Вакуумные установки — схемы и последовательность запуска

By Technical Vacuum Last updated Мар 4, 2021

Получение вакуума само по себе никогда не является самоцелью. Вакуум необходим для осуществления той или иной технологической операции изготовления изделия, для проведения физического эксперимента, для обеспечения условий работы электронных приборов и во многих других случаях. Многообразие конкретных условий применения вакуума обусловливает многообразие требований, предъявляемых к вакуумным системам в отношении производительности, давления и состава остаточного газа. Назначение вакуумной системы определяет схему ее построения и применение тех или иных элементов.

Существуют вакуумные установки с рабочей камерой и без нее. К первому типу установок, когда рабочая камера входит в состав установки, относятся большинство лабораторных установок, печи отжига, установки вакуумной обработки материалов, сублимационные установки и ряд других установок. Вакуумными установками без рабочей камеры, как правило, являются откачные посты для изготовления электровакуумных приборов. В этом случае для присоединения обрабатываемого изделия в установке имеется специальное гнездо или фланец. Наличие или отсутствие рабочей камеры не изменяет схемы вакуумной системы.

Как уже известно, все вакуумные насосы подразделяются на газоперемещающие, в которых осуществляется перемещение массы газа со входа к выхлопному патрубку насоса, и сорбционные, в которых газ связывается в самом насосе. Это принципиальное отличие двух классов насосов обусловило принципиальное отличие построения вакуумных систем на их основе. Вакуумные системы на базе газоперемещающих насосов имеют последовательную схему соединения низковакуумных и высоковакуумных насосов. Вакуумные системы на базе сорбционных насосов имеют параллельную схему соединения насосов. Типовые схемы вакуумных систем приведены в табл. 8-1. Принятые в схемах обозначения приведены в приложении 11.

Схема вакуумной системы определяется основным высоковакуумным насосом, а конструкция —насосом, рабочей камерой и требующимся рабочим давлением. По степени создаваемого разрежения вакуумные установки подразделяются на низковакуумные, высоковакуумные и сверхвысоковакуумные.

Требуемая степень разрежения в сочетании с производительностью насоса определяет требования к герметичности и суммарному газовыделению конструкционных материалов, а также применимость тех или иных элементов вакуумной системы. Так, например, запорная арматура и соединения элементов низковакуумных установок выполняются с эластомерными уплотнителями, высоко- и сверхвысоковакуумных установок — с метал-

лическими уплотнителями. В низковакуумных и высоковакуумных установках применимы вводы движения с вильсоновским уплотнением. Однако в большинстве высоковакуумных и сверхвысоковакуумных установок используются вводы движения с сильфонной разделительной перегородкой и различные магнитные муфты и приводы. В сверхвысоковакуумных установках всегда предусматривается прогрев всей высоковакуумной части установки, чего никогда не бывает в низковакуумных установках.

Вакуумные системы с турбомолекулярными насосами по схеме табл. 8-1, п.1, относят к безмасляным системам. Действительно, если запуск турбомолекулярного насоса производится с давления 10¹ Па (10^-1 мм рт. ст.) и предварительная (байпасная) откачка откачиваемого сосуда механическим насосом производится до давления не ниже 10¹ Па (10~^! мм рт. ст.), то обычные в вакуумной технике методы анализа состава газа, например с помощью омегатрона, не обнаруживают тяжелых углеводородов в спектре остаточных газов. Постановка на-текателя между затвором и всасывающим патрубком турбомолекулярного насоса упрощает эксплуатацию установки — освобождает оператора от необходимости постоянно следить за работой установки с тем, чтобы своевременно прекратить предварительную откачку во избежание замасливания откачиваемого сосуда.

Подачей дозированного потока воздуха, обеспечивающего на входе форвакуумного насоса давление 10¹ Па (10^-1 мм рт. ст.), подавляется обратный поток паров масла из низковакуумного насоса. После запуска турбомолекулярного насоса сам насос является хорошей преградой от проникновения паров масла в откачиваемый сосуд, и необходимость в подавлении обратного потока углеводородов отпадает. Подача воздуха во всасывающий патрубок насоса при его остановке ускоряет торможение ротора.

