Теоретические основы вакуумной техники

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ  
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ 

 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 8 

УДК 621.52 
ББК 31.77 
Д 304 

Рецензенты: Б.Т. Маринюк, Ю.Г. Ромочкин 

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин, Д.А. Калинкин 
Д 304 
Теоретические основы вакуумной техники: Учеб. посо- 
бие. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 64 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3137-3 

Изложены основы молекулярно-кинетической теории газов, 
теории сорбции, необходимые для понимания процессов, происходящих в вакуумных насосах различного принципа действия и в вакуумных системах в целом. Приведены понятия и законы, используемые при расчете высоковакуумных систем, а также методики 
определения проводимости их основных элементов при молекулярном, вязкостном и переходном режимах течения газа. Рассмотрены принципы действия основных типов вакуумных насосов. 
Для студентов 4-го и 5-го курсов машиностроительных и приборостроительных специальностей.  

УДК 621.52 
                                                                                                         ББК 31.77 

ISBN 978-5-7038-3137-3 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Учебное пособие включает в себя теоретический материал, являющийся основополагающим для освоения всех последующих 
курсов по теории и расчету механических и немеханических высоковакуумных установок и систем. Изложение подчинено одной 
цели: сообщить в краткой форме основные сведения, знание которых необходимо студентам для понимания процессов, протекающих в высоковакуумных насосах и системах. 
В основу первой главы предлагаемого учебного пособия положен материал второго издания пособия Е.С. Фролова и Н.К. Никулина «Теоретические основы вакуумной техники» (М.: Изд-во 
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993. 76 с.). При этом добавлены разделы 
по применению вакуумных систем в современной технике и технологии, внесены коррективы в изложение некоторых положений, 
устранены неточности в формулировках и определениях. 

ВВЕДЕНИЕ 

Вакуум – такое состояние разреженного газа, когда давление 
его ниже атмосферного.  
Применение среды с такими параметрами и первые вакуумные 
устройства для получения вакуума известны еще с I века до н.э. 
(как сообщал древнегреческий ученый Ктесибей). Впоследствии 
средства вакуумной откачки совершенствовались и превратились в 
устройства, имеющие различные принципы действия. Они необходимы для обеспечения огромного числа современных технологических процессов, проходящих в широком диапазоне давлений от 
атмосферного(105 Па) до 10-11 Па и ниже. 
Вакуумные технологии нашли широкое применение в металлургии, химии, нефтехимии, химическом машиностроении, электротехнике, энергетике, угледобывающей и горнорудной промышленностях, электрофизическом аппаратостроении, космонавтике, авиации, 
научном приборостроении, в научных исследованиях и т. д. 
Развитие металлургической промышленности связано с интенсивным использованием вакуумной техники (в металлургии печей 
и средств внепечной обработки, в технологических процессах, 
обеспечивающих выплавку высокочистых металлов и сплавов).  
В порошковой металлургии вакуумная технология находит применение для завершающей стадии компактирования – спекания твердых сплавов, постоянных магнитов и др. Вакуумные процессы 
электронно-лучевой и термодиффузионной сварки позволяют получать 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 с целью существенно снизить содержание кислорода и получить мелкую дендритную 
структуру слитков. Процесс вакуумной дегазации, т. е. удаление из 
жидкого металла растворенных в нем газов, не только обеспечивает 
получение металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и способствует улучшению его свойств. 

Современные установки для вакуумирования стали в ковше с 
электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую дегазацию всего находящегося в ковше металла и равномерное распределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок. 
Вакуумирование стали в струе применяется для удаления водорода из стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение этого варианта внепечной обработки объясняется 
сравнительной простотой практического осуществления и высокой 
скоростью дегазации.  
Электропечи получили широкое распространение в таких отраслях 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, значительно улучшить физико-механические свойства металла. 
Дуговые печи при давлении порядка 10…10-1 Па используют 
для выплавки качественных сталей: нержавеющих, конструкционных, электротехнических, шарикоподшипниковых, жаропрочных 
сплавов и тугоплавких металлов. 
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 в 
целях получения чистого металла для ракетной техники, атомной 
энергетики и других отраслей промышленности. Вакуумная дистилляция осуществляется преимущественно 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 
машин, используемых в точном машиностроении, микроэлектронике, при создании атомных реакторов и др. Различают два вида 

сварки в вакууме: электронно-лучевую (сварка плавлением) и термодиффузионную (сварка давлением). 
Спекание металлических и керамических порошковых материалов является одной из важнейших технологических операций, 
применяемых в порошковой металлургии. Методом спекания изготавливают 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 различающиеся по составу отдельные фракции путем их частичного испарения в вакууме с последующей 
конденсацией образовавшихся паров.  
Молекулярная дистилляция применяется: 
• для регенерации нефтепродуктов и отработанных минеральных масел из двигателей, редукторов, трансформаторов, турбин; 
• для производства рабочих жидкостей вакуумных насосов; 
• для очистки термически нестойких органических веществ, 
например эфиров фталевой, себациновой и других кислот; 
• 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. 
Фильтрацию в вакууме применяют для разделения различных 
суспензий и, в некоторых случаях, для разделения коллоидных 
растворов. 
Выпаривание в вакууме применяется в химическом производстве для сгущения растворов или для полного удаления растворителей. 
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. 

Вакуум используется также в электрических аппаратах высокого напряжения, электротехническом оборудовании специального назначения (термоядерные установки, ускорители), электрооборудовании транспорта, светотехнике и инфракрасной технике. В 
электротехнологию включают технологии вакуумной металлургии, вакуумное напыление, вакуумную плавку, электросварку, 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 производстве тонкопленочных солнечных элементов 
большую роль играет вакуумная технология. Вакуумное оборудование необходимо, например, при физическом осаждении из паровой фазы – вакуумном испарении; оно должно обеспечивать давление 10-4…10-6 Па при больших скоростях откачки.  
При создании электрофизических установок определяющим 
фактором являются вакуумные условия. Так, фоновое давление в 
термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы не 
должно превышать 10-8…10-6 Па. К электрофизическим установкам относятся 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 т. п. 
Космический вакуум, разреженная космическая газообразная 
материя, оказывает разнообразные воздействия на материалы, узлы и блоки приборов, находящихся вне гермоотсеков космических 
летательных аппаратов. Для создания условий, моделирующих 
космический вакуум, применяют 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.