из полости выпуска в по­лость впуска.

В подавляющем большинстве ОП с двухсту­пенчатой схемой откачки в качестве высокова­куумного используются диффузионные паромасляные ВН. Внешне устройство такого насоса ка­жется предельно простым, и на первый взгляд даже непонятно, как оно может откачивать газ. Первая конструкция диффузионного насоса была предложена в 1913 г. Вольфгангом Геде. Самое важное в насосе этого типа - принцип его действия, в корне отличный от механичес­кого насоса.

Рис. 6. Схема работы
паромасляного насоса

Паромасляный насос (рис. 6) представляет собой емкость, в которую помещено неболь­шое количество вакуумного масла. Дно ВН имеет тепловой контакт с электронагревате­лем - в металлических насосах это электро­плитка, в стеклянных - мягкий нагреватель на основе углеродного волокна или с нихромовой спиралью в керамических бусах. Под воздей­ствием теплоты нагревателя масло кипит, ис­паряется, и поток его паров, показанный на рисунке стрелками, направляется по паропро­водам к соплам. В металлических насосах со­пла зонтичного типа резко изменяют направ­ление движения струи пара в сторону, противо­положную входному отверстию насоса. Через это отверстие насос сообщается с откачивае­мым объемом, и поэтому в его полости нахо­дятся газы, которые требуется эвакуировать. Газы диффундируют в струю пара, и их молеку­лы начинают двигаться в сторону выходного отверстия ВН, приобретая от молекул пара до­статочно высокую энергию. Поток газопаро­вой смеси проходит вдоль стенок насоса, кото­рые охлаждаются потоком воды или воздуха. Масляные пары конденсируются на стенках, а молекулы газа продолжают движение и выхо­дят из полости ВН через выходное отверстие, откуда удаляются при помощи форвакуумного насоса. Так работают металлические паромасляные ВН, внешний вид одного из которых по­казан на рис. 7.

Рис. 7. Паромасляный насос
Сложная конструкция паропровода паромасляных насосов обусловлена тем, что вакуумное масло, на котором они работают, содержит неко­торое количество легкоиспаряющихся фракций. Со временем содержание их в масле растет из-за крекинга (крекинг (англ. cracking, от crack - расщеплять) - перера­ботка нефти и ее фракций, а также химического сырья, про­текающая с распадом тяжелых углеводородов. Говоря проще, крекинг есть процесс распада "длинных" молекул углеводо­родов на более "короткие", т. е. получения из тяжелых угле­водородных фракций более легких) углеводородных молекул. Желательно удалить легколетучие компоненты от высокова­куумной части ВН. Этой цели добиваются в фракционирующих паромасляных насосах (рис. 6). Очевидно, что на начальном этапе рабо­ты масло, находящееся в нижней части насоса, представляет собой однородную смесь. Конден­сируясь на стенках насоса, масло стекает вниз, но его легкие фракции очень быстро испаряются, не успев перетечь к цен­тру насоса, где остают­ся лишь самые тяжелые фракции масла. Таким образом, в на­иболее близкое к откачиваемо­му объему цент­ральное сопло по­ступают лишь па­ры этих фракций. Такой ВН называ­ется насосом с фракционированием в жидкой фазе.

В стеклянных насосах соорудить подобную кон­струкцию слож­но, поэтому их строят по принципу фракциони­рования в газообразной фазе. В таких насосах входное отверстие расположено в нижней час­ти и связано с боковым отростком, что хорошо видно на рис. 8, 9. Поток масляных паров на­правляется вверх, в сторону выходного отвер­стия, а по пути омывает стенки охлаждаемого насоса. В стенках имеются специальные отстойники, напоминающие пере­вернутые ворон­ки. Температура их различна - наиболее удален­ный от нагревате­ля отстойник яв­ляется самым хо­лодным, и в нем конденсируются наилегчайшие фракции масла. По мере напол­нения этого от­стойника можно, отключив паромасляный насос от форвакуумного, сливать их. Более тяжелые фракции накапливаются в нижних отстойниках и после переполнения их стекают вниз.

