автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Исследование и разработка комплекса безмасляных средств форвакуумной откачки для оборудования высоких вакуумных технологий электронной техники

На правах рукописи

Ануфриева Ирина Викторовна

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА БЕЗМАСЛЯНЫХ СРЕДСТВ ФОРВАКУУМНОЙ ОТКАЧКИ ДЛЯ ОБОРУДОВАНИЯ ВЫСОКИХ ВАКУУМНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование производства полупроводниковых материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004 г.

Работа выполнена в ФГУТТ "НИИВТ им. С.А. Векшинского" (г. Москва)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кеменов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, профессор, лауреат Государственной премии Ермаков Евгений Семенович

доктор технических наук,

профессор Ковалев Лев Кузьмич

Ведущая организация:

Институт СВЧ полупроводниковой электроники РАН

Защита состоится «23» ноября 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д212.133.05 Московского Государственного Института Электроники и Математики (Технического университета) по адресу: 109028, Москва, Ь. Трехсвятительский пер., д. 1-3/12, стр. 8

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (Технического университета)

Автореферат разослан » октября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д212.133.05

кандидат технических наук, доцент

2005-4 ¿¿€3/?

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы

Анализ развития высоковакуумных технологий в отечественной и мировой практике свидетельствует о растущих потребностях создания особо чистых вакуумных условий для технологических и научных целей, которые возникают не только в традиционных отраслях, таких как электроника и радиотехника, приборостроение, космическая техника и авиация, термоядерная энергетика и физика элементарных частиц, но и в прецизионной металлургии, медицине, в пищевой и фармацевтической промышленности и др.

Однако главным и наиболее ответственным потребителем вакуумной техники является электроника, научное и техническое содержание которой сосредоточено в таких наиболее важных направлениях, как мощная СВЧ вакуумная электроника и твердотельная микро- и наноэлектроника, основанная на квантово-механических эффектах. Именно эти ключевые направления электронной техники предопределили необходимость широкого использования высокого и сверхвысокого вакуума, формируемого безмасляными откачными системами.

Следует отметить, что реализация указанных требований в ретроспективе прежде всего коснулась вопросов создания высоковакуумных насосов. Эта проблема практически была решена созданием магниторазрядных, турбомолекуяярных, криогенных и криосорбционных насосов. В то же время работы в области создания безмасляных форвакуумных насосов, гарантирующих отсутствие в составе остаточной газовой среды углеводородных соединений с массовым числом, равным или более 44, а также продуктов износа в виде микрочастиц конструкционных материалов размером 0,2 мкм и менее, в отечественной практике проводились менее интенсивно.

Выпускаемые зарубежными фирмами безмасляные форвакуумные насосы характеризуются высокими ценами и сложным техническим обслуживанием.

В связи с этим появилась необходимость постановки работ, направленных на создание принципиально новых конструкций экономичных, конкурентоспособных, простых и надежных в эксплуатации безмасляных форвакуумных насосов.

Этим требованиям в наибольшей мере отвечают предложенные в настоящей работе сильфонно-поршневые и двухкамерные сильфонные насосы объемного действия, основой которых являются камеры переменного объема, выполненные на базе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов из высокопрочных конструкционных материалов.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических основ и методов проектирования впервые предложенных безмасляных форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов и выполнении экспериментальных исследований для оценки основных эксплуатагдеонкЫЮСларщмадошьмДвя достижения

1ь , . _________...

БИБЛИОТЕКА {

поставленной щели в работе выполнен комплекс задач, составляющих научную новизну и практическую ценность работы.

Научная новизна

1. На основе изучения современного уровня и тенденций развития средств форвакуумной откачки в отечественной и мировой практике предложена классификация безмасляных форвакуумных насосов. В класс насосов деформационного типа впервые введен подкласс сильфонных насосов, представляющих собой новое направление в технике получения безмасляного вакуума простыми и экономичными средствами.

2. Впервые предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод получения безмасляного вакуума, основанный на применении упругодеформируемых рабочих камер переменного объема в виде сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов, выполненных из высокопрочных конструкционных материалов.

3. С учетом основных положений вакуумной техники, физики вакуума и особенностей конструкции сильфонных камер переменного объема впервые предложена универсальная математическая модель и алгоритм расчета проводимости каналов различной геометрической формы для режимов течения газа от молекулярного до вязкостного. Компьютерное моделирование предложенной математической модели позволяет установить влияние переменной проводимости кольцевого зазора между вытеснителем и внутренним диаметром сильфона на откачные характеристики насоса в пределах цикла «растяжение - сжатие» сильфона при различных режимах течения газа.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований предложенных двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных насосов впервые получены эксплуатационные характеристики, в том числе предельное остаточное давление 30-50 Па, быстрота действия от 0,1 до 16 л/с в зависимости от объема рабочей камеры насоса, ресурс » 108 циклов.

5. Получены аналитические зависимости для расчета быстроты действия и предельного остаточного давления с учетом геометрических параметров сильфонных камер форвакуумных безмасляных насосов.

6. В результате исследования методом сканирующей зондовой микроскопии характера износа контактных поверхностей поршня II ступени сильфонно-поршневых форвакуумных насосов для различных видов покрытия и конструкционных материалов сформулированы рекомендации по выбору оптимального материала покрытия по критерию износостойкости.

7. Сформулированы научно-технические перспективы развития направления по разработке новых моделей форвакуумных сильфонных насосов, деформируемых в упругой области, в частности при создании «охранного» вакуума с целью разгрузки сильфона от перепада давления 0,1 МПа и снижения энергопотребления.

А

4

Методы исследований

В работе использованы методы математического и физического моделирования, численные методы, экспериментальные исследования эксплуатационных характеристик насосов и элементов конструкций с использованием вакуумных испытаний, методов сканирующей зондовой микроскопии и рентгеновской дифрактометрии.

Практическая ценность:

1. Разработаны теоретические основы расчета и конструирования нескольких модификаций двухступенчатых безмасляных форвакуумных насосов, в том числе:

- сильфонно-поршневого,

- сильфонного насоса с последовательным расположением сильфонов,

- сильфонного насоса с коаксиальным расположением сильфонов.

2. Выполнен комплекс расчетов основных конструктивных и эксплуатационных параметров двухступенчатых безмасляных форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов.

3. Разработаны методики экспериментов и выполнено исследование характеристик разработанной серии насосов.

4. Сформулированы рекомендации по дальнейшему развитию научных и прикладных проблем при создании перспективных конструкций, в том числе в направлении создания новых моделей насосов с «охранным» вакуумом.

5. Установлен типоразмерный ряд сильфонных двухкамерных насосов с учетом ГОСТ(а)217.54.76 и ТУ25-2472-066-88.

На защиту выносится:

1. Систематизированная классификация современных форвакуумных насосов с учетом последних достижений отечественной и мировой практики, в том числе предложенного в работе нового подкласса деформационных насосов сильфонного типа.

2. Комплекс впервые предложенных в диссертационной работе новых технических решений и созданный на их основе ряд безмасляных форвакуумных насосов с использованием герметичных упругодеформируемых рабочих камер переменного объема, образованных мембранными сварными складывающимися сильфонами высокой чувствительности из высокопробных конструкционных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных безмасляных форвакуумных насосов, в том числе:

- исследование откатных параметров,

- оценка ресурса работы сильфонных камер по величине возникающих в сильфоне напряжений с использованием метода рентгеновской дифрактометрии,

- исследование характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов методом сканирующей зондовой микроскопии с целью выбора оптимальных конструкционных материалов и покрытий по критерию износостойкости.

4. Универсальный метод и алгоритм расчета проводимости внутренних каналов сильфонных камер с изменяющейся в процессе цикла геометрией, позволяющий расширить область применения расчетов для широкого круга задач, связанных с определением проводимости элементов вакуумных систем и каналов произвольной формы для режимов течения газа от молекулярного до вязкостного.

5. Конструкции сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов линейной и коаксиальной структуры.

6. Перспективные технические решения по созданию новых моделей экономичных сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 166 стр. и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы из 104 наименований, содержит 73 иллюстрации, 7 таблиц.

Апробация работы

В период 2001 - 2004 гг. работа докладывалась и обсуждалась на ежегодных каучко-техннческих конференциях '<Вакуумная наука и техника^ (г. Судак), на V международном симпозиуме «Вакуумная техника и оборудование» (г. Харьков), а также на научно-технических семинарах НИИВТ им. С.А. Векшинского.

