Коллеги, кто знает, как правильно подбирать вакуумный насос?

Обычно используется довольно грубое соотношение между насосами: насос повышения давления : основной насос = 1:3. Некоторые зарубежные производители, уверенные в эффективности собственной технологии, выбирают соотношение 1:5 или даже 1:6. В основном соблюдается принцип, согласно которому сжатый газ от насоса повышения давления должен своевременно выводиться предыдущим насосом, чтобы обеспечить хороший разницу давлений на входе и выходе у насоса повышения давления.

I. Скорость всасывания насоса определяется как объем газа, высасываемого через входное отверстие насоса в единицу времени при определенном давлении всасывания. В совершенной вакуумной системе, независимо от цели её использования, должен быть контейнер или камера, в котором создается вакуум, а также оборудование для создания вакуума — например, вакуумный насос. Кроме того, необходимы соединительные трубопроводы, клапаны, устройства для охлаждения и т. д. А трубопроводы, клапаны, холодные камеры и другие компоненты вакуумной системы оказывают определенное сопротивление потоку газа. И наоборот, они обладают определенной способностью пропускать поток газа; эта способность называется проводимостью потока. Это очень важное понятие в потоке газов; оно определяется как расход при единичной разнице давлений. При естественном движении газа он всегда течет от высокого давления к низкому. Для любого узла, в котором давления с обеих сторон равны P1 и P2 соответственно, а объем протекающего газа — Q, коэффициент проводимости этого узла равен U = Q/(P1–P2). Коэффициент проводимости различных компонентов вакуумной системы можно определить с помощью расчетов, моделирования или измерений. Он зависит не только от геометрических форм этих компонентов, но также от состояния движения газа. Проводимость различных компонентов может быть соединена последовательно или параллельно. 　　Вакуумный насос предназначен для удаления газов из вакуумного контейнера. Однако отверстие насоса для всасывания газов часто не может быть напрямую соединено с самим контейнером. По технологическим причинам или для снижения уровня загрязнения вакуумного оборудования парами масла, необходимо использовать холодильные устройства, клапаны и трубопроводы для подключения к контейнеру. Поскольку каждый элемент вакуумной системы имеет определенную пропускную способность, можно сказать, что насос также должен иметь соответствующую пропускную способность для подключения к контейнеру. Как показано на рисунке, трубопровод, соединяющий насос с вакуумной камерой, может включать в себя холодильные устройства и клапаны. Предположим, что коэффициент пропускания потока между насосом и вакуумной камерой равен U. Тогда насос должен использовать этот коэффициент пропускания U для откачки воздуха из вакуумной камеры. Его способность к откачке будет ограничена. В таком случае действительно важным показателем для эффективности откачки воздуха из контейнера является эффективная скорость откачки S0 в месте выхода воздуха из вакуумной камеры. Если номинальная скорость всасывания насоса равна S, то с учетом закона сохранения массы потока при стабильном движении газа можно вывести соотношение между S0, S и U. Вышеуказанное уравнение называется основным уравнением вакуума; оно является основным принципом, на котором основывается проектирование вакуумных систем. 　　Согласно основным уравнениям вакуума, можно математически получить два крайних результата: когда коэффициент протекания потока U очень велик, эффективная скорость откачки воздуха в вакуумной камере S0 может быть приблизительно равна скорости откачки пумпы S ； Когда скорость всасывания насоса S очень велика, или коэффициент пропускания потока U очень мал, эффективная скорость всасывания в вакуумной камере S0 приблизительно равна коэффициенту пропускания потока U. Вышеуказанные результаты могут быть более понятны с физической точки зрения: газ, вытягиваемый из вакуумной камеры через отверстие для вытягивания, должен пройти через каналы передачи потока U (то есть трубопроводы, клапаны и т. д.), прежде чем его сможет вытянуть вакуумный насос. При этом движение газа от отверстия в камере к входу насоса происходит от высокого давления к низкому, а вытягивание газа из насоса осуществляется от низкого давления к высокому посредством принудительного потока, обусловленного определенными принципами вытягивания. Если коэффициент проницаемости U очень велик, то количество газа, проходящего через него, не ограничивается. В таком случае способность насоса к откачке газа определяется его собственной скоростью откачки, что эквивалентно ситуации, когда выход насоса напрямую соединен с вакуумной камерой. Но если скорость всасывания насоса очень велика, то коэффициент пропускной способности насоса U становится очень малым. В таком случае фактическая способность насоса к всасыванию газа определяется не его скоростью всасывания, а способностью газа проходить через коэффициент пропускной способности U. Значение этого коэффициента соответствует эффективной скорости всасывания насоса S0. 　　