МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Московский государственный институт электроники и математики
(Технический университет)
Факультет электроники Кафедра «Технологические |
Вакуумная техника
Методические указания
по выполнению курсовой работы
на тему «Расчет вакуумной системы»
Москва 2005
Настоящие методические указания являются составной частью методического обеспечения дисциплины "Вакуумная техника", изучаемой студентами 4 курса специальности 210107 - электронное машиностроение.
Курсовая работа выполняется в объеме 17 часов индивидуальной работы студента под контролем преподавателя. Цель работы - освоение методики расчета вакуумных систем и приобретение навыков проектирования вакуумных систем на этапе составления принципиальных схем. В ходе выполнения курсовой работы студент использует рекомендуемую литературу и методические разработки кафедры. Необходимые вычисления проводятся как обычными методами, так и с применением вычислительной техники. Курсовую работу студент представляет как законченный расчет, включающий схему вакуумной установки в условных обозначениях, собственно расчеты, снабженные необходимыми пояснениями, и график, отражающий кинетику процесса откачки.
Курсовая работа оценивается зачетом, вносимым в зачетную книжку студента.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к курсовой работе
"РАСЧЕТ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ"
Цель расчета состоит в том, чтобы исходя из задания:
- обоснованно выбрать средства откачки (вакуумные насосы) для обеспечения заданных параметров разреженной газовой (или паровой) среды в рабочей камере установки;
- составить схему вакуумной установки в условных обозначениях в соответствии с ГОСТ 2.796-81 и ГОСТ 2.797-81;
- рассчитать время достижения заданного вакуума и построить график, иллюстрирующий временную зависимость параметров процесса откачки.
Исходные данные
Вакуумно-технологическое оборудование предназначено для обработки (откачки, отжига, обезгаживания, нанесения тонких покрытий и т. д.) изделий заданной формы и размеров и выполненных из определенных материалов. Поэтому задание на курсовую работу содержит следующие исходные данные:
- описание рабочей (или технологической) камеры с указанием ее размеров, формы, конструкционных материалов, основных узлов и деталей;
- описание изделий (обрабатываемых объектов) с указанием размеров, конфигурации, материала, числа одновременно обрабатываемых изделий;
- сведения о режиме обработки в вакууме: температура нагрева (или отжига) и его продолжительность, время откачки рабочей камеры до заданного давления (так называемого "технологического" вакуума), давление разреженной газовой среды во время проведения технологического процесса или на момент его окончания (так называемый "рабочий" вакуум), требования к качеству вакуума и т. д.
Основные этапы расчета
Руководствуясь заданием, целесообразно выполнять расчет вакуумной системы в следующей последовательности.
1. Определение суммарного газового потока.
2. Выбор откачных средств (вакуумных насосов или агрегатов) и определение совместности их работы.
3. Составление схемы вакуумной установки в условных обозначениях.
4. Определение конструктивных размеров соединительных трубопроводов, арматуры и их проводимостей. Расчет эффективной быстроты действия выбранных вакуумных насосов.
5. Расчет временных характеристик процесса откачки, включая начальный и основной (технологический) периоды откачки и построение графической зависимости.
1. Определение суммарного газовыделения
Исходным (и наиболее ответственным) этапом вакуумного расчета является определение газовой нагрузки или потока газа, формирующегося в объеме рабочей камеры. Как правило, расчетный газовый поток определяется не вообще, а на момент достижения заданного рабочего вакуума.
Вообще газовый поток, воспринимаемый вакуумным насосом во время откачки рабочей камеры, имеет множество составляющих: газовыделение из конструкционных материалов, из которых изготовлена рабочая камера, газовыделение из узлов и элементов, расположенных в камере, например, устройств перемещения или вращения изделий, источников излучения и т. д., газовыделение из тепловыделяющих элементов (спирали, ленты, тонкостенные трубки), натекание атмосферного воздуха через неплотности в разборных, сварных, паяных соединениях, и, конечно, так наз. технологическое газовыделение, обусловленное интенсивным температурным воздействием на изделия в процессе вакуумной обработки.
Для данного вакуумного расчета будем полагать, что газовый поток, откачиваемый вакуумным насосом при установившемся (стационарном) режиме, имеет три составляющих
Q = Оконст. + Qтехнол. + Qнат.
где Оконст. - газовый поток, обусловленный поверхностной десорбцией из конструкционных материалов, применяемых для изготовления рабочих камер;
Qнат. - поток газа, обусловленный натеканием атмосферного воздуха через сквозные микродефекты в сварных и паяных соединениях, а также через неплотности в разборных соединениях;
Отехнол. - технологическое газовыделение, обусловленное, главным образом, высокотемпературной диффузией газов, растворенных в толще изделий.