Публикации

По теме диссертации опубликовано шесть статей в научно-технических журналах и сборниках материалов конференций, получено три патента на вакуумные насосы с деформируемой рабочей камерой.

Реализация результатов работы

1. Действующие макетные образцы изготовленных сильфонных насосов и научно-технические отчеты переданы для использования в лаборатории научных отделов НИИВТ им. С.А. Векшинского.

2. Материалы работы по расчету и конструированию форвакуумных безмасляных насосов на основе сварных складывающихся высо-

6

кочувствительных сильфонов использованы в учебном процессе МГИЭМ при выполнении курсовых и дипломных проектов, а также при разработке учебно-методических материалов.

Первая глава посвящена вопросам формирования остаточной газовой среды в оборудовании современных базовых технологических процессов твердотельной и вакуумной электроники.

Показано, что в микроэлектронике в большинстве своем базовые технологические процессы прецизионной обработки основаны на физических явлениях взаимодействия высокоэнергетических электронных, ионных, оптических, рентгеновских лучей и газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела и остаточной газовой средой и используются в технологии электронной, ионной и рентгенолитографии, нанесения тонких пленок, молекулярно-лучевой эггатаксии, ионного легирования, вакуумно-плазменного травления и в развивающейся наноэлектронике.

Для большинства перечисленных процессов необходимо обеспечить формирование остаточной газовой среды строго регламентированного состава, свободной от паров воды, кислорода и углеводородов.

Формирование остаточной газовой среды в приборах вакуумной электроники не допускает присутствия в ее составе наиболее опасной составляющей - тяжелых углеводородов, парциальное давление которых не должно превышать 2,7 • 10~7#а.

Рассмотрены методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования базовых технологий, сформулированы критерии выбора средств откачки на основе базы данных, предложенной ¡Семеновым В.Н. Приводятся базовые системы откачки для получения среднего, высокого и сверхвысокого вакуума и рекомендации по их использованию в оборудовании высоких вакуумных технологий для одно- и двухэтапного процесса формирования остаточной газовой среды.

Приводится анализ путей развития безмасляных форвакуумных насосов в мировой и отечественной практике. Отмечено, что наиболее радикальным методом получения безмасляного предварительного разрежения является создание принципиально новых форвакуумных насосов, не содержащих масел и пар трения, требующих смазок. С этих позиций анализируется состояние вопроса за полувековую историю развития вакуумного насосостроения.

Приведена классификация и дан анализ используемых в настоящее время форвакуумных безмасляных насосов, в которой предусмотрено три группы: контактного, бесконтактного и деформационного типа.

Насосы контактного типа обладают большой степенью сжатия, мало зависят от выпускного давления, однако из-за наличия трущихся поверхностей ограничивают частоту вращения соответствующих рабочих органов и имеют достаточно ограниченный ресурс.

Насосы бесконтактного типа, эффект откачки которых основан на упругой деформации рабочей камеры в виде шланга или профилированного элемента необходимой чувствительности, не получили широкого применения в связи с низким ресурсом работы. К этому классу насосов относятся шланговые,

перистальтические и волновые насосы. В то же время сильфонные и мембранные насосы, входящие в этот класс, обладают высокой деформационной способностью, чем обусловлена возможность их промышленного применения.

Однако несмотря на очевидную привлекательность идеи создания сильфонных насосов их разработка сдерживалась до настоящего времени отсутствием данных по ресурсным испытаниям.

Рассматривается опыт создания безмасляных форвакуумных насосов рядом зарубежных фирм, таких как «Edwards» (Великобритания), «Ulvac» и «Kashigaama Koggo» (Япония), «Calspan Technology Prodacts» и «Varian» (США), «Alcatel» (Франция) и др.

Из группы бесконтактных форвакуумных насосов выделяются цеолитовые насосы, появившиеся в отечественной практике 60-х гг. Несмотря на абсолютно безмасляный вакуум насосы этого типа имеют ряд известных недостатков: ограниченную сорбционную емкость, необходимость охлаждения сорбента жидким азотом и регенерации прогревом, невозможность использовать в системах со значительными стационарными потоками газов.

Широкое применение в отечественной и мировой практике получили двухроторные насосы бесконтактного типа. Обращено внимание на широкое использование пластинчато-роторных и поршневых насосов, трущиеся поверхности которых изготовлены из самосмазывающихся материалов или с использованием антифрикционных покрытий.

Насосы деформационного типа с рабочими камерами, изготовленными из эластичных материалов типа полиуретана, подвергаются «раскатке» и расслоению под воздействием деформирующих сил и имеют низкий ресурс. Применение в насосах этого типа металлических оболочек с участками положительной и отрицательной кривизны имело перспективу, однако эта конструкция не была доведена до промышленного внедрения.

Дальнейшее развитие форвакуумных безмасляных насосов деформационного типа, по мнению автора, будет направлено на создание новых моделей, в том числе на основе высокочувствительных складывающихся сильфонов, разработка и исследование которых выполнены в настоящей работе.

Во второй главе рассмотрен опыт применения сварных складывающихся сильфонов в качестве рабочей полости переменного объема при создании газовых холодильных машин и компрессоров, используемых для нужд главным образом авиационно-космической отрасли, а также для ряда технологических применений, связанных, например, с необходимостью перекачки агрессивных жидкостей или раздельной подачи различных газов или жидкостей в одинаковых или кратных объемах.

Информация об использовании сварных складывающихся сильфонов для создания безмасляных форвакуумных насосов не обнаружена.

Отмечено, что одним из важнейших вопросов использования сварных сильфонов в качестве герметичной полости переменного объема является величина ресурса, который существенно зависит от деформационной способности мембранных колец сильфона.

В то же время в некоторых работах отмечается, что результаты многократных испытаний сварных сильфонов, работающих в режиме растяжение — сжатие относительно нейтрального положения, имеют больший ресурс работы по сравнению с сильфонами однонаправленной деформации сжатия.

Наряду с этим приводится анализ геометрических параметров сильфонов и оценивается реальная возможность их использования в конструкциях форвакуумных безмасляных насосов.

Подтверждением этого служат предложенные в работе функциональные схемы и конструкции вариантов двухступенчатых форвакуумных насосов, преимуществом которых является не только простота технических решений, но и реальная возможность получения безмасляной остаточной среды в откачиваемых объемах.

Рис. 1

На рис. 1 приведены вариант конструкции и функциональные схемы, иллюстрирующие последовательность действия сильфонно-поршневого насоса.

л/ а),'

Рис.2 9

На рис. 2 показаны функциональные схемы и конструкция двухкамерного сильфонного насоса, основой которого являются два идентичных сильфона при Ь = I, +12.

Идентичность сильфонов определяется равной величиной хода каждого из них независимо от диаметров, которые могут быть равными или отличаться друг от друга.

В зависимости от этого предложены два конструктивных решения с последовательным и коаксиальным расположением сильфонов I и II ступени.

Преимуществом коаксиальной структуры является компактность и улучшение работы клапанов за счет /

повышенной компрессии во второй ступени. Рассмотрены также схемы трехступенчатых сильфонно-поршневых насосов.

Обращено внимание на то, что в каждой из приведенных конструкций предусмотрен цилиндрический вытеснитель, установленный внутри сильфона с предельно малым конструктивным зазором.

Назначение вытеснителя, длина которого определяется длиной сильфона в сложенном состоянии, состоит в вытеснении «мертвого» объема, не участвующего в процессе откачки. В то же время внутренний объем а)

вытеснителя, как видно из конструктивных схем, служит для перекачки откачиваемого газа через систему клапанов из I во II ступень с последующим выбросом в атмосферу.

Наличие вытеснителя вносит коррективы в определение теоретической быстроты действия 5 насосов этого типа, которые должны учитывать не только объем «открытых» гофр сильфона в его растянутом состоянии на длине I (до вытеснителя), но также и «запертый» вытеснителем объем гофр на длине /, который влияет на быстроту действия сильфонных насосов с учетом переменной проводимости С/3 зазора Д, в соответствии с расчетной схемой, приведенной на рис. 3 а,б, т.е.:

[4 4

В связи с этим возникла необходимость разработки метода расчета переменной проводимости зазора в процессе деформации сильфона.

