Состав вакуумной системы

 

После этапа выбора высоковакуумного насоса, наиболее пригодно­го для заданных условий вакуумного технологического процесса, прое­ктирование вакуумной системы будет заключаться в решении проблем оп­тимального сочетания всех ее необходимых элементов.

На рис. 3.1 представлены типовые вакуумные системы, созданные на базе различных высоковакуумных насосов,  с необходимыми элементами для обеспечения работы высоковакуумного насоса, приборами контроля за прохождением процесса откачки, устройствами для предотвращения ава­рийных ситуаций и поддержания рабочего состояния насосов.

На этом этапе проектирования состав вакуумной системы будет оп­ределяться уже и типом высоковакуумного насоса, а не только технологическим процессом, как это было на этапе выбора откачного средст­ва.

Вакуумная система может включать следующие элементы: высоковакуумный затвор; высоковакуумный манометрический преобразователь; виброизоляцию и изоляцию от шума; ловушки (охлаждаемые водой или жидким азотом); форвакуумные насос, клапан, манометрический
преобразователь, ловушку к баллон; систему прогрева; линию предварительной откачки; напускной клапан: патрубок для присоединения течеискателя защитный тепловой экран.

Каждая из вакуумных систем (а,б,в,г рис. 3.1) включает все необходимые элементы для ее надежного и эффективного функционирования. Для простоты на схеме показана одна рабочая камера, к которой могла бы быть подсоединена любая из откачных систем (а+г). Дополнительно в вакуумной камере может располагаться встроенный испарительный геттерный насос Ш, улучшающий откачные характеристики основных вакуумных насоса (см.гл 2). Элементы, показанные пунктиром, является необязательными.

На рис.3.1 показаны вакуумные системы: CV - рабочая камера, в которой проводится технологический процесс; а - вакуумная система на базе магниторазрядного насоса NH с линией предварительной откачки с использованием адсорбционных насосов NA; С - вакуумная система на базе криогенного насоса KR-. в - вакуумная система на базе турбомо-лекулярного насоса NR; г - вакуумная система на базе диффузионного насоса ND; VT- высоковакуумный затвор; 81 -высоковакуумная ловушка; VI - клапан напуска сухого воздуха;Р1 - высоковакуумный манометри­ческий преобразователь; С - форбаллон; V2 - предохранительный клапан; V3 - форвакуумный клапан; Р2 - форвакуумный манометрический преобразователь; N1 - насос, используемый для предварительной откач­ки и регенерации; NV-форвакуумный насос; V4 - отсечной клапан на входе в насос с масляным уплотнением; V5 - напускной клапан на входе в насос с масляным уплотнением, А1 - тепловой экран; А2 - дэмпфер; A3 - масляный фильтр; 1 - патрубок для подсоединения течеискателя; 2 - байпасная линия откачки.

Рассмотрим последовательно расположение этих элементов в вакуумной системе и выполняемые ими функции во взаимосвязи с функциями других элементов и функциональным назначением системы в целом. При втом будем использовать сведения, изложенные в /15,16/.

Высоковакуумный затвор является одной из важнейших частей ва­куумной системы, Если вакуумная система но обеспечивает условий проведения процесса, затвор перекрывают и проверяют работу отсечен­ной вакуумной системы для определения неисправностей - в самой вакуумной системе или в рабочей камере. Высоковакуумным затвором необходимо снабжать диффузионные и криогенные насосы для удобства работы с вакуумной системой. Геттерноионные и турбомолекуляриые насосы могут работать и без него.

Для создания в вакуумной системе сверхвысокого вакуума используют затвор с металлическими уплотнителями.

Высоковакуумный манометрический преобразователь в вакуумной системе с диффузионным, турбомолекулярный или магниторазрядным насосом устанавливается как на камере, так и непосредственно на входе в насос, под затвором. В этом месте его можно использовать для проверки работы отсеченной вакуумной системы. Он защищен от повреждений при загрузке и разгрузке рабочей камеры, а также от загрязнений во время проведения технологического процесса. Кроме того, от эмиссии электронов из преобразователя защищен вакуумный процесс.