Газовыделение из конструкционных материалов происходит, как уже упоминалось, за счет процесса поверхностной десорбции газов, удерживаемых на внутренних поверхностях рабочей камеры, а также поверхностях механизмов и устройств, обращенных в вакуумную полость (например, вводов движения, механизмов перемещения, экранов, источников испарения или излучения и т. д.). Поток газовыделения со стенок рабочей камеры может быть найден по формуле
Qконстр. = qдес. × Aпов.
где qдес. - удельный поток газа, десорбирующийся с единичной поверхности материала при комнатной температуре, м3Па/с м2;
Aпов. - площадь поверхностей стенок камеры и устройств, "обращенных" в вакуумную полость, м2.
Для расчетов рекомендуется пользоваться табличными значениями qдес. для различных материалов, которые приведены в приложениях 1,2.
Натекание атмосферного воздуха в объем рабочей камеры происходит по разборным, сварным, паяным соединениям, которые в ряде случаев не могут обеспечить полную герметичность. Величина возможного натекания воздуха в рабочую камеру определяется так
Qнат. = Kвер. × m × Qтеч.
где Kвер. - вероятность наличия течи (сквозного микродефекта);
m - число соединений (фланцев, сварных швов, мест пайки);
Qтеч.×- наименьший поток газа, регистрируемый специальным прибором (течеискателем); (Qтеч.= 1×10-8 Па м3/с).
В данном расчете значение Qнат. полагаем постоянным и равным величине 5 10-7 Па м3/с.
Технологическое газовыделение связано с типом обрабатываемого объекта и способом осуществления технологического процесса. Во многих случаях технология производства электронных приборов предусматривает тщательное обезгаживание или отжиг деталей, целых узлов при высокой температуре в условиях вакуума. Другим примером может быть процесс нанесения тонких покрытий методом термического испарения или ионно-плазменного распыления. В обоих случаях газовыделение из изделий, находящихся при высокой температуре, происходит за счет диффузии газа, растворенного в объеме материалов.
Если газовыделение из материалов, находящихся при высоких температурах, представляется как поток газа с единичной поверхности материала, то технологическое газовыделение определяется по формуле
Qтехнол.= qдиф. × Aизд.
где qдиф. - удельный поток газа из материала при температуре, заданной технологическим процессом, м3 Па/с м2;
Аизд. - площадь поверхности изделий, м2.
Значения qдиф. для различных материалов и температур приведены в приложении 3.
В ряде случаев в справочной литературе данные о газовыделении из материалов представлены как количество газа Ф1, выделяющееся из единицы массы материала при фиксированной высокой температуре. В таком случае технологическое газовыделение определяется как
где Ф1 - удельное количество газа, выделяющееся из материалов при высоких температурах, м3 Па/кг (смотри прил. 4);
G - масса изделий, обрабатываемых в условиях вакуума, кг;
Ω - коэффициент неравномерности процесса газовыделения во времени (1,5 - 3);
t - длительность процесса обработки в вакууме при заданной высокой температуре, с.
Если в ходе технологического процесса происходит расплавление материала (или его испарение), сопровождающееся высвобождением всего газа, растворенного в объеме материала, то для определения технологического газовыделения необходимо знать полное количество газа, выделяющееся из материала.
где Ф1полн. " полное количество газов, выделяющееся из материалов при плавлении (или испарении), м3 Па/кг (смотри приложение 5);
G - масса расплава (или масса материала, испаряющегося за расчетное время), кг;
t - время расплавления (или испарения), с.
Примечание. При работе со справочными данными, приведенными в технической литературе, целесообразно задаваться наибольшими значениями газовыделения из материалов, если указан интервал этих величин.
2. Выбор вакуумных насосов или вакуумных агрегатов
Выбор высоковакуумных насосов (или высоковакуумных агрегатов) производится при установившемся режиме откачки, который отличается фиксированным газовым потоком при заданном рабочем давлении. Условием установившегося режима откачки является равенство
Sp = Sq
где Sq = Q / Рраб. - быстрота газовыделения, то есть объем газа, выделяющийся в единицу времени со всех поверхностей, обращенных в вакуумную полость;
Рраб. - рабочее давление (смотри п. 2 режимов обработки);
Sp - быстродействие (скорость откачки) вакуумного насоса при давлении Рраб.
