Схемотехническое и функциональное проектирование вакуумной коммутационной апаратуры

и научное оборудование,  интервалы рабочих давлений основных типов

которого  приведены  на рис.  I.I.,  по величине рабочего давления

можно условно разделить на три группы: 1) установки с рабочим дав-

лением  до  5  10   Па;  2)  установки  с  рабочим  давлением до 1

10   Па; 3) оборудование с рабочим вакуумом выше 1 10   Па.

     Как правило,  получение  вакуума в оборудовании первой группы

достигается применением паромасляных диффузионных насосов с ловуш-

ками,  позволяющими  исключить наличие углеводородных соединений в

рабочей среде;  герметизация разъемных  соединений  осуществляется

резиновыми  прокладками  [I  - 5].  Подобные установки относятся к

непрогреваемым системам,  длительность откачки  которых  определя-

ется,  в основном,  десорбцией паров воды [6 - 8]. Дополнительными

требованиями к установкам данного типа могут служить необходимость

получения определенного спектра остаточных газов [9, 10], исключе-

ние привносимой дефектности на изделие электронной техники  [11  -

15], высокая (до 1600 К) температура в рабочей камере и повышенные

                              - 11 -

требования к надежности работы из-за значительного  экономического

ущерба в случае отказа [16 - 18].

     Оборудование второй группы [19 - 24]  обеспечивает  получение

более низких парциальных давлений остаточных газов. В данной груп-

пе оборудования,  в основном, используют безмасляные (турбомолеку-

лярные,  магнито-  и  электро-разрядные  насосы) и комбинированные

средства откачки [25 - 27]. В качестве уплотнений разъемных соеди-

нений применяются металлические прокладки и прокладки, изготовлен-

ные из термостойкой резины [28, 29]. Как правило, установки второй

группы  прогреваются  до  400  -  650  К (оборудование для откачки

электровакуумных приборов частично до  950  К),  имеют  достаточно

большое время достижения рабочего давления (от 5 до 20 часов) [19,

30 - 33] и более жесткие требования к привносимой на  изделие  де-

фектности [34].

     К третьей группе оборудования принадлежат уникальные системы-

ускорители  заряженных  частиц  [35 - 38],  камеры для космических

исследований и ряд технологических установок  и  научных  приборов

[39,  40].  Их отличие от вакуумных систем второй группы состоит в

необходимости предварительной обработки и очистки  материалов  для

вакуумных систем, длительном времени прогрева и откачки, использо-

вании только металлических уплотнителей в  разъемных  соединениях.

При этом время существования высокого вакуума в рабочем объеме мо-

жет длиться месяцами и годами [29, 41 - 43].

     Общим требованием ко всем группам вакуумного оборудования яв-

ляется автоматизация технологических процессов и научного экспери-

мента [44 - 46].

     В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формиру-

ют требования к его элементной базе,  в том числе к ВКА,  которая,

являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования  (например,

только в одно- и двухкамерных установках число коммутационных уст-

                              - 12 -

ройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 [20, 47]), во многом оп-

ределяет его выходные характеристики. Так, производительность обо-

рудования  первой  и  второй  групп  определяется  не  только  его

конструкцией  (однопозиционные  установки периодического действия,

установки полунепрерывного действия со шлюзовыми  камерами,  уста-

новки и линии непрерывного действия и др.),  но и сокращением вре-

мени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от про-

водимости ВКА [48, 49].

     Следует отметить и наметившуюся в последнее  время  в  произ-

водстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего

давления до 10   - 10    Па вследствие существенного влияния  дав-

ления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства

изделий [1, 19, 40], т.е. к использованию высоко- и сверхвысокова-

куумного оборудования,  требующего прогрева до 700 - 800 К и, сле-

довательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сокра-

тить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить

обслуживание установок [25,  41]. С учетом отмеченного во введении

критического  состояния проектирования цельнометаллической ВКА це-

лесообразно выделить для детального рассмотрения области ее приме-

нения, которые показаны на рис. I.2.

     При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группа-

ми  оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и усло-

виями эксплуатации,  определяющими основные свойства  ВКА,  к  ней

предъявляется  множество  разнообразных дополнительных требований,

зависящих от конкретного случая использования,  что ведет к увели-

чению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандар-

тизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его  проек-

тирования и изготовления.