В третьей главе впервые предложен универсальный метод расчета проводимости элементов вакуумной системы произвольной формы, пригодный

б)

Рис.3

-ю,

(1)

для любого режима течения газа. Предложенный алгоритм метода пробной

частицы позволяет учесть единым способом как столкновения молекул друг с

другом, так и со стенками элементов вакуумной системы.

Блок-схема общего модульного алгоритма приведена на рис. 4; в той части

схемы, где моделируется столкновение молекул с поверхностью, используется

хорошо известная методика.

Здесь же следует подробнее остановиться на моделировании столкновений

молекул газа друг С другом. Зависимость проводимости от

размеров зазора для Рях/Рвых=100

Моделирование координат точки влета

моделирование направления

Траектория движения н координаты атома через время свободного пробега

Да

It

11-0+1

1

Her

—l----1 Г

x +v<Kzj ▼ Нет

Определение координат

Точки столкновения со стенкой

Определение

координэт

Да

Да

Да

Частица прилипла к повср\носго

Нет ■»-

Длина, мм

Зависимость проводимости от размеров зазора для Рвх/Рвых=50

Зазор,

8 1 <

Г

а

Зависимость проводимости от размеров зазора для Рвх/Р»ьор=20

02 О 15 0.1 0,05 0

Рис.4

Зазор

40 80

00 ои

Длина, мм

Изменение направления движения молекулы газа в результате рассеяния на другой молекуле является случайным процессом, а плотность вероятности рассеяния на угол 9 задается фазовой функцией

1-е2

Р{ cos0)=-

(2)

4x[l + g2 -2g cos в\ 2 где g = (cos в)— среднее значение угла рассеяния.

Для определения угла рассеяния задается случайное число а, равномерно распределенное на [0,1], а выбираемое значение угла врт определяется по формуле

7 3 ! •

Таким образом, направление движения молекулы газа после каждого столкновения с другой молекулой задается в сферической системе координат соотношениями:

у/ = 2 ла. е = е0 + в^. (4)

Случайное расстояние 5, пройденное молекулой газа между двумя актами рассеяния, находится из условия

5 = -Я1п(1-а), (5)

где а - случайное и равномерно распределенное на [0,1] число, а Л -

средняя длина свободного пробега молекул газа.

(б)

где <т= я- эффективное сечение молекулы, п - концентрация молекул газа, <1 - эффективный диаметр молекулы.

Решение вопроса о том, со стенкой вакуумной камеры или с другой молекулой газа происходит столкновение рассматриваемой частицы, осуществляется в два этапа.

Сначала вычисляется расстояние 1, пройденное молекулой до стенки вакуумной системы в отсутствии столкновений с другими молекулами газа, а затем оно сравнивается с величиной 5 (см. формулу (5)).

Если 5</, то принимается, что частица сталкивается с поверхностью, в противном случае - столкновение происходит с молекулами газа.

В четвертой главе приведены результаты теоретических исследований откачных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных двухступенчатых форвакуумных насосов - быстроты действия и предельного остаточного давления для геометрических параметров сильфонных рабочих камер, входящих в рекомендуемый параметрический ряд с учетом ГОСТ(а)217.5476 и ТУ25-2472-066-88, выполненных из сплава 36НХТЮ (табл. 1).

Таблица 1

Эффективная площадь, см2 Геометрические параметры сильфона, мм Максимальный ход, мм

О™ <1„ ■У» Л Растяжение Сжатие

1 7,5 40 27 0,1 80 1,6 2,16

2 3 ¡5,4 80 59 0,1 46,6 3,63 4,27

63 105 75 _, 0,15 33,5 3,8 1,93

4 64,3 125 ' 56 0,15 150 7,62 3.37

5 117,2 150 100 0,15 185 8,2 4,3

На рис. 5, б приведены расчетные значения быстроты действия сильфонной ступени насосов для указанного в табл. 1 диапазона геометрических параметров, рассчитанных по формуле 1. Из приведенных графиков следует, что

Рис. 5 V Ом

при п=4 ц/с

Рис. 6

наибольшее влияние на быстроту действия сильфонных насосов оказывают параметры, определяющие объем рабочей камеры, т.е. йср их. Предельное остаточное давление (Рис. 7) в I ступени сильфонных насосов определялось по формуле:

(7),

где - объем вредного

пространства,

К ~ объем камеры, Р^ = Р" „^

Вредное пространство (рис. 7) определялось объемом кольцевого зазора между внутренним диаметром сильфона и наружным диаметром вытеснителя Д,ы„ , т.е. У9 = я Д,ы„ А/, где Д - ширина кольцевого зазора, В.ыт ~ диаметр вытеснителя, I -длина вытеснителя.

Межмембранные зазоры в предположении полного складывания гофр не учитывались.

В пятой главе изложена методика и результаты комплекса экспериментальных исследований

эксплуатационных характеристик силь-фонно-ппршневых и сильфонных двухступенчатых форвакуумных насосов, в том числе:

- предельного остаточного давления;

- быстроты действия;

износостойкости покрытий, нанесенных на контактные поверхности поршней сильфонно-поршпевых насосов;

ресурса работы сильфонных рабочих камер.

Исследование откачных характеристик проводилось на специально разработанном универсальном стенде, соответствующем требованиям для

испытания как сильфонно-поршневых,

=10' Па

0,Е+00 1.Е-05 2.Е-05 З.Е-05 4.Е-05

У.Л

Рис. 7

Рис. Я

так и сильфонных форвакуумных насосов (рис. 8), отличающихся местом присоединения шатуна кривошипно-шатунного меха-низма: в первом случае -к вытеснителю П ступени, а во втором - к центральному фланцу насоса.

Результаты исследования, представленные графиками на рис. 9, подтвердили результаты расчета с расхождением не более 20%, по всей видимости, в связи с тем, что в расчетах не учитывался фактор возможного

недоскладывания сильфонов за счет определенной погрешности их изготовления.

С целью выбора оптимальных покрытий контактных поверхностей (поясков) поршня П-й ступени сильфонно-поршневых насосов, как по структуре, так и по износостойкости, выполнены исследования с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии. Результаты исследования, представленные ка скаках (рис. 10), позволили сделать вывод о приоритетности алмазоподобного покрытия поршня из стали 12Х18Н1 ОТ. поверхность которого после 104 циклов работы не

1Е«м 'Е'О! 'Е-те 1Е«я 1Е-04 1М претерпела ИЗМеНвНИЙ.

Р. Па

рис_ д Достаточно хорошей износо-

стойкостью обладает поршень из дюраля 016 с нанесенным на контактную поверхность фторопластовым покрытием.

Как показал анализ, сканы непосредственно после покрытия фторопластом характеризуются хорошей равномерностью микроструктуры в пределах рассматриваемой области, о чем свидетельствует картина их рельефа, и отличается от сканов этого же образца после 104 циклов работы не разрушением структуры поверхности, а лишь ее «притиркой» и, связанной с этим процессом сглаживания рельефа поверхности.

Сравнительные исследования состояния контактных поверхностей поршня из латуни ЛС-59 без покрытия непосредственно после механической обработки и после 104 циклов, работы свидетельствует о сохранении структуры поверхности и достаточно высокой собственной износостойкости материала поршня, что дает основание рекомендовать использование поршней из латуни ЛС-59 без покрытий рабочей поверхности.

Одной из наиболее важных характеристик рассматриваемых насосов является ресурс работы сильфонной рабочей камеры, подвергающейся в процессе работы осевому знакопеременному циклическому деформированию в режиме растяжение - сжатие в пределах допустимых значений, установленных ГОСТ(ом). Для исследования ресурса применялся метод рентгеновской дифрактометрии.

О 26«003 4е*00л бв-003 бе»003 пт 472 5 тп

ипе 281

Структура исходной поверхности стали 12Х18И!0Т+алмазоподобное покрытие

0 7е*002 1е*003 2 8и*00Э пт 1227пт

12Х18Н10Т+алиазоподобное покрытие после !& ииклов

О 2е*003 «»003 бе »003 вс<00^ от 064 Т гмг.

Исходная структура поверхности дюрали с покрытием из фторопласта

Люоаль с покрытием из (Ьтооопласта после 10 ииклов

2й*003 4е*003 6« «003 гяп 1142 пт

Исходная поверхность латуни

О эе-ОО? 2е-003 3 6е»00

281 4 пт Цле 22

Латунь после }& ииклов

Рис. 10

Исследования проводились на установке DPOH-3 с использованием FeKa излучения. Регистрировалось отражение 220.

