Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Отчёт по практике на тему «Обзор современных средств откачки и методов измерения»

Основной особенностью развития средств вакуумной откачки на протяжении последних лет является стремление избавиться от вакуумных масел и других рабочих жидкостей. Эта тенденция настолько сильна, что получает развитие даже в таких областях применения вакуумной техники, где этим вопросам до последнего времени не уделяли много внимания — прежде всего, в вакуумной металлургии.

Написание отчета за 5 дней

1. Форвакуумные средства откачки

Основной особенностью развития средств вакуумной откачки на протяжении последних лет является стремление избавиться от вакуумных масел и других рабочих жидкостей. Эта тенденция настолько сильна, что получает развитие даже в таких областях применения вакуумной техники, где этим вопросам до последнего времени не уделяли много внимания — прежде всего, в вакуумной металлургии.

В табл. 1 показаны основные типы безмасляных механических форвакуумных насосов для промышленного использования, их типичные характеристики и производители.

Табл. 1

 

Многие производители устанавливают на форвакуумный насос дополнительный насос Рутса, в результате чего примерно на порядок вырастает предельный вакуум, и до нескольких раз — производительность. Так, характерная производительность таких систем обычно 600-2500 м3/ч, а предельный вакуум — 0,005-0,0001 мбар. Кроме того, существуют специальные решения для откачки камер больших объемов или для работы с высокими газовыми нагрузками с производительностью в десятки тысяч м3/ч.

Лидирующими технологиями в данной области являются когтевые, винтовые и многоступенчатые насосы Рутса. Это полностью бесконтактные насосы, откачка в которых обеспечивается вращением роторов специальной формы, зазоры между которыми очень малы — до микрометров, поэтому уровень обратного потока газа также крайне мал. Форма роторов когтевого насоса показана на рис. 1, винтового — на рис. 2, а многоступенчатого Рутса — на рис. 3.

Рис. 1. Когтевой форвакуумный насос

Рис. 2. Роторы винтового насоса

Рис. 3. Многоступенчатый насос Рутса

Когтевой насос выполняется в виде многоступенчатой (обычно состоящей из 3 или 4 ступеней) машины, где одной из ступеней является двухроторная ступень Рутса, остальные — когтевые. Главным игроком и обладателем патента на данную конструкцию является компания Edwards.

Винтовые насосы имеют несколько вариантов конструкции — с переменным и постоянным шагом, с напуском газа в торце и в центре роторов, вертикальные и горизонтальные. Такое многообразие конструкций обусловлено тем, что данная технология развивалась наиболее бурно, так как развитие когтевой конструкции было ограничено патентом Edwards. В настоящий момент винтовые насосы обеспечивают, пожалуй, наилучшие технические и эксплуатационные характеристики среди всех безмасляных конструкций (табл. 1), поскольку Edwards начал выпуск и винтовых насосов. Наиболее заметными игроками в данной области являются японские Ebara и Ulvac, имеющие хорошие позиции в Японии и Азии, корейский LOT Vacuum, распространенный в Южной Корее и Европе (под брендом Leybold), а также тайваньский «азиатский тигр» Hanbell, стремительно занимающий лидирующие позиции в Тайване, где сконцентрировано сейчас основное производство полупроводников, кремниевых пластин и плоскопанельных дисплеев, Китае, где активно развиваются данные отрасли, а также выходит на рынки Европы и США. В вакуумной металлургии активные позиции имеют винтовые насосы SIHI.

Еще одной технологией безмасляных форвакуумных насосов для промышленного использования является конструкция, объединяющая несколько ступеней Рутса. Основными игроками здесь являются японская Kashiyama и французский Adixen (Alcatel). Данная технология не получила такого активного, как винтовая, развития в силу своей наибольшей среди других конструкций «чувствительности» к грязным и тяжелым, с эксплуатационной точки зрения, технологическим процессам. Данная конструкция предполагает достаточно сложную и длинную конструкцию вакуумных трактов между ступенями, где могут накапливаться нежелательный конденсат и чужеродные частицы, откачиваемые вместе с рабочим газом. Указанные типы насосов широко применяются в промышленных приложениях таких отраслей как металлургия, химическая промышленность, полупроводники, установки роста кристаллов, плоскопанельные дисплеи и др.

Для лабораторных и «чистых» приложений используются безмасляные форвакуумные спиральные насосы (рис. 4). Поскольку их развитие ограничивается в основном лабораторными системами, характерный диапазон быстроты действия составляет от 3 до 35 м3/ч. Предельный вакуум, обеспечиваемый такими насосами обычно составляет 0,01 мбар. Наиболее заметными игроками в данном сегменте являются компании Anest Iwata, родоначальник данной конструкции насосов, имеющая самую широкую линейку с производительностью до 60 м3/ч, Varian, Edwards, Busch, также занимающие заметную долю этого рынка. Надо сказать, что многие компании предлагают насосы Anest Iwata под собственными брендами — такие как, например, Leybold (Oerlikon) и Ulvac.