Быстроту откачки Sp можно определить из соотношения
где SH - максимальное (паспортное) значение быстроты откачки высоковакуумного насоса (агрегата), м3/с (л/с);
Рпред.- предельное (минимальное) давление газа, поддерживаемое в сечении впускного патрубка вакуумного насоса, Па;
Рраб. - рабочий вакуум, задаваемый условиями технологического процесса (смотри п.2 режимов обработки).
Приравняв значения Sp и Sq находим искомое расчетное значение быстродействия или скорость откачки высоковакуумного насоса
Подбираем высоковакуумный насос или агрегат так, чтобы
Sн(агр.) > Sн(расч.)
Выбор марки в/в насоса (агрегата) определяется условиями задания, а также учетом следующих факторов, к числу которых относятся:
- быстродействие (скорость откачки) вакуумного насоса;
- предельное разрежение или предельный вакуум, создаваемый выбираемыми средствами откачки;
- диапазон рабочих давлений, в пределах которого быстродействие в/в насоса или агрегата соответствует паспортному значению;
- селективность, т. е. различная скорость откачки по отдельным газам;
- чистота получаемого вакуума, т. е. минимальное содержание паров углеводородов;
- вероятность взаимодействия рабочих органов (или рабочих жидкостей, применяемых в насосах) с агрессивными технологическими средами;
- воздействие электрических и магнитных полей, механической вибрации и т. д.
По справочным данным (смотри приложения 4-8) подбираем вакуумный насос или агрегат, отдавая предпочтение агрегатированным средствам откачки, и в табличной форме представляем их основные характеристики.
Характеристики вакуумного агрегата | |
Марка вакуумного насоса (агрегата) | |
Быстродействие насоса (агрегата), м3/с | |
Рабочий диапазон давлений, Па | |
Предельное давление, Па | |
Диаметр входного патрубка, мм | |
Марка в/в насоса, используемого в агрегате |
Выбор средств откачки для создания предварительного разрежения (давление запуска в/в насоса) осуществляется следующим образом.
1. Если в агрегате (или вообще в вакуумной системе) применяется высоковакуумный насос проточного типа (например, турбомолекулярный), требующий для работы постоянное разрежение, то должно выполняться условие равной производительности средств откачки, которое выглядит так: при максимальной производительности предыдущего (как правило, высоковакуумного) насоса последующий обеспечивает на его выпускном патрубке давление меньшее или равное наибольшему выпускному давлению (давлению запуска)
где SB/B h - паспортное быстродействие в/в насоса, задействованного в агрегате;
Рmах - наибольшее значение рабочего диапазона давлений, в пределах которого сохраняется паспортное значение скорости откачки;
Sф/в н - быстродействие насоса предварительного разрежения;
Рнаиб. вып. - наибольшее выпускное давление.
тогда 
Выбираем насос предварительного разрежения исходя из условия
Примечание. Все значения S и Р, используемые в предыдущей формуле, являются паспортными данными соответствующих вакуумных насосов.
2. Если в агрегате задействован высоковакуумный насос поверхностного действия (например, магниторазрядный насос), требующий для его запуска предварительное разрежение, то в качестве средств откачки могут быть задействованы поочередно механический и криоадсорбционный насосы.
Сначала рабочая камера откачивается насосом объемного действия (например, механическим вытеснительным насосом) до давления - 100 Па. Задаваясь временем откачки рабочей камеры в пределах 3-5 минут получаем расчетное значение быстродействия насоса объемного действия
Подбираем марку вакуумного насоса из таблицы технических характеристик насосов объемного действия (например, механических насосов). Далее рабочая камера откачивается адсорбционным насосом до давления запуска, которое является паспортной характеристикой высоковакуумного насоса поверхностного действия. Принимая во внимание, что основным рабочим параметром адсорбционного насоса является объем откачиваемого воздуха, подбираем тип насоса, исходя из соотношения
где Vнас. - расчетное значение объема воздуха, откачиваемого до давления
1 Па;
Vкам. - объем рабочей камеры (смотри условия задания);
P1 - наименьшее значение диапазона давлений, в пределах которого реализуется вязкостный режим течения газа.