Исследовались элементы сильфона в виде гофры и двух полугофр, выполненные на основе трехволновых мембран с наружным и внутренним диаметром 105 и 75 мм, соответственно, при толщине стенки 0,15 мм. В одной из полугофр было вырезано окно размером 10x10 мм для доступа рентгеновского луча к исследуемой поверхности на основной гофре с размером рабочей площади 2x1 мм. Основная гофра в процессе исследования подвергалась растяжению - сжатию в пределах, установленных ГОСТ(ом) допустимых деформзций; при растяжении - 3 мм, при сжатии - 1,9 мм.

Напряжения, определяемые с помощью рентгено-структурного анализа, зависят от направления рентгеновского луча по отношению к исследуемой поверхности под углом у между нормалью к поверхности и отражающими плоскостями, а деформация е в направлении падающего луча определяется зависимостью

-sinV-|(£Г, + ег2). (9)

Если принять iff- 0, а еГ¥ = + то экспериментальная задача по

определению суммы напряжений ег, и <т2 сводится к определению относительной деформации evr при разных углах в между поверхностью изделия и направлением первичного луча, что широко используется в ренгеноструктурном анализе.

При исследовании возникающих при деформации сильфона напряжений определялась величина деформации при sin2 цг = 0. Это позволило найти сумму главных напряжений - cr¡ + <т2 при деформации сильфона.

Съемка производилась на дифрактометре в пределах угла от 0 до 50° через каждые 10°, значение еГ ¥ рассчитывалось по формуле

«w =[(sin^.„-sin^)/sm^]-10! (10), значения <9, sin в приведены в таблице 2, которая явилась основой для графоаналитического определения возникающих в процессе деформирования сильфона напряжений.

Таблица 2

sin2 у/ в SU10

0" 0 . 72*48 0,95528 —

10" 0,03 72"49 5 0,95541 -13,6

20" -0,12 72"51 0,95554 -27,2

30" 0,25 72"59 5 0,95556 -39,8

40" 0,41 72"54 0,95579 -53,4

50" 0,59 72"57 0,95605 -80,5

График, построенный по результатам измерения на дифрактометре в соответствии с данными табл. 2, приведен на рис. 11.

Пользуясь графиком при значении sin2 </=0, определяем ег г + гт2)

для стали 36НХТЮ, у которой £ = 2,1 105 МПа, // = 0,3. Сумма напряжений, возникающих при деформации сильфона, составила 70 МПа.

В соответствии с принятой в теории прочности методикой определения ресурса работы циклически деформируемых элементов в зависимости от возникающих в процессе деформации напряжений использовалась зависимость

ст, =0,35(7,+90 МПа, где е., - предел выносливости, с, - предел прочности исследуемого материала, равный для стали 36НХТЮ а. = 1250 МПа.

Таким образом, а_, = 527,5 МПа. Так как реально возникающие в пределах установленных ГОСТ(ом) допустимые деформации сильфона и определенные экспериментально напряжения составили всего 70 МПа, т.е. оказались почти на порядок меньше величины <тч, его ресурс значительно превысит установленное базовое число (равное 10 циклов) и составит величину существенно более 108 циклов.

Завершением пятой главы является краткий анализ конструкций с «охранным» вакуумом сильфонно-поршневого (рис. 12) и двухкамерного сильфонного насосов (рис. 13).

При создании «охранного» вакуума б сильфонно-поршневом насосе предусмотрена дополнительная «охраппая» камера, внутри которой между внутренним и наружным диаметром сильфона синхронно с внутренним вытеснителем перемещается внешний вытеснитель, создавая разрежение при осевой деформации сильфона. Объем охранного пространства рассчитывается по известным законам физики.

Разгрузка второй ступени с целью снижения затрачиваемой мощности осуществляется за счет создания собственного «охранного» вакуума внутри объема вытеснителя, а наличие клапанов в центральном канале полой трубки и

17

Рис. 12

Рис.13

в торцевом фланце второй ступени обеспечивает перетекание газа и выброс его при сжатии в атмосферу.

В двухкамерных сильфонных насосах также существуют технические решения по созданию «охранного» вакуума.

Новым в конструкции насоса этого типа является общая «охранная» камера, в обоих торцах которой предусмотрены выхлопной и всасывающий клапаны.

Перемещение центрального фланца внутри охранной камеры и внутренних вытеснителей осуществляется, например, бесконтактной системой синхронных магнитных механизмов, ведущие внешние элементы которых перемещаются возвратно-поступательно от внешнего привода.

В качестве источников сжатого газа для пневмоприводов ведущих магнитных систем с успехом мо!уг быть использованы малоинерционные термосорбционные компрессоры, работающие по замкнутому циклу и гарантирующие получение в автоматическом режиме заданного уровня давления.

Общие выводы

Современный уровень развития в отечественной и мировой практике высоких вакуумных технологий, основным потребителем которых является электронная техника, не снижает на данном этапе актуальности проблемы создания эффективных безмасляных вакуумных систем технологического оборудования. Особенно остро ощущается необходимость появления новых простых, экономичных и надежных в эксплуатации форвакуумных безмасляных насосов, варианты которых предложены в настоящей работе.

В соответствии с этим основные выводы по комплексу теоретических, научно-технических, практических и экспериментальных результатов представленной работы сводятся к следующему.

1. С учетом достижений отечественной и мировой практики предложена классификация безмасляных форвакуумных насосов. Обращено внимание на необходимость создания принципиально новых, экономичных и надежных в эксплуатации насосов при одновременном снижении их стоимости.

2. Впервые предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод получения безмасляного вакуума путем создания форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов, выполненных из высокопрочных конструкционных материалов.

3. Впервые разработаны, изготовлены и исследованы двухступенчатые безмасляные форвакуумные насосы различных конструкций на основе сварных складывающихся сильфонов высокой чувствительности, в том числе:

- сильфонно-поршневые,

- сильфонные линейной структуры,

- сильфонные коаксиальной структуры.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований макетов насосов установлены их характеристики:

- быстрота действия в зависимости от объема рабочей сильфонной камеры в диапазоне от 0,1 до 16 л/с,

- предельное остаточное давление 30-50 Па,

- ресурс > 10' циклов,

- уровень шума < 20 дб.

5. Получены аналитические зависимости для расчета быстроты действия и предельного остаточного давления с учетом геометрических параметров и конструктивных особенностей сильфонных рабочих камер.

6. В применении к рабочим камерам сильфонных форвакуумных насосов со сложной формой внутренних каналов впервые предложена универсальная математическая модель и алгоритм расчета проводимости каналов произвольных геометрических форм и размеров при режиме течения газа от молекулярного до вязкостного. Компьютерная- обработка математической модели для предложенных сильфонных насосов позволила установить реальную быстроту действия с учетом быстроизменяющихся размеров каналов в процессе работы насоса в вязкостном режиме течения газа.

7. Па основе ряда новых технических решений с целью разгрузки сильфона от воздействия перепада давления 0,1 МПа и снижения энергопотребления предложены простые и надежные конструкции двухступенчатых сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом, образующимся вокруг наружной поверхности сильфона в процессе выполнения основного цикла.

9. В результате проведения ресурсных испытаний с использованием метода рентгеновской дифрактометрии определены напряжения, возникающие в гофрах циклически деформируемых сильфонов, используемые для оценки ресурса, принятого в теории прочности, который составил более 108 циклов.

10. По результатам исследования методом сканирующей зондовой микроскопии характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов в условиях имитирующих реальные условия эксплуатации, получены рекомендации по выбору параметров и состава покрытий.

Публикации звторз по Тспс рэбсты

1. Ануфриева КВ. Использование диагностических методов для исследования кинетики процессов трения в вакууме. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Гурзуф. 2000 г. С. 191-193.

2. Ануфриева КВ. Создание малоинерционных термосорбционных компрессов для работы в вакууме. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2001 г. С. 50.

3. Нестеров С.Б., Кеменов В.Н., Зилова О. С., Ануфриева И.В. Изучение топографии поверхности сорбентов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Материалы V международного симпозиума «Вакуумная техника и оборудование. Харьков. 2002 г. С. 29-33.

