Вакуумные системы

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин

ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ

Утверждено Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.521(075.8)
ББК 31.77
Д30

Д30

Рецензенты: С.Б. Нестеров, Ю.В.Панфилов

Демихов К.Е.
Вакуумные системы : учеб. пособие / К.Е. Демихов,
Н.К. Никулин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. –
72, [4] с. : ил.

Изложены основные закономерности построения вакуумных систем. Рассмотрены основные схемы низковакуумных, высоковакуумных и сверхвысоковакуумных систем. Дано обоснование выбора
средств откачки для конкретных условий. Приведены примеры расчета вакуумных систем. Рассмотрены понятия и законы, используемые
при расчете высоковакуумных систем, а также дано теоретическое
определение проводимости основных их элементов (диафрагмы, вакуумпроводы различного сечения) при молекулярном, вязкостном и
переходном режимах течения газа.
Для студентов 3- и 5-го курсов машиностроительных и приборостроительных специальностей.

УДК 621.521(075.8)
ББК 31.77

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Вакуумные технологии, осуществляемые в диапазоне значений давления от атмосферного до 10−11 Па и ниже, нашли широкое применение в металлургии, химии, нефтехимии, химическом
машиностроении, электротехнике, энергетике, угледобывающей и
горнорудной промышленности, электрофизическом аппаратостроении, космонавтике, авиации, научном приборостроении, в научных исследованиях и т. д.
Развитие практически всех отраслей металлургической промышленности связано с интенсивным использованием вакуумной
техники: в металлургических печах и средствах внепечной обработки, в технологических процессах, обеспечивающих выплавку
высокочистых металлов и сплавов; в порошковой металлургии для
спекания твердых сплавов, постоянных магнитов и др. С помощью
вакуумной электронно-лучевой и термодиффузионной сварки получают неразъемные соединения приборов, деталей конструкций
машин и сооружений в ядерной, автомобильной, электронной и
других отраслях промышленности.
Одним из эффективных методов повышения качества стали
является раскисление стали углеродом в вакууме в связи с возможностью существенного снижения содержания кислорода и получения мелкой дендритной структуры слитков.
Процесс вакуумной дегазации, т. е. удаление из жидкого металла растворенных в нем газов, обеспечивает не только получение
металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и
способствует улучшению его свойств.
Современные установки для вакуумирования стали в вакуумковше с электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую дегазацию находящегося в ковше металла и равномерное рас
3

пределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок.
Вакуумирование стали в струе применяют для удаления водорода из стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение этого метода внепечной обработки металла объясняется
сравнительной простотой практического осуществления и высокой
скоростью дегазации.
Вакуумные электропечи получили широкое распространение
в связи с возникновением таких отраслей промышленности, как
атомная, космическая и др. Вакуумная плавка металлов и сплавов
в печах позволяет значительно снизить содержание газов и количество неметаллических включений, обеспечить высокую однородность и плотность слитка за счет направленной кристаллизации
жидкого металла, существенно улучшить физико-механические
свойства металла.
Вакуумные дуговые печи при давлении 10. . . 10−1 Па используют для выплавки качественных сталей (нержавеющих, конструкционных, электротехнических, шарикоподшипниковых), жаропрочных сплавов и тугоплавких металлов.
Вакуумные индукционные печи применяют для плавки и разливки различных металлов и сплавов, электронно-лучевые печи —
для получения особо чистых металлов. В печах этого типа нагрев
осуществляется благодаря бомбардировке поверхности нагреваемого предмета быстро движущимися электронами.
Вакуумные электропечи сопротивления являются наиболее
универсальными, так как имеют много областей применения;
например, их используют для нагрева длинномерных изделий,
больших и тяжелых деталей в подвешенном состоянии для предохранения их от деформации, для отжига и т. д.
Дистилляция металлов и сплавов в вакууме — один из технологических процессов вакуумной плавки, предназначенный для
удаления из металла вредных примесей в газообразном состоянии
с целью получения чистого металла для ракетной техники, атомной энергетики и других отраслей промышленности [1, 2, 3, 4, 5].
Вакуумная дистилляция осуществляется в основном в вакуумных
дуговых и индукционных печах при давлении ниже 10−1 Па.
Сварка в вакууме предназначена для получения неразъемных
соединений элементов приборов, деталей (узлов) конструкций ма
4