Последовательность запуска установки с турбомоле-кулярным насосом следующая. Включается низковакуумный механический насос 1, обычно насос с масляным уплотнением. Открывается клапан-натекатель 6. Открываются клапан 2 и затвор 5. Производится откачка всего объема до давления 10¹ Па (1СН мм рт. ст.). Включается турбомолекулярный насос 4. Закрывается наге-катель 6.

Выключение установки осуществляется в следующей последовательности. Закрывается затвор 5. Выключается турбомолекулярный насос; открывается натекатель 6. После остановки ротора насоса закрывается клапан 2. Закрывается натекатель 6; выключается форвакуумный насос /. Открывается клапан 5, а после напуска атмосферы в механический насос он закрывается. Байпасная откачка откачиваемого сосуда 8 при работающем тур-

бомолекулйрйом насосе производится через байпасную линию с клапаном 7 при закрытых клапане 2 и затворе 5.

Для получения сверхвысокого вакуума откачиваемый сосуд должен прогреваться. Прогрев рабочей камеры часто осуществляется при работающем турбомолекуляр-ном насосе и .одновременном нагреве корпуса насоса до температуры не выше 100°С. Больший нагрев корпуса не рекомендуется из-за опасности рекристаллизации алюминиевых сплавов, из которых изготовлены роторные и статорные диски.

Вакуумные системы с диффузионными насосами по схеме табл. 8-1, п. 2 выполняются как высоковакуумные, так и сверхвысоковакуумные. В сверхвысоковакуумной системе запорная арматура и соединения высоковакуумной части выполняются с металлическими уплотнителями и предусматривается прогрев высоковакуумной части установки с целью ее обезгаживания. По данной схеме строятся вакуумные системы с быстротой откачки более нескольких тысяч литров в секунду. В случае установок с еще большей быстротой откачки (сотни тысяч литров в секунду) между механическим насосом с масляным уплотнением и бустерным насосом обычно устанавливается двухроторный насос. По упрощенной схеме строится подавляющее большинство вакуумных систем с быстротой откачки от долей литра до нескольких тысяч литров в секунду.

В производстве электровакуумных приборов на конвейерных линиях еще часто применяется схема вакуумной системы с диффузионным насосом, отмеченная в табл. 8-1, п.2 как нерекомендуемая. Отсутствие байпасной линии в ней приводит к загрязнению откачиваемого сосуда (изделия) парами масла в моменты пуска и остановки насоса. Еще большее загрязнение возникает, если откачиваемый сосуд (обрабатываемое изделие) откачивается низковакуумным насосом с атмосферного давления через нагретый диффузионный насос. К тому же в этом случае имеет место повышенная убыль масла из диффузионного насоса. Кроме того, создаются условия для интенсивного окисления масла и осмоления паропроводов насоса. Все это сокращает время работы между последовательными профилактическими чистками установки и увеличивает трудоемкость обслуживания, одновременно сокращая срок службы средств откачки.

Сейчас, когда появились серийно выпускаемые надежные элементы запорной арматуры и средств измерения давления для автоматизированных вакуумных систем, нельзя допускать таких излишне упрощенных схем.

Принята следующая последовательность включения вакуумных установок с диффузионными насосами, выполненных по упрощенной схеме табл. 8-1, п. 2. Включается механический насос с масляным уплотнением 1. Открывается клапан 3. После достижения давления 1 —10 Па (10~²—Ю^-1 мм рт. ст.) включается нагреватель диффузионного насоса 4 и подается вода для охлаждения корпуса насоса. С достижением давления над диффузионным насосом 10~² Па (10~⁴ мм рт. ст.) и ниже замораживается ловушка. После полного ее замораживания и выхода диффузионного насоса на режим закрывается клапан 5, открывается клапан 7, производится откачка рабочей камеры установки. Как только в рабочей камере установки будет достигнуто давление 1 Па (10~² мм рт. ст.), клапан 7 закрывается, открываются клапан 3 и затвор 6, начинается высоковакуумная откачка рабочей камеры.