Для максимального использования способности насоса к откачке воздуха наиболее эффективным методом является максимизация коэффициента пропускной способности U, однако это часто бывает сложно осуществить. А бесконтрольное увеличение скорости всасывания насоса ещё более нереалистично. Поэтому весьма целесообразно взвесить возможность использования насосов с большим коэффициентом пропускания и высокой скоростью всасывания. Из основных уравнений вакуума следует, что эффективная скорость откачки S0 является функцией, растущей монотонно как от S, так и от U. Основные уравнения вакуума не являются чрезмерно сложными, но в то же время они не настолько просты, чтобы считаться общеизвестными для всех. Поэтому во многих областях применения пользователи часто игнорируют влияние коэффициента проводимости потока на скорость работы насосов, что существенно снижает эффективность использования технологий вакуума. II. Для вакуумной системы, в которой нет утечек и не происходит сброса воздуха, где объем вакуумной камеры равен V, а эффективная скорость вакуумирования — S0, то в процессе вакуумирования давление внутри камеры со временем изменяется согласно следующей закономерности. Здесь P0 — это давление в момент t=0, то есть начальное давление; значение t=V/S0 называется временной константой. 　　Вышеуказанные закономерности показывают, что с каждым пройденным интервалом времени давление в вакуумной камере снижается в один порядок. Очевидно, что чем меньше значение t, тем быстрее происходит снижение давления. При неизменном значении V, чем больше эффективная скорость откачки S0, тем меньше будет значение давления. 　　Однако не существует такой системы вакуума, которая бы не имела утечек газа; даже если утечек действительно нет, процесс выпуска газа всё равно имеет место. Фактически, формула (3) отражает закономерности изменения давления в процессе выкачивания газа из камеры вакуума помпой. При высоком давлении, когда объем утечек газа и его выхода из системы мал по сравнению с общим объемом газа в пространстве, их влияние можно игнорировать. Можно считать, что условия отсутствия утечек газа и его выхода из системы примерно соблюдаются, то есть правило, указанное в пункте (3), может считаться приблизительно верным. При низком давлении объем утечек газа из системы и его выход за ее пределы становится значительным, а иногда даже превращается в основную нагрузку на систему. В таких случаях закон, описанный в пункте (3), нарушается: снижение давления происходит медленнее. Обычно этот переход наступает при давлении около 0,5 Па. Следовательно, в типичном процессе вакуумирования сначала давление снижается быстро, а затем, при достижении определенного уровня давления, его снижение замедляется. Поскольку к качественной вакуумной системе предъявляются строгие требования к уровню утечек, процесс снижения давления в системе во многом определяется процессом выпуска газов. Этот процесс является медленным, и даже при применении таких мер, как прогрев, для достижения определенного уровня давления часто требуется значительное время. 　　Любая вакуумная система стремится максимально сократить время откачки воздуха, что способствует повышению эффективности и снижению энергопотребления. Однако не у всех вакуумных устройств есть условия для сокращения времени откачки. Различные применения вакуума можно разделить на две основные категории: в одной из них не учитывается количество газов, выходящих из системы, а учитывается лишь требуемый уровень вакуума ； Другой тип — это требование к полному опустошению вакуумной камеры, то есть необходимость снижения скорости выпуска газов до определенного критического значения. Эти два разных типа приложений предъявляют разные требования к конфигурации насоса. Для первой категории приложений, где требуемое давление вакуума превышает 0,5 Па, достаточно, чтобы временная константа была достаточно малой, чтобы значительно сократить время откачки воздуха. Но если требуемое значение вакуума составляет менее 0,5 Па, необходимо учитывать влияние выпуска газов на изменение давления. Интенсивность слива воздуха меняется медленно со временем. Особенно при отсутствии выпечки. Чтобы в короткие сроки достичь высокого уровня вакуума, необходимо с высокой скоростью откачивать большое количество газов. Другими словами, если объем выходящего газа равен Q, а эффективная скорость всасывания насоса — S0, то можно достичь равновесного давления P = Q/S0. Если давление равновесия определено, чем короче время его достижения, тем выше должна быть эффективная скорость всасывания насоса. Нанесение покрытия путем испарения является типичным примером такого применения. Благодаря высокой скорости нанесения и короткому времени процесса не учитывается влияние количества выделяемых газов (то есть влияние активных газов). Однако энергия испаряющихся частиц невелика, поэтому необходимо, чтобы подавляющее большинство частиц оседало на поверхности изделия без столкновений. Это обеспечивает надежное сцепление частиц с поверхностью и снижает степень рассеяния. Для этого средний путь свободного пробега частиц в вакуумной камере должен быть не меньше расстояния от источника испарения до поверхности изделия. Соответствующее давление составляет примерно 1×10-2 Па. Именно это и является требованием к уровню вакуума для процесса напыления путем испарения. 　　