Рис. 4. Безмасляный форвакуумный спиральный насос

Табл. 2. Основные технические характеристики винтовых насосов Screwstar

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Заказать отчет



Табл. 3. Технические характеристики спиральных безмасляных насосов

 

Серия насосов RVB отличается тем, что рассчитана на меньший диапазон производительности, и также обладает всеми конструктивными достоинствами, как и у «старшей» линейки насосов RNVB.

Табл. 5. Основные технические характеристики насосов Рутса RVB



Табл. 6. Основные характеристики двухступенчатых пластинчато-роторные вакуумных насосов

 

2. Высоковакуумные средства откачки

форвакуумный откачка масло

В данной области также прослеживается четкое стремление избавиться от масел и рабочих жидкостей. Например, несмотря на дешевизну диффузионных насосов, их использование пытаются максимально сократить во многих областях, до последнего времени считавшихся нечувствительными к остаточным парам рабочих жидкостей в вакуумной камере — электротермическое оборудование, вакуумные печи и т.п. Там, где полный отказ невозможен или слишком дорог используются различные ловушки, снижающие количество масляных паров в рабочей области.

Наиболее активно развивающимися высоковакуумными безмасляными откачными средствами являются турбомолекулярные и криовакуумные насосы. Магниторазрядные насосы в последние годы развивались не столь сильно, в силу специфичности приложений их использования и ограниченности их производительности в 1000-1200 л/с. Однако, нужно отметить, что данный тип насосов активно используется в приложениях, где необходимо получать высокий и сверхвысокий вакуум (до 10-10 торр) и удерживать его длительное время (например, несколько месяцев) — ускорительно-накопительные системы, физика элементарных частиц и т.п.

В области турбомолекулярных насосов можно отметить сразу несколько тенденций:

·              активное распространение гибридных конструкций, объединяющих турбомолекулярную и молекулярную ступени. Это позволяет лучше откачивать легкие газы, такие как гелий и водород, и увеличивать максимально допустимое давление в форвакуумной линии. В настоящий момент доступны модели насосов, имеющие штатное постоянное давление в форвакуумной линии до 10-12 мбар;

·              доминирование насосов на магнитном подвесе ротора (рис. 5). Данная технология позволяет существенно увеличить наработку на отказ подшипников ротора, поскольку он вращается, левитируя в вакууме в магнитном поле, и трение полностью отсутствует. Эти насосы полностью гарантируют технологический процесс от попадания даже единичных молекул смазки, поскольку она совершенно отсутствует, в отличие от насосов с жидкой или консистентной смазкой, которая хоть и находится внутри закрытых керамических подшипников и обладает крайне малым давлением насыщенных паров — обычно уровня 10-14 мбар, все же допускает теоретическое попадание одиночных молекул в откачиваемый объем. Хотя и данные турбомолекулярные насосы обычно называют безмасляными, поскольку при их работе крайне низка вероятность попадания даже одиночных молекул смазки в откачиваемый объем. Насосы с магнитным подвесом ротора более чувствительны к резкому росту давления в вакуумной камере («прорыву атмосферы»), поскольку их роторы испытывают в том числе и ударную нагрузку при посадке на полной скорости на резервные подшипники. Обычно производители оговаривают характерное количество таких аварийных посадок до необходимости технического обслуживания — оно может составлять от нескольких десятков до нескольких сотен.

В данном сегменте свою долю имеют все ведущие производители вакуумного оборудования — Alcatel, Busch, Edwards, Leybold, Pfeiffer, Osaka Vacuum, Shimadzu, Ulvac, Varian.

Рис. 5. Турбомолекулярный насос на магнитном подвесе

В сегменте криовакуумных насосов развитие сказывается, прежде всего на увеличении надежности работы криоголовки и компрессора, а также, к созданию «ударных» моделей и, соответственно, завоевание того или иного сектора рынка. Например, компания Suzuki Shokan разработала и производит крионасос с Ду 320 мм, производительность которого в 1,5 раза выше, чем у конкурентов. Это позволило в относительно короткий срок занять доминирующее положение на полупроводниковом рынке Японии и Юго-восточной Азии в области обработки 300 мм подложек, а наличие одних из лучших по производительности и надежности компрессоров и криоголовок и для насосов других размеров дает возможность компании на равных соперничать с таким признанным грандом японской вакуумной техники как Ulvac, которой подобный подход в свое время позволил завоевать лидирующие позиции в области 200 мм подложек. На рынках США и Европы лидером является компания CTI Cryogenics, заметные позиции также имеют Austin Scientific и SHI Cryogenics.

