Вакуумная техника (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный институт электроники и математики

(Технический университет)

Факультет электроники Кафедра «Технологические системы электроники»

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);