Сайт Леонида Леонова

УДК 621Л25.001.2

В. С. Жилнин, Л. Б. Леонов, Е. Н. Мартинсон

Конструирование турбомолекулярных насосов для различных вакуумных систем

Рассмотрена динамика изменения основного компонента откачиваемых газов при понижении давления в вакуумнотехнологической камере и, как следствие этого, изменение откачных характеристик турбомолекулярного насоса.

Изменение скорости движения молекул откачиваемого газа относительно ступеней ТМН вызывает изменение быстроты действия и сжатия. Быстрота действия насоса увеличивается только до определенного значения, зависящего от рода откачиваемого газа, числа ступеней, их геометрии и места расположения в проточной части |1]. Увеличение числа ступеней насоса приводит к увеличению сжатия. Следовательно, ТМН имеет разные характеристики при откачке различных газов, что следует учитывать при конструировании ТМН для различных вакуумно-технологических процессов.

Скорость движения молекул относительно ступеней ТМН может меняться при изменении температуры и состава откачиваемого газа, т. е. зависит от вакуумно-технологического про­цесса, газовыделения с поверхностей, расположенных в вакууме, и остаточных газов форвакуумного насоса.

Изменение откачных характеристик насоса типа ТМН-200 при изменении рода откачиваемого газа можно показать на зависимости давления на входе ТМН от рабочего потока Q р , потоков газовыделения в ступенях Q i ', форвакуумного давления P ф [1]:

.Па, (I)

где U пр — проводимость каналов ступени в направлении откачки; U — проводимость радиального зазора ступени: maxi — максималь­ное сжатие i -й ступени; z — число ступеней в проточной части ТМН.

Пусть, например, Q р = 0, потоки газовыделения в ступенях насоса равны и состоят из газа с относительной молекулярной массой m = 29, а форвакуумное давление этого газа равно 1,3 Па. Тогда согласно зависимости (I) изменение потоков газовыделения от 1,5.10 -11 до 1,5.10 -4 Вт вызовет изменение давления на входе в насос от 2,6.10 -10 до 2,6.10 -3 Па соответственно. Максимальное сжатие ТМН-200 по этому газу составит примерно 1.10 11 , быстрота действия практически максимальна.

Если при остальных равных условиях потоки газовыделения состоят из газа с относительной молекулярной массой m = 2, то дав­ление на входе в насос изменится от 7,5.10-4 до 6,7.10 -3 Па соответственно. В этом случае оно определится форвакуумным давлением, т. е. последним членом зависимости (1).

Из-за небольшого (примерно 2.10 3 ) максимального сжатия ТМН-200 по этому газу быстрота действия насоса не достигнет своего максимально­го значения из-за малого числа ступени. Для лучшей откачки этого газа необходима иная компоновка проточной части насоса. Например, можно увеличить сжатие насоса перераспределением ступеней в форвакуумном и высоковакуумном пакетах при сохранении общего числа ступеней, сделать так называемый переброс ступеней [1].

Зависимость (1) позволяет легко провести оптимизацию ТМН с помощью ЭВМ для откачки различных газов в требуемом диапазоне рабочих давлений. Для этого необходимо определить величину и состав выделяющихся газов из деталей ТМН и вакуумной камеры, а также парциальное давление остаточных газов форвакуумного насоса.

Полное остаточное давление форвакуум­ного насоса составляет порядка 6,5.10 -1 Па, а давление остаточных газов, не конденсирующихся при температуре жидкого азота, - порядка 6,5.10 -3 Па [2]. Во время откачки вакуумно-технологической камеры изменяется состав откачиваемых газов. Так, вначале откачиваются газы, находящиеся в объеме камеры. Основной компонент этих газов - азот. При давлениях порядка 10 -2 Па основным ком­понентом откачиваемых газов становятся пары воды. После некоторого времени откачки про­центное содержание паров воды в спектре откачиваемых газов несколько уменьшается, но их преобладающее значение сохраняется в течение 100 ч откачки и более при комнатной температуре.

Прогревом конструкционных материалов (нержавеющие и углеродистые стали, медь, алюминиевые сплавы) в вакууме можно резко уменьшить содержание паров воды в остаточных газах. Тогда при дальнейшей откачке ос­новным компонентом откачиваемых газов становится водород.

Для сохранения оптимальной конструкции ТМН при изменении основного компонента откачиваемых газов необходимо изменять в процессе откачки геометрию и расположение ступеней в проточной части насоса с одновременным изменением их числа, что в настоящее время практически невыполнимо из-за технических трудностей. Однако ТМН можно оптимизировать для различных диапазонов рабочих давлений и откачки определенного основного компонента. Поэтому важно знать количественную и качественную динамику изменения состава остаточных газов при откачке, а также факторы, влияющие на нее.

