А. Н. Мурашкевич, Н. В. Богомазова, О. А. Алисиенок

А. Н. Мурашкевич, Н. В. Богомазова, О. А. Алисиенок

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ КВАНТОВОЙ И

ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебно-методическое пособие
по курсовому и дипломному проектированию
для студентов специальности 1-48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов
и изделий» специализации 1-48 01 01 13 «Химическая
технология квантовой и твердотельной электроники»

 

Минск 2014

УДК 541.1: 621.382(075.8)

ББК 24.5: 32.852я7

М 91

 

Рассмотрено и рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета

 

Рецензенты

кандидат технических наук, зав. кафедрой
химической технологии вяжущих материалов Белорусского

государственного технологического университета
А. А. Мечай

кандидат технических наук, доцент Белорусского национального

технического университета

Колонтаева Т. В.

 

 

Мурашкевич, А. Н.

М 91 Учебно-методическое пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов специальности 1–48 01 01 «Химическая технология неорганических веществ, материалов и изделий» специализации 1–48 01 01 13 «Химическая технология квантовой и твердотельной электроники» / А. Н. Мурашкевич, Н. В. Богомазова, О. А. Алисиенок.– Минск: БГТУ. 2014. – 119с

 

В учебно-методическом пособии изложены рекомендации по выполнению курсовых и дипломных проектов (работ) специализации. Учитывая специфику и разноплановость технологий, приведены примеры материальных балансов основных типовых процессов, последовательность расчета наиболее важных типов оборудования: электрических печей сопротивления и вакуумных систем. В приложении приведены примеры основных технологических схем производства изделий электронной техники и необходимые для расчетов справочные данные.

УДК 541.1: 621.382(075.8)

ББК 24.5: 32.852я7

 

© УО «Белорусский государственный

технологический университет», 2014

© Мурашкевич А. Н., Богомазова Н.В.,

Алисиенок О. А., 2014

ПРЕДИСЛОВИЕ

Выполнение курсовых и дипломных проектов (работ) по специализации 1–48 01 01 13 «Химическая технология квантовой и твердотельной электроники» на заключительном этапе обучения призвано, с одной стороны, закрепить навыки применения полученных теоретических знаний для решения поставленных инженерно-технологических задач, а с другой – выявить способности будущих инженеров-химиков-технологов самостоятельно разрабатывать технологические маршруты с учетом новейших достижений и уровня развития соответствующих технологий на базовых предприятиях Республики Беларусь, а также материально-технических возможностей потенциальных источников финансирования мероприятий по модернизации производства.

Тематика курсовых и дипломных проектов (работ), как правило, соответствует содержанию технологической практики, что позволяет студентам активно участвовать в решении реальных научно-производственных задач, связанных с совершенствованием современных технологий различных материалов и изделий электронной техники.

При выполнении курсовых проектов (работ) студенты развивают навыки критического анализа литературных и производственных данных, демонстрируют способность принятия обоснованных инженерных решений по технологии и оборудованию производств электронной техники, осваивают (а в ряде случаев и совершенствуют) методики проведения инженерно-технологических расчетов по заданной тематике.

Дипломный проект (работа) является заключительным этапом обучения будущих специалистов и призван подтвердить возможность присвоения выпускникам квалификации «инженер-химик-технолог». Эту работу от других отличает, прежде всего, сочетание обширности и целостности. Выполнение всех многочисленных разделов должно проводиться в тесной связи с предлагаемыми инженерно-техноло­гическими решениями, что требует от студента глубокого понимания как физико-химических основ модернизируемого процесса, так и целого ряда технических проблем обеспечения данной технологии. Выполнение научно-исследовательской дипломной работы кроме вышеуказанных знаний предполагает живую заинтересованность студента в исследованиях, а также высокий уровень работоспособности и интеллектуального творчества. Настоящее учебно-методическое пособие определяет объем работы при выполнении курсовых и дипломных проектов (работ). В издании приводятся теоретические сведения и излагаются основные принципы технологических расчетов процессов и основного оборудования, используемого в производствах материалов и изделий электронной техники. Следует, однако, учитывать большой ассортимент процессов и оборудования по сравнению с другими специализациями, а также то обстоятельство, что стратегия расчетов может в каждом конкретном случае иметь свою специфику, которую нельзя уложить в одну общую схему. Поэтому для успешного выполнения проектов и работ необходимо и полезно использовать справочную литературу, а также знания, полученные при изучении общеинженерных и специальных дисциплин, а также методические рекомендации, разработанные для других специализаций и близких специальностей.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КУРСОВЫХ ПРОЕКТОВ (РАБОТ)

