Рекомендации по выбору вакуумных насосов

Вакуумные насосы служат в основном для двух целей. Первая заключается в получении возможно более высокого вакуума в приборах, отпаиваемых от насосов. Вторая сводится к тому, чтобы поддерживать возможно более высокий вакуум в системе путем ее непрерывной откачки.

В процессе создания разрежения в любой вакуумной системе можно установить два основных вида течения газа по трубопроводу:

а) в начальной стадии откачки, когда с помощью насосов происходит удаление основной массы газа и давление в системе довольно резко падает, имеет место нестационарное течение газа или же так называемый квазистационарный поток (при котором не будучи постоянным по времени, поток все же в каждый момент остается одинаковым для любого сечения трубопровода);

б) в процессе дальнейшей откачки системы, когда давление в ней установилось и поддерживается на определенном уровне, имеет место стационарное течение газа.

Стационарное течение газа будет, например, в том случае, когда в откачиваемом объеме выделяется или натекает в него извне такое же количество газа, которое за это время удаляется насосом из вакуумной системы.

Проектирование вакуумной установки, как правило, начинается с выбора высоковакуумного насоса, который во многом определяет быстроту откачки системы в том случае, когда насос своим входным отверстием может быть непосредственно присоединен к объекту откачки без всякого трубопровода или же при использовании достаточно короткого и широкого трубопровода. .

В качестве примера вакуумных установок, в которых откачиваемый объект можно непосредственно присоединить к насосу, следует указать вакуумные печи различного назначения, установки для прокаливания металлических деталей токами высокой частоты с целью их обезгаживания, установки для катодного распыления, для нанесения покрытий под вакуумом и т. д.

В том случае, когда откачка какого-либо прибора сопровождается интенсивным прогревом его деталей, быстрота действия насоса чаще всего выбирается, исходя из требуемого времени обезгаживания.

Для определения быстроты разрежения вакуумной системы в этом случае необходимо вычислить полное количество газов (в литрах или куб. сантиметрах), выделяемых с поверхности стеклянных или керамических деталей и из толщи металлических деталей, привести этот объем к тому давлению и температуре, при которых производится откачка, и разделить на требуемое время обезгаживания.

Вычислив быстроту разрежения вакуумной системы 5_С и проводимость соединительного трубопровода Ui, нетрудно подсчитать, какой быстротой действия должен обладать высоковакуумный насос. Нужно, чтобы насос успевал »откачивать выделяющиеся газы, иначе может произойти возрастание давления в приборе, что существенно ухудшает процесс газоотдачи. При этом следует учитывать, что часто газоотде-ление идет скачками (пикообразно, в зависимости от быстроты нарастания температуры), поэтому насос надо выбирать с некоторым запасом производительности.

Что касается насоса предварительного разрежения, предназначенного для совместной работы с высоковакуумпым насосом, то к нему предъявляются, в основном, два требования:

• 1. Создание разрежения, необходимого для нормальной работы высоковакуумного насоса (величины Р_еь,_п максимальных выпускных давлений высоковакуумных насосов даны в приложениях 4 и 5).

• 2. Быстрота действия насоса предварительного разрежения S_H при допустимых выпускных давлениях должна быть, по крайней мере, достаточна для удаления газа, выбрасываемого высоковакуумным насосом, т. е. должно соблюдаться условие

  

Если откачиваемый прибор присоединен к насосу через трубопровод с узкой перетяжкой, диаметр которой обычно выбирается из условий удобства отпайки прибора после откачки, то по сути дела быстрота разрежения вакуумной системы S_c в этом случае определяется в основном не быстротой действия насоса S_K , а пропускной способностью наиболее узкой части трубопровода (перетяжки). Поскольку любой из применяемых насосов обычно имеет быстроту действия, в несколько раз превышающую пропускную способность этой перетяжки, то в данном случае высоковакуумный насос выбирается с такой быстротой действия 5 чтобы ^Квв

5 коэффициент использования насоса ^с был по возмож-^^Нвв

ности максимален.

Стационарное течение газа имеет место также при непрерывной откачке таких приборов, как электронные микроскопы, ртутные выпрямители, разборные генераторные лампы, масс-спектрометры и т. п., в которых необходимо поддерживать возможно более низкое давление при установившейся скорости натекания и газовыделения.

Поскольку эти приборы в основном изготовляются из металла и имеют сварные швы, а также резиновые или металлические уплотнительные прокладки, то следует учитывать, что разборные вакуумные установки такого рода никогда не бывают совершенно герметичными, а проникновение газа через течи создает дополнительную нагрузку на насосы.

Например, через отверстие, имеющее площадь всего лишь 0,0003 мм², проникает в аппаратуру 0,1 г воздуха в час. Как видно из рис. 73, где показано изменение быстроты действия высоковакуумного металлического насоса средних размеров в объемных единицах от его производительности в весовых единицах, при давлениях ниже 10~³ мм рт. ст., несмотря на большую объемную быстроту откачки, вес откачиваемого воздуха ничтожен. Вес воздуха, натекающего через отверстие площадью 0,0003 мм², равен производительности насоса при давлении 10^-3 мм рт. ст. Поэтому насос производительностью 0,1 г воздуха в час (быстрота действия около 20 л/сек) не может откачать систему до давления ниже 10~³ мм рт. ст.

При выборе размеров соединительных трубопроводов в стационарных установках для откачки больших объемов следует руководствоваться также соображениями экономичности. Наличие высоковакуумных коммуникаций может снижать быстроту действия насоса на 40—60%, в то время как в низковакуумных коммуникациях не следует допускать снижения быстроты действия механического насоса более чем на 5—10%.

Дело в том, что механические насосы значительно дороже простых низковакуумных коммуникаций, состоящих обычно из труб диаметром 20—50 мм (только у наиболее высокопроизводительного золотникового насоса ВН-6 диаметр отверстия впускного патрубка достигает 150 мм).

Что касается стоимости пароструйного насоса, то она оказывается приблизительно равной стоимости высоковакуумной коммуникации, в состав которой обычно входят дорогостоящий высоковакуумный затвор и азотная ловушка, значительное увеличение габаритных размеров которых нецелесообразно.

Как уже указывалось, в том случае, когда с помощью насоса удаляется основная масса газа и давление в системе довольно быстро падает, имеет место так называемый ква-зистационарный поток, примером которого может служить процесс откачки газа от атмосферного давления до величины предельного вакуума, создаваемого механическим насосом. Выбор механического насоса в этом случае достаточно прост. Для этой цели, исходя из общего объема всей системы, выбирается насос с такой быстротой действия, чтобы за определенное время можно было получить в системе нужный вакуум.

Это правило применимо только тогда, когда давление в системе значительно выше предельного. Это предельное давление может быть просто предельным давлением насоса или, что чаще имеет место, создается течами и водяными парами в откачиваемой установке.

Откачка значительных объемов насосами с малой быстротой действия связана не только с потерей времени, но приводит к их перегрузке и перегреву. Кроме того, у насосов РВН-20, ВН-1 и ВН-2 при этом имеет место выброс масла из выхлопного патрубка насоса.

Поэтому при отсутствии механических насосов большой производительности откачку вакуумной аппаратуры большего объема следует производить несколькими механическими насосами, включенными в параллель, ни в коем случае не допуская их перегрева.