Откачка рабочей камеры установки механическим насосом с масляным уплотнением до возможно более низкого давления приносит только вред, так как в процессе откачки механическим насосом при давлении ниже 10 Па (1(Н мм рт. ст.) камера загрязняется парами масла из механического насоса. В то же время диффузионный насос успешно может начинать откачку с давлений 1 —10 Па (10~²—10^-1 мм рт. ст.).

Выключение установки производится в следующей последовательности. Закрывается затвор 6. Размораживается ловушка 5. Выключается нагреватель диффузионного насоса 4. При остывании корпуса насоса (неохлаж-даемой его части) до температуры 40—60°С прекращается подача воды для охлаждения насоса. Через 5— 10 мин закрывается клапан 3. К этому времени корпус насоса несколько нагреется от кипятильника и примет более или менее равномерную температуру, что предотвратит конденсацию влаги при возможном попадании атмосферного воздуха в насос. Выключается механический насос. Открывается клапан 2, после напуска атмосферы он закрывается.

Запуск установки и достижение необходимого давления будут происходить без затруднений, если в процессе эксплуатации соблюдать несколько простейших правил. Не следует подавать воду для охлаждения диффузионного насоса, когда он находится под атмосферным давлением; производить длительную байпасную откачку рабочей камеры. Необходимо держать затцор закрытым в моменты пуска и остановки насоса; замораживать и размораживать ловушку при откачке ее диффузионным насосом; охлаждение диффузионного насоса до температуры 40—60°С производить при откачке его механическим насосом; перед вскрытием рабочей камеры на атмосферу на непродолжительное время заполнять ее сухим азоюм; своевременно проводить все регламентные профилактические работы на установке.

Вакуумные системы с адсорбционными насосами по схеме табл. 8-1, п. 3 нашли применение в лабораторной практике и в промышленности, когда необходим безмас-ляный вакуум в диапазоне давлений Ю~³—10′^_/ Па (10~⁵—10^-3 мм рт. ст.). Упрощенная схема находит большее распространение в лабораторных условиях, полная схема — в промышленных установках. Вспомогательный механический насос с масляным уплотнением предназначен для откачки адсорбционных насосов во время их регенерации. Над механическим насосом обычно устанавливается сорбционная ловушка, препятствующая проникновению паров масла механического насоса в остальную часть вакуумной системы. Целесообразно размещение сорбционной ловушки между двумя клапанами. Это позволяет максимально увеличить время работы ловушки между двумя последовательными регенерациями сорбента.

Рекомендуется следующая последовательность подготовки и запуска установки, выполненной по общей схеме табл. 8-1, п.З. Включают механический насос, открывают клапан 3, производят регенерацию (нагрев) сорбента ловушки 4. После окончания нагрева и охлаждения ловушки до температуры 100—120^0 закрывают клапан 3, охлаждают ловушку до комнатной температуры. На время охлаждения ловушки с закрытым клапаном 3 механический насос может быть отключен. Включают механический насос, если он выключался, открывают клапаны 3,5, 6 и 8, производят регенерацию (нагрев) адсорбционных (цеолитовых) насосов 7 и 9. После окончания нагрева и охлаждения цео>литовых насосов до температуры 100— 120°С закрывают клапаны 6 и 8. Если за время регенерации, рекомендованное в техническом описании на насос, не началось снижение давления в насосе от максимального его значения в начале прогрева, следует продолжить прогрев. Клапаны 6 и 8 могут быть закрыты сразу после выключения нагрева насосов. После их закрытия закрывают клапаны 5 и 3, выключают механический насос. Через клапан 2 напускают атмосферный воздух в механический насос и закрывают клапан. Установка готова к работе. Иногда после регенерации цеолитовых насосов проводят повторную регенерацию ловушки 4.