Указания к выполнению технологической курсовой работы

Общие указания

Структура и содержание курсовой работы должны соответствовать СТП БГТУ 002 - 2007 и полученному заданию. Кроме того, при выполнении данной работы целесообразно использовать опыт, полученный при выполнении курсовой работы по дисциплине «Технология полупроводниковых материалов и приборов» [4] в части указаний, имеющих общее содержание для любых технологических разработок или учебных научно-технических работ.

Курсовая работа включает пояснительную записку и графическую часть, выполняемых в соответствии с полученным заданием.

Пояснительная записка имеет следующую структуру:

1) титульный лист;

2) задание;

3) реферат;

4) содержание;

5) введение;

6) аналитический обзор литературы;

7) инженерные решения;

8) технологический раздел;

9) контроль качества продукции и метрологическое обеспечение технологии;

10) мероприятия по охране окружающей среды;

11) заключение;

12) список использованных источников;

13) приложения (при наличии).

Графическая часть представляет собой технологическую схему разработанного или модернизированного производства на листе формата А1 с экспликацией потоков и аппаратов. При оформлении схемы можно использовать рекомендации [1-3], а также принять во внимание данные ПРИЛОЖЕНИЯ.

Оформление курсовых работ производится в соответствии с требованиями СТП БГТУ 002 - 2007.

 

Инженерные решения

В данном разделе кратко излагаются и обосновываются основные инженерные решения по разрабатываемой технологии. При этом поясняются основные цели принимаемых решений, их суть и технико-экономические эффекты, к которым эти решения приводят. При изложении следует обосновывать все основные технологические решения по разработке предлагаемого маршрута, даже если они в определенной части совпадают с вариантом базовой технологии. Предлагаемые усовершенствования выделяются отдельным абзацем и излагаются более подробно. Объем данного раздела составляет 2–3 страницы.

 

Технологический раздел

1.2.4.1. Структура и содержание

Данный раздел является в соответствующей курсовой работе основным, поскольку именно он отражает уровень владения студентом необходимым материалом, а также позволяет судить о приобретенных навыках проведения комплекса инженерно-технологических расчетов, необходимых для практической реализации предлагаемых решений и достижения определенной производственной цели.

Технологический раздел включает следующие части (допускается совмещение некоторых частей в одном подразделе или разделение на различные подразделы):

1) характеристика сырья и исходных веществ;

2) физико-химические основы процессов данной технологии (или данного конкретного технологического процесса);

3) описание технологической схемы производства заданного изделия;

4) инженерно-технологические расчеты.

Характеристика сырья и исходных веществ включает сведения о требованиях, свойствах, способах аттестации материалов, которые поставляются на предприятие из сторонних организаций и используются в качестве основного сырья или вспомогательных исходных реагентов.

Физико-химические основы процессов разрабатываемой технологии должны содержать данные об основных особенностях конкретных вариантов технологических процессов, которые выбраны в предлагаемой технологии. Среди таких закономерностей приводятся уравнения основных и побочных химических процессов, описания происходящих физических явлений, анализ влияния наиболее важных технологических параметров (температура, давление, концентрация растворов или расход и соотношение рабочих газов и др.) на целевые физико-химические показатели процессов.

