Вакуумные системы

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

К.Е. Демихов, Н.К. Никулин

ВАКУУМНЫЕ СИСТЕМЫ

Утверждено Научно-методическим советом
МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2010

УДК 621.521(075.8)
ББК 31.77
Д30

Д30

Рецензенты: С.Б. Нестеров, Ю.В.Панфилов

Демихов К.Е.
Вакуумные системы : учеб. пособие / К.Е. Демихов,
Н.К. Никулин. – М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010. –
72, [4] с. : ил.

Изложены основные закономерности построения вакуумных си-
стем. Рассмотрены основные схемы низковакуумных, высоковаку-
умных и сверхвысоковакуумных систем. Дано обоснование выбора
средств откачки для конкретных условий. Приведены примеры расче-
та вакуумных систем. Рассмотрены понятия и законы, используемые
при расчете высоковакуумных систем, а также дано теоретическое
определение проводимости основных их элементов (диафрагмы, ва-
куумпроводы различного сечения) при молекулярном, вязкостном и
переходном режимах течения газа.
Для студентов 3- и 5-го курсов машиностроительных и приборо-
строительных специальностей.

УДК 621.521(075.8)
ББК 31.77

c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010

ВВЕДЕНИЕ

Вакуумные технологии, осуществляемые в диапазоне значе-
ний давления от атмосферного до 10−11 Па и ниже, нашли широ-
кое применение в металлургии, химии, нефтехимии, химическом
машиностроении, электротехнике, энергетике, угледобывающей и
горнорудной промышленности, электрофизическом аппаратостро-
ении, космонавтике, авиации, научном приборостроении, в науч-
ных исследованиях и т. д.
Развитие практически всех отраслей металлургической про-
мышленности связано с интенсивным использованием вакуумной
техники: в металлургических печах и средствах внепечной обра-
ботки, в технологических процессах, обеспечивающих выплавку
высокочистых металлов и сплавов; в порошковой металлургии для
спекания твердых сплавов, постоянных магнитов и др. С помощью
вакуумной электронно-лучевой и термодиффузионной сварки по-
лучают неразъемные соединения приборов, деталей конструкций
машин и сооружений в ядерной, автомобильной, электронной и
других отраслях промышленности.
Одним из эффективных методов повышения качества стали
является раскисление стали углеродом в вакууме в связи с воз-
можностью существенного снижения содержания кислорода и получения 
мелкой дендритной структуры слитков.
Процесс вакуумной дегазации, т. е. удаление из жидкого металла 
растворенных в нем газов, обеспечивает не только получение
металла с минимальным содержанием вредных примесей, но и
способствует улучшению его свойств.
Современные установки для вакуумирования стали в вакуум-
ковше с электромагнитным перемешиванием обеспечивают хорошую 
дегазацию находящегося в ковше металла и равномерное рас-

3

пределение вводимых в ковш раскислителей и легирующих добавок.

Вакуумирование стали в струе применяют для удаления водорода 
из стали при отливке слитков для крупных поковок. Распространение 
этого метода внепечной обработки металла объясняется
сравнительной простотой практического осуществления и высокой
скоростью дегазации.
Вакуумные электропечи получили широкое распространение
в связи с возникновением таких отраслей промышленности, как
атомная, космическая и др. Вакуумная плавка металлов и сплавов
в печах позволяет значительно снизить содержание газов и количество 
неметаллических включений, обеспечить высокую однород-
ность и плотность слитка за счет направленной кристаллизации
жидкого металла, существенно улучшить физико-механические
свойства металла.
Вакуумные дуговые печи при давлении 10. . . 10−1 Па использу-
ют для выплавки качественных сталей (нержавеющих, конструкци-
онных, электротехнических, шарикоподшипниковых), жаропроч-
ных сплавов и тугоплавких металлов.
Вакуумные индукционные печи применяют для плавки и раз-
ливки различных металлов и сплавов, электронно-лучевые печи —
для получения особо чистых металлов. В печах этого типа нагрев
осуществляется благодаря бомбардировке поверхности нагревае-
мого предмета быстро движущимися электронами.
Вакуумные электропечи сопротивления являются наиболее
универсальными, так как имеют много областей применения;
например, их используют для нагрева длинномерных изделий,
больших и тяжелых деталей в подвешенном состоянии для предо-
хранения их от деформации, для отжига и т. д.
Дистилляция металлов и сплавов в вакууме — один из тех-
нологических процессов вакуумной плавки, предназначенный для
удаления из металла вредных примесей в газообразном состоянии
с целью получения чистого металла для ракетной техники, атом-
ной энергетики и других отраслей промышленности [1, 2, 3, 4, 5].
Вакуумная дистилляция осуществляется в основном в вакуумных
дуговых и индукционных печах при давлении ниже 10−1 Па.
Сварка в вакууме предназначена для получения неразъемных
соединений элементов приборов, деталей (узлов) конструкций ма-