Как достичь этого давления за как можно более короткое время, ставит перед собой требования к эффективной скорости всасывания насоса: чем меньше время, тем больше объем выходящего воздуха, и тем выше должна быть эффективная скорость всасывания. Поэтому для процесса испарительного покрытия обычно используются мощные насосы типа масляных диффузионных насосов; их мощность составляет десятки киловатт. Удобство рабочей вакуумной среды достигается в течение нескольких минут до десяти минут. Однако в этой системе неизбежна загрязнение поверхности изделия масляными парами; особенно это касается пластиковых покрытий, которые легко желтеют. В настоящее время скорость выкачивания турбомолекулярных насосов не соответствует требованиям крупных установок для эвапоративного покрытия. А насосы с высокой скоростью откачки холодного газа не могут быть использованы в процессах нанесения покрытий в промышленных масштабах. Исходя из характеристик газовой нагрузки в выбранном пространстве, путем использования молекулярных насосов для удаления постоянных газов в сочетании с насосами для отбора конденсатного водяного пара при низких температурах, можно добиться высокой скорости откачки и создания чистого вакуума — это открывает возможности для совершенно нового процесса откачки газов. При давлении в вакуумной камере выше 0,5 Па основным составляющим газа являются постоянные газы, тогда как при давлении ниже 0,5 Па основным составляющим является водяной пар (90%). Благодаря высокой способности молекулярного насоса к откачке газов в среднем вакууме, время откачки газов в диапазоне от 100 Па до 0,5 Па является крайне коротким. После достижения уровня давления 0,1 Па включается насос для сбора конденсата при низких температурах, что позволяет за короткое время снизить давление в помещении в один порядок до уровня 1×10⁻² Па. Для крупных установок для эвапоративного покрытия объемом 3–5 м³ достаточно использовать 3–4 насоса молекулярного нагнетания с пропускной способностью 1000 литров в секунду, а также один насос для сбора конденсата при низких температурах мощностью 5 кВт. Это, безусловно, является прорывным решением. Для второй категории приложений, поскольку величина выделения газа зависит от температуры и времени, а не столько от давления в газовой фазе, достаточно, чтобы давление было ниже равновесного давления, соответствующего существующей массе адсорбата; обычно это условие соблюдается в процессе вакуумирования. Поэтому даже при высокой скорости вакуумирования, позволяющей снизить давление в камере до очень низких значений за короткое время, это не способствует значительному снижению уровня утечек газа внутри вакуумной камеры. Необходимо использовать подходящую скорость вакуумирования и при разумной температуре обжига довести уровень утечек газа до требуемого уровня в течение разумного времени; это обычно занимает десятки минут. Типичными примерами таких приложений являются напыление плазмой и ионным способом в отрасли производства титановых изделий, а также плавка редкоземельных ферромагнитных материалов. При этом избыток активного газа влияет на качество пленочного слоя и качество материала, поэтому в процессе производства всегда предусматривается длительный этап тщательной вакуумировки. 　　Для оборудования для покрытия пленкой методом распыления или ионного покрытия, у которого объем вакуумной камеры составляет примерно 1 м³, обычно используется вакуумный насос с мощностью откачки воздуха 4000 литров в секунду. Чтобы ускорить процесс опустошения вакуумной камеры и изделия от воздуха, её часто нагревают до температуры 300°C. Следует подчеркнуть, что при покрытии титановым слоем существует обратная зависимость между скоростью всасывания насоса, характеристиками самого насоса, процессом откачки газа и необходимым давлением для осаждения покрытия. В одном цикле покрытия процесс откачки воздуха в вакуумной установке можно разделить на три этапа: этап тщательной откачки, этап глазкового воздействия и этап осаждения путем распыления. Цель точной вакуумировки — снизить объем утечек газа в вакуумной камере. Результат этой процедуры в основном зависит от температуры сушки и времени вакуумирования; он мало связан с давлением в камере, особенно когда давление находится в одном порядке величин. Следовательно, при наличии соответствующей разницы