Выбираем марку адсорбционного насоса предварительного разрежения так, чтобы
В табличной форме представляем основные характеристики выбранного адсорбционного насоса
Характеристики адсорбционных насосов (агрегатов) | |
Марка насоса (агрегата) | |
Быстрота откачки, м3/с | |
Объем откачиваемого воздуха, м3 | |
Марка сорбента | |
Количество сорбента, кг | |
Рабочий диапазон давлений (Па) |
3. Составление схемы вакуумной установки
Построение схемы вакуумной системы начинается с формулирования требований, предъявляемых к данному техническому объекту, а именно
Параметр | Технические характеристики |
вакуумные параметры | степень разрежения (рабочий вакуум); тип высоковакуумного насоса, применяемого в агрегате; быстродействие вакуумного агрегата; допустимая концентрация паров углеводородов |
технологические требования | постоянное поддержание (сохранение) рабочего вакуума в технологической камере; напуск атмосферного воздуха в рабочую камеру без остановки вакуумного агрегата |
специальные условия | уровень вибраций при работе вакуумного агрегата; интенсивность электрических (или магнитных) полей при использовании электрофизических средств откачки; требования к ориентации вакуумных насосов в пространстве |
Составление схемы выбранной вакуумной установки в условных обозначениях выполняется в соответствии с ГОСТ 2.796-81 "Элементы вакуумных систем" и ГОСТ 2.797-81 "Правила выполнения вакуумных схем". При составлении схемы вакуумной установки должны быть указаны все элементы (вакуумные насосы, ловушки, затворы, клапаны, вакуумметры и т. д.). На рис. 1 приведен пример схемы вакуумной системы на базе высоковакуумного диффузионного насоса.
Рис.1. Схема вакуумной системы на базе в/в диффузионного
пароструйного насоса
CV-рабочая камера; ND-диффузионный насос; NL-механический насос; BL-охлаждаемая (азотная) ловушка; VT-тарельчатый затвор; VII-вакуумные вентили; VE-клапаны для напуска воздуха; РА, РТ-манометрические преобразователи; BS-сорбционная ловушка.
4. Выбор конструктивных размеров соединительных
вакуумпроводов и арматуры
Конструктивные размеры соединительных вакуумпроводов выбирают задаваясь диаметрами входных (или выходных) патрубков вакуумных насосов или агрегатов. В ряде случаев к конфигурации вакуумпроводов предъявляются особые требования, например, задается сечение в виде прямоугольника, щели, конуса, коаксиального канала и т. д.
Основной трубопровод соединяет входной патрубок вакуумного агрегата с присоединительным фланцем рабочей камеры, поэтому диаметр трубопровода должен сочетаться с размерами входного патрубка выбранного в/в насоса или агрегата; при этом длина основного вакуумпровода составляет не более 0,3 - 0,5 м.
Делая проверку на режим течения газа для основного вакуумпровода и найдя проводимость Uосн. рассчитываем эффективную скорость откачки высоковакуумного агрегата.
Критерием правильного выбора вакуумного агрегата является неравенство типа
Диаметр байпасной (вспомогательной) коммуникации и вакуумпровода, соединяющего в/в насос с насосом предварительного разрежения, должен сочетаться с размером впускного патрубка насоса для предварительной откачки рабочей камеры или создания давления запуска в/в насоса. Из конструктивных соображений длина этих коммуникаций не должна превышать 1,5 – 2,0 м. Если коммуникация (вакуумпровод) состоит из нескольких элементов, соединенных последовательно (например, вакуумпровода, ловушки и вентиля), то должно выполняться условие
4. Расчет основных периодов процесса откачки
Расчет основных периодов откачки сводится к расчету времени достижения требуемого (рабочего) вакуума, соответствующего данному моменту процесса обработки изделий в вакууме. Наглядное представление о кинетике процесса дает следующий рисунок.
Ратм. Рзап. Ртехнол. Рраб. Рвыд.
tнач. tподг. tтехнол. tвыд.
tнач. - время откачки атмосферного воздуха из рабочей камеры насосом предварительного разрежения через байпасную коммуникацию;
tподг - время формирования "процессного" вакуума в рабочей камере (смотри п.5 режимов обработки);
tтехнол. - время технологического процесса, непосредственно связанного с температурным воздействием на изделия;
tвыд. - время выдержки изделий в вакууме, т. е. остывания их до комнатной температуры в рабочей камере.
Расчет начального периода откачки tнач. с учетом вязкостного режима течения газа выполняется по формуле
где Vкам. – объем рабочей камеры;
С - константа в формуле проводимости (C=1360d4/L);
Sнас. - паспортное значение быстроты откачки насоса предварительного разрежения;
P1 - давление запуска высоковакуумного насоса (для большинства в/в насосов 2-5 Па);
Рпред. - предельный вакуум, создаваемый насосом предварительного разрежения.