Описание технологической схемы обычно включает последовательное изложение перечня всех операций, составляющих цикл изготовления данного изделия (в случае полупроводниковых приборов и интегральных схем (ИС) приводится фрагмент технологического маршрута в виде блока операций по формированию определенной части изделия). Операции нумеруют (номер имеет каждая операция, осуществляемая в отдельном аппарате). После названия операции обязательно указываются основные технологические параметры (температура, давление, составы обрабатывающих сред, продолжительность операции), а также при необходимости параметры обработки (например, толщина формируемой или стравливаемой пленки, финишная дисперсность измельчаемого порошка, удельное электросопротивление промывных вод (для деионизованной воды) и т.п.)

Методика технологических расчетов для различных производств электронных устройств имеет некоторые различия, которые обсуждаются ниже, однако в любом случае в результате проводимых расчетов необходимо:

1) обосновать или рассчитать единичную загрузку соответствующего аппарата;

2) определить длительность технологического цикла (например, времени выращивания монокристалла, времени обжига одного поддона заготовок, времени формирования оксидной пленки на пластинах, единовременно загружаемых в эпитаксиальный реактор, времени напыления металла на пластины одной кассеты и т.д.);

3) рассчитать материальный баланс технологического аппарата или реактора, по которому предлагается основное инженерное решение с учетом единичной загрузки. Если расчет ведется по аппаратам и установкам непрерывного действия, то материальный баланс рассчитывают для загрузки, проходящей полный цикл обработки в данном оборудовании, например, для одного поддона в туннельной печи или для одной кассеты в установке магнетронного напыления;

4) определить количество установок, необходимых для выполнения заданной программы производства, и коэффициент загрузки этих установок;

5) оценить тепловые потоки, связанные с протеканием физико-химических процессов, для целевой технологической операции (с учетом температуры процесса и химического количества веществ, составляющих расчетную загрузку);

5) определить нормы расхода основных и вспомогательных компонентов (в кг или л на единицу продукции), а также годовые потребности (в кг или л) в этих компонентах для выполнения заданной программы производства.

По согласованию с руководителем возможно вместо проведения технологических расчетов аппарата по указанной схеме осуществление расчетов материальных балансов основных технологических процессов данного технологического маршрута.

 

И керамической технологий

Интегральная планарная технология	Керамическая технология
Общие особенности
1. Большое число операций в маршруте изготовления изделия (100-500 операций) 2. Интегральное производство изделий 3. Высокий уровень автоматизации   4. Наличие технологических потоков реагентов в 4-х агрегатных состояниях	1. Сравнительно небольшое число операций в маршруте изготовления изделия (25-50 операций) 2. Индивидуальное производство изделий 3. Значительная доля ручных операций 4. Доминирование твердофазных технологических потоков
Обрабатываемый объект
Дискообразная пластина (диаметр 100-200 мм, толщина 0, 4-0, 7 мм)	Порошок (дисперсность 0, 1-50 мкм), cуспензия, заготовка, керамическое изделие
Основные технологические блоки*
1. Химическая обработка 2.Эпитаксия 3. Окисление Si 4. Химическое осаждение пленок (SiO2, Si3N4, поликристаллический Si, СТФСС**, НТФСС***, БФСС****) 5. Фотолитография (или иная литография) 6. Легирование (диффузия или ионная имплантация) 7. Вакуумные процессы (напыление пленок, «сухое травление») 8. Сборка и тестирование	1. Усреднение и измельчение исходных компонентов, приготовление пресс-порошка 2. Формование заготовок изделий прессованием (или иным способом) 3. Спекание изделий***** 4. Финишная обработка изделий
Основные типы используемого оборудования
Газофазные реакторы, вакуумные установки, линии химической обработки, литографические установки	Мельницы, аттритторы, прессы, литьевые машины, методические и садочные печи
Примечание: не включены подготовительные блоки (например, изготовление кремниевых пластин из слитков или синтез титаната бария в производстве позисторов) **среднетемпературное фосфоросиликатное стекло; *** низкотемпературное фосфоросиликатное стекло; ****борофосфоросиликатное; *****в ряде случаев до прессования проводится синтетический отжиг.