в скорости всасывания главного насоса эффективность точного откачивания воздуха остается одинаковой; уровень откачки воздуха из вакуумной камеры также может быть снижен до одинаковых значений, несмотря на различия в предельном уровне вакуума. Конкретно, на этом этапе молекулярный насос с пропускной способностью 1000 литров в секунду и турбомолекулярный насос с пропускной способностью 1500 литров в секунду обеспечивают одинаковую эффективность откачки воздуха. На этапе воздействия глазури, поскольку давление разряда в этот момент составляет около 2 Па, способность основного насоса к откачке газов снижается. Обычно для обеспечения стабильной работы насоса используется метод регулирования потока газа, при котором идет жертва скорости откачки ради стабильности работы насоса. Это касается как диффузионных насосов, так и турбомолекулярных насосов; причем у диффузионных насосов потери скорости откачки еще более значительны, в результате чего объем протекающего аргона также существенно снижается. Однако на этом этапе для достижения лучшего эффекта очистки с помощью ударных импульсов необходимы высокая эффективная скорость вытягивания газа и большой расход аргона. В этом отношении у молекулярных насосов под давлением есть явные преимущества. На заключительном этапе напыления типическое рабочее давление составляет 0,5 Па; диффузионные и турбомолекулярные насосы по-прежнему требуют регулировки. К тому же в таких условиях сложно поддерживать стабильное давление во время процесса напыления. Снижение скорости вакуумирования неизбежно приводит к значительному повышению парциального давления активных газов в процессе очистки вакуума. При постоянном объеме выходящего газа уровень давления активного газа определяет влияние на качество осаждаемой пленки. Молекулярный насос с возможностью стабильного откачивания воздуха при полной скорости работы вновь демонстрирует свои преимущества. III. Разные вакуумные системы требуют разного уровня вакуума. Поэтому зачастую необходимо использовать целый комплекс вакуумных установок. Это достигается путем соединения вместе вакуумных насосов, работающих в разных диапазонах давления: вакуумный насос, расположенный с стороны высокого вакуума, обеспечивает уровень вакуума, необходимый для работы системы, тогда как вакуумный насос, расположенный с стороны низкого вакуума, сбрасывает воздух непосредственно в атмосферу. Очевидно, что самым простым устройством для создания вакуума является вакуумный насос, выпускающий газы в атмосферу. Однако для систем с высоким вакуумом обычно требуются трёхступенчатые установки, а для систем с средним вакуумом — двуступенчатые. Высоковакуумный насос и низковакуумный насос с трудом могут образовать эффективную установку для создания высокого вакуума. 　　Есть несколько причин. Непрерывность потока — это один из них. У всех высоковакуумных насосов существует предел давления на входе: если давление превышает определенное значение, насос не может нормально работать. Когда насос предыдущей ступени достигает этого критического давления, скорость откачки обычно снижается; в результате объем выходящего газа от насоса предыдущей ступени может оказаться меньше, чем у основного насоса. Такое несоответствие в объемах потока нарушает требования к непрерывности потока, что неизбежно приводит к тому, что вакуумное устройство не может работать корректно. Но если между насосами низкого и высокого вакуума подключить ещё один насос среднего вакуума, он сможет выполнять роль связующего звена, обеспечивая непрерывный поток воздуха, при этом все насосы будут работать в оптимальных условиях. Ротационные насосы могут работать в диапазоне среднего вакуума, поэтому они являются наиболее подходящими вариантами; их также называют ротационными насосами для повышения давления. Благодаря невысокому коэффициенту сжатия они способны обеспечивать давление в диапазоне от нескольких Па до нескольких сотен Па. Когда установка с третьим уровнем высокого вакуума достигает высокого уровня вакуума, из-за значительного снижения объема отводимого главным насосом воздуха для поддержания непрерывности процесса откачки воздуха достаточно использовать лишь один более маленький предварительный насос. На практике этот метод часто применяется, поскольку он позволяет снизить энергопотребление установки. Еще одной причиной, по которой для создания высокого вакуума часто требуются трехступенчатые установки, являются ограничения по давлению всасывания у высоковакуумных насосов. У всех насосов существует начальное давление работы; у традиционных насосов высокого вакуума оно находится в диапазоне нескольких Па. Поэтому предварительный насос должен довести давление до этого уровня, прежде чем основной насос сможет начать работу. Однако для достижения такого давления с помощью предварительного насоса, выделяющего газы непосредственно в атмосферу, часто требуется много времени. По мере снижения давления скорость всасывания насоса уменьшается. Особенно это касается вакуумных установок с периодическим всасыванием воздуха — здесь существуют определенные требования к времени, необходимому для достижения рабочего вакуума. Чем дольше время предварительной подготовки, тем дольше потребуется времени для достижения рабочего давления. Поэтому использование дополнительного насоса среднего вакуума в сочетании с предварительным насосом низкого вакуума позволяет быстрее достичь давления, при котором может работать основной насос. Это способствует более быстрому достижению рабочего давления в системе и повышает эффективность работы оборудования. 　　