Существует несколько вариантов работы установки, выполненной как по общей, так и упрощенной схеме табл. 8-1, п.З: 1) откачка рабочей камеры одновременно двумя неолитовыми насосами в случае большой газовой нагрузки; 2) последовательная откачка рабочей камеры двумя цеолитовыми насосами с целью достижения максимально возможного разрежения в рабочей камере; 3) попеременная откачка робачей камеры то одним, то вторым цеолитовым насосом для обеспечения непрерывности откачки.

Для достижения наибольшего вакуума запуск установки, выполненной по общей схеме табл. 8-1, п.З, осуществляется в следующей последовательности. Охлаждают цеолитовые насосы — жидкий азот не должен кипеть в сосудах Дьюара насосов. Включают механический насос 1. После того, как появится характерный стук, свидетельствующий о том, что в насосе достигнуто необходимое остаточное давление, открывают клапан 3. Открывают клапаны 5 и 10, производят откачку рабочей камеры до давления не ниже 1 —10 Па (10~²— — Ю^-1 мм рт. ст.). (Откачка до более низких давлений может привести к замасливанию откачиваемого сосуда и последующему ухудшению характеристик цеолитовых насосов.) Закрывают клапан 5. Открывают клапан 6 (или 8) —начинают откачку рабочей камеры одним из цеолитовых насосов. Закрывают клапан 3, выключают механический насос 1 и напускают в него атмосферный воздух. После того, как давление в рабочей камере перестанет понижаться, закрывают клапан 6 и открывают клапан 8 — дальнейшая откачка рабочей камеры осуществляется вторым насосом.

В случае непрерывной откачки рабочей камеры один насос производит откачку, во втором регенерируют цеолит. Применение вместо цеолита какого-либо другого адсорбента не меняет принципов построения и эксплуатации установок на базе адсорбционных насосов.

Высоковакуумная установка с адсорбцирнными насосами, выполненная по схеме табл. 8-1, п. 4, отличается от предыдущей тем, что:

1) предварительная откачка рабочей кдмеры 13 может производиться как механическим насосом с масляным уплотнением /, так и вспомогательным адсорбционным насосом 12. В этом случае предварительная откачка рабочей камеры производится до более низкого давления;
2) во время работы одного основного адсорбционного насоса 6 (или 7) может производиться регенерация сорбента во втором основном адсорбционном насосе 7 (или 6) при откачке его механическим насосом.

Все это позволяет создавать и постоянно поддерживать в рабочей камере установки значительно более низкие давления. Работа этой установки в принципе не отличается от работы установки, выполненной по вышеописанной схеме.

Высоковакуумная прогреваемая безмасляная установка, выполненная по схеме табл. 8-1, п.5, как и две предыдущие, чаще всего применяется в лабораторной практике и ограниченно в промышленности. Это объясняется наличием в установке адсорбционных насосов, которые требуют для своей работы охлаждения жидким азотом и периодической регенерации сорбента, что создает неудобства в производственных условиях.

Постановка двух цеолитовых насосов 1 и 2 предварительного разрежения обеспечивает непрерывность работы и большие возможности системы предварительного разрежения. Применение в качестве основного насоса магнитного электроразрядного насоса обеспечивает легкое достижение сверхвысокого вакуума.

В процессе подготовки установки к работе высоковакуумная часть ее обезгаживается. Об обезгаживании установок прогревом будет сказано в § 4.

Последовательность запуска готовой к работе установки следующая. Цеолитовым насосом (правила запуска их описаны выше в настоящем параграфе и в гл 4) создается предварительное разрежение в рабочей камере установки, закрывается клапан 5 и включается магниторазрядный насос 6. Если при этом вместо понижения начинает заметно расти давление в рабочей камере, что свидетельствует о плохой подготовке магниторазрядного насоса, открывают клапан 5 и производят одновременную откдчку рабочей камеры магниторазрядным и цеолитовым насосом. Одновременная откачка двумя насосами производится до тех пор, пока давление не начнет понижаться, после чего клапан 5 закрывается и дальнейшая откачка производится одним магниторазрядным насосом. Если момент понижения давления не наступает длительное время и магниторазрядный насос заметно нагребается, то для того, чтобы не вывести из строя магниторазрядный насос, его периодически выключают, давая возможность остыть. Если в течение 2—3 ч с момента включения магниторазрядного насоса в установке не достигается высокий вакуум, необходимо повторно произвести обезгаживание (а в ряде случаев и чистку) всей высоковакуумной части установки, предварительно проверив ее на герметичность.