Основными источниками остаточных газов во время откачки при помощи ТМН могут быть потоки газовыделения из конструкционных материалов вакуумно-технологической камеры и ТМН, а также остаточные газы форвакуумного насоса. Влияние остаточных газов форвакуумного насоса можно уменьшить, уве­личив сжатие ТМН по этим газам. Количество выделяющихся газов определяется площадью деталей и скоростью удельного газовыделения. Рабочие поверхности ТМН и их влияние на остаточное давление можно определить по двухпоточному насосу ТМН-200, который имеет по 39 ступеней в каждом потоке, площадь каждой ступени 500 см 2 (на литр откачки первой ступени приходится более 5 см 2 её поверхности).

Для получения необходимых данных по динамике газовыделения указанных конструкционных материалов динамическим методом измерялись удельные скорости газовыделения в сверхвысоковакуумной установке по перепаду давлений на диафрагме проводимостью 10 л/с. Откачка проводилась титановым сублимационным насосом до 5.10 -10 Па. Давления измерялись датчиками типа МИ-12-8 и ММ-14М с соответствующими вакуумметрами, а спектры выделяющихся газов снимались измерителем парциальных давлений ИПДО-1 с датчиком РМО-4С.

Скорость газовыделения конструкционных материалов во время откачки при комнатной температуре описывается функцией вида

q = q 1 / t , Вт/см 2 (2)

где q 1 - удельная скорость газовыделения через 1 ч откачки; t - время, ч.

Удельная скорость газовыделения конструкционных материалов при комнатной температуре мало зависит от химического состава, толщины материала и определяется в основном качеством обработки поверхности. Так, если поверхность при толщинах 2—10 мм (основные толщины деталей ТМН) механически не обработана (прокат), а только промыта бензином и спиртом, то через один час откачки q 1 = (1...5).10 -9 Вт/см. Причем наименьшее значение имеют алюминиевые сплавы, а наибольшее - медные из-за большей толщины поверхностной окисной пленки, покрывающей эти материалы. Конструкционные материалы с обработкой поверхности точением, фрезерованием, травле­нием в кислотах, химической полировкой, электрополировкой и другими обработками, снимающими окисную пленку, имеют q 1 = (3...10).10 -10 Вт/см 2 . Шероховатость поверхности после механической обработки не влияет существенно на удельную скорость газовыделения. Так, например, удельные скорости газовыделения образцов стали марки Х18Н10Т с чистотой поверхности 2,5 w и 0,04 w отличаются примерно на 30%.

Если поверхность конструкционных материалов покрывается пленкой (анодирование, покрытие черной окисью хрома или эмалями), удельная скорость газовыделения увеличивает­ся на 2—3 порядка по сравнению с материалами, поверхность которых механически не обрабатывалась.

Во время откачки при комнатной температуре состав газов, десорбирующихся с поверхностей разных конструкционных материалов, одинаков. Количественное распределение выделяющихся газов представлено в табл. 1.

Таблица.1

Таким образом, во время откачки в течение первых 10 ч преобладает десорбция водяного пара, составляющая 85—95% всего газовыделения.

На основании данных табл. 1 и удельных скоростей газовыделения конструкционных материалов при комнатной температуре можно оценить время, которое потребуется для дости­жения определенного давления, или давление, которое можно получить через определенное время. Так, например, подсчитано, что через один час откачки на закрытом входном фланце насоса ТМН-200 должно обеспечиваться дав­ление порядка 5.10 -5 Па, что хорошо согла­суется с практикой. Отсюда можно сделать вы вод, что при давлениях на входе в ТМН-200 больше 5.10 -3 Па, создаваемых рабочим потоком газа, потоки газовыделения в ступенях насоса составляют менее 1 % и их можно не учитывать.

Чтобы уменьшить время достижения низких давлений, необходимо резко снизить потоки газовыделения, которые, как показано, в основном состоят из паров воды. Это можно сделать, например, нагревом конструкционных материалов.

Если конструкционные материалы предварительно обезгаживались (снизилось содержание водорода), то процесс уменьшения потоков газовыделения из нагретых материалов во вре­мя откачки также подчиняется зависимости (2). Исключение составляют периоды разогрева и охлаждения материалов. При разогреве мате­риалов потоки газовыделения резко увеличиваются, но уже через 3 - 5 ч они уменьшаются и далее следуют по зависимости (2).

При охлаждении материалов до комнатной температуры наблюдается резкое уменьшение газовыделения, после чего оно остается практически постоянным. Всплеск газовыделения при нагреве и резкое уменьшение при охлаж­дении зависят от температуры, скорости разо­грева и химического состава материалов. Так. при нагреве конструкционных материалов до 350—400°С газовыделение в начальный период увеличивается на 1 - 2 порядка и уменьшается на 2 - 3 порядка при охлаждении.

При нагреве в процессе откачки предвари­тельно необезгаженных конструкционных материалов на газовыделение, подчиняющееся за­висимости (2), будет налагаться процесс выделения водорода из объема, нагретого материала. Этот процесс - диффузный и описывается уравнениями диффузии Фика [З]. Согласно решениям этих уравнений процесс выделения водорода происходит в две стадии. Время первой нестационарной стадии определяется выражением

t 1 = 0,187 а 2 / D , с, (3)

где а – полутолщина твердого тела, полностью находящегося в вакууме; D - коэффициент диффузии.