Рис. 8. Паромасляный
насос EGL
Важное преимущество паромасляного ВН - полное отсутствие движущихся частей, просто­та обслуживания, высокая быстрота действия и весьма высокий предельный вакуум (до 10-6-10-7 мм рт. ст. [1,33х10-4 - 1,33х10-5 Па]). Однако есть и масса недостатков, из-за которых во многих случаях от этих насосов отказывают­ся. Один из главных минусов - легкая окисляемость масла при попадании воздуха в горячий насос, например в случае боя или треска лампы. После этого насос приходится полностью раз­бирать, тщательно чистить, порой с использо­ванием абразивов, мыть растворителями и заполнять новым маслом. Насосы, работаю­щие на минеральных маслах, требуют непре­рывного водяного охлаждения в течение всего рабочего времени, а запуск их (включение на­гревателя) допускается лишь при достижении на входе насоса остаточного давления порядка 5х10-2 мм рт. ст. [6,65 Па]. Эти проблемы в неко­торой степени были решены с внедрением силиконовых вакуумных масел, которые окис­ляются значительно медленнее, поскольку, как было указано выше, применение паромасляных ВН в ОП обусловлено необходимостью по­вышения скорости откачки. При этом можно применять в первой ступени откачки относи­тельно дешевые механические ВН с невысокой быстротой действия. В то же время схема ОП может быть существенно упрощена за счет при­менения двухступенчатых механических ВН с высокой быстротой действия. В последние два десятилетия такие ВН, способные обеспечить предельное остаточное давление 10-3 мм рт. ст. [0,133 Па], используются при производстве раз­личных источников света все шире.

Рис. 9. Паромасляный
насос Daco
Бесспорно, что вопрос о том, по какой схеме строить ОП, никогда не будет иметь однозначно­го ответа. Анализируя имеющиеся конструкции, можно лишь сказать, что очень многие решения, принятые в них, определяются техническими традициями, как страны-производителя, так и предприятия-разработчика. Однако соображе­ния технической целесообразности всегда долж­ны быть главенствующими для инженера-конструктора. Опыт постройки ОП показывает, что принципиальной необходимости в двухступенча­той системе от­качки нет. Более того, для постов с небольшой производительностью, ориентиро­ванных на работу в малых фирмах, прекрасно подходят даже небольшие ВН с быст­ротой действия порядка 1-1,5 л/с. При этом нуж­но отметить, что все механические ВН, использу­емые в одноступенчатых системах откачки, долж­ны подвергаться специальной тренировке с це­лью стабилизации их параметров.

Степени вакуума

Относительная степень вакуума будет зависеть от геометрических размеров объема, в котором этот вакуум заключен: чем больше объем, тем выше бу­дет относительная степень вакуума при неизмен­ном давлении. Различают три степени глубины ваку­ума в зависимости от отношения L/dэф, где L - сред­няя длина свободного пробега молекул, dэф - эф­фективный размер вакуумной камеры. Низким вакуумом называют такое состояние газа, при котором взаимные столкновения между моле­кулами преобладают над столкновениями молекул со стенками вакуумной камеры (L ›› dэф).

Высокий вакуум - это состояние газа, при котором столкновения молекул со стенками камеры преоб­ладают над взаимными столкновениями молекул (L ‹‹ dэф). При этом выделяют область сверхвысоко­го вакуума, в которой доля поверхности, покрытой адсорбированными газами за время эксперимента, не превышает некоторой заданной величины.

Средний вакуум - промежуточное состояние между высоким и низким вакуумом, когда вероятности соударения молекул между собой и со стенками каме­ры примерно одинаковы. Тогда L = dэф.


Абсолютные границы степеней вакуума

Степень вакуума Соотношение Давление
Па (мм рт. ст.)
Средняя длина
свободного пробега
молекул воздуха L, м

Низкий

dэф ‹‹ L

> 100 (>1)

4,6 х 10-5

Средний

dэф ≈ L

100-10-1 (1-10-3)

4,6 х 10-5 - 4,6 х 10-3

Высокий

dэф ›› L

10-1-10-5 (10-3-10-7)

4,6 х 10-3 - 6,2x102

Сверхвысокий

dэф ›› L

<10-5 (<10-7)

> 6,2 х 102


Некоторые типы BH не способны работать при атмосферном давлении на выходе, поэтому вводится понятие форвакуума (предварительного вакуума). Так называют низкий или средний вакуум, (обычно не выше 10-3 мм рт. ст. [0,13 Па]), создаваемый дополнительным (форвакуумным) ВН на входе высоковакуумного ВН. За счет такой многоступенчатой системы откачки (два и более насосов) можно получать глубокий вакуум.