Выключение установки заключается в выключении магниторазрядного насоса, перекрытии всех клапанов и удалении жидкого азота из цеолитовых насосов.

Перед вскрытием рабочей камеры на атмосферу на непродолжительное время в нее напускают сухой азот с тем, чтобы при следующем включении установки сократить время откачки и можно было достичь давления, близкого к предельному остаточному давлению, без предварительного прогрева установки. Это требование относится ко всем высоковакуумным установкам. Напуск сухого азота в некоторой степени препятствует конденсации влаги из атмосферного воздуха на внутренних поверхностях элементов вакуумной системы.

Вакуумная установка, выполненная по схеме табл. 8-1, п.6, по сути повторение установки, выполненной по схеме табл. 8-1, п. 5, с той лишь разницей, что в качестве насоса предварительного разрежения применен механический насос 1 с сорбционной ловушкой 4, Последнее обстоятельство позволяет легко автоматизировать установку, но повышает предельное остаточное давление, так как, несмотря на постановку ловушки, пары масла все-таки проникают в рабочую камеру, загрязняют ее и отравляют магниторазрядный насос.

В табл. 8-1, п. 7 приведена схема вакуумной установки с геттерно-ионным (геттерным) насосом. В данной схеме диффузионный насос является не только насо-60м предварительного разрежения, но и обязательным вспомогательным насосом, который работает параллельно с основным насосом для подкачки инертных газов. Вакуумная установка, выполненная по cxei^e табл. 8-1, п. 7,— это прогреваемая сверхвысоковакуумная установка обычно большой производительности, применяемая как в лабораторной практике, так и в промышленности. Такие установки относят к безмасляным/ установкам, поскольку рабочая камера бывает хорошо защищена от проникновения паров масла из диффузионного насоса высокоэффективными ловушками. Байпасная линия также включает в себя ловушку, бывает достаточно длинной, что способствует лучшей защите рабочей камеры от проникновения паров масла из механического насоса.

Последовательность запуска установки, выполненной по схеме табл. 8-1, п. 7, следующая. При закрытом затворе 8 запускается диффузионный насос 6 и замораживается ловушка 7. Закрывается клапан 5. Открывается клапан 9, в рабочей камере 11 создается первона чальное предварительное разрежение порядка 1 —10 Па (10~²—10^-1 мм рт. ст.). Закрывается клапан 9, открываются клапан 5 и затвор 8. Диффузионным насосом рабочая камера откачивается до давления не выше 10~⁴—10^-3 Па (10~⁶—10~⁵ мм рт. ст.), после чего включается геттерно-ионный (геттерный) насос. Выключение установки осуществляется в обратной последовательности.

В табл. 8-1, п. 8 приведена схема вакуумной установки, выполненной по так называемой схеме «вакуум в вакууме». Установка представляет собой рабочую камеру, откачиваемую до низкого или среднею вакуума, в которой помещается обрабатываемое изделие, соединенное с высоковакуумной откачкой. Применение в вакуумной системе дистанционно управляемых элементов позволяет автоматизировать установку. Такая схема широко применяется в автоматизированных откачных постах для производства электровакуумных приборов. Дополнительное оснащение рабочей камеры зависит от вида обрабатываемого изделия.

Схема высоковакуумной откачки обрабатываемого изделия 9 полностью повторяет схему табл. 8-1, п. 6. Отличие состоит в том, что механический насос /, насос предварительного разрежения, одновременно является основным насосом для откачки рабочей камеры.

вакуум вакуумный насос