4. Ануфриева КВ., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Современное состояние рынка безмасляных средств откачки. Ж. «Вакуумная техника и технология». Т. 13. № 2. 2003 г. С. 93-101.

5. Ануфриева И.В. Новый безмасляный двухступенчатый форвакуумный насос на основе высокочувствительного сварного сильфона. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2003 г. Т. П. С. 179-182.

19

6. Ануфриева И.В., Васин В.В., Ветров В.А., Горюнов A.A., Кеменов В.Н. Мембранный безмасляный вакуумный насос. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника», г. Судак, 2003 г. Т. I. 2003 г. С. 228-229.

7. Ануфриева И.В., Васин В.А., Горюнов A.A., Кеменов В.Н. и др. Вакуумный насос. Патент на полезную модель № 35387. Бюл. № 1. 2003 г.

8. Ануфриева КВ., Кеменов В.Н. и др. Сильфонно-поршневой насос. Патент на полезную модель № 38750. Бюл. № 19.23 марта 2004 г.

9. Ануфриева И.В., Васин В.А., Кеменов В.Н. Сильфонный двухступенчатый безмасляный насос. Патент на полезную модель № 38853. Бюл. № 19. 31 марта 2004 г.

ИД №06117 от 23.10.2001

Подписано в печать 14.10.2004.

Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. печ. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ 679-04

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3/12

Центр оперативной полиграфии (09$) 916-88-04, 916-89-25

HS 1 9 9 9 5

РНБ Русский фонд

2005-4 15962

Введение.

Глава 1. Формирование остаточной газовой среды в современном оборудовании высоких вакуумных технологий. И

1.1 .Технологические требования к составу остаточной газовой среды базовых технологических процессов электронной техники. И

1.2. Методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования базовых технологий электронной техники.

1.3. Пути развития безмасляных форвакуумных насосов в отечественной и мировой практике.

Выводы.

Глава 2. Создание безмасляных форвакуумных насосов на основе высокочувствительных сварных сильфонов и мембран.

2.1. Опыт использования сильфонов в качестве герметичной рабочей полости переменного объема.

2.2. Анализ функциональных схем двухступенчатых безмасляных форвакуумных насосов на основе высокочувствительных мембран и сильфонов.

2.2.1. Мембранные форвакуумные насосы.

2.2.2. Сильфонно-поршневые двух- и трехступенчатые насосы.

2.2.3. Сильфонные насосы линейной и коаксиальной структуры.

2.3. Анализ конструкций сильфонно-поршневых и сильфонных двухступенчатых безмасляных форвакуумных насосов.

2.3.1. Сильфонно-поршневые двухступенчатые насосы.

2.3.2. Двухступенчатые сильфонные форвакуумные насосы линейной и коаксиальной структуры.

2.4. Особенности расчета быстроты действия сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов.

Выводы.

Глава 3. Метод расчета проводимости элементов вакуумной системы произвольной формы.

3.1. Общие положения.

3.2. Алгоритм метода пробной частицы.

3.3. Исследования процессов столкновения молекул между собой и с поверхностями элементов вакуумной системы.

3.4. Расчет проводимости канала сложной формы с изменяющимися геометрическими размерами.

Выводы.

Глава 4. Теоретические исследования откачных характеристик двухступенчатых форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов.

4.1. Анализ геометрических параметров сильфонов, образующих рабочую полость переменного объема форвакуумных насосов.

4.2. Анализ геометрических параметров второй ступени сильфонно-поршневых насосов.

4.3. Исследования откачных характеристик параметрического ряда двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных форвакуумных насосов.

Выводы.

Глава 5. Экспериментальные исследования основных эксплуатационных характеристик безмасляных форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов и перспективы развития.

5.1. Цели и задачи экспериментальных исследований.

5.2. Экспериментальное исследование откачных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных форвакуумных насосов.

5.2.1. Методика экспериментальных исследований.

5.3. Экспериментальное исследование структуры покрытия и 131 характера износа контактной поверхности поршня второй ступени сильфонно-поршневого насоса методом сканирующей зондовой микроскопии.

5.3.1. Обоснование метода исследований.

5.4. Экспериментальная оценка ресурса сильфонных камер 142 форвакуумных насосов с использованием метода рентгеновской дифрактометрии.

5.4.1. Экспериментальная установка.

5.4.2. Методика экспериментальных исследований.

5.4.3. Расчет ресурса с использованием метода оценки остаточных 149 напряжений.

5.5. Перспективные разработки сильфонно-поршневых и сильфонных 152 двухступенчатых форвакуумных насосов с «охранным» вакуумом.

Выводы.

Анализ тенденций развития современной вакуумной техники как в отечественной, так и в мировой практике свидетельствует о растущих потребностях создания особо «чистых» вакуумных условий для технологических и научных целей, а также о непрерывном расширении масштабов применения высоких вакуумных технологий в ведущих отраслях промышленности, среди которых одно из первых мест занимает электронная техника.

Аналогичная потребность возникает в приборостроительной, аэрокосмической технике, в прецизионной металлургии, в уникальных процессах атомной и термоядерной энергетики, физике элементарных частиц, в набирающих темпы процессах развития высоковакуумной нанотехнологии.

В числе задач, направленных на формирование «чистого» вакуума с регламентированным составом остаточной газовой среды весьма актуальной становится проблема создания надежных и экономичных безмасляных средств создания предварительного разрежения в высоковакуумных системах.

Чистота технологической вакуумной среды, при этом, определяется отсутствием в составе остаточных газов углеводородных соединений и химически активных газов, а также других загрязнений, генерируемых исполнительными системами оборудования, в том числе абразивной пыли, которая может привести к повреждению самого насоса.

Стремление удовлетворить комплекс перечисленных требований стимулировало проведение работ в этом направлении.

Достаточно отметить, что в настоящее время более 20 зарубежных фирм разрабатывают и выпускают на мировой рынок около 40 моделей безмасляных форвакуумных насосов [1].

Заслуженной репутацией пользуются безмасляные форвакуумные насосы фирмы Alcatel (Франция), представляющие собой сочетание молекулярного и мембранного насосов [2].

Хорошо зарекомендовали себя форвакуумные насосы, выпускаемые фирмой Leybold Vacuum GmbH (Германия), а также безмасляные насосы фирмы Edwards (Англия) [4], Hitachi (Япония) и Varian (США) [5] и др. Безмасляный форвакуумный насос выпускается в ОАО «Вакууммаш» (Казань) [7].

Однако широкому распространению насосов, выпускаемых зарубежными фирмами, препятствуют высокие цены и сложность технического обслуживания [6].

В то же время конкурентная борьба за рынки сбыта безмасляных форвакуумных насосов вынуждают фирмы, занятые их выпуском, непрерывно совершенствовать существующие и создавать новые модели современных средств откачки.

Несмотря на интенсивные поиски новых технических решений в наиболее развитых странах мира по созданию безмасляных форвакуумных насосов, возможные варианты создания новых конструкций, удовлетворяющих требованиям по эксплуатационным характеристикам и стоимости, еще не исчерпаны [3].

В связи с этим в настоящей работе была поставлена задача создания нового поколения экономичных, безмасляных форвакуумных насосов, гарантирующих получение «чистого» вакуума, свободного от углеводородных соединений с массовыми числами свыше 44 и исключения жидкой смазки и какой-либо рабочей жидкости. В соответствии с этими требованиями возникла необходимость поиска принципиально новых технических решений, в числе которых автором было предложено несколько конструктивных вариантов, использующих в качестве рабочей камеры герметичную полость переменного объема в виде высокочувствительных мембран и сварных складывающихся сильфонов.

Для получения вакуума на уровне 30-50 Па была предложена серия двухступенчатых сильфонно-поршневых и сильфонных насосов.

Решение поставленной задачи с доведением ее до создания действующих образцов перечисленных вариантов насосов, потребовало проведения комплекса поисковых, конструкторских работ, теоретических и экспериментальных исследований для обеспечения возможности широкого использования форвакуумных насосов этого типа в современном высоковакуумном технологическом оборудовании.

В соответствии с поставленной задачей на защиту выносятся следующие вопросы:

1. Систематизированная классификация современных форвакуумных насосов с учетом последних достижений отечественной и мировой практики, в том числе предложенного в работе нового подкласса деформационных насосов сильфонного типа.

