Вакуумные установки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

Д. И. Сагдеев, С. А. Булаев, В. А. Аляев

ВАКУУМНЫЕ УСТАНОВКИ

Практикум

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 621.52(076)
ББК 31.77я7

С13

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук К. Х. Гильфанов

канд. техн. наук Ф. Н. Дресвянников

С13

Сагдеев Д. И.
Вакуумные установки : практикум / Д. И. Сагдеев, С. А. Булаев,
В. А. Аляев; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. –
Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 196 с.

ISBN 978-5-7882-2709-2

Содержит основные теоретические положения вакуумных технологи
ческих процессов. Рассмотрены классификация и конструктивные особенности вакуумных установок в рамках лабораторного практикума, состоящего из 
одиннадцати лабораторных работ.

Предназначен для студентов очной формы обучения направления под
готовки 15.03.02 «Технологические машины и оборудование», профиль «Вакуумная и компрессорная техника физических установок».

Подготовлен на кафедре вакуумной техники электрофизических уста
новок.

ISBN 978-5-7882-2709-2
© Сагдеев Д. И., Булаев С. А., Аляев В. А., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 621.52(076)
ББК 31.77я7

ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая революция (НТР) – коренное, качествен
ное преобразование производительных сил на основе превращения 
науки в ведущий фактор развития общественного производства, непосредственную производительную силу. В эпоху, когда все в большей 
мере проявляется роль науки как непосредственной производительной 
силы, главным становятся уже не отдельные достижения, какими бы 
блестящими они ни были, а высокий научно-технический уровень всего производства.

НТР выдвинула требования коренной перестройки техничес
кой базы производства, что, в свою очередь, требует от выпускника 
вуза нового мышления, новой идеологии. Развитие науки и техники 
должно быть подчинено решению экономических и социальных задач,
стоящих перед нашим обществом. НТР – весомый фактор дальнейшего развития термоядерной энергетики, космических исследований, инноваций в электронике и электротехнике, машиностроении и металлургии, химической, легкой, пищевой промышленности и т. д. НТР 
также диктует самое широкое использование современных компьютерных технологий для решения сложнейших задач по моделированию 
вакуумных технологических процессов.

Инженерам, работающим в области создания перспективного 

вакуумного технологического оборудования, необходимо знать теоретические основы вакуумных процессов и конструктивное оформление 
установок. Значительную роль при отладке режимных параметров вакуумных технологических процессов играют экспериментальные исследования на лабораторных установках и испытательных стендах. 
С их помощью проверяются разработанные теорией методы расчета. 
Постановка эксперимента также позволяет быстро получить конкретные данные, необходимые при проектировании новых машин. В результате накопления экспериментальных данных и их последующего
анализа появляется возможность уточнить физическую картину явлений и выбрать рациональную расчетную схему. Методы экспериментальных исследований совершенствовались параллельно с развитием 
теории.

В последние два года наблюдается повышенный интерес к 

оборудованию для нанесения различных покрытий на стекло. Существует потребность не только в зеркальных и тонирующих покрытиях, 
но и в различных многослойных системах, как, например, антиблико

вые зеркала, цветные прозрачные и тонирующие покрытия, теплоотражающие покрытия и др. Причем обязательным требованием является высокое качество готовых изделий.

В России и СНГ основным оборудованием для нанесения по
крытий на стекло больших размеров являются установки типа УВМ–
15, УВМ–15У, УВ–18, УВН–4ЭД и УВН–4М.

Термические установки типа УВМ–15, УВМ–15У и УВ–18 ис
пользуются, как правило, при производстве бытовых зеркал. Основным недостатком этих установок является плохая адгезия алюминиевой пленки к стеклу, что приводит к большому количеству брака при 
последующей обработке зеркального полотна (резка, кромление, фацетирование, сверление). Доходит до того, что некоторые предприятия 
вынуждены импортировать зеркальное полотно для изготовления бытовых зеркал сложной формы. Кроме того, наблюдается брак при 
нанесении покрытия, например капли алюминия, непропылы, темные 
полосы, матовые пятна. Все эти недостатки особенно болезненны в 
условиях очень высоких цен на полированное стекло. Существенным 
недостатком является также ограниченный размер напыляемого стекла 
при растущей потребности в зеркалах для шкафов-купе высотой 2750 мм 
и узкие технологические возможности.

Установки с дуговыми испарителями типа УВН–4ЭД приме
няются при изготовлении зеркал и тонированных стекол. К недостаткам этих установок можно отнести неоднородность покрытия по толщине при больших размерах стекла, низкую производительность и 
опять же узкие технологические возможности. Попытки улучшения 
однородности покрытия по толщине из-за перемещения катода или 
применения многокатодной системы [1] или не дают желаемого результата, или требуют материальных затрат. При этом производительность установки не увеличивается.