В области крионасосов большой производительности с Ду более 500 мм (рис. 6) свои решения предлагают такие компании, как HSR, Leybold, PHPK, Suzuki Shokan, Ulvac.

Рис. 6. Крионасос Ду 600 мм

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Цена отчета

Гибридные турбомолекулярные насосы с подшипниками качения (EBARA)

Серия EBT-F (TG-F). Гибридные турбомолекулярные насосы с интегрированными молекулярными ступенями и металлокерамическими подшипниками с консистентной смазкой

 

Турбомолекулярные насосы с интегрированным контроллером и на магнитном подвесе Edwards (Англия)

 

Турбомолекулярные насосы на магнитном подвесе Shimadzu (Япония)

 

Турбомолекулярные насосы на магнитном подвесе Pfeiffer (Германия)

 


Турбомолекулярные насосы с подшипниками KYKY (Китай)

 

 

Криосорбционные вакуумные насосы SICERACryopump

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Подробнее



При мощности всего 0,9кВт, благодаря запатентованной инверторной технологии, насосы серии SICERA меняют определение «низкое потребление энергии», уменьшая Ваши затраты на электроэнергию на 20-30%. Качественно новая система позволяет одновременно использовать до шести насосов (200 мм) на одном компрессоре без уменьшения производительности.

Насосы серии SICERA доступны с размерами фланцев 200 и 300 мм, обе модели имеют полностью автоматический цикл регенерации, что позволяет максимизировать время продуктивной работы. В результате, экономия электроэнергии и увеличенная производственная эффективность делают насосы данной серии идеальными для таких применений как массовое производство полупроводниковых пластин, плоскопанельных дисплеев и прочих схожих производств.

Технические характеристики

Криогенные вакуумные насосы CTI Cryogenics (США)

 

 

Криогенные вакуумные насосы Oxford Instrument (Англия)

 

Проницаемость

Проникновение газа сквозь стенки сосуда является следствием растворения и диффузии газа, описываемых уравнениями:

 

(Коэффициент диффузии газа экспоненциально зависит от температуры материала)

 

(где u = 1, 1/2, 1/3,… в зависимости от количества атомов в молекуле.)

Количество газа, протекающего через 1 см2 поверхности стенки единичной толщины в течение 1 с, т.е. удельный поток I1, зависит от коэффициента диффузии D, коэффициента растворимости r и от давлений по обе стороны стенки. Зависимость потока от давления более сложна, чем в случае течения свободного газа.

При растворении происходит диссоциация газа, зависящая от количества атомов в молекуле. В связи с этим поток газа сквозь стенку пропорционален разности давлений в степени u, т.е. рu2-pu1 — причем здесь верны те же критерии, что и при растворении.

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Заказать отчет

Если внутри вакуумной системы давление низкое, а снаружи атмосферное, то диффузия со стороны атмосферы растворяющегося в стенках газа может привести к проникновению некоторых атмосферных газов внутрь вакуумной системы. Это натекание газа может быть количественно определено некоторым потоком натекания.

Установившееся течение. Предположим, что по одну сторону стенки площадью 1 см2 и толщиной L имеется давление р1 а по другую — давление p2. Согласно уравнению (3.54), объемные концентрации газа на обеих поверхностях будут соответственно

Показатель степени и может иметь значение 1, 1/2 и т.д. в зависимости от свойств газа и характеристик материала стенки. При p2> p1 диффузия происходит от поверхности 2 к поверхности 1. Поток, соответствующий этой диффузии, находится из закона Фика:

 

Уравнение (3 59) можно проинтегрировать в соответствующих пределах, принимая D = const, а также I1= const в установившемся потоке:

 

Подставляя выражения (3.58) для nr1 и nr2 получим

 

Таким образом, удельный поток I1 возрастает вместе с увеличением перепада давлений по обе стороны стенки и уменьшается при увеличении ее толщины; он пропорционален произведению коэффициентов диффузии и растворимости газа в материале стенки.

Произведение коэффициентов растворимости r и диффузии D называется коэффициентом проникания:

 

Кривые, представленные на фиг. 3.21, показывают зависимость коэффициента проникания от температуры для некоторых двухатомных газов в металлах (u= 1/2), а также для некоторых одно- и двухатомных газов в стеклах и керамиках (u = 1).

 

Как видно из кривых, в целом проникновение газов через металлы больше, чем через стекло

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Подробнее

Проницаемость органических веществ (пластмасс, эластомеров и т.п.) относительно велика. Для большинства этих материалов коэффициенты проникания различных газов (особенно легко ожижаемых газов типа СО2, NН3) имеют большие значения.



