Содержание к диссертации
Условные обозначения 4
Введение 6
1. Общие положения 14
Тенденции изменения подходов к проектированию вакуумного оборудования и систем на его основе 15
Комплексный подход для анализа вакуумных систем 16
2. Обзор методов расчета характеристик вакуумных систем 19
Методы расчета проводимости в молекулярном режиме 20
Методы расчета проводимости в вязкостном режиме 24
Методы расчета проводимости в переходном (молекулярпо-вязкостном) режиме течения 25
Аналитические методы расчета параметров вакуумных систем в переходном режиме течения 26
Решение задач газовой динамики с использованием кинетического уравнения Больцмана 30
Метод Монте-Карло и его вариации 33
Некоторые примеры расчета с использованием различных методов 35
Области использования методов молекулярной газовой динамики 38
Вывод 39
3. Методы экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем 41
3.1. Методы определения значения потока газа 41
Метод накопления 42
Метод накопления с перепусканием газа в калиброванный объем 42
Метод накопления газа с анализом динамики измерения давления во времени 43
Метод калиброванного сопротивления и двух манометрических датчиков 45
Метод двух калиброванных сопротивлений и одного манометрического датчика 46
Метод эквивалентного потока 46
Метод суммирования потоков 47
3.2. Методы измерения значения давления газа 49
Тепловые вакуумметры 50
Электронные ионизационные вакуумметры 50
Магнитные газоразрядные вакуумметры 52
Емкостные высокоточные датчики давления '. 53
3.3. Выводы 55
4. Экспериментальные исследования характеристик вакуумных систем 56
Типовая экспериментальная установка для измерения характеристик вакуумного оборудования 56
Описание созданной экспериментальной установки и сценария измерений 56
Пример анализа экспериментальных данных 59
Результаты экспериментов и их обсуждение 65
Выводы 68
5. Программный комплекс для автоматизации процессов проектирования и модернизации
вакуумного оборудования 69
5.1. Анализ вакуумных характеристик систем 69
Расчет вакуумных характеристик системы 69
Нахождение оптимальных конструкций вакуумных систем 70
Модернизация программного комплекса 71
Экспресс-анализ вакуумной системы 73
Автоматизированная система анализа тепловых характеристик вакуумной системы 74
Проектировочные расчеты вакуумной арматуры и соединительных элементов вакуумных систем с помощью предложенного комплекса 76
5.3.1. Расчет проводимости сложного трубопровода 76
Примеры расчета проводимости 78
Выводы 81
5.4. Анализ сложного вакуумного оборудования с помощью предложенного программного
комплекса 82
6. Примеры использования предлагаемых подходов в задачах проектирования и модернизации
сложных вакуумных систем .' 85
6.1. Оптимизация вакуумного оборудования 85
Вакуумные ловушки 85
Крионасосы 103
Вывод 107
7. Выводы по работе 109
Литература 113
Приложение 1. Анализ современного состояния рынка оборудования систем создания и
поддержания вакуума 122
П1.1. Объем и структура рынка вакуумного оборудования 122
П1.2. Основные тенденции рынка вакуумного оборудования 125
П1.3. Основные направления развития вакуумных систем 127
П1.4. Выводы 130
Приложение 2. Документы, удостоверяющие точность использованного экспериментального
оборудования 132
Условные обозначения
Кп -число Кнудсена;
Т - температура, К;
р - давление газа, Па;
ивяз - проводимость системы в вязкостном режиме течения, м /с;
им0л - проводимость системы в молекулярном режиме течения, м3/с;
Un- проводимость системы в переходном режиме течения, м /с;
(pi - Р2) - разность давлений на концах трубопровода, Па;
М - молекулярная масса газа, кг/моль;
Z - поправочный коэффициент;
R - радиус канала, мм;
L - длина канала, мм;
у) - вязкость газа, Н*сек/м ;
р - плотность газа, кг/м3;
F - площадь входного сечения трубопровода, м2;
к - коэффициент Клаузинга;
п - количество элементов вакуумной системы;
Uy - суммарная проводимость всей системы, м3/с;
Uoi - проводимость і-го канала, м3/с;
kj - коэффициент Клаузинга для і-го канала;
U0 - проводимость уплотнения в целом, м3/с;
S - быстрота откачки объекта, м3/с;
SH - быстрота действия насоса, м3/с;
кв=1.38-10-23 — постоянная Больцмана, Дж/К;
Ду- условный диаметр крионасоса, мм;
Бпан - коэффициент лучеиспускания панелей;
сср - коэффициент лучеиспускания среды;
Р - коэффициентов прилипания;
Yi - угол наклона колец ловушки, находящихся со стороны откачиваемого объема, град;
Li -высота колец ловушки, находящихся со стороны откачиваемого объема, мм;
Y2 - угол наклона колец ловушки, находящихся со стороны насоса, град;
hi -высота колец ловушки, находящихся со стороны насоса, мм;
1 - характерный линейный размер, мм;
N - общее число насосов;
Кклауз - коэффициент Клаузинга;
х - время, с;
Кзахв - коэффициент захвата;
X - длина свободного пробега, м;
а - погрешность величины, полученной в расчете;
ап - относительная погрешность, %.