Ротационные насосы и насосы с масляным приводом могут использоваться в качестве насосов среднего вакуума. Насосы с молекулярным приводом обладают очень высоким коэффициентом сжатия; это позволяет им не только создавать чистый вакуум, но и обеспечивать отличные характеристики в условиях высокого вакуума. Кроме того, они обладают высокой эффективностью при откачке газа в диапазоне среднего вакуума. Это делает молекулярный насос единственным в настоящее время вакуумным насосом, обладающим способностью создавать средне-высокий вакуум. Поэтому его достаточно использовать в сочетании с насосами для создания низкого вакуума, чтобы получить устройство для создания высокого вакуума с характеристиками, сопоставимыми с характеристиками устройств третьего уровня. Конкретно говоря, благодаря высокой устойчивости молекулярного насоса к давлению, передний насос может легко работать в режиме высокого расхода ； При этом насос с молекулярным усилием создает высокое давление всасывания, что снижает нагрузку на предварительный насос. Молекулярный насос может работать при давлении от 100 до 50 Па. Насос предыдущей ступени снижает давление от атмосферного уровня до этого значения; при этом давление снижается примерно в один порядок с каждым периодом времени. Благодаря этому установка обладает высокой эффективностью всасывания. Упрощение конструкции высоковакуумных установок и отказ от ротационных насосов — ещё одно преимущество молекулярных насосов повышенного давления. Для более крупных устройств, работающих в условиях высокого вакуума, также можно усилить способность предварительного откачивания воздуха у предварительного насоса, тем самым сократив время откачки. Поскольку время предварительного откачивания значительно меньше по сравнению с общим временем процесса создания вакуума, время работы предварительного насоса также остается небольшим. Следовательно, его можно использовать для предварительного откачивания воздуха в нескольких устройствах одновременно, что часто является весьма практичным решением. Это приводит к **упрощению** вакуумных установок для массового применения. В некоторых приложениях среднего вакуума требуется достижение уровня вакуума 10–1 Па. Для ротационных насосов с двумя ступенями это часто бывает сложно. Однако использование насосов с тремя ступенями позволяет повысить уровень вакуума в один порядок, доведя его до 10–1 Па. Поэтому в таких приложениях также часто применяются насосы с тремя ступенями. Поскольку молекулярный насос способен обеспечить полную скорость всасывания при давлении 10–1 Па, его также можно использовать в трехступенчатых установках для создания вакуума вместо двухступенчатых ротационных насосов. В общем случае, ротационные насосы и насосы с молекулярным усилением давления могут полностью заменить насосы, работающие в течение длительного времени в диапазоне низких давлений среднего вакуума. А насосы Рота, работающие в длительном режиме в диапазоне высоких давлений среднего вакуума, должны быть относительно редкими, поскольку насосы более низкого уровня в этом диапазоне давлений обычно обладают высокой скоростью всасывания. Это в макромасштабе прогнозирует перспективы замены насосов Ротца на молекулярные насосы.

Я также хотел бы спросить: под процентом, о котором вы говорите, вы имеете в виду соотношение скоростей откачки?

Говорить о сочетании, игнорируя среду откачки, бессмысленно — ведь вы же не откачиваете воздух? Это как предельное вакуум — теоретическое значение, не имеющее значения для выбора ；

Скорость вытягивания должна обеспечивать одинаковый массовый поток, однако необходимо учитывать изменения коэффициента объемной эффективности, вызванные соотношением сжатия и разницей давлений, что в свою очередь влияет на массовый поток； Для насосов первого и второго уровней коэффициент сжатия является динамическим и зависит от требуемого рабочего давления, среды, поступающей в насос, и т. д

Каково соотношение сжатия? Можете уточнить? Спасибо

Коэффициент сжатия не является постоянным; он зависит от частоты вращения, разницы давлений и свойств газа, что в свою очередь влияет на коэффициент полезного действия! Здесь затронуто слишком много факторов, и нельзя просто определить соотношение «несколько к нескольким», чтобы спроектировать установку……