Если установить ионизационный манометрический преобразователь в системе с криогенным насосом, то он может быть источником возможной опасности. Во время откачки газы конденсируются на криопанели в определенной последовательности С в соответствии с теплотой сорбции), но при аварии и временном отогреве панели газы испаряются и могут представлять взрывоопасную смесь. Если при подаче энергии катод ма­нометрического преобразователя будет нагрет, то это может быть при­чиной взрыва,

Предохранительная сетка на входе в насос предохраняет насос от попадания в него мелких твердых частиц, которые могут вызвать поломку ТМН, вызвать короткое замыкание (тепловое в криогенном насосе и электрическое - в магниторазрядном).

Поскольку турбомолекулярный, магниторазрядный и криогенный насоси работают в любом положении в пространстве, их следует устанав­ливать так, чтобы в них не попадали твердые частицы. Для диффузионных насосов мелкие твердые частицы не страшны.

Демпферы устанавливают в вакуумные системы с турбомолекулярны­ми и криогенными насосами, так как вибрация не позволяет применять аппаратуру для проведения точных измерений в вакуумной камере. Можно использовать для гашения вибрации сильфонные соединения и гибкие трубопроводы. Вращательные насосы надо устанавливать на резиновые прокладки, и не на раме вакуумной установки, а на полу; использовать гибкие трубопроводы.

Ловушки, охлаждаемые жидким азотом, устанавливаемые между диффузионным вакуумным насосом и рабочей камерой, препятствуют проникновению обратного потока паров вакуумных рабочих жидкостей из насоса в камеру. Лёгкие фракции ( метан, ацетилен) не улавливаются.

Охлаждаемая жидким азотом поверхность является криоконденсационным насосом и имеет большую скорость откачки по парам воды. Лучше всего ее помещать внутрь рабочей камеры

Также ловушки используются для осаждения титана и в случае испарительнс-конных насосов они включаются в вакуумную систему с магниторазрядным насосом в области высоких давлений и с турбомолекулярным - при откачке водорода

Ловушки, охлаждаемые водой (обычно шевронного типа), всегда устанавливаются над диффузионным насосом предназначены для конденсации паров вакуумных рабочих жидкостей, которые затем стекают в насос

Форвакуумный насос. Геттерноионные и криогенные насосы, являясь газоулавливающими, не нуждаются в форвакуумном насосе, но для запуска их в работу нужна предварительная откачка  Форвакуумный насос подсоединяется на выход диффузионного насоса для поддержания давления на выходе меньше наибольшего выпускного, которое зависит от конструкции насоса, характеристик вакуумных рабочих жидкостей и обычно равно 10+30 Па. Это давление может поддерживать одноступенчатый механический насос с масляным уплотнением. В сверхвысоковакуумных сис­темах для уменьшения парциального давления водорода в форвакуумной линии используются двухступенчатые насосы с масляным уплотнением.

Турбомолекулярный и форвакуумный насос соединяются последовательно для обеспечения молекулярного режима течения откачиваемого газа на входе в ТМН и для обеспечения более низкого давления га входе в ТМН, так как для турбомолекулярного насоса давление на входе равно частному от деления давления на выходе на коэффициент сжатия.

Если в рабочей камере при проведении технологических процессов необходимо провести точные измерения, то на некоторое время форвакуумный насос, являвшийся источником вибрации, может быть отключен. В этом случае на выходе диффузионного насоса устанавливают форбаллон, который позволяет отключить форвакуумяый насос на время, пока давление в нем не достигнет наибольшего выпускного давления диффузионного насоса   Установив манометрический преобразователь на форбаллоне,можно обеспечить автоматическое включение и выключение форвакуумного насоса

Форвакуумный клапан необходим в вакуумных системах с диффузионным насосом  Он позволяет использовать форвакуумный насос в качестве насоса предварительного разрежения, а также для откачки диффузионного насоса в период его выключения

Форвакуумный клапан в системе с турбомолекулярный насосом используете 1 для предварительной откачки камеры форвакуумным насосом, а также является отсечным клапаном для механического насоса с масляным уплотнением

Форвакуумный манометрический преобразователь (обычно тепловой) устанавливается на форвакуумную линию диффузионного насоса для кон­троля за давлением на выходе насоса и обеспечения его величины, меньшей наибольшего выпускного давления.

В высоковакуумных системах с турбомолекулярным насосом преобразователь в форвакуумной линии устанавливается для удобства обслуживания.

Патрубок для присоединения течеискателя обязательно должен быть предусмотрен  - рабочей камере (для подсоединения квадрупольного масс-спектрометра). В вакуумных системах с диффузионным и турбомолекулярный насосами такой патрубок должен быть предусмотрен в форвакуумной линии для подсоединения гелиевого течеискателя (это самое удобное место для определения малых течей).