Расчет тепловых потоков проводится по общей методике, известной из курса «Физическая химия» (пример 3 и раздел 1.3.3.3).

Расчеты количества установок и норм расхода компонентов проводятся по методике, изложенной в [4].

 

Пример 1. Поэтапная схема расчета продолжительности цикла и материального баланса туннельной печи для спекания позисторов.

Рис.1. Температурные кривые отжига заготовок позисторов

1) Выбор состава керамики по результатам проведенного эксперимента или анализа литературных и заводских данных (например, выбирается состав (в мол.%): (Ва_{0, 892}Са_{0, 08}Pb_{0, 028})TiO₃+0, 1% ВСС (низкоплавкая добавка на основе эвтектической смеси BaCuO₂+CuO в пересчете на Сu) + 0, 3% Y⁺³ + 0, 3% TiO₂ + +1, 5% SiO₂, который за счет введения добавки ВСС позволяет снизить температуру спекания от 1350 до 1240 °С).

2) Расчет длительности цикла. В данном примере длительностью цикла фактически является время прохождения лодочки по всей длине рабочего канала печи. Это время определяется температурной кривой спекания, которая строится на основании заводских данных о скоростях нагрева и охлаждения, о продолжительности отдельных этапов цикла обработки с учетом принятых инженерных решений. В нашем примере по сравнению с заводским вариантом общее время цикла спекания уменьшилось, а продолжительность отжига при максимальной температуре не изменилась (рис. 1). В общем случае, уменьшения времени пребывания заготовок в печи можно достичь либо изменением цикла продвижения (толкания) лодочек, либо изменением длины печи.

3) Пересчет мольных соотношений веществ (если состав материала известен в мольных %, как в пункте 1 данного примера) в массовые % компонентов в шихте с учетом стехиометрических формул основ-

 

Таблица 2

Нагревателях

Температура в печи, °С	Поверхностная мощность, Вт/см2
	19, 0
	17, 0
	14, 5
	11, 5
	7, 5
	5, 0
	3, 6

 

Мощность одного нагревателя N, кВт, находят по формуле

N = w fраб,

(88)

где f_раб – площадь наружной поверхности рабочей части нагревателя, м² (определяют по табл. 20).

Небольшой мощностью, выделяемой в токоподводах, обычно пренебрегают.

Падение напряжения на одном нагревателе U, В, равно

U = ,

(89)

где R – сопротивление нагревателя, Ом.

Поскольку исходное сопротивление нагревателей колеблется в широких пределах, а также сильно меняется в процессе эксплуатации, необходимо определить верхний и нижний предел изменения напряжения U. Для определения нижнего предела в формулу (87) подставляют меньшее значение сопротивления, приведенного в табл. 24. Верхний предел напряжения определяют по наивысшему значению сопротивления и увеличивают полученное значение в 2, 5–3, 0 раза для учета «старения» нагревателя, возможного падения напряжения питающей сети и выделения мощности в выводах нагревателей.

Зная заданную мощность печи и мощность одного нагревателя, можно найти общее число нагревателей. Затем, выбирая схему включения нагревателей (параллельно или последовательно) и ориентируясь на напряжения, необходимые для питания одного нагревателя, определяют значение верхней и нижней ступеней трансформатора. После этого устанавливают необходимые промежуточные ступени напряжения трансформатора.

1.3.6.3. Расчет нагревателей из дисилицида молибдена. Металлокерамические нагреватели из MoSi₂ целесообразно применять в тех случаях, когда требуется нагрев изделия до температур 1350–1550°С. Температуры нагревателя при этом достигают значений 1450–1680^оС.

Основные характеристики нагревателей приведены в табл. 24.