2. Комплекс впервые предложенных в диссертационной работе новых технических решений и созданный на их основе ряд безмасляных форвакуумных насосов с использованием герметичных упругодеформируемых рабочих камер переменного объема, образованных мембранными сварными складывающимися сильфонами высокой чувствительности из высокопрочных конструкционных материалов.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных безмасляных форвакуумных насосов, в том числе:

- исследование откачных характеристик

- оценка ресурса работы сильфонных камер по величине возникающих в сильфоне напряжений с использованием метода рентгеновской дифрактометрии

- исследование характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов методом сканирующей зондовой микроскопии с целью выбора оптимальных конструкционных материалов и покрытий по критерию износостойкости.

4. Универсальный метод и алгоритм расчета проводимости внутренних каналов сильфонных камер с изменяющейся в процессе цикла геометрией, позволяющий расширить область применения расчетов для широкого круга задач, связанных с определением проводимости элементов вакуумных систем и каналов произвольной формы для режимов течения газа от молекулярного до вязкостного.

5. Конструкции сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов линейной и коаксиальной структуры.

6. Перспективные технические решения по созданию новых моделей экономичных сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.

Работа состоит из 5-ти глав, в которых последовательно излагаются вынесенные на защиту вопросы.

В первой главе анализируются технологические требования к составу остаточной газовой среды, необходимой для выполнения базовых вакуумных технологий электронной техники, в том числе использующих методы обработки, основанные на физических явлениях взаимодействия высокоэнергетических, электронных, ионных, оптических, рентгеновских лучей и газоразрядной плазмы с поверхностью твердого тела. Сформулированы требования к вакуумным системам оборудования этого класса.

Рассмотрены также требования к созданию вакуумных условий для процессов осаждения тонких пленок современными методами ионного легирования, молекулярно-лучевой эпитаксии и др.

Обращено внимание на необходимость формирования остаточной газовой среды строго регламентированного состава в приборах вакуумной электроники, требующего отсутствия углеводородных соединений, которые приводят к нарушению стабильности работы катода и, в конечном счете, к его «отравлению».

Наряду с этим рассмотрены методы создания оптимальных вакуумных систем оборудования электронной техники, приведен краткий обзор работ, посвященных этой проблеме и изложенных в работах Кеменова В.Н., Минайчева В.Е., Пипко А.И., Розанова JI.H., Александровой и др.

Отмечено, что наиболее полно вопрос проектирования оптимальных вакуумных систем отражен в работах Кеменова В.Н., в которых приводятся рекомендованный им перечень основных показателей параметров средств откачки и варианты оптимальных базовых вакуумных систем. Подробно анализируются пути развития и создания вариантов безмасляных форвакуумных насосов в отечественной и мировой практике.

Вторая глава посвящена вопросам создания безмасляных двухступенчатых и трехступенчатых форвакуумных насосов на основе высокочувствительных сварных сильфонов и мембран, рассмотрены функциональные схемы каждого из них и последовательность процессов откачки мембранным, сильфонно-поршневым и двухкамерным сильфонным насосом.

Приводятся конструкции насосов и их подробное описание. Обращено внимание на отсутствие жидкой смазки в поршневой ступени сильфонно-поршневого насоса за счет покрытия контактных поясков поршня алмазоподобной пленкой. Высказывается целесообразность создания сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом.

В главе 3 на основе известного метода статистических испытаний предложен универсальный метод и алгоритм расчета проводимости элементов вакуумных систем от вязкостного до молекулярного режима течения газа и выполнен комплекс исследований, необходимых для оценки эксплуатационных характеристик форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных сильфонов.

В главе 4 приведены теоретические исследования вакуумных характеристик двухступенчатых форвакуумных насосов сильфонно-поршневого и сильфонного типов.

Выполнен анализ геометрических параметров сильфонов, образующих герметичную рабочую полость насосов и комплекс теоретических исследований откачных характеристик насосов. Установлена достигаемая быстрота действия насосов в зависимости от геометрических параметров сильфонных и поршневых ступеней, частоты циклов, а также уровня предельного остаточного давления в зависимости от величины совокупного «мертвого» объема в рабочей камере.

Показано, что разработанные конструкции насосов позволяют получить разрежение порядка 30-50 Па, а при условии создания во второй ступени разрежения не хуже 10 Па можно получить в Iй ступени насоса Ю-1 Па.

Глава 5 посвящена экспериментальным исследованиям, целью которых явлылось:

- оценка максимального значения ресурса работы сильфонной камеры насоса в условиях знакопеременных осевых нагрузок

- выбор оптимального покрытия контактной поверхности поршня второй ступени сильфонно-поршневых насосов по критерию износостойкости с использованием метода сканирующей зондовой микроскопии

- определение откачных характеристик сильфонно-поршневых и сильфонных двухкамерных насосов.

Рассмотрены перспективы дальнейшего развития предложенных конструкций в направлении разгрузки сильфонов от воздействия на сильфонную рабочую камеру насосов перепада давления, равного 0,1 МПа и снижения связанного с этим энергопотребления. При этом одним из наиболее простых конструктивных решений является использование синхронных магнитных механизмов для передачи движения вытеснителям, перемещающимся внутри сильфона и в пространстве между его наружным диаметром и внутренним диаметром «охранной» камеры.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

Диссертация изложена на 166 страницах машинописного текста, содержит 73 рисунок, 7 таблиц и список литературы из 104 наименований.

Гпава 1. Формирование остаточной газовой среды в современном оборудовании высоких вакуумных технологий

Выводы к главе 5

Наиболее важные эксплуатационные характеристики, полученные расчетным путем, в процессе создания впервые предложенных безмасляных форвакуумных насосов, уточнены в результате выполненного комплекса экспериментальных исследований на специально-разработанных стендах, укомплектованных универсальным и специальном научно-исследовательским оборудованием.

В результате выполненного комплекса исследований установлено:

- быстрота действия сильфонно-поршневых и сильфонных насосов в зависимости от объема рабочей камеры от 0,1 до 16 л/с; предельное остаточное давление сильфонно-поршневых и сильфонных двухступенчатых форвакуумных насосов 30-50 Па;

- ресурс работы сильфонных камер, установленный экспериментально по уровню напряжений в гофрах сильфона, определенных с использованием метода рентгеновской дифрактометрии и последующей обработки результатов по методике, принятой в теории прочности, составил более 108 циклов;

- для обеспечения плотности контакта поршня с внутренней поверхностью цилиндра-вытеснителя в сильфонно-поршневых насосах исследован ряд покрытий, обладающих низким коэффициентом трения. По результатам исследований методом сканирующей зондовой микроскопии рекомендовано использование для нанесения на контактные пояски износостойкого алмазоподобного покрытия и покрытия фторопластом, а также подтверждена возможность использования поршня из латуни J1C-59 без покрытия;

- с целью разгрузки сильфонов в сильфонно-поршневых и сильфонных форвакуумных насосах от перепада давления 0,1 МПа и снижения, в соответствии с этим, энергопотребления предложены конструкции насосов с «охранным» вакуумом.

Заключение

Современный уровень развития высоких вакуумных технологий, в отечественной и мировой практике, основным потребителем которых является электронная техника, не снижает на данном этапе актуальности проблемы создания эффективных безмасляных вакуумных систем технологического оборудования. Особенно остро ощущается необходимость появления нового поколения простых, экономичных и надежных в эксплуатации форвакуумных безмасляных насосов, варианты которых предложены в настоящей работе.

В соответствии с этим основные выводы по комплексу теоретических, научно-технических, практических и экспериментальных результатов представленной работы сводятся к следующему.

1. С учетом достижений отечественной и мировой практики предложена классификация безмасляных форвакуумных насосов. Обращено внимание на необходимость создания принципиально новых, экономичных и надежных в эксплуатации насосов при одновременном снижении их стоимости.

2. Впервые предложен и теоретически обоснован принципиально новый метод получения безмасляного вакуума путем создания форвакуумных насосов на основе сварных высокочувствительных складывающихся сильфонов, выполненных из высокопрочных конструкционных материалов.

3. Впервые разработаны, изготовлены и исследованы двухступенчатые безмасляные форвакуумные насосы различных конструкций на основе сварных складывающихся сильфонов высокой чувствительности, в том числе:

- сильфонно-поршневые,

- сильфонные линейной структуры,

- сильфонные коаксиальной структуры.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований макетов насосов установлены их характеристики:

- быстрота действия в зависимости от объема рабочей сильфонной камеры в диапазоне от 0,1 до 16 л/с,

- предельное остаточное давление 30-50 Па,

- ресурс > 108 циклов,

- уровень шума < 20 дб.