 

В табл. 3.15 приведены значения коэффициента проникания некоторых газов в различных металлах при комнатной температуре.

Предположим, что масса материала стенки равномерно насыщена газом при давлении р0, а начальная объемная концентрация этого газа равна nr0. Когда давление над поверхностью стенки снизится до уровня р (р<<р0), начнется десорбция с поверхности и переход газа в объем сосуда; его место будет занимать газ, диффундирующий из глубины материала к поверхности. Очевидно, что тут же у поверхности (при х = 0) возникнет градиент концентрации. При этом интенсивность газовыделения с поверхности можно описать формулой:

 

По мере газовыделения с поверхности стенки изменяется пространственное и временное распределения его концентрации в глубине материала. Такое состояние описывается вторым законом Фика:

 

При условии D = const это уравнение может быть записано в виде

 

Решение уравнения (3.676) дает поток газовыделения с единицы поверхности очень толстой стенки в момент т (отсчитываемый с момента начала понижения давления):

 

Таким образом, I1т имеет максимальное значение в момент т = 0 и уменьшается со временем. Теоретически при х = 0 I1т = ∞, что означает мгновенную десорбцию поверхностного слоя газа. Общее количество газа, истекающего с единицы поверхности за время т, определяется интегралом

Уравнения (3.68) и (3.69) справедливы также для случая, когда диффузия газа происходит из окружающей среды внутрь тела, в котором имеется газ с начальной концентрацией nr0, много меньшей концентрации окружающего воздуха. Тогда удельный поток I1 направлен внутрь твердого тела.

3. Газовыделение с поверхности

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Цена отчета

Предположим, что масса материала стенки равномерно насыщена газом при давлении р0, а начальная объемная концентрация этого газа равна nr0. Когда давление над поверхностью стенки снизится до уровня р (р<<р0), начнется десорбция с поверхности и переход газа в объем сосуда; его место будет занимать газ, диффундирующий из глубины материала к поверхности. Очевидно, что тут же у поверхности (при х = 0) возникнет градиент концентрации. При этом интенсивность газовыделения с поверхности можно описать формулой:

 

По мере газовыделения с поверхности стенки изменяется пространственное и временное распределения его концентрации в глубине материала. Такое состояние описывается вторым законом Фика:

 

При условии D = const это уравнение может быть записано в виде

 

Решение уравнения (3.676) дает поток газовыделения с единицы поверхности очень толстой стенки в момент т (отсчитываемый с момента начала понижения давления):

 

Таким образом, I1т имеет максимальное значение в момент т = 0 и уменьшается со временем. Теоретически при х = 0 I1т = ∞, что означает мгновенную десорбцию поверхностного слоя газа. Общее количество газа, истекающего с единицы поверхности за время т, определяется интегралом

 

Уравнения (3.68) и (3.69) справедливы также для случая, когда диффузия газа происходит из окружающей среды внутрь тела, в котором имеется газ с начальной концентрацией nr0, много меньшей концентрации окружающего воздуха. Тогда удельный поток I1 направлен внутрь твердого тела.

Вывод

Причиной диффузии газа в материале стенки становится наличие градиента концентрации растворенного в стенке газа. Однако градиент концентрации газа может быть вызван и разностью давлений на стенках вакуумного сосуда.

Установившийся поток газа сквозь, стенку камеры при наличии перепада давления, согласно первому закону Фика, определяется соотношением

Нужна помощь в написании отчета?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Поможем с характеристой и презентацией. Правки внесем бесплатно.

Подробнее

 

Интегрируя это выражение методом разделения переменных:

 

где d — толщина стенки камеры, a с1 и с2 — концентрации газа на поверхностях, граничащих с вакуумом и атмосферой соответственно. Выражая концентрации с помощью закона Генри (1.58), определим Q:

(1.61)

где DS — так называемый коэффициент проникания. Поскольку и D, и S экспоненциально зависят от температуры, коэффициент проникания очень быстро возрастает с повышением температуры.

Для большинства сочетаний газ — стенка при комнатной температуре этот эффект незначителен, за исключением случая проникания, гелия сквозь различные стекла. Тем не менее следует учитывать, что нагрев вакуумной камеры, используемый для поверхностного и объемного обезгаживания стенок, может приводить к натеканию газа в вакуумную систему вследствие его проникновения сквозь стенки.

Средняя оценка 0 / 5. Количество оценок: 0

Поставьте оценку первым.

Сожалеем, что вы поставили низкую оценку!

Позвольте нам стать лучше!

Расскажите, как нам стать лучше?

474

Закажите такую же работу

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке

Не отобразилась форма расчета стоимости? Переходи по ссылке