 

Таблица 24

Допустимые мощности N, удельные поверхностные мощности wи напряжения U различных типоразмеров нагревателей из ДМ

Тип нагревателя	Раз-вернутая длина рабо-чей части, м	Повер-хность рабо-чей части, ´ 10-4 м2	Сопро-тивление двух выводов при 700°С 2Rвыв, Ом	Температура, оС
N, кВт	U, B	N, кВт	U, B	N, кВт	U, B
ДМ- 180/250	0, 39	72, 4	0, 0068	1, 26	8, 5	1, 06	7, 95	0, 606	6, 00
ДМ- 180/400	0, 0108	1, 35	9, 1	1, 135	8, 5	0, 650	6, 45
ДМ-250/250	0, 53	99, 4	0, 0068	1, 67	11, 2	1, 41	10, 5	0, 805	8, 00
ДМ-250/400	0, 0108	1, 76	11, 8	1, 49	11, 1	0, 89	8, 60
ДМ-315/250	0, 66	124, 2	0, 0068	2, 05	13, 7	1, 74	12, 9	0, 99	9, 80
ДМ-315/400	0, 0108	2, 14	14, 3	1, 81	13, 4	1, 03	10, 4
ДМ-3 15/500	0, 0135	2, 20	14, 7	1, 86	13, 8	1, 06	10, 5
ДМ-400/250	0, 83	156, 0	0, 0068	2, 54	17, 0	2, 16	16, 0	1, 23	12, 1
ЦМ-400/400	0, 0108	2, 64	17, 6	2, 23	16, 6	1, 27	12, 5
ДМ-400/500	0, 0135	2, 70	18, 0	2, 28	16, 9	1, 30	12, 8
ДМ-500/250	1, 03	194, 0	0, 0068	3, 13	20, 9	2, 64	19, 6	1, 51	15, 0
ДМ-500/400	0, 0108	3, 22	21, 5	2, 72	20, 2	1, 55	15, 3
ДМ-500/500	0, 0135	3, 29	22, 0	2, 77	20, 5	1, 58	16, 6
ДМ-630/250	1, 29	243, 0	0, 0068	3, 87	26, 0	3, 28	24, 4	1, 88	18, 5
ДМ-630-400	0, 0108	3, 96	26, 5	3, 35	24, 8	1, 93	19, 0
ЦМ-630/500	0, 0135	4, 01	27, 0	3, 40	25, 2	1, 95	19, 2
ЦМ-800/700	1, 63	307, 0	0, 0200	5, 15	34, 5	4, 36	33, 2	2, 48	24, 5
w, кВт/м2

Примечание. ДМ-315/250 означает: длина рабочей части 315 мм, длина вывода 250 мм.

Электрическое сопротивление нагревателей из ДМ при комнатной температуре низко, но оно резко возрастает с повышением температуры. Вследствие этого электропечи с нагревателями из ДМ всегда снабжены понизительными трансформаторами с набором промежуточных ступеней напряжения. Наиболее распространенная форма нагревателей из ДМ U-образная.

Расчет нагревателей из ДМ аналогичен расчету карборундовых нагревателей. Величина коэффициента a в формуле (76) имеет постоянное значение, поскольку при стандартной форме нагревателя коэффициент a_г = 1, 27 и a = a_эфa_г = 0, 68 × 1, 27 = 0, 87.

Мощность рабочей части нагревателя из ДМ N_раб находят по формуле (88), причем значение f_раб берут из табл. 24.

Полную мощность нагревателя N, кВт, с учетом мощности, выделяемой в выводах, находим по формуле

N = Nраб (1 + ),

(90)

r, 106 Ом м

где R_выв – сопротивление одного вывода нагревателя при температуре t, Ом; R_раб – сопротивление рабочей части при температуре t, Ом.

Для стандартной формы нагревателя из ДМ с d_раб = 6 мм, d_выв = 12 мм, средней по длине температуре выводов 700°С мощность равна

N = Nраб (1 + ),

(91)

где l_выв и l_раб – соответственно длина одного вывода и развернутая длина рабочей части нагревателя, м; r_раб – удельное электрическое сопротивление рабочей части нагревателя при температуре t, Ом× м (рис. 13).