Введение к работе
Вместе с активным развитием вакуумного оборудования и постоянным расширением областей его использования современные наука и технология предъявляют новые требования к процессам разработки и эксплуатации вакуумных систем, связанные прежде всего со снижением затрат, унификацией и универсализацией этих процессов с целью дальнейшего распространения на новые рынки и развития уже завоеванных позиций.
Это выражается, прежде всего, в стремлении производителей вакуумного оборудования разрабатывать максимально универсальные решения, с целью минимизации издержек на их адаптацию для конкретной области или сегмента рынка. Например, разрабатывая крионасосы для нужд микроэлектронной промышленности, производители стараются заложить в их конструкцию максимально возможный потенциал, который позволит использовать эти крионасосы и в ряде других областей без существенной модернизации. Путем простого масштабирования те же самые конструкции с успехом используются в термоядерной энергетике, нанотехнологических процессах, установках физики твердого тела, системах имитации космического пространства и т.д. При этом технологический процесс изготовления этого вакуумного оборудования, как и концепция его эксплуатации не меняются. Таким образом достигается существенное снижение затрат на разработку и дальнейшую адаптацию вакуумных систем для той или иной области -фактически разрабатывается одно универсальное решение, которое потом модифицируется в соответствии с требованиями того или иного приложения.
Используя традиционные подходы к разработке и проектированию оборудования, выливающиеся зачастую в последовательные экспериментальные исследования различных предлагаемых решений, затруднительно добиться существенного снижения потребления технологических и экономических ресурсов. Это ведет к активному развитию альтернативных подходов проектно-конструкторской работы - прежде всего, к повышению значения проектировочных расчетов и численных экспериментов, что позволяет с одной стороны уменьшить время разработки решения, а с другой - снизить затраты на исчерпывающие натурные экспериментальные исследования на этапе проектирования, ограничившись лишь теми вариантами, которые показали лучшие результаты в ходе проектировочных расчетов. Другим аспектом, влияющим на существенное увеличение роли предварительных расчетов в проектировочном процессе, является, как правило, тесная интеграция вакуумных систем с другим оборудованием, в составе которого они работают. Для того чтобы провести экспериментальные исследования на этапе проектирования необходимо создать всю установку в целом, а не отдельно только вакуумную ее часть, а это в свою очередь недопустимо, как по экономическим, так и по технологическим причинам. Например, чтобы испытать систему вакуумной изоляции катушек
тороидального поля термоядерного реактора, нужно собрать весь реактор. В такой ситуации также целесообразен выход на этап экспериментальных исследований с максимально разработанным вариантом конструкции, с тем, чтобы минимизировать дальнейшие доводки.
Еще одним фактором, также повышающим значение предварительного анализа вакуумной системы, является стремление производителей увеличить срок жизни выпускаемого продукта. Часто возникает ситуация, когда необходимо модернизировать удачную, но относительно старую конструкцию таким образом, чтобы ее характеристики оставались конкурентоспособными. Очевидно, что целями подобной модернизации кроме улучшения потребительских качеств являются и минимальные затраты на модификацию - как на этапе проектирования новой конструкции, так и в процессе ее производства. Таким образом, необходимо соблюсти баланс между максимальным увеличением производительности системы и минимальной ценой этого. Одним из более эффективных способов добиться такого баланса является активное использование проектировочных расчетов. Целями подобного анализа могут быть: получение предварительных данных о характеристиках агрегата; моделирование рабочих режимов для выявления наиболее ответственных частей проекта; оптимизация агрегата по заданным параметрам; сравнение нескольких конструкций и т. д.
Актуальность проблемы
Существующие подходы позволяют проводить анализ характеристик разреженного газа в сложных системах при свободномолекулярном режиме течения (относительное число межмолекулярных взаимодействий мало) и вязкостном режиме (течение газа определяется межмолекулярными взаимодействиями). Методики для анализа молекулярно-вязкостного (переходного) режима течения газа менее развиты и ограничиваются аналитическими подходами (как классическими [1], так и современными [2, 3]), использующими полуэмпирические зависимости, позволяющие рассчитывать лишь простые системы, или численными решениями [4-8], использование которых для анализа реальных вакуумных систем ограничивается вычислительными затруднениями.