Установка УВН–4М с магнетронными распылителями при всех 

своих достоинствах существенно ограничена размерами подложки. 
Поэтому основная область применения – это нанесение многослойных 
антибликовых покрытий на автомобильные зеркала, защитных покрытий на экраны мониторов и декоративных покрытий на различную 
фурнитуру.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 

ВАКУУМНЫХ УСТАНОВОК

Классификация вакуумных установок (ВУ)

и вакуумных систем (ВС)

Все вакуумные установки и вакуумные системы могут быть 

классифицированы по следующим признакам:

1. По давлению:
– низкого давления (от 100 кПа до 100 Па);
– среднего давления (от 100 Па до 0,1 Па);
– высокого давления (от 0,1 Па до 10 мкПа);
– сверхвысокого (менее 10 мкПа).
2. По способу организации рабочего процесса:
– периодические;
– полунепрерывные;
– непрерывные.
3. По виду основных средств откачки:
– с механическими средствами откачки;
– диффузионными средствами откачки;
– турбомолекулярными средствами откачки;
– магниторазрядными средствами откачки.
4. По виду материалов:
– металлические;
– стеклянные;
– комбинированные.
5. По распределению давления:
– динамические;
– статические.
Динамические ВС характеризуются неравномерным распре
делением давления в различных их частях, причем, чем дальше расположены средства откачки от этих элементов системы, тем больше перепад давления между ними.

Статические ВС
характеризуются равномерным распре
делением давления во всех элементах вакуумной системы.

Если динамическую систему отсечь от средств откачки с по
мощью крана (клапана), выдержать до установления равновесного 
давления, то ВС становится статической.

Основные требования, предъявляемые к вакуумным системам

В зависимости от назначения установки к ее вакуумной систе
ме может быть предъявлен ряд требований, выполнение которых 
обеспечивает возможность проведения необходимого технологического процесса:

1. Вакуумная система должна обеспечивать получение требу
емого давления в откачиваемом сосуде. Так, например, установка для 
откачки электронных вакуумных приборов (ЭВП) должна иметь ВС, 
обеспечивающую получение и поддержание давления в приборе на 
таком уровне, который исключает окисление катода и загрязнение 
других элементов прибора при достаточно быстром его обезгаживании 
прогревом. Для удовлетворения этого требования ВС должна быть 
герметичной, также должна быть снабжена соответствующими средствами откачки, измерения давления, коммутирующими и разъемными 
элементами.

Важным условием выполнения этих требований является соот
ветствующий подбор материалов, из которых будут изготовлены элементы ВС, а также методы подготовки ВС к работе.

2. ВС должна обеспечивать возможность получения требуе
мой быстроты откачки сосуда. Для этого ВС должна иметь определенную проводимость, а примененные вакуумные насосы должны 
иметь достаточную быстроту действия.

3. ВС должна быть снабжена устройствами для контроля

ряда параметров, которые характеризуют ее состояние. К таким 
основным параметрам относятся полное и парциальное давление остаточных газов, скорость, или поток собственного газовыделения в ВС, 
скорость накопления отдельных газов и паров в ВС и т. д. Для контроля и измерения этих параметров вакуумную систему снабжают 
преобразователями давления, масс-спектрометрами, потокомерами и 
другими измерительными приборами.

4. ВС при наличии автоматических систем управления должна 

быть снабжена набором соответствующих датчиков, осуществляющих снятие и передачу первичной информации на ЭВМ или контроллеры. Использованные в ВС коммутирующие элементы должны быть 
автоматизированы, а средства откачки высокопроизводительны и долговечны.

5. ВС должны быть высоконадежны и иметь длительный 

межремонтный период. В ВУ технологические процессы могут 

длиться десятки часов, при этом они не соприкасаются с атмосферой, 
особенно это относится к высоковакуумным магистралям. С течением 
времени они обезгаживаются, снижая тем самым поток собственного 
газовыделения, т. е. чем реже осуществляется ремонт оборудования,
тем меньше газовая нагрузка на откачные устройства при их работе.

Вакуумная гигиена.

Классификация чистых помещений

Как уже отмечалось, вакуумное оборудование служит сред
ством для функционирования самых высокотехнологичных отраслей 
промышленного производства, среди которых медицина, фармакология, микроэлектронная, аэрокосмическая и пищевая промышленность. 
Требования к уровню чистоты здесь наиболее жесткие. Надежность 
сложнейших электровакуумных приборов, установок, а также изделий 
и материалов, получаемых с их помощью, в значительной мере определяется чистотой помещений и технологической среды, в которых 
проводятся процессы. Это привело к качественно новым подходам в 
реализации чистых сред, суть которых заключается в разработке изолирующих технологий, т. е. в физическом отделении определенного 
объема с чистым воздухом от окружающей среды. Поэтому во многих 
случаях специалистам, непосредственно связанным с вакуумной техникой, приходится работать в так называемых чистых помещениях. 
И все требования, предъявляемые к подобным помещениям, переносятся на вакуумные системы, установки и персонал, эксплуатирующий 
их. В XXI в. изучение основных требований вакуумной гигиены –
неотъемлемая часть подготовки высококвалифицированного вакуумщика.