Коэффициент диффузии описывается следующим выражением:

D = D 0 exp (- E / RT ), м 2 /с, (4)

где D 0 - константа, м 2 /с; Е - энергия активации диффузии, Дж/кмоль; R - газовая постоянная, равная 8,32.10 3 Дж/град.кмоль; Т - температура, К.

В течение этого времени удельная скорость выделения водорода в вакуум описывается выражением

W 1 = С 0 v D / p t , Вт/м 2 , (5)

где С 0 - начальная концентрация водорода в металле, зависящая от химического состава металла, м 3 Па/м 3 ; t - время, с.

За первой следует вторая стационарная стадия выделения водорода:

W 2 = С 0 D/a exp(- 2,47Dt/a 2 ), Вт ,/ см 2 . (6)

В табл. 2 представлены параметры, определяющие диффузию водорода в конструкцион­ных материалах.

Таблица 2

Газовыделение после прогрева зависит от химического состава и толщины материала. При одинаковых толщинах наименьшее газовыделение имеет медь из-за высокого коэффи­циента диффузии. Медь марок М1, МЗ при малых различиях в химическом составе имеет одинаковые потоки газовыделения. Наибольшим газовыделением обладает нержавеющая сталь марки Х18Н10Т. Промежуточные значения занимают алюминиевые сплавы.

Потоки газовыделения углеродистых ста­лей сравнимы с алюминиевыми сплавами, однако состав выделяющихся газов из этих материалов резко отличается от состава газов остальных материалов. Основные выделяющиеся газы углеродистых материалов после охлаждения имеют относительную молекулярную массу m = 28, что объясняется, видимо, окислением углерода, диффундирующего с внутренних слоев металла.

В табл. 3 даны удельные скорости и состав газовыделения конструкционных материалов после обезгаживания при 350—400°С в тече­ние 10 ч и последующего охлаждения до комнатной температуры.

Таблица 3

Если вакуумно-технологическая камера или насос вскрывается в атмосферу на 30 мин и более, то удельная скорость газовыделения возвращается к первоначальному значению. Для того чтобы опять резко уменьшить ее значение, необходимо повторить прогрев и откачку в течение 5 - 10 ч с последующим охлаждением.

Применение прочных алюминиевых сплавов для изготовления деталей ротора ТМН ограни­чивает температуру нагрева его корпуса до 100 - 120°С. В этом случае нагрев конструк­ционных материалов насоса в течение 5 - 10 ч с последующим охлаждением до комнатной температуры позволяет достигнуть уровня газовыделения q ? 1.10 -12 Вт/см 2 при составе выделяющихся газов Н 2 О ? 50%, Н 2 ? 50%.

Спектры остаточных газов турбомолекулярного насоса ТМН - 200

Нагрев ступеней ТМН при обезгаживании приводит к небольшому уменьшению сжатия насосом всех газов, находящихся на его форвакуумной стороне, однако это не изменяет состава остаточных газов, находящихся на вы­соковакуумной стороне.

На рисунке приведены спектры остаточных газов насоса ТМН-200, которые снимались: после обезгаживающего прогрева и откачки; напуска в насос осушенного воздуха и последующей непродолжительной откачки. В спектре отсутствуют газы, относительная молекулярная масса которых больше 44 (спектр остаточных газов соответствует табл. 3). Нижний спектр снят во время повторного нагрева вакуумного объема до 300°С и корпуса насоса до 100°С. В этом спектре отсутствуют новые газы, но видно резкое увеличение парциального давления водорода.

По предварительным расчетам уменьшение сжатия насоса ТМН-200 по водороду при нагреве его ступеней до 100°С равно примерно 2,5, что соответствует уменьшению скорости вращения ротора на 2 тыс. об/мин. Однако уменьшение скорости вращения даже на 6 тыс. об/мин не дает такого резкого увеличения пика водорода, но при этом быстро возрастает парциальное давление паров воды.

Выводы

I. При понижении давления в вакуумно-технологической камере изменяется основной компонент откачиваемых газов.

2. Конструкция проточной части оптимального ТМН должна автоматически изменяться при изменении давления и основного компонента откачиваемых газов. В настоящее время такой насос выполнить сложно, однако его можно оптимизировать для откачки определенного основного компонента газов в заданном интервале давлений.

3. При давлениях выше 10 Па основной компонент остаточных газов - пары воды, по­этому для этих давлений рациональна конструкция проточной части ТМН, оптимизированная для откачки паров воды.

4. При давлениях ниже 10 Па основной компонент остаточных газов — водород, поэтому для этих давлений рациональна конструкция проточной части ТМН, оптимизированная для откачки водорода.

5. Конструкция проточной части выпускаемых ТМН не оптимизирована для получения низких давлений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Леонов Л. Б. Расчет проточной части турбомолекулярного вакуумного насоса. — М.: ЦНИИ “Электроника”. ДЭ-2197.

2. Вакуумная техника. — Справочные материалы. - М : Реклама. 1975.

3. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники.- М.: Мир. 1964.