шин, используемых в точном машиностроении, микроэлектронике, при создании атомных реакторов и др. [6]. Различают два вида
сварки в вакууме: электронно-лучевая (сварка плавлением); термодиффузионная (сварка давлением).
Спекание металлических и керамических порошковых материалов является одной из важнейших технологических операций,
применяемых в порошковой металлургии. Методом спекания изготовляют конструкционные детали машин и механизмов, фильтры для очистки жидкостей и газов, уплотнительные материалы
для газовых турбин, вакуумного и другого оборудования, контакты, магниты, ферриты для изделий электро- и радиотехнической
промышленности и др.
В химической промышленности применение вакуумных технологий позволяет осуществлять: дегазацию изоляционных масел и синтетических материалов; дистилляцию фармацевтических
продуктов и консервирующих веществ для пищевых продуктов;
адсорбционную очистку нефтепродуктов; сублимационную сушку
пищевых продуктов, медицинских препаратов и т. д.
Вакуумная дистилляция — технологический процесс разделения жидких смесей на отдельные фракции, различающиеся по составу, путем их частичного испарения в вакууме с последующей
конденсацией образовавшихся паров.
Молекулярная дистилляция используется для регенерации нефтепродуктов и отработанных минеральных масел из двигателей,
редукторов, трансформаторов, турбин, при производстве рабочих
жидкостей вакуумных насосов; для очистки термически нестойких
органических веществ, например, эфиров фталевой, себациновой
и других кислот, а также для выделения витаминов из рыбьего
жира и др.
Вакуумная ректификация применяется в нефтяной промышленности для разделения нефти на бензин, мазут и другие продукты.
Вакуумную сушку используют для чистых химических продуктов, взрывоопасных и термочувствительных материалов и т. д.
Фильтрация в вакууме — способ разделения различных суспензий и в некоторых случаях разделения коллоидных растворов.
Выпаривание в вакууме применяют в химическом производстве для сгущения растворов или для полного удаления растворителей [2, 4].

5

Кристаллизация в вакууме — вакуумный химико-технологический процесс выделения твердой фазы из жидкого расплава данного вещества или из раствора. Это один из основных способов
получения твердых веществ в чистом виде [4].
Вакуумная техника используется преимущественно в таких
разделах электротехники, как электрические аппараты высокого напряжения, электротехническое оборудование специального
назначения (термоядерные установки, ускорители), электрооборудование транспорта, светотехника и инфракрасная техника. В
электротехнологию включают вакуумную металлургию, вакуумное напыление, вакуумные электропечи, электросварочное оборудование, вакуумную пайку. В аппаратах высокого напряжения
используются вакуумные выключатели, вакуумные дугогасительные камеры, вакуумные коммутационные устройства.
В электротехнической промышленности вакуумная техника находит применение в сушильных и пропиточных установках для
производства трансформаторов, конденсаторов, кабелей и т. д.
При создании электрофизических установок определяющим
фактором являются вакуумные условия [1]. Так, фоновое давление в термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы
должно находиться в диапазоне 10−8 . . . 10−6 Па. К электрофизическим установкам относят и электронные и ионные ускорители, ускорительно-накопительные комплексы, термоядерные системы для исследований возможности получения управляемой термоядерной реакции, установки дефектоскопии, установки, предназначенные для фундаментальных и прикладных исследований
строения материи и др.
Космический вакуум оказывает разнообразные воздействия на
материалы и оборудование, находящиеся вне гермоотсеков космических летательных аппаратов [1, 2]. Для создания условий, моделирующих космический вакуум, необходимы специальные вакуумные установки, обеспечивающие давление 10−3 . . . 10−12 Па.
Наиболее широкое применение находит вакуум в приборостроении при создании так называемых электровакуумных приборов,
являющихся одним из основных направлений современной электроники. Давление остаточных газов в рабочем режиме обычно не
превышает 10−4 Па. Технологии получения тонких пленок для полупроводниковых приборов, интегральных микросхем, тонкопле
6

ночных солнечных элементов и других в большой степени зависит от вакуумных условий в рабочей зоне. Вакуумное оборудование необходимо, например, при физическом осаждении из паровой фазы (вакуумном испарении) и должно обеспечивать давление
10−4 . . . 10−6 Па при больших скоростях откачки.
Авторы выражают большую благодарность д-ру техн. наук
проф. С.Б. Нестерову и д-ру техн. наук проф. Ю.В. Панфилову
за тщательный разбор рукописи и замечания, направленные на
ее улучшение, а также аспирантам И.А. Антипову, Т.В. Куликовой, Е.В. Свичкарь за техническое оформление рукописи учебного
пособия и подготовку ее к изданию.

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ

В вакуумной технике существует часть специфических терминов, отличающихся от общепринятых в других отраслях техники.
Большинство терминов, используемых в вакуумной технике, отражены в ГОСТ 5197–85, ГОСТ 26790–85, ГОСТ 27758–88.
Вакуумная система — совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и
связывающих их вакуумных трубопроводов.
Вакуумная установка — установка, состоящая из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие (к устройствам,
обеспечивающим действие вакуумной системы, относятся, например, электродвигатель, аккумуляторы, печи).
Вакуумный агрегат — вакуумная установка, конструктивно выполненная как единое целое.
Откачн´ой пост — вакуумная установка, предназначенная для
откачки, наполнения и тренировки изделий.
Элемент вакуумной системы — прибор, сборочная единица или
деталь, предназначенные для выполнения определенных функций
в вакуумной системе (например, насос, манометрический преобразователь, ловушка и др.).
Условный проход — диаметр проходного сечения элемента вакуумной системы, определяющий присоединительные размеры по
действующим стандартам.
Откачиваемый сосуд — сосуд, в котором создается вакуум.
Предохранительный баллон — сосуд, предназначенный для предохранения элементов вакуумной системы от попадания в них посторонних тел.

8