Давление газа в рабочей камере Ркам. в процессе ее откачки высоковакуумным насосом (или агрегатом) в произвольный момент времени рассчитывается по формуле
где Q - поток газа, обусловленный газовыделением в объем рабочей камеры в произвольный момент времени, Па м3/с;
Sэф. агр. - эффективная скорость откачки высоковакуумного агрегата, м3/с;
Р1 - давление запуска высоковакуумного насоса, задействованного в агрегате, Па;
tотк. - время работы (откачки) высоковакуумного агрегата, с;
Рпред. - предельное разрежение, создаваемое в/в насосом в агрегате, Па.
Расчет tподг., т. е. времени откачки рабочей камеры до так называемого "процессного" вакуума предполагает учет следующих особенностей этого периода откачки:
- откачка рабочей камеры ведется высоковакуумным агрегатом;
- поток газа, выделяющийся в объем рабочей камеры, формируется, главным образом, за счет десорбционного газовыделения с поверхности камеры и изделий, "обращенной" в вакуумную полость;
- температура стенок рабочей камеры и изделий принимается комнатной (смотри п.2 примечаний задания).
Сначала определяется вакуум в рабочей камере, соответствующий первой секунде после открытия затвора, отделяющего работающий вакуумный агрегат от технологической камеры. Следовательно
Подготовительное время tподг. определяется из уравнения
откуда, определив значение tподг. целесообразно взять несколько промежуточных значений времени для построения графической зависимости.
Расчет tтехнол. (т. е. времени технологического процесса) предполагает учет следующих особенностей этого периода откачки:
- откачка рабочей камеры ведется высоковакуумным агрегатом;
- поток газа, выделяющийся в объем рабочей камеры, складывается, в основном, за счет высокотемпературного диффузионного газовыделения из материала изделий и десорбционного газовыделения со стенок рабочей камеры;
- температурный режим изделий, подвергающихся обработке в вакууме, и рабочей камеры соответствует параметрам режимов обработки (смотри условия задания).
Сначала определяется давление в рабочей камере, соответствующее первой секунде обработки (например, нагрева) изделий. Тогда
где Qизд. - газовыделение из материала изделий, соответствующее tобезг., равное 1 с (!).
Например, если газовыделение из материала подчиняется параболическому закону, то в формуле qдиф. = K/
, tобезг. = 1 с.
Если газовыделение из изделий полагается постоянной величиной, то и значение Qизд. в течение всего технологического процесса неизменно.
Далее расчет значения tтехнол. предусматривает последовательное увеличение значений tобезг. и определение промежуточных значений вакуума в рабочей камере согласно формуле
пока значение Ркам. не достигнет заданного Р5(раб.).
Процесс обработки изделий в вакууме завершается выдержкой (временным интервалом), в течение которого изделия остывают в вакууме до комнатной температуры для предотвращения взаимодействия "горячих" изделий с атмосферным воздухом (смотри п.4 режимов обработки). Этот период выделяется влиянием только одной составляющей газовой нагрузки - десорбцией газа со стенок рабочей камеры, обращенных в вакуум.
Поэтому сначала определяется давление в рабочей камере, соответствующее первой секунде выдержки изделий при комнатной температуре
Конечной точкой расчета является определение давления в камере в момент окончания выдержки согласно соотношению
где Qкам. - поток г/выделения со стенок камеры, соответствующий значению tотк. = tподг. + tтехнол. + tвыд.
Результаты расчетов переносятся на график, охватывающий весь процесс вакуумной обработки и иллюстрирующий изменение давления (вакуума) в технологической камере в различные периоды обработки изделий.
Приложение 1
Для определения скорости газовыделения из металлов при комнатной температуре можно воспользоваться формулой
lg q = A – B × t
где q - удельное газовыделение, м3 Па/с м2;
А, В - эмпирические константы;
t - время десорбции, с.
Материал | Удельное газовыделение после 1 часа откачки, м3 Па/с м2 | Константы | |
А | В | ||
Сталь нержавеющая марки 1Х18Н10Т | 1,75×10-4 | -3,4 | 7,3×10-5 |
Сталь конструкционная марки Ст3 | 4,1×10-4 | - | - |
Сталь конструкционная хромированная | 1,3×10-7 | -3,2 | 4,2×10-5 |
Медь | 2,0×10-4 | -3,5 | 4,0×10-5 |
Резина вакуумная необработанная | 1,0×10-2 | - | - |
Полиэтилен | 1,0×10-4 | - | - |
Фторопласт | 3,0×10-4 | - | - |
Справочные данные взяты из книги «Вакуумная техника». – М.: Высшая школа, 1982 г., стр. 168.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 |
