Вакуумная техника

А.Н. ПОПОВ

ВАКУУМНАЯ

ТЕХНИКА

Допущено

Министерством образования Республики Беларусь

в качестве учебного пособия для студентов 

учреждений высшего образования 

по техническим специальностям 

2018

 
Минск 
Москва

 
«Новое знание» 
«ИНФРАМ»

УДК 621.51/.52(075.8)
ББК 31.77я73
 
П58

Попов, А.Н.

Вакуумная техника : учеб. пособие / А.Н. Попов. — Минск : 

Новое знание ; М. : ИНФРА-М, 2018. — 167 с. : ил. — (Высшее 
образование: Бакалавриат).

ISBN 978-985-475-500-7 (Новое знание)
ISBN 978-5-16-006031-6 (ИНФРА-М)

Рассмотрены основные физико-химические процессы, протекаю щие 

в вакууме. Описаны методы измерения низких давлений, принципы 
действия вакуумных насосов и основные типы вакуумных систем. 
Лабораторные работы охватывают основные темы курса «Вакуумная 
техника».

Для студентов механических, технологических, физических 

и других факультетов вузов. Может быть полезно аспирантам, преподавателям и инженерно-техническим специалистам, работа которых связана с вакуумной техникой.

УДК 621.51/.52(075.8)

ББК 31.77я73

П58

©  Попов А.Н., 2012
©  ООО «Новое знание», 2012

ISBN 978985475500-7 (Новое знание) 
ISBN 978-5-16-006031-6 (ИНФРА-М)

Рецензенты:

кафедра «Машины и технологии высокоэффективных процессов обработки материалов» УО «Витебский государственный технологический 
университет» (зав. кафедрой — доктор технических наук, профессор 
С.С. Клименков);
декан факультета инновационных технологий машиностроения УО 
«Гродненский государственный университет им. Я. Купалы», доктор технических наук, профессор В.А. Струк

Оглавление

Введение ........................................................................... 5

Исторический обзор ........................................................ 5
Применение вакуума в науке и технике............................. 7

1. Основы физики вакуума.................................................10

1.1. Вакуум и давление ..................................................10
1.2. Основные газовые законы.........................................11
1.3. Течение разреженных газов ......................................16
1.4. Основное уравнение вакуумной техники.....................17
1.5. Течение газов через элементы вакуумных систем ........20
1.6. Теплопередача в вакууме..........................................22

2. Методы измерения низких давлений ...............................23

2.1. Классификация приборов для измерения давления......23
2.2. Датчики для абсолютных измерений .........................24
2.3. Датчики для относительных измерений .....................29

3. Оборудование для получения вакуума .............................38

3.1. Основные характеристики вакуумных насосов ............38
3.2. Объемные вакуумные насосы ....................................40
3.3. Молекулярные насосы..............................................56
3.4. Рабочие жидкости для вакуумных насосов .................69
3.5. Физикохимические методы получения вакуума .........86
3.6. Электрофизические вакуумные насосы.......................96
3.7. Сравнительные характеристики вакуумных насосов... 106
3.8. Вакуумные ловушки.............................................. 110

4. Вакуумные системы и течеискание ............................... 115

4.1. Основные типовые конструкции вакуумных систем... 115
4.2. Течеискание.......................................................... 123
4.3. Определение длительности откачки ......................... 132
4.4. Конструкционные вакуумные материалы ................. 136

Лабораторный практикум ................................................ 146

Общие указания по выполнению лабораторных работ....... 146
Лабораторная работа 1. Методы измерения низких дав- 
лений ......................................................................... 146

Оглавление

Лабораторная работа 2. Объемные и паромасляные диф- 
фузионные насосы ....................................................... 151
Лабораторная работа 3. Измерение рабочих параметров 
вакуумной системы...................................................... 153
Лабораторная работа 4. Определение скорости откачки 
испарительного геттерного насоса.................................. 155
Лабораторная работа 5. Поиск течей в вакуумной системе 157
Лабораторная работа 6. Устройство и работа вакуумных
установок ................................................................... 159

Список рекомендумемой литературы ............................ 166

ВВедение

исторический обзор

До середины II в. понятие «вакуум», лат. —
II в. понятие «вакуум», лат. —
 в. понятие «вакуум», лат. — 

пустота) использовалось лишь в философии. Древнегреческий 
философ Демокрит одним из «начал мира» выбрал пустоту.
В тот период знания о свойствах разреженного газа еще отсутствовали, но вакуум уже широко использовался в водоподъемных и пневматических устройствах.