5. Получены аналитические зависимости для расчета быстроты действия и предельного остаточного давления с учетом геометрических параметров и конструктивных особенностей сильфонных рабочих камер.

6. В применении к рабочим камерам сильфонных форвакуумных насосов со сложной формой внутренних каналов впервые предложена универсальная математическая модель и алгоритм расчета проводимости каналов произвольных геометрических форм и размеров при режиме течения газа от молекулярного до вязкостного. Компьютерная обработка математической модели для предложенных сильфонных насосов позволила установить реальную быстроту действия с учетом быстроизменяющихся размеров каналов в процессе работы насоса в вязкостном режиме течения газа.

7. На основе ряда новых технических решений с целью разгрузки сильфона от воздействия перепада давления 0,1 МПа и снижения энергопотребления предложены простые и надежные конструкции двухступенчатых сильфонных и сильфонно-поршневых насосов с «охранным» вакуумом, образующимся вокруг наружной поверхности сильфона в процессе выполнения основного цикла.

9. В результате проведения ресурсных испытаний с использованием метода рентгеновской дифрактометрии определены напряжения, возникающие в гофрах циклически деформируемых сильфонов, используемые для оценки ресурса, принятого в теории прочности, который о составил более 10 циклов.

10. По результатам исследования методом сканирующей зондовой микроскопии характера износа контактных поверхностей поршня сильфонно-поршневых насосов в условиях имитирующих реальные условия эксплуатации, получены рекомендации по выбору параметров и состава покрытий.

1. Быков Д.В., Кеменов В.Н., Арменский Е.В., Александрова А.Т. и др. Исследование состояния использования вакуумной техники и технологии в электронном производстве и других отраслях промышленности. Научно-технический отчет М. МГИЭМ. 1997.

2. Цейтлин А.Б., Гинденбург И.Ю. Безмасляные механические форвакуумные насосы. М. ЦНИИХИМНЕФТЕМАШ. 1990.

3. Артемьева И.В., Корнева Н.В., Соловьева Т.Е., Цейтлин А.Б., Амосова Л.М. и др. Аналитические обзоры «НИИВТ им. С.А. Векшинского». 1991-1993.

4. Каталоги фирмы Edwards 1993-1999.

5. Каталоги фирмы Varian 1995-1998.

6. Ануфриева И.В., Васильев Ю.К., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б., Строгова Т.С. Структуры мирового рынка безмасляных насосов. Материалы 10-й НТК «Вакуумная наука и техника». Т. 1. Судак 2003 г.

7. Каталог ОАО «Вакууммаш» г. Казань, 2001 г.

8. Мартынов В.В. Общая характеристика электронных технологий и оборудования. Машиностроение. Энциклопедия. М. Машиностроение. Технология, оборудование и системы управления в электронном машиностроении. Т. III-8 под ред. Панфилова Ю.В. 2000 г.

9. Вакуумная техника Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минайчев, А.Т. Александрова М.: Машиностроение. 1992. 471 с.

10. Ю.Борисов В.П., Кеменов В.Н., Маклаков А.А. Вакуумная техника электронной промышленности. «Электронная промышленность». Вып. 7. 1984 г., с. 2-6.11 .Попов В.Ф., Горин Ю.Н. Процессы и установки электронно-ионной технологии. М.: Высшая школа. 1998. 266 с.

11. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. М.: Радио и связь. 1987 г. 375 с.

12. Сверхвысокий вакуум в радиационно-физическом аппаратостроении / под ред. Саксаганского Г.Л. М.: Атомиздат. 1978 г. 375 с.

13. Колеров Э.П. и др. Компактный накопитель СКН-600 источник синхротронного излучения для литографии. ГДР Лейпциг. 1988. Материалы МНТК.

14. Данилин Б.С. Вакуумная техника в производстве интегральных схем. М.: Энергия. 1972 г. 256 с.

15. Данилин Б.С., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для очистки и травления материалов. М.: Энергоатомиздат. 1987 г. 264 с.

16. Симонов В.В., Корнилов JI.A. Шашелев А.В., Шокин Е.В. Оборудование ионной имплантации. М.: Радио и связь. 1988. 184 с.

17. Ревелева М.А. Ионная имплантация. М.: Машиностроение. 2000 г. Энциклопедия . Т. III-8 под ред. Панфилова Ю.В. с. 121-136.

18. Ляпин В.М. Оборудование для молекулярно-лучевой эпитаксии. Машиностроение. Энциклопедия. М. Машиностроение. Т. III-8. 2000 г. с. 412-414.

19. Хруничев Ю.А. Типовой технологический маршрут изготовления электровакуумных приборов. Машиностроение. Энциклопедия. М.: Машиностроение Т. III-8. 2000 г. с. 600-619.

20. Степаньянц Ю.Р. Термовакуумная обработка электровакуумных приборов. Машиностроние. Энциклопедия. М.: Машиностроение Т. III-8. 2000 г. с. 682-702.

21. А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А. Пенчко. Оборудование для откачки электровакуумных приборов. М.: Энергия. 1965. 462 с.

22. Данилин Б.С., Минайчев В.Е. Основы конструирования вакуумных систем. М.: Энергия. 1971 г. 386 с.

23. Александрова А.Т. Оборудование электровакуумного производства. М.: Энергия. 1974 г. 386 с.

24. Черепнин Н.В. Основы очистки, обезгаживания и откачки в вакуумной технике. М.: Советское радио. 1967 г. 408 с.

25. Розанов JI.H. Вакуумная техника. М.: Высшая школа. 1990.

26. Розанов JI.H. Вакуумные машины и установки. Л.: Машиностроение. 1975.336 с.

27. Кеменов В.Н. Двухуровневая система выбора оптимальных средств откачки для оборудования высоких технологий. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Гурзуф. 1999.

28. Кеменов В.Н. Реализация системного подхода при проектировании вакуумных систем оборудования высоких технологий. «Вакуумная техника и технология». Т. 9. № 4. 1999 г. с. 13-17.

29. Ануфриева И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б., Строгова Т.С. Современное состояние рынка безмасляных средств откачки. Ж. «Вакуумная техника и технология». Т. 13. № 2. 2003 г.

30. Ануфриева И.В. Новый безмасляный двухступенчатый форвакуумный насос на основе высокочувствительного сварного сильфона. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Судак. 2003 г.

31. High Vacuum International Edwards, 1988. 34.Small vacuum pump series Ulvac 1988.35.0дзава О. Разработка сухого вакуумного насоса Синку 1988. с. 100 -103.

32. Habbanian M. The Emerging technologies of oil-free vacuum pumping. I Vac Sei Technol. A 1988 V 6 № 3 p 1177 1183.

33. Totally oil-free vacuum pumping Soling State Technologi 1988 V 31 №5 p 78.

34. ADP-80 Alcatel dry pump and systems, 1988.

35. Eugo Ю. Кикута P. Многоступенчатый сухой вакуумный насос. Этбара дзихо 1987 № 138, с. 12 17.

36. Dryvac Ml.001 Leybold AG 1989.

37. Berges H-P Goetz oil-free vacuum pumps of compact design vacuum 1988. V 38 № 8 10, p 761 - 763.

38. С.И. Салнкеев, A.B. Бурмистов, К.Б. Панфилович. Профилирование роторов и разработка безмасляного двухроторного кулачково-зубчатого вакуумного насоса. Материалы IX НТК «Вакуумная наука и техника». 2002 г.

39. Varian dry vacuum pump for complete oil free vacuum - Vacuum 1988. V 38. № 3.

40. AC СССР № 334403 кл. F 04B 03.07.1971 г.

41. AC СССР № 387137 кл. F 04В 06.10.1973 г.

42. АС СССР № 580350 кл. F 04В 29.10.1979 г.

43. АС СССР № 666297 кл. F 04В 14.06.1980 г.

44. АС СССР № 754102 кл. F 04В 14.06.1980 г.

45. Александрова А.Т., Ковалев JI.K. Волновой роторный форвакуумный насос. Труды МИЭМ вып. 29, С. 1973.

46. Власов В.З. Общая теория оболочек. М. 1947.

47. Шачнев В.А. Корректности некоторых задач безмоментной теории оболочек отрицательной кривизны. Прикладная математика. Том 33, с. 676-687.