Полное сопротивление нагревателя R, Ом, вычисляют по формуле

R = 3, 54 × 104(rраб lраб + 0, 75 10-6 lвыв).

(92)

При включении холодной печи пусковое напряжение в течение 2–10 мин должно постепенно увеличиваться до величины, составляющей 30–35% рабочего напряжения. В момент пуска мощность печи будет превышать величину N.

 

Рис. 13. Зависимость удельного электрического сопротивления рабочей части нагревателя из дисилицида молибдена от температуры

1.3.7. Расчет вакуумной системы

Расчет вакуумной системы проводится, как правило, в два этапа. На первом этапе осуществляется проектировочный расчет, в результате которого определяются принципиальная схема системы, типы и марки насосов, коммутирующие элементы и ориентировочные размеры трубопроводов. На втором этапе осуществляется проверочный расчет, в результате которого уточняются характеристики насосов, размеры трубопроводов и коммутирующих элементов вакуумной системы, а также определяется время, необходимое для достижения заданного уровня вакуума.

Исходными данными для расчета являются:

- характер технологического процесса, для которого проектируется вакуумная система;

- начальное остаточное давление в системе, Па;

- время достижения необходимого вакуума, мин;

- размеры вакуумной камеры или площадь, обращенная в вакуумную полость;

- материалы обрабатываемых изделий и камеры, а также их характеристики (удельное газовыделение и скорость удельного газовыделения).

Расчет включает следующие этапы.

1. Выбор схемы вакуумной системы исходя из требуемого уровня вакуума данного процесса с определением количества ступеней откачки. Выбранная схема представляется графически на листе формата А 4. На принципиальной схеме вакуумной системы изображаются все элементы и устройства, необходимые для осуществления заданных вакуумных процессов, контроля над их осуществлением, а также все вакуумные связи между элементами. Элементы и устройства вакуумных систем на принципиальных схемах изображаются с помощью условных графических и буквенно-цифровых обозначений в соответствии с ГОСТ 2.796-95 «ЕСКД. Обозначения условные и графические. Элементы вакуумных систем» и 2.797-81 «ЕСКД. Правила выполнения вакуумных схем».

2. Расчет газовых потоков.

Суммарный поток газа Q_вх (Па м³/с), поступающего в вакуумную систему, имеет несколько составляющих:

Qвх = Qизд + Qгаз + Qпр + Qупл,

(93)

где Q_изд – поток натекания из обрабатываемых изделий; Q_газ – поток газовыделения со стен камеры; Q_пр – поток, обусловленный газопроницаемостью через стенки вакуумной камеры; Q_упл – поток натекания в систему за счет несовершенства уплотнений.

Этот суммарный поток натекания подлежит откачке при стационарном режиме работы вакуумной системы.

Поток газов, поступающих в вакуумную систему из обрабатываемых изделий Q_изд, (Па м³)/с оценивают по формуле:

Qизд = (M qг bг)/to,

(94)

где M – масса обрабатываемых изделий, кг; q_г – удельное газовыделение из материала изделия, (Па м³)/кг; b_г – коэффициент, учитывающий неравномерность газовыделения, обычно b_г = 1, 5–2; t_o – время вакуумной обработки изделия, с.

Поток газов, выделяющихся со стенок в вакуумную систему вследствие нестационарного диффузионного газовыделения, определяется по формуле:

Qгаз = qг’ S,

(95)

где q_г^’ – скорость удельного газовыделения с поверхности стенок вакуумной системы, Па м³/(м² с); S – площадь поверхности стен камеры, или площадь поверхности, обращенной в вакуумную полость, м².

Если вакуумная камера имеет стенки из различных материалов, то общее газовыделение равно сумме газовыделений с поверхности всех элементов. При проектировочном расчете вакуумной системы поток газов принимается постоянным во времени. Скорость удельного газовыделения q_г^’ поверхностей, имеющих комнатную температуру, принимается равной значению скорости газовыделения после одного часа откачки.