Научный этап развития вакуумной техники начинается с 

1643 г., когда в Италии Э. Торричелли ) измерил ат) измерил ат) измерил ат
мосферное давление. В 1650 г. в Германии О. Герике Ottn 
Gk) изобрел механический поршневой насос с водяным 
уплотнением, что дало возможность проводить многочисленные исследования свойств разреженного газа.

Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели к от
крытию электрона. Успешное изучение свойств разреженного 
газа обеспечило возможность гширокого технологического 
применения. Оно началось с изобретения в 1872 г. лампы накаливания с yгльным электродом русский ученый А.Н. Лодыгин), а затем с вольфрамовым электродом американский 
ученый и изобретатель Т. Эдисон . n), который в 1883 г.
. n), который в 1883 г.
. n), который в 1883 г.
n), который в 1883 г.
), который в 1883 г.

открыл явление термоионной эмиссии). 

В связи с распространением ламп накаливания возникла 

потребность в оборудовании для получения и измерения вакуума. В 1905 г. Геде . G) впервые применил враща. G) впервые применил враща. G) впервые применил вращаG) впервые применил враща) впервые применил враща
тельный ртутный насос, а несколько позже — вращательный 
насос с масляным уплотнением. В 1913 г. В. Геде изобрел молекулярный насос, который позволял получать более низкие 
давления при больших скоростях откачки. «Диффузионный» 
насос, изобретенный Геде в 1915 г., натолкнул И. Ленгмюра
I. n) на создание конденсационного насоса 1916), коI. n) на создание конденсационного насоса 1916), ко. n) на создание конденсационного насоса 1916), коn) на создание конденсационного насоса 1916), ко) на создание конденсационного насоса 1916), ко
торый позволял получать давление до 10–5 Па. Эти парортутные 
насосы удовлетворяли требованиям развивающейся радиопромышленности и применялись для производства радиоламп.


Введение

В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса М. Кнудсен . nn), М. Смолуховский, И. Ленгмюр,
. nn), М. Смолуховский, И. Ленгмюр,
. nn), М. Смолуховский, И. Ленгмюр,
nn), М. Смолуховский, И. Ленгмюр,
), М. Смолуховский, И. Ленгмюр, 

С. Дешман S. n)). В 1928 г. К. Берч .. B)
S. n)). В 1928 г. К. Берч .. B)
. n)). В 1928 г. К. Берч .. B)
n)). В 1928 г. К. Берч .. B)
)). В 1928 г. К. Берч .. B)
.. B)
.. B)
. B)
. B)
B)) 

Великобритания) обнаружил, что некоторые высококипящие 
фракции нефти можно использовать в конденсационных насосах вместо ртути точнее будет называть эти насосы пароструйными). 

Для измерения вакуума наряду с U-образным манометром 

Торричелли стали использовать компрессионный Г. Мак-Леод 
H. ), 1874), тепловой М. Пирани . n), 1909),
. n), 1909),
. n), 1909),
n), 1909),
), 1909), 

ионизационный О. Бакли O. . Bky), 1916) насосы.
O. . Bky), 1916) насосы.
. . Bky), 1916) насосы.
. Bky), 1916) насосы.
. Bky), 1916) насосы.
Bky), 1916) насосы.
), 1916) насосы.

В результате этой работы с 1940 г. возникла новая отрасль 

промышленности — вакуумная техника.

До 1950-х гг. существовало мнение, что давление ниже

10–6 Па получить невозможно. Однако работы американских 
ученых В. Ноттингема . B. Nttn) 1948) по измерению фоновых токов ионизационнгманометра и Д. Альперта 
. Apt) 1952) по созданию ионизационного манометра с 
осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений 
вакуумной техники еще на три-четыре порядка.

В дальнейшем были изобретены новые типы насосов: тур
бомолекулярный Дж. Беккер .A.Bk),1958),магнитораз.A.Bk),1958),магнитораз.A.Bk),1958),магниторазA.Bk),1958),магнитораз. Bk),1958),магниторазBk),1958),магнитораз), 1958), магнитораз
рядный Р. Джепсен .. pn) и Л. оланд .A. Hn),
.. pn) и Л. оланд .A. Hn),
.. pn) и Л. оланд .A. Hn),
. pn) и Л. оланд .A. Hn),
. pn) и Л. оланд .A. Hn),
pn) и Л. оланд .A. Hn),
) и Л. оланд .A. Hn),
.A. Hn),
. Hn),
Hn),), 

1959), усовершенствованы паромасляные и криосорбционные насосы. Для обеспечения надежной сборки и эксплуатации сверхвысоковакуумных систем потребовалась разработка 
чувствительных методов определения натеканий в вакуумных 
системах: масс-спектрометрическог, галоидного и др. Для 
снижения газовыделения вакуумных конструкционных материалов начали применять высокотемпературный прогрев всей 
вакуумной установки. Вакуумные системы изготавливают 
цельнометаллическими, разрабатывают конструкции сверхвысоковакуумных уплотнений, вводов движения и электрических вводов в вакуум. 