Согласно ГОСТ ИСО 14-644-1-2002 чистое помещение – по
мещение, в котором контролируется концентрация взвешенных в воздухе частиц, построенное и используемое так, чтобы свести к минимуму поступление, выделение и удержание частиц внутри помещения, 
и позволяющее по мере необходимости контролировать другие параметры, например температуру, влажность и давление. Этот же ГОСТ 
дает определение классу чистоты помещения – уровень чистоты по 
взвешенным в воздухе частицам, применимый к чистому помещению 
или чистой зоне, выраженный в терминах «Класс N ИСО», который 
определяет максимально допустимые концентрации (частиц/м3) для 
заданных диапазонов размеров частиц.

Максимально допустимая концентрация частиц 
П
C
с размера
ми, равными или большими заданного размера D для данного класса 
чистоты, определяется по формуле

П
0,1
10N
C
D


=





,

где N ‒ классификационное число ИСО, которое не должно превышать значения 9 (промежуточные числа классификации ИСО могут 
быть определены с наименьшим допустимым приращением N , равным 0,1); 0,1 ‒ константа, мкм; D ‒ размер частиц, мкм. Значение 
П
C

округляется до целого числа, при этом используется не более трех 
значащих цифр.

В табл. 1 приведены классы чистоты и соответствующие кон
центрации частиц с размерами, равными или большими заданных размеров. Основные источники загрязнения чистых помещений и характерные размеры частиц даны в табл. 2.

Принципы организации чистых помещений

Рассмотрим мероприятия, необходимые для разделения поме
щения в зависимости от класса чистоты.

В чистом помещении применяются однонаправленные и неод
нонаправленные потоки воздуха. Комбинация двух потоков дает смешанный поток. В чистых помещениях классов 1–5 ИСО, как правило, 
применяются однонаправленные потоки воздуха, а для помещений 
классов 6–9 ИСО ‒ неоднонаправленные.

Наилучшими показателями чистоты обладают рабочие зоны, 

расположенные непосредственно после притока чистого воздуха. Рабочие зоны, расположенные дальше по ходу потока воздуха, могут 
быть загрязнены частицами, выделенными предметами, находящимися 
в начале движения потока. В связи с этим персонал не должен находиться между притоком воздуха и рабочей зоной.

В силу экономических, технических и эксплуатационных фак
торов технологическое ядро во многих случаях окружают зоны с 
меньшим классом чистоты. Это позволяет уменьшить до минимума 
размер зоны с высоким классом чистоты. Разделение чистых помещений может осуществляться по различным принципам. 

Таблица 1

Классификация чистых помещений и чистых зон по ISO 14644-1

Класс
по ИСО

Максимально допустимые концентрации частиц
(частиц/м3) с размерами, равными или большими

следующих значений

 0,1
мкм

 0,2
мкм

 0,3
мкм

 0,5
мкм

 1,0
мкм

 5,0
мкм

Класс
ИСО 1
10
2
‒
‒
‒
‒

Класс
ИСО 2
100
24
10
4
‒
‒

Класс
ИСО 3
1000
237
102
35
8
‒

Класс
ИСО 4
10000
2370
1020
352
83
‒

Класс
ИСО 5
100000
27300
10200
3520
832
29

Класс
ИСО 6
1000000
237000
102000
35200
8320
293

Класс
ИСО 7
‒
‒
‒
352000
83200
2930

Класс
ИСО 8
‒
‒
‒
3520000
832000
29300

Класс
ИСО 9
‒
‒
‒
35200000
8320000
293000

Принцип вытесняющего потока (малый перепад давления, вы
сокая скорость потока воздуха) ‒ разделение чистой и менее чистой 
соседних зон за счет низкотурбулентного вытесняющего потока воздуха. Скорость вытесняющего потока должна быть, как правило, более 
0,2 м/с в направлении от более чистой зоны к менее чистой.

Принцип перепада давления (большой перепад давления, низ
кая скорость потока) заключается в создании между зонами с различными классами чистоты перепада давления. Для предотвращения возникновения обратного потока воздуха перепад давления должен быть 
стабильным и достаточным по значению. Для беспрепятственного открывания дверей и исключения непредусмотренного встречного потока воздуха из-за турбулентности, как правило, перепад давления между чистыми помещениями или чистыми зонами с различными классами чистоты должен быть от 5 до 20 Па. Таким образом, для защиты

Таблица 2

Источники возможных загрязнений чистых помещений

Фактор
загрязнения

Категория
загрязнения

Источник
загрязнения

Размеры
частиц

загрязнения,

мкм

1
2
3
4

Динами
ческие фак
торы

Технический 

и обслуживающий персонал

Выделение

бактерий и виру
сов

От 0,01 до 

10

Испарение тела 

и жировые 
выделения

От 0,01 до 1

Использование 

косметики
От 0,1 до 1

Шелушение кожи
От 0,1 до 

100

Выпадение волос
100

Проникновение 
табачного дыма
От 0,1 до 1

Использование 
технологической 
одежды из пылевыделяющих тка
ней

От 1 до 10

Выделение частиц при пере
движении

От 1 до 5

Технологическое 

оборудование 
и материалы

Использование 

пылевыделяющих 

материалов

До 100

Выделение пыли 

из вакуумных 

устройств

От 0,1 до 

0,5

Масляный туман 

из вакуумного 

насоса

От 0,01 до 1