4

шин, используемых в точном машиностроении, микроэлектрони-
ке, при создании атомных реакторов и др. [6]. Различают два вида
сварки в вакууме: электронно-лучевая (сварка плавлением); термо-
диффузионная (сварка давлением).
Спекание металлических и керамических порошковых мате-
риалов является одной из важнейших технологических операций,
применяемых в порошковой металлургии. Методом спекания из-
готовляют конструкционные детали машин и механизмов, филь-
тры для очистки жидкостей и газов, уплотнительные материалы
для газовых турбин, вакуумного и другого оборудования, контак-
ты, магниты, ферриты для изделий электро- и радиотехнической
промышленности и др.
В химической промышленности применение вакуумных тех-
нологий позволяет осуществлять: дегазацию изоляционных ма-
сел и синтетических материалов; дистилляцию фармацевтических
продуктов и консервирующих веществ для пищевых продуктов;
адсорбционную очистку нефтепродуктов; сублимационную сушку
пищевых продуктов, медицинских препаратов и т. д.
Вакуумная дистилляция — технологический процесс разделе-
ния жидких смесей на отдельные фракции, различающиеся по со-
ставу, путем их частичного испарения в вакууме с последующей
конденсацией образовавшихся паров.
Молекулярная дистилляция используется для регенерации неф-
тепродуктов и отработанных минеральных масел из двигателей,
редукторов, трансформаторов, турбин, при производстве рабочих
жидкостей вакуумных насосов; для очистки термически нестойких
органических веществ, например, эфиров фталевой, себациновой
и других кислот, а также для выделения витаминов из рыбьего
жира и др.
Вакуумная ректификация применяется в нефтяной промыш-
ленности для разделения нефти на бензин, мазут и другие про-
дукты.
Вакуумную сушку используют для чистых химических продук-
тов, взрывоопасных и термочувствительных материалов и т. д.
Фильтрация в вакууме — способ разделения различных суспен-
зий и в некоторых случаях разделения коллоидных растворов.
Выпаривание в вакууме применяют в химическом производ-
стве для сгущения растворов или для полного удаления раствори-
телей [2, 4].

5

Кристаллизация в вакууме — вакуумный химико-технологи-
ческий процесс выделения твердой фазы из жидкого расплава дан-
ного вещества или из раствора. Это один из основных способов
получения твердых веществ в чистом виде [4].
Вакуумная техника используется преимущественно в таких
разделах электротехники, как электрические аппараты высоко-
го напряжения, электротехническое оборудование специального
назначения (термоядерные установки, ускорители), электрообо-
рудование транспорта, светотехника и инфракрасная техника. В
электротехнологию включают вакуумную металлургию, вакуум-
ное напыление, вакуумные электропечи, электросварочное обо-
рудование, вакуумную пайку. В аппаратах высокого напряжения
используются вакуумные выключатели, вакуумные дугогаситель-
ные камеры, вакуумные коммутационные устройства.
В электротехнической промышленности вакуумная техника на-
ходит применение в сушильных и пропиточных установках для
производства трансформаторов, конденсаторов, кабелей и т. д.
При создании электрофизических установок определяющим
фактором являются вакуумные условия [1]. Так, фоновое давле-
ние в термоядерных реакторах с магнитным удержанием плазмы
должно находиться в диапазоне 10−8 . . . 10−6 Па. К электрофи-
зическим установкам относят и электронные и ионные ускорите-
ли, ускорительно-накопительные комплексы, термоядерные систе-
мы для исследований возможности получения управляемой тер-
моядерной реакции, установки дефектоскопии, установки, пред-
назначенные для фундаментальных и прикладных исследований
строения материи и др.
Космический вакуум оказывает разнообразные воздействия на
материалы и оборудование, находящиеся вне гермоотсеков косми-
ческих летательных аппаратов [1, 2]. Для создания условий, мо-
делирующих космический вакуум, необходимы специальные ваку-
умные установки, обеспечивающие давление 10−3 . . . 10−12 Па.
Наиболее широкое применение находит вакуум в приборостро-
ении при создании так называемых электровакуумных приборов,
являющихся одним из основных направлений современной элек-
троники. Давление остаточных газов в рабочем режиме обычно не
превышает 10−4 Па. Технологии получения тонких пленок для по-
лупроводниковых приборов, интегральных микросхем, тонкопле-

6

ночных солнечных элементов и других в большой степени зави-
сит от вакуумных условий в рабочей зоне. Вакуумное оборудова-
ние необходимо, например, при физическом осаждении из паро-
вой фазы (вакуумном испарении) и должно обеспечивать давление
10−4 . . . 10−6 Па при больших скоростях откачки.
Авторы выражают большую благодарность д-ру техн. наук
проф. С.Б. Нестерову и д-ру техн. наук проф. Ю.В. Панфилову
за тщательный разбор рукописи и замечания, направленные на
ее улучшение, а также аспирантам И.А. Антипову, Т.В. Кулико-
вой, Е.В. Свичкарь за техническое оформление рукописи учебного
пособия и подготовку ее к изданию.