Поток газа Q_пр, поступающего в вакуумную систему вследствие проницаемости через стенки вакуумной камеры, может быть оценен по формуле:

,

(96)

где K_o – константа проницаемости; S – площадь поверхности и h – толщина стенки вакуумной камеры; р₁ и р₂ – давление внутри и снаружи вакуумной камеры, Па; j – количество атомов в молекуле газа; Е_пр – энергия активации газопроницаемости, Дж/моль; Т – термодинамическая температура стенки; R = 8, 31 Дж/моль К – универсальная газовая постоянная. Значения K_o, Е_пр для различных материалов приведены в таблице 3 Приложения [24].

Стационарная проницаемость газа через стенки вакуумной системы, изготовленные из различных материалов или различной толщины, рассчитывается как сумма проницаемостей через отдельные участки. Также суммируются потоки газопроницаемости отдельных газов.

Поток Q_упл газов, поступающих в вакуумную систему через уплотнения разборных соединений, а также через неразборные соединения, которые в принципе не могут обеспечить абсолютную герметичность, можно оценить по формуле:

Qупл = Kв Qти Nс/nс,

(97)

где Q_ти – минимальный поток газов, регистрируемый течеискателем; K_в – вероятность наличия течи, пропускающей поток газа, меньшей чувствительности течеискателя; N_с – число соединений вакуумной системы; n_с – число одновременно проверяемых соединений. Минимальное значение газового потока Q_упл соответствует испытанию на герметичность всей вакуумной системы в целом (n_с = N_с).

3. Выбор типа используемых насосов (начиная с высоковакуум- ного участка) с учетом требуемого уровня вакуума, времени его достижения и суммарного потока натекания, а также характера процесса, для которого проектируют вакуумную систему. При выборе типа насоса учитывают характер работы насоса: возможность (либо принципиальную невозможность) использования масляных насосов и т. д.

Для нахождения номинальной быстроты действия насоса используют формулу:

	(98)
Sн = Qвх/(Kи1 P1 – Pпр),	(99)

где Q_вх (Па м³/с) – суммарный поток газа, K_и1 – коэффициент использования насоса на высоковакуумном участке; P₁ – остаточное давление в вакуумной камере, Па; P_пр – предельное давление выбранного типа насоса, Па. K_и1 выбирают исходя из типа насоса и значения S_эф, определяемого по формуле:

Sэф = Qвх/ P1,

(100)

и зависимостей, приведенных на рис. 4, 5–4, 8 [24]. Оптимальное значение коэффициента использования насоса зависит от типа насоса и числа n элементов вакуумной системы на участке от насоса до откачиваемого объекта. С учетом полученного значения S_н выбирают ближайший по быстроте действия насос.

При последовательном соединении насосов в вакуумной системе рабочее давление механического насоса (для насосов, сжимающих газ, выбирают по максимальному выпускному давлению высоковакуумного насоса с коэффициентом запаса j = 2, а для сорбционных насосов – их наибольшее рабочее давление с тем же коэффициентом запаса). Далее рассчитывают S_н для второго насоса и выбирают ближайший по быстроте действия низковакуумный насос.

Здесь же проводится оценка совместимости работы выбранных насосов путем построения рабочих характеристик насосов по номинальным скоростям откачки и анализа характера перекрывания этих характеристик. Условием совместной работы двух насосов является выполнение соотношения:

рабочее давление низковакуумного насоса должно быть меньше, чем наибольшее выпускное давление высоковакуумного насоса.

Условием запуска также может являться отсутствие двойного пересечения кривых S_Q и S_эфф1 в интервале рабочих давлений на графике рабочих характеристик насосов (рис. 14).

4. Расчет проводимости трубопроводов с учетом определенного режима течения газов, определение конструкционных размеров трубопроводов.

