Определение эффективной скорости откачки

A Journal of
Practical and Useful
Vacuum Technology
От
Автор: Фил Дэниелсон
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОЙ СКОРОСТИ ОТКАЧКИ
При проектировании новой вакуумной системы или оценке производительности
уже существующей системы существуют два важных фактора. Эти два фактора,
общая газовая нагрузка и скорость откачки могут рассматриваться по
отдельности при оценке, но они взаимозависимы, когда речь идет о
производительности системы. В первую очередь необходимо знать или оценить
общую газовую нагрузку от системы. Обычно это осуществляется посредством
сложения всех специальных и отдельных газовых нагрузок, таких как объем
камеры, газовыделение материалов и скорости проникновения, площадь
поверхности, технологическая нагрузка и т.д. Затем, и только затем, можно
оценить требуемые скорость и производительность откачки, необходимые для
этих нагрузок. Это определяется фундаментальным соотношением:
Q = SP, или
Газовая нагрузка = скорость откачки x давление
Если газовая нагрузка известна, и выбрано желаемое давление, которое
требуется достичь и поддерживать, очень просто рассчитать минимальную
требуемую скорость откачки. Например, небольшую систему с общей газовой
нагрузкой (Q) of 1 x 10-5 торр л/сек, которая должна работать под давлением 1 x
10-7 торр, можно рассчитать следующим образом:
Q=SP
1 x 10-5 торр л/сек. = S x (1 x 10-7 торр), поэтому
Скорость откачки S = 100 л/сек.
Данный расчет показывает, что скорость откачки 100 л/сек позволяет
поддерживать 1 x 10-7 торр, но не обеспечит запас производительности для
любого возможного увеличения газовой нагрузки.
В любой фактической
системе газовую нагрузку невозможно узнать точно из-за непредсказуемых
отклонений. Изменения влажности вызовут изменения газовой нагрузки в
результате увеличения или уменьшения количества десорбирующегося
водяного пара; небольшое повышение загрязнения увеличит скорость
десорбции, или возникнет крошечная утечка. Дело в том, что газовая нагрузка
не может быть известна со значительной степенью точности, и не может
зависеть от определенных факторов так, чтобы ее можно быть воспроизвести
для разных скоростей откачки. Решением, таким образом, является введение
поправочного коэффициента примерно 1,5. Это может означать, что скорость
насоса, вероятно, должна составлять около 150 л/сек., что должно будет
решить проблему скорости откачки. Но не совсем.
Скорость откачки насоса и эффективная скорость откачки в камере редко
совпадают. Поскольку насос работает в условиях молекулярного потока, где все
движения молекул являются случайными, статистическая вероятность
прохождения молекулой длины трубки, клапана и т.п., между камерой и насосом
зависит от длины и диаметра соединения. Молекулярный поток определяется
как движущиеся молекулы, имеющие статистически более высокую вероятность
удара о стенку вакуумной камеры, а не о другую молекулу. Это означает, что
поток газа через соединение с насосом может быть выражен в виде объемного
потока так же, как скорость откачки: л / сек.
Пропускную способность для простых целей сравнения можно легко рассчитать
по упрощенной формуле:
C= 78 D3/L
D= внутренний диаметр траектории в дюймах
L= длина траектории в дюймах
C= пропускная способность в л/сек
Если взять гипотетическую систему, то, при насосе 150 л/сек. мы можем иметь
трубку внутренним диаметром 2,5 дюйма и длиной 4 дюйма, соединяющую
насос с камерой. Используя приведенное выше уравнение, получим пропускную
способность 304 л/сек. Поскольку это значение пропускной способности
значительно больше, чем скорость откачки насоса, первым предположением
может быть то, что скорость откачки будет достаточной для прогнозируемой
газовой нагрузки. Это, однако, не так. Даже если пропускная способность
больше, с точки зрения л/сек., до сих пор присутствует воздействие на поток
газа через трубку. Это поднимает вопрос о том, какова эффективная скорость
откачки в камере, поскольку трубное соединение фактически следует
рассматривать как часть насоса.
Это новое соотношение выражается
формулой:
1/S = 1/Sp + 1/C где,
S = эффективная скорость откачки в л/сек
Sp = скорость насоса в л/сек
C= пропускная способность в л/сек
При расчете на инженерном калькуляторе S = 1/ [(1/Sp) + (1/C)]
Результат расчета на калькуляторе дает эффективную скорость откачки в
камере всего лишь 100 л/сек. Поскольку мы уже решили, что скорости откачки
100 литров/сек достаточно только для потока газа в «наиболее благоприятном
случае», и что нам действительно необходим поток около 150 л/сек. для
«наименее благоприятного случая», рассчитанная система будет работать не
так, как ожидается, при достижении 10-7 Торр в качестве предельного
остаточного давления. Наиболее очевидным следующим шагом будет являться
повышение скорости откачки.
На рисунке показаны результаты повышения
скорости насоса при эффективной скорости
откачки. Это, очевидно, следующий шаг, но не
решение,
поскольку
для
того,
чтобы
обеспечить эффективную скорость откачки 150
л/ ек. в камере, потребуется насос со
скоростью откачки 300 л/сек, что увеличит
физический размер и стоимость системы.
Влияние пропускной способности на эффективную
скорость откачки
160
Эффективная скорость откачки,
л/сек
150
140
130
120
110
100
90
140
160
180
200
220
Скорость насоса, л/с
240
260
280
300
Если система уже построена или не может
быть изменена, не существует никакого
другого решения кроме выбора насоса
300 л/сек.
Тем не менее, в системе, которая только разрабатывается, проблема частично
решается тем, что насос со скоростью откачки выше 150 л/сек будет иметь
впускное отверстие большего диаметра, что обеспечит более высокую скорость
откачки. Оно может иметь условный диаметр примерно 4 дюйма. При этом
внутренний диаметр составит примерно 3,83 дюйма, и будет свидетельствовать
о том, что соединительная трубка также будет иметь такой же диаметр и,
возможно, ту же длину 4 дюйма, что использовалась для трубки меньшего
внутреннего
диаметра.
Пересчет
для
пропускной
способности
с
использованием приведенной выше формулы даст пропускную способность
1096 л/сек.
Если видоизменить формулу эффективной скорости откачки:
Sp = 1/[(1/S) - (1/C)]
На инженерном калькуляторе: Sp = 1/ [(1/S) - (1/ C)],
Чтобы обеспечить скорость откачки насоса, скорость, требуемая для создания
150 л/сек. в камере, составит 175 л/сек.
Это упражнение указывает на важность знания фактической эффективной
скорости откачки в камере, чтобы справиться с прогнозируемыми газовыми
нагрузками в камере или технологическими газовыми нагрузками. Это также
демонстрирует взаимосвязь между эффективной скоростью откачки и
пропускной способностью соединения между насосом и камерой. При
увеличении проектируемой пропускной способности часто требуется
дополнительный анализ. Поскольку диаметр трубки увеличивается, площадь
внутренней поверхности также увеличивается, и это приводит к увеличению
газовой нагрузки из-за выделения воды во время откачивания, для чего
требуется соответствующее увеличение скорости откачивания.
После учета этих соображений вероятность создания успешной конструкции,
где скорость откачки соответствует газовой нагрузке, практически
гарантируется.
Работа предоставлена вакуумной лабораторией Фила Дэниелсона, 630-983-2674
pdanielson@vacuumlab.com
www.vacuumlab.com