1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ВАКУУМНОЙ ТЕХНИКИ

В вакуумной технике существует часть специфических терми-
нов, отличающихся от общепринятых в других отраслях техники.
Большинство терминов, используемых в вакуумной технике, отра-
жены в ГОСТ 5197–85, ГОСТ 26790–85, ГОСТ 27758–88.
Вакуумная система — совокупность взаимосвязанных устройств 
для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов 
для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и
связывающих их вакуумных трубопроводов.
Вакуумная установка — установка, состоящая из вакуумной системы 
и устройств, обеспечивающих ее действие (к устройствам,
обеспечивающим действие вакуумной системы, относятся, например, 
электродвигатель, аккумуляторы, печи).
Вакуумный агрегат — вакуумная установка, конструктивно выполненная 
как единое целое.
Откачн´ой пост — вакуумная установка, предназначенная для
откачки, наполнения и тренировки изделий.
Элемент вакуумной системы — прибор, сборочная единица или
деталь, предназначенные для выполнения определенных функций
в вакуумной системе (например, насос, манометрический преобразователь, 
ловушка и др.).
Условный проход — диаметр проходного сечения элемента вакуумной 
системы, определяющий присоединительные размеры по
действующим стандартам.
Откачиваемый сосуд — сосуд, в котором создается вакуум.
Предохранительный баллон — сосуд, предназначенный для предохранения 
элементов вакуумной системы от попадания в них по-
сторонних тел.

8

Уравнительный вакуумный баллон — сосуд, предназначенный
для выравнивания колебаний давления в вакуумной системе.
Вакуумное защитное устройство — элемент вакуумной систе-
мы, предназначенный для быстрого отделения участка вакуумной
системы, где произошел прорыв атмосферного воздуха, от осталь-
ной ее части.
Вакуумный трубопровод — трубопровод, по которому переме-
щается разреженный газ в вакуумной системе.
Форвакуумный трубопровод — вакуумный трубопровод, слу-
жащий для присоединения к форвакуумному насосу.
Байпасный трубопровод — вакуумный трубопровод, предна-
значенный для откачки сосуда, минуя высоковакуумный насос.
Гребенка — трубка с рядом отростков, предназначенная для
присоединения нескольких откачиваемых сосудов.
Вакуумный шлюз — устройство для введения в вакуумную си-
стему или удаления из нее различных предметов без нарушения
вакуума.
Вакуумный шланг — гибкая не деформирующаяся под действи-
ем атмосферного давления трубка, служащая для соединения от-
дельных элементов вакуумной системы.
Вакуумный клапан — устройство, позволяющее регулировать
или полностью перекрывать поступление газа в вакуумную сис-
тему.
Вакуумный затвор — вакуумный клапан, позволяющий соеди-
нять и разобщать элементы вакуумной системы.
Вакуумный натекатель — напускной вакуумный клапан, пред-
назначенный для напуска и регулирования малых потоков газа.
Напускной вакуумный клапан — вакуумный клапан, предназна-
ченный для напуска воздуха или газа в вакуумную систему.
Вакуумный ввод — устройство для передачи в вакуумный сосуд
механической или электрической энергии.
Выхлопной фильтр — устройство, расположенное на стороне
выхода вакуумного насоса с масляным уплотнением и предназна-
ченное для очистки выхлопного газа от масляного тумана.
Ловушка — устройство, в котором парциальное давление ком-
понентов газопаровой смеси понижается механическим, физиче-
ским или химическим способом и уменьшается проникновение
паров или газов из одной части откачной системы в другую.

9

Конденсационная вакуумная ловушка — ловушка, действие ко-
торой основано на конденсации паров и газов на внутренних охла-
ждаемых поверхностях (по способу охлаждения различают водя-
ные, азотно-водяные, фреоновые, термоэлектрические и другие
конденсационные ловушки, по месту расположения в вакуумной
системе — конденсационные форвакуумные и высоковакуумные
ловушки).
Сорбционная вакуумная ловушка — ловушка, действие которой
основано на сорбции паров и газов поверхностью пористого сорбента (
по применяемому сорбенту различают цеолитовые, угольные, 
силикагелевые и другие сорбционные ловушки, по месту расположения 
в вакуумной системе — сорбционные форвакуумные
и высоковакуумные ловушки; сорбент может охлаждаться водой,
жидким азотом и др.).
Ионная вакуумная ловушка — ловушка, в которой для удаления
определенных компонентов газовой смеси используют их ионизацию.

Маслоотделитель — устройство, предназначенное для отделения 
газа от масла.
Предельное остаточное давление — наименьшее давление,
которое может быть достигнуто в определенных условиях при
использовании конкретных устройств для откачки.

2. ВАКУУМНАЯ СИСТЕМА И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

2.1. Процесс откачки

Создание условий вакуума в замкнутых объемах основывается
на методах изменения количества газа в системе.
Уменьшение количества газа в замкнутом объеме возможно в
результате механического перемещения газа и связывания газа на
некоторой поверхности или в объеме. В вакуумируемый объем по-
стоянно поступает поток газа через неплотности системы (дефекты
в материале стенок вакуумной камеры, неплотности разъемных и
неразъемных соединений) при десорбции с поверхностей и прони-
цаемости стенок вакуумной системы.

10