Находят общую проводимость участка вакуумной системы от высоковакуумного насоса до вакуумной камеры по формуле:

Uo1 = Sн1 Kи1/(1 – Kи1),

(101)

где S_н1 и K_и1 – номинальная скорость откачки и коэффициент использования выбранного высоковакуумного насоса соответственно.

В случае параллельного или последовательного соединения трубопроводов при расчете проводимости используют выражения:

 

SQ

Рис. 14. Определение возможности совместной работы двух насосов при постоянном потоке натекания: 1, 2 – Зависимость величин S_н1, S_н2 S_эф1, S_эф2 от давления для высоковакуумного и низковакуумного насосов

 

	(102)
	(103)

Приняв, что элементы данного участка вакуумной системы имеют одинаковую проводимость и с учетом соотношения для последовательно соединенных элементов (101) определяют проводимость каждого элемента по формуле:

Uoj = Uo n,

(104)

где n – число элементов.

Для расчета размеров трубопроводов (диаметра D или сторон сечения насоса а, в) используют соотношения, приведенные в табл.4.5 [24], задаваясь значениями длины трубопроводов с учетом режима течения газов в трубопроводах.

Режим течения газов оценивают по величине критерия Кнудсена (K_n). Молекулярный режим течения имеет место при значениях K_n> 0, 33. Вязкостный (ламинарный) режим течения имеет место при K_n< 0, 01. Переходному режиму соответствует 0, 01< K_n< 0, 33.

В свою очередь критерий Кнудсена определяют по формуле:

Kn = L/dэф,

(105)

где L – средняя длина свободного пробега молекул газа при определенном давлении, м Па; d_эф – эффективный линейный размер рассматриваемого участка.

L = Lо/Р,

(106)

где L_о = 6, 72 10 ^-3м – средняя длина свободного пробега для воздуха; Р – давление в камере, Па.

Эффективный линейный размер вакуумной камеры определяют по формуле:

dэф = 4V/S,

(107)

где V – объем камеры; S – площадь сечения.

При вычислениях по формулам, приведенным в табл. 4.5 [24], линейные размеры подставляются в м, площади – в м², давление в Па, проводимость в м³/c.

В области промежуточного молекулярно-вязкостного режима течения газа проводимость трубопровода рассчитывается по полуэмпирической формуле Кнудсена:

U’’ = 0, 9U’ + U,

(108)

где U’ – проводимость при молекулярном течении газа; U – проводимость при вязкостном течении.

Если трубопровод диаметром D имеет изгибы под углом 90^о, то при вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах течения это учитывается как удлинение на 1, 33 D при каждом изгибе. При определении проводимости трубопровода при температуре, отличной от комнатной (293К), используется температурный коэффициент. При этом U вычисляют по формуле:

U = U293 КТ,

(109)

где К_Т = .

При расчете проводимости по определенному газу, который может преобладать в составе откачиваемых газов, также вводят поправочный коэффициент:

U = Uвозд Km,	(110)
,	(111)

где m_в = 29 10^-3 кг/моль – молярная масса воздуха; m – молярная масса откачиваемого газа.

После расчета размеров трубопроводов, подбора остальных элементов (вентилей, затворов, ловушек) проводится уточнение величины проводимости участков вакуумной системы (высоко- и низковакуумного). При этом полученная в результате проводимость не должна быть меньше, чем оценная в начале расчета по формуле (101). Если она все-таки получается меньшей заданного значения, то необходимо произвести повторный подбор элементов вакуумной системы с использованием больших размеров элементов и соответственно имеющих большую проводимость.

5. Подбор и расчет других необходимых элементов вакуумной системы, таких как ловушки, вентили, форвакуумный баллон и др.

Подбор ловушек и вентилей осуществляют исходя из рассчитанных размеров трубопроводов (диаметр ловушек и затворов должен быть максимально согласован с размерами трубопровода).

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Параметры удельного газовыделения конструкционных материалов