До середины XVII в понятие «вакуум», в переводе с латинского означающее пустоту, использовалось лишь в философии. Древнегреческий философ Демокрит одним из «начал мира» выбрал пустоту

1. Расчёт

Исходя из задания составим принципиальную схему системы, обеспечивающей получения необходимого давления в рабочей камере.

Рис. 1: 1 - камера технологического отжига; 2 - насос получения среднего и низкого вакуума. 3 - ловушка; 4,7 - клапаны; 5 - электрический ввод (рис. 2), предназначенный для питания нагревательного элемента типа «беличьего колеса» из Mo-вых полос (рис 3), которая расположена внутри камеры отжига; 6 - манометры

Таким образом, у нас получилась вакуумная система с 1 насосом, следовательно, обходной путь откачки для нашего случая не нужен.

Рис. 2



Рис 3


2. Расчет стационарного газового потока

Стационарный газовый поток, откачиваемый насосом, во время работы вакуумной установки имеет несколько составляющих:

Q= Q_прон + Q_д + Q_н + Q_т,

где Q_прон - проницаемость материалов; Q_д - диффузионное газовыделение материала; Q_н - натекание через оболочку вакуумной камеры; Q_т - стационарное технологическое газовыделение.

Все составляющие газового потока либо вообще не зависят от времени работы вакуумной установки, либо изменение газового потока за время ее работы не превышает точности выполняемых расчетов. Рассмотрим подробнее каждую из указанных составляющих.
Количественная оценка процессов стационарной проницаемости газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различных материалов или имеющие различную толщину, может быть сделана с учетом констант проницаемости К_оi и Q_pi по формуле:

где K_oi и Q_i - соответственно константа проницаемости и теплота активации для материала i-й стенки вакуумной системы; F_i и h_i - соответственно площадь и половина толщины i-й стенки; p₁ и р₂ - давления с внутренней и наружной сторон стенок; n - число атомов в молекуле газа, проникающего через стенку; Т - абсолютная температура стенки; R= 8,31 кДж/(кмоль∙К); N - число стенок вакуумной камеры, арматуры и трубопроводов, изготовленных из различного материала или имеющих разную толщину.

Для нашего случая по табличным данным берём Q_i=80,4∙10³ кДж/кмоль, n=2, p₁=10^-1 Па, p₂=10⁵ Па, h_i =0,15 м, T=973 К, K_oi=1,88∙10^-4,
F_i = 170 м² (исходя из объема камеры). Тогда получаем Q_прон=5,3∙10^-5 м³∙Па/с.
Газопроницаемость возрастает при уменьшении толщины стенок вакуумных камер. Особенно это заметно для деталей типа cильфонов, мембран и т.д., где малая толщина детали определяется условиями ее работы. Конструктивными способами уменьшения газопроницаемости кроме выбора материалов являются использование установок с «двойным» вакуумом и охлаждение деталей во время работы непосредственно в вакуумной камере.
Диффузионное газовыделение имеет нестационарную природу, но для большинства газов и материалов постоянная времени этих процессов настолько велика, что они могут рассматриваться как стационарные. Упрощенный метод определения диффузионного газовыделения основан на применении экспериментально определенных значений коэффициентов удельного диффузионного газовыделения, зависящих от рода газа, материала и его предварительной обработки, а также рабочей температуры. Газовый диффузионный поток:

где F_i - площадь i-гo материала, присутствующего в вакуумной системе; N - число материалов, q_i - удельное диффузионное газовыделение i-го материала. Для нашего случая F_j =15м², по таблице выбираем q_i для нержавеющей стали равное 10^-9 м³∙Па/(м²∙с). Тогда получаем Q_д =3,2∙ 10^-8 м³∙Па/с.

Натекание через оболочку вакуумной камеры происходит в основном по разборным и неразборным соединениям, которые принципиально не могут обеспечить абсолютную герметичность. Натекание может происходить и по дефектам в структуре сплошного материала. Поэтому возможное натекание в вакуумную установку можно оценить по формуле:

где Q_мп - минимальный поток, регистрируемый течеискателем; К_в - вероятность существования течи, меньшей чувствительности течеискателя; N - число соединений; m - число одновременно проверяемых соединений. Для нашего случая берём К_в= 0,2, m=N, Q_мп =10^-11 м³∙Па/с. Тогда Q_н =2∙10^-12 м³∙Па/с.

Резервом уменьшения Q_н при расчете по формуле является уменьшение числа испытаний на герметичность. Предельным случаем является одно испытание, когда m=N, и проверяется негерметичность всей установки. При работе с гелиевым течеискателем такая проверка производится размещением всей установки в атмосфере гелия с помощью полиэтиленовых колпаков или других вспомогательных средств, зависящих от размеров установки.
Технологическое газовыделение зависит от типа обрабатываемого объекта и способа осуществления технологического процесса.

где G - масса обрабатываемых изделий, γ=2 - коэффициент, учитывающий неравномерность процесса газовыделения, t=24 часа.

Q_т =6,947∙10^-9 м³∙Па/с. Тогда получаем Q≈5,304∙10^-5 м³∙Па/с.