Также необходимо отметить отсутствие сбалансированности и последовательности в применении экспериментальных средств при проектировании — зачастую разрабатываемые системы проектируются, опираясь только на экспериментальный материал, что существенно удорожает конечный продукт.
Кроме этого, многие из существующих подходов не являются универсальными в том смысле, что требуют зачастую сильной перестройки алгоритмов при изменении условий задачи (трансформация режимов течения во времени или на протяжении системы, граничных или
начальных условий). Универсальность алгоритмов расчета особенно актуальной становится в современных условиях все более расширяющегося спектра задач применения вакуума -нанотехнологии, где требуется максимальный учет сложной геометрии реальной поверхности и протекающих на ней процессов; микроэлектроника, где также наряду со сложной геометрией присутствуют различные химические процессы, требующие определения сложных граничных условий; ускорительно-накопительные комплексы и термоядерная энергетика, где вместе с учетом сложной и масштабной структуры необходимо анализировать системы в существенно неравновесных и динамически изменяющихся условиях.
Подытоживая вышеизложенное, можно сформулировать основные аспекты, характеризующие актуальность разработки единой методики анализа сложных вакуумных систем:
экономический - стремление производителей оборудования к снижению затрат, унификации и универсализации процессов разработки и эксплуатации вакуумных систем с целью дальнейшего распространения на новые рынки и развития уже завоеванных позиций;
методологический - разрозненность, половинчатость, а зачастую и незавершенность имеющихся описаний методов анализа вакуумных систем, что наряду с наличием чисто практических трудностей в освоении разветвленных и довольно громоздких математических аппаратов этих методов, а также с отсутствием универсальной схемы исследования характеристик вакуумного оборудования обуславливают сложность их непосредственного использования для анализа конкретной вакуумной системы;
технологический - необходимость развития таких идей и методов проектировочных расчетов сложных вакуумных систем, которые с одной стороны обладают максимально возможной степенью универсальности, то есть позволяют строить алгоритмы и продукты на их основе, не требующие доработки для анализа каждой конкретной системы, а с другой стороны дают возможность учитывать ключевые факторы, оказывающие существенное влияние на условия функционирования реальной вакуумной системы и обладают достаточным потенциалом с точки зрения их автоматизации и использования в технологическом процессе разработки и изготовления оборудования. Нужно отметить также, что важным звеном метода исследования является его комплексность, как с точки зрения анализа системы на разных уровнях детализации (от отдельных элементов до всей системы в целом), так и с точки зрения учета всего спектра технико-эксплуатационных и функциональных факторов, формирующих условия работы вакуумного оборудования.
Таким образом, не только разработка методики, позволяющей анализировать сложные системы, имеющие в своем составе структуры с разреженным газом, в идеальном случае, во всех диапазонах параметров газовой среды (неравновесные, нестационарные условия), но и реализация
на ее основе универсальных и автоматизированных средств анализа является актуальной задачей, требующей инновационных решений.
Цель работы
Всесторонний анализ оборудования систем создания и поддержания вакуума, как с технико-экономических, так и с проектно-эксплуатационных позиций с целью выявления основных особенностей процессов разработки, проектирования, модернизации и эксплуатации.
Обзор и сравнительный анализ существующих подходов к проектированию и расчету вакуумного оборудования с учетом следующих факторов:
структурно сложная конструкция;
наличие множества распределенных источников и стоков газа;
нестационарность и неравновесность протекающих процессов.
Обзор и сравнительный анализ методик экспериментальных исследований различных характеристик вакуумных систем и их элементов.
Разработка на основании проведенного анализа метода комплексного исследования вакуумных систем на этапе проектирования и/или модернизации, включающего методику предварительного анализа как системы в целом, так и ее отдельных элементов с учетом всех вышеуказанных технико-эксплуатационных факторов, экспериментальные исследования системы на разных уровнях детализации с целью сравнения с результатами расчетов и при необходимости корректировки моделей расчетов.
Определение основных особенностей, необходимых для проведения высокоточных экспериментальных исследований и создание на этой основе установки для таких экспериментов.
Проведение прецизионных экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем в различных условиях.
Иллюстрация предлагаемой методики на ряде актуальных задач вакуумной техники и технологии - определение проводимости сложного трубопровода, анализ характеристик крионасоса и системы на его основе, а также комплексный анализ и разработка на его основе улучшенных конструкций различного вакуумного оборудования.
Сведение совокупности всех алгоритмов и технологий в единый продукт - инструмент, позволяющий проектировщику в кратчайшие сроки проводить исчерпывающий анализ и на его основе разрабатывать более совершенные конструкции вакуумных систем без необходимости осваивать множество расчетных и экспериментальных методов исследований.
Научная новизна
Обобщены современные