Применение вакуума в науке и технике

Применение вакуума в науке и технике

Экспериментальные исследования испарения и конденса
ции, поверхностных явлений, некоторых тепловых процессов, 
низких температур, ядерных и термоядерных реакций осуществляются в вакуумных установках. Основной инструмент 
современной ядерной физики — ускоритель заряженных частиц — немыслим без вакуума. 

Вакуумные системы используются в химии для изучения 

свойств чистых веществ, состава и разделения компонентов 
смесей, скоростей химических реакций. Сфера технического 
применения вакуума непрерывно расширяется, но с конца 
Iв. и до сих пор наиболее важной областью остается элек в. и до сих пор наиболее важной областью остается элек
тронная техника. В электровакуумных приборах вакуум является конструктивным элементом и обязательным условием 
функционирования в течение вгсрока службы.

Низкий и средний вакуум используется в осветительных 

приборах и газоразрядных устройствах, высокий вакуум —
в радиолампах и кинескопах. Наиболее высокие требования 
к вакууму предъявляются при производстве электронно-лучевых трубок и сверхвысокочастотных приборов. Для работы 
полупроводниковых приборов вакуум не требуется, но в процессе их изготовления часто используют вакуумную технологию. Особенно широко вакуумная техника применяется в 
производстве микросхем, где процессы нанесения тонких пленок, ионнгтравления, электронолитографии обеспечивают 
получение элементов электронных схем субмикронных и наноразмеров.

В металлургии при плавке и переплавке в вакууме ме
таллы освобождаются от растворенных газов, благодаря чему 
приобретают высокую механическую прочность, пластичность 
и вязкость. Плавкой в вакууме получают высококачественные 
сорта сталей, безуглеродистые сорта железа для электродвигателей, высокоэлектропроводную медь, тантал, платину, титан, 
цирконий, бериллий, редкие металлы и их сплавы. Спекание 
в вакууме порошков карбидов тyгплавких металлов, таких 
как вольфрам и молибден, является одним из основныx технологических процессов порошковой металлургии. 


Введение

Искусственные кристаллы алмаза, рубина, сапфира полу
чают в вакуумных установках. Диффузионная сварка в вакууме позволяет получать неразъемные герметичные соединения 
материалов с сильно различающимися температурами плавления. Высококачественное соединение материалов с однородными свойствами обеспечивает электронно-лучевая сварка
в вакууме. 

В машиностроении вакуум применяют при исследованиях 

процессов схватывания материалов и yxгтрения, для нанесения упрочняющих покрытий на режущий инструмент 
и износостойких покрытий на детали машин, для захвата и 
транспортирования деталей в автоматах и автоматических
линиях.

В химической промышленности применяют вакуумные су
шильные аппараты при выпуске синтетических волокон, полиамидов, аминопластов, полиэтилена, органических растворителей. Вакуумфильтры используются при производстве 
целлюлозы, бумаги, смазочных масел. В производстве красителей и удобрений применяются кристаллизационные вакуумные аппараты. 

В электротехнической промышленности вакуумная про
питка как самый экономичный метод широко распространена 
в производстве трансформаторов, электродвигателей, конденсаторов и кабелей. Повышаются срок службы и надежность 
переключающих электрических аппаратов при работе в вакууме. 

В оптической промышленности при производстве оптиче
ских и бытовых зеркал перешли с химического серебрения на 
вакуумное алюминирование. Просветленная оптика, защитные слои и интерференционные фильтры получают напылением тонких слоев в вакууме. 

В пищевой промышленности для длительного хранения и 

консервирования пищевых продуктов используют вакуумную 
сушку вымораживанием. Расфасовка скоропортящихся продуктов, осуществляемая в вакууме, удлиняет сроки хранения 
фруктов и овощей. Вакуумное выпаривание применяется при 
производстве сахара, опреснении морской воды, солеварении.


Применение вакуума в науке и технике

В сельском хозяйстве широко распространены вакуумные 

доильные аппараты. 

В быту пылесос стал нашим незаменимым помощником. 
На транспорте вакуум используется для подачи топлива

в карбюраторах и вакуумных усилителях тормозных систем 
автомобилей.

В медицине вакуум применяют для сохранения гpмнов, 

лечебных сывороток, витаминов, при получении антибиотиков, анатомических и бактериологических препаратов. 

Интенсивно ведущиеся в последнее время исследования

и разработки в области нанотехнологии невозможны без применения вакуумной техники.