В вакуумных системах с магниторазрядным или криогенным насоса­ми, которые плохо откачивают гелий, поиск течей являетоя трудоемким и длительным процессом, так как при попадании гелия в систему он дает большой фоновый сигнал гелиевого течеискателя , и дальнейший поиск течей затрудняется.

 

Линия предварительной откачки. Диффузионные насосе должны быта предварительно откачаны до 1 Па, и поэтому для удобства проведения  технологических процессов в вакуумной системе предусмотрена байпасная линия откачки (см. рис 3.1).

Отсеченный криогенный насос до начала его работы необходимо предварительно откачать до давления запуска (обычно 1Па) Эту откачку можно осуществить двухступенчатым механическим насосом с масляным уплотнением с форвакуумной ловушкой. Рабочую камеру предварительно омачивают до 100+50 Па, а затем открывают высоковакуумный затвор такое большое давление обеспечивает защиту от углеводородных загрязнений

Для запуска магниторазрядных насосов их необходимо предварительно откачать до 1+5 Па. Затем магниторазрядиый насос и насос предварительного разрежения работают параллельно до достижения давление 0,1 Па, и тогда насос предварительного разрежения отключается   Если для предварительной откачки использовался насос с масляным уплотнением без ловушки, то может произойти углеводородное загрязнение   По этому с магниторазрядным насосом для предварительной откачки вакуумной камеры рекомендуется использовать систему адсорбционных насосов или небольшой турбомолекулярный насос. Такие варианты предпочтительнее насосов с масляным уплотнением и с форвакуумной ловушкой

Системы с магниторазрядными насосами могут работать и без высоковакуумного затвора, но затвор защищает насос от атмосферы при открывании рабочей камеры, и это способствует уменьшению цикла включения  Однако этот насос можно использовать при высоких давлениях Для предварительного разрежения обычно используются двухступенчатые вращательные насосы (за исключением указанных случаев), так как они достигают требуемых давлений запуска быстро и легко

Высоковакуумные  ловушки служат для улавливания обратного потока углеводородных загрязнений, возникающего при работе механического насоса с масляным уплотнением

Форвакуумные ловушки не нужны на линиях предварительного разрежения вакуумных систем с турбомолекулярным и криогенными.  насосами. так как их давление запуска превышает 15 Па. Иногда ловушки устанавливают для защиты от углеводородных загрязнений из насоса с масляных уплотнением при его работе ниже 15 Па. но это уменьшает быстроту действия насоса и увеличивает время предварительной откачки.

Форвакуумные ловушки следует устанавливать на линии предварительной откачки и форвакуумной линии вакуумных систем с диффузионным насосом и на линии регенерации криогенных насосов. В форвакуумной линии диффузионного насоса они предотвращает попадание рабочих жид­костей из механического насоса в кипятильник диффузионного насоса

Форвакуумные ловушки, охлаждаемые жидким азотом, эффективны, ни неудобны в работе, так как при работе их необходимо пополнять жидкий азотом. Они используются для линий предварительной откачки, если время такой откачки мало

Сорбционные и каталитические форвакуумные ловушки легко использовать, но необходима их регулярная регенерация.

Для ловушек, охлаждаемых жидким азотом, и сорбционных ловушек регенерация проводится при напуске воздуха со стороны высокого вакуума, но давление должно быть таким, чтобы обеспечить вязкостное течение газа через ловушку (чтобы увлечь выделившиеся газы в сторону насоса с масляным уплотнением). Если проводить регенерации без напуска воздуха, то выделившиеся пары углеводородов попадут в форвакуумную линии и в форвакуумный клапан.

Регенерацию сорбционных форвакуумных ловушек можно и не проводить, а, размонтировав систему ,заменить в них сорбент, а затем использованный сорбент регенерировать в отдельной системе.

Защитный экран. Высокая температура в рабочей камере не должна воздействовать на холодные поверхности криогенного насоса Обычно бывает достаточно поворотного колена трубопровода между камерой и насосом. В исключительных случаях (печь или прогреваемая сверхвысоковакуумная система) необходимы охлаждаемый водой отражатель, установленный в рабочей камере, или охлаждаемая водой ловушка, установленная на входе в насос.

Для магниторазрядных и турбомолекулярных насосов достаточно использовать трубопровод с поворотным коленом.