48. Власов В.З. К теории безмоментных оболочек вращения. Известия АН СССР ОТН № 5, 1955, с. 55 54.

49. Данилов А.И., Чернышев Г.Н. Жесткость и изгибаемость оболочек отрицательной кривизны, используемых в волновых передачах. Изв. АН СССР. Механика твердого тела. № 5, 1978. С. 163 169.

50. Данилов А.И. Метод конструирования оптимальных гибких элементов волновых герметичных вводов движения. Дисс. к.т.н. науч. рук. Александрова А.Т. М. МИЭМ 1976 г.

51. Гольденвейзер А.А. Математическая жесткость поверхностей и физическая жесткость оболочек. Изв. АН СССР МТТ 187 с. № 6.

52. Шиленко Е.С. Исследование и разработка гибких металлических оболочек волновых форвакуумных насосов для технологического оборудования электронной техники. Дисс. к.т.н. науч. рук. Александрова А.Т., М. МИЭМ 1982 г.

53. Патент 63369 Германия Машина для перекачки горячего газа. 1891 г.

54. Вопросы космической энергетики / Пер. с англ. Под ред. А.А. Кулалдина, С.В. Тимашева, М. Мир. 1971. 350 с.

55. Довгялло A.M., Докторов О.Ю. Экспериментальная методика определения гидропотерь при работе складывающегося мембранного сильфона в гидравлической камере / Проблемы и перспективы развития двигателестроения. СГАУ. 1998 г. С. 220-223.

56. А ИСИЯМА Фирма «Нихон Сиру Ору» Сварные сильфоны и их эффективное применение // Ж. Юацу сэккей. 1968. Т6. № 9. С. 60-61.

57. Довгялло А.И., Великанов А.Г., Сукчев В.М. Исследование процесса сжатия в сильфоном микрокомпрессоре. Самарский аэрокосмический ун-т. Самара. 1998 г. Сер. XII. Вып. I. С. 191-195.

58. Докторов О.Ю. Разработка и исследование сильфонного микрокомпрессора для бортовых систем охлаждения летательных аппаратов. Автореферат дисс. к.т.н. Самара. СГАУ им. С.П. Королева. 2001 г. 23 с.

59. Сильфоны. Расчет и проектирование / под ред. Л.Е. Андреевой. М.: Машиностроение. 1975 г. 156 с.

60. Довгялло А.И. Сильфонные термомеханические преобразователи. Самарский научный центр РАН Самара, 2000 г. 182 с.

61. Ануфриева И.В., Васин В.В., Ветров В.А., Горюнов А.А., Кеменов В.Н. Мембранный безмасляный вакуумный насос. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Т. I. с. 228-229. 2003 г.

62. Александрова А.Т., Васин В.А., Горюнов А.А., Ануфриева И.В., Кеменов В.Н., Львов Б.Г. Сильфонно-поршневой насос. Патент на полезную модель № 38750. Бюл. № 19. 2004 г.

63. Ануфриева И.В. Сильфонный двухкамерный форвакуумный насос линейной структуры. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Судак. 2004 г.

64. Ануфриева И.В., Васин В.А., Кеменов В.Н. Сильфонный двухступенчатый безмасляный насос. Патент на полезную модель № 38853. Бюл. № 19. 2004 г.

65. Ануфриева И.В., Кеменов В.Н., Эминов П.А. Методы расчета проводимости элементов вакуумных систем каналов произвольной формы для любого режима течения газа. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Судак. 2004 г.

66. ГОСТ 217-54-76 Сильфоны сварные металлические

67. ГОСТ 217-54-81 (ТУ25-2472-066-88). Сильфоны сварные металлические.

68. Андреева Л.Е. Упругие элементы приборов. М. Машиностроение. 1975 г. 156 с.

69. Соболь И.М. Численные методы Монте-Карло. М.: Наука, 1973. 311 с.

70. Белоцерковский О.М., Яницкий В.Е. Проблемы численного моделирования течения разреженного газа. Успехи механики. Т. I. вып. 12. С. 69-112.

71. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т. 6. М. Наука. 1986 г.

72. Саксаганский Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах. М. Атомиздат. 1980 г. 216 с.

73. Г.Корн, Т.Корн Справочник по математике для научных работников и инженеров. М. наука. 1968 г. 720 с.

74. Кошмаров Ю.А., Рыжов Ю.А. Прикладная динамика разреженного газа. М.: Машиностроение. 1977. 184 с.

75. Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М.: Наука, 1967. 440 с. 81.Чимпен С., Каулинг Т. Математическая теория неоднородных газов.1. М.: ИЛ, 1960. 510 с.

76. Г. Берд. Молекулярная газовая динамика. М.: Мир, 1987. 319 с.

77. Ганзбург Л.Б., Вейц В.Л. Бесконтактные магнитные механизмы. Из-во Ленинградского университета. 1985 г. с. 151.

78. Ганзбург Л.Б. Экранированные синхронные магнитные и электромагнитные муфты. Л., ЛДНТП. 1965. 36 с.

79. Ганзбург Л.Б. Магнитный планетарный редуктор. Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИТВЧ, вып. 5. Л.,1964, с. 95-99.

80. Ганзбург Л.Б. Экранированные магнитные электромагнитные муфты поступательного перемещения. Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИТВЧ, вып. 6. Л., 1965, с. 196-198.

81. Ганзбург Л.Б. Расчет экранированной одноименнополюсной синхронной муфты. Промышленное применение токов высокой частоты. Труды ВНИИТВЧ, вып. 6. Л., 1965, с. 181-195.

82. Ганзбург Л.Б., Глуханов Н.П., Рейфе Е.Д., Федотов А.И. Механизмы с магнитной связью. Л., 1973. 272 с.

83. Ганзбург Л.Б., Картузов Г.И., Манохин А.С. Скалярный магнитный потенциал в области с двухсторонней трапецеидальной зубчатостью. Труды СЗПИ, 1975, № 35, с. 62-70.

84. Уманский Я.С. Рентгенография металлов и полупроводников. Изд-во «Металлургия». 1969 г. 496 с.

85. Рентгеновские лучи. Энциклопедия физики. Т. 30. Перевод с нем. ИЛ. 1960 г.

86. Хейкер Д.М., Зевин Л.С. Рентгеновская дифрактометрия. Физматгиз. 1963 г.

87. Тейлор А. Рентгеновская металлография. Изд-во «Металлургия»,1965.

88. Уманский Я.С. Рентгенография металлов. Изд-во «Металлургия», 1967.

89. Ануфриева И.В. Создание малоинерционных термосорбционных компрессов для работы в вакууме. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника», 2001 г., стр. 50.

90. Ануфриева И.В., Васин В.В., Ветров В.А., Горюнов А.А., Кеменов В.Н. Мембранный безмасляный вакуумный насос. Материалы НТК «Вакуумная наука и техника». Т. I. с. 228-229. 2003 г.

91. Fischer Е., Memmsen Н. Monte Carlo comput ations pf. molecular flow in pumping speed test domes-vacuum 17, 309 (1967)

92. Suetsugu Y. Application of the Monte Carlo Method to Pressure Calculation J. Vac Sci Technol. 1996 A 14(1) p245

93. Нестеров С.Б., Васильев Ю.К., Андросов A.B. Расчет сложных вакуумных систем. М. МЭИ 2001 г. 180 с.

94. Кеменов В.Н., Капустин Е.Н., Зилова О.С. Исследование структуры тонкопленочных покрытий методом сканирующей зондовой микроскопии. Материалы научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». Судак. 2002 г.

95. Нестеров С.Б., Кеменов В.Н., Зилова О.С., Ануфриева И.В. Изучение топографии поверхности сорбентов с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Материалы V-ro международного симпозиума «Вакуумная техника и оборудование. Харьков. 2002 г., с. 29-33.

96. С.Б. Нестеров, В.Н. Кеменов, О.С. Зилова, И. В. Ануфриева. Изучение топографии поверхности сорбентов с помощью методов сканирующей зондовой микроскопии. Материалы научно-технической конференции.

97. Бухараев А. А. Диагностика поверхности с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Заводская лаборатория 1997. № 5. С. 10-27.

98. Суслов А.А., Чижик С.А. Сканирующие зондовые микроскопы. Материалы, технологии, инструменты. 1997. № 3. с. 78-89.