ОснОВы физики Вакуума

Вакуум и давление

Состояние газа или пара, при котором гдавление ниже 

атмосферного, называется вакуумом. Вакууму соответствует 
область давлений ниже 10–5 Па. Свойства газов при низких 
давлениях изучаются в физике вакуума, являющейся разделом молекулярно-кинетической теории газов. 

Основой физики вакуума являются следующие постулаты: 
1. Газ состоит из отдельных движущихся молекул.
2. Существует постоянное распределение молекул газа по 

скоростям, т.е. одной и той же скоростью обладает всегда одинаковое число молекул.

3. При движении молекул газа нет преимущественных на
правлений, т.е. пространство газовых молекул изотропно. 

4. Температура газа — величина, пропорциональная сред
ней кинетической энергии гмолекул.

5. При взаимодействии с поверхностью твердого тела мо
лекула газа адсорбируется. 

Следует различать понятия «газ» и «пар». Пар — это газ, 

который можно перевести в конденсированное состояние только повышением давления, без изменения температуры. 

Количественной характеристикой вакуума служит абсо
лютное давление. При очень малых давлениях, которые уже 
не мгут быть измерены существующими приборами, состояние газа можно характеризовать количеством молекул в единице объема, т.е. молекулярной концентрацией газа. 

Единицей давления является паскаль Па), 1 Па = 1 H/м2. 
В литературе по вакуумной технике можно встретить так
же ряд других единиц давления. Наиболее распространенной 
внесистемной единицей давления является миллиметр pтутного столба 1 мм рт. ст. = 1 Торр). Давление газа 1 мм рт. ст.
равно давлению, которое создает столбик ртути высотой 1 мм

11

при условии, что плотность ртути равна 13595,1 кг/м3 ,
а земное ускорение соответствует нормальному 9,80665 м/с2

1 мм рт. ст. = 133,3 Па). Кроме того, в качестве единицы давления часто используют 1 бар = 105 Па.

Основные газовые законы

Если в объеме находится смесь из k химически не взаимо
действующих газов, то для определения давления смеси Р необходимо подсчитать сумму:

i

i

k

= ∑
,
1.1)

где Рi — парциальное давление давление определенного компонента смеси газов).

Это выражение известно под названием закона Дальтона

и формулируется следующим образом: общее давление смеси химически не взаимодействующих газов равно сумме
парциальных давлений компонентов смеси.

Атмосферныйвоздух—этоосновнаягазоваясмесь,скоторой

приходитсяиметьделоввакуумнойтехнике.Онсостоитвосновном из азота, кислорода и паров воды. При 25 °С и 50 % влажности парциальное давление паров воды составляет 1,2 кПа.

Состав yxгатмосферного воздуха приведен в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Состав cyxoгo атмосферного воздуха

Газ
Количество, %
Давление, Па

N2
78,12
78 100

О2
21
21 000

A0,9
900

СО2
0,03
30

N0,0018
1,8

Не
5,2•10–4
0,52

СН4
2•10–4
0,2

1•10–4
0,1

Н2
5•10–5
0,05

1.2. Основные газовые законы

1. Основы физики вакуума

Большинство
составляющих
воздуха
при
нормальных

условиях являются газами. В виде пара присутствуют лишь
Н2О, СО2 и е. При Т = 77 температура кипения жидтемпература кипения жид температура кипения жид
кого
азота)
большинство
составляющих
воздуха
перехо
дит в парообразное состояние и лишь Не, Н2 и Nостаются
газами.

Давление атмосферного воздуха зависит от высоты над

уровнем моря. При подъеме на каждые 15 км давление воздуха уменьшается приблизительно в 10 раз.

Три основных параметра состояния газа: давление, моле
кулярная концентрация и температура — связаны между собой уравнением газового состояния

Р = kk,
1.2)

где — молекулярная концентрация; k — постоянная Больцмана 1,38•10–2З Дж/К); Т — температура.

Уравнение 1.2) можно представить также в другой за
писи:

V
Nm
M R=
,

где V — объем газа; m — масса молекулы; R — универсальная газовая постоянная, R = kNА = 8,31•103 Дж/К•моль),
NА — число Авогадро, NА = М/m
m = 6,02•1023 моль–1; М — мо
лекулярная масса газа.

При соударениях друг с другом или со стенками вакуум
ной камеры молекулы газа изменяют как скорость, так и направление движения.

Средняя кинетическая энергия молекул, согласно молеку
лярно-кинетической теории, определяется выражением

mv
kT
кв
2

2

3
2
=
,
1.3)

где vкв — средняя квадратическая скорость.

Пользуясь постулатами о существовании стационарного

распределения молекул по скоростям и об изотропности пространства газовых молекул, а также учитывая 1.3), Д. Мак