     Анализ длительности технологических циклов и  ресурса  работы

оборудования,  проведенный по работам [19, 20, 24, 47, 48], позво-

                              - 14 -

ляет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показы-

вает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах

500 - 8000,  а в ряде установок,  имеющих длительность  технологи-

ческого процесса порядка десятков секунд (например, электронно-лу-

чевых установок микросварки),  их ресурс должен  быть  значительно

большим  -  20000 - 50000.  Кроме того,  особенностью ВКА является

кратковременный циклический режим работы с  большими  промежутками

между включениями: отношение времени работы к времени выстоя очень

различно и в среднем находится в пределах 1 :  (100 - 10000). Сум-

марное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до

замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим  уп-

лотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа,  для ВКА с резиновым уп-

лотнением - 20 - 50 часов.

     Снижение рабочего  вакуума накладывает дополнительные ограни-

чения на разработку ВКА,  связанные  с  необходимостью  уменьшения

влияния  элементов  вакуумной  полости ВКА на параметры технологи-

ческого процесса и учета привносимой  дефектности  [50,  51].  При

этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большо-

го ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к  быст-

родействию и высокой надежности ее работы [37, 39].

     Таким образом,  анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых

современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следую-

щие основные требования, предъявляемые к ВКА.

     ВКА должна:

иметь  заданную  проводимость  в  открытом положении; обеспечивать

требуемое быстродействие;  гарантировать  величину натекания в за-

крытом положении  ВКА не выше допустимой  (например, соизмеримой с

уровнем  газопроницаемости  конструкционных материалов и материала

уплотнителя); допускать эксплуатацию  в диапазоне температур от 77

до 800 К; минимально воздействовать на качественный и количествен-

                              - 15 -

ный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные

ресурс работы  и наработку на отказ;  предусматривать  возможность

автоматического управления  и контроля за работой;  обладать мини-

мальными  габаритами  и  весом;  обеспечивать простой монтаж и де-

монтаж устройства;  иметь  высокие технолого-экономические показа-

тели.

     I.2. Функционально-структурный анализ ВКА.

     Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА,  имеющаяся по

ней литература весьма скудна,  разрознена и носит  большей  частью

описательный  характер.  В  затрагивающих  данную  область работах

практически отсутствуют методики проектирования ВКА,  недостаточны

рекомендации и данные по ее расчету и конструированию [20, 29, 51-

54],  вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в  боль-

шинстве  случаев  основывается  на  опыте  конструктора.  При этом

отсутствие единого научно обоснованного подхода  к  проектированию

ВКА  затрудняет  создание конструкции,  имеющей наилучшие характе-

ристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуум-

ные  клапаны  и затворы удовлетворительно соответствуют лишь 3 - 4

показателям качества,  что приводит к неоправданному  многообразию

их конструкций.

     Достоинства и   недостатки   существующих   конструкций   ВКА

рассмотрим на основе анализа информации, содержащейся в литератур-

ных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков

и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиност-

роения иностранных фирм [20, 29, 51 - 67].

     На рис.  1.3,  1.4 приведены примеры конструктивных схем ВКА,

дающие представление о  ее  многообразии,  на  рис.  1.5  показаны

основные принципиальные схемы ВКА,  а на рис.  1.6 - типовые схемы

                              - 19 -

ее уплотнительных пар.

     Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций

функционально-структурного  подхода  -  реализации  последователь-

ности: цель - функция - устройство.

     Плоский затвор (рис.  1.5 а, е), имеющий минимальное расстоя-

ние между присоединительными фланцами (цель),  во избежание износа

уплотнителя требует при перемещении улотнительного  органа  1  для

открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гаран-

тированного зазора между ним и корпусом 3,  что приводит к необхо-

димости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлени-

ям движений: перемещения уплотнительного органа 1 для открывания и

перекрывания  проходного отверстия 2 и герметизации уплотнительной

пары (функция),  а,  следовательно, либо к появлению механизма 4 в

вакуумной полости (рис.  1.5, а), либо к использованию двух испол-

нительных органов и соответственно двух вводов движения  в  вакуум

5,5 (рис.  1.5,  е) (устройство).  Оба решения существенно снижают

надежность и ресурс работы  устройства,  а  второе  приводит  и  к

усложнению управления затвором.

     Отличительной особенностью схемы поворотного затвора,  приве-

денной на рис. 1.5, б, является возможность совмещения в корпусе 3

проходного и углового взаиморасположения перекрываемых отверстий 2

(цель), а также совпадение направлений перемещения уплотнительного

органа и усилия герметизации при уплотнении (функция).  Однако по-

воротный  затвор  с непосредственным воздействием ведущего звена 6

на уплотнительный орган 1 (устройство) не получил  широкого  расп-

ространения  вследствие необходимости создания значительных крутя-

щих моментов при герметизации запорной пары.

     Другие типы конструкций ВКА также обладают рядом недостатков.

Работа крана (рис.  1.5,  в) связана со скольжением уплотнительных

поверхностей  элементов  1  и  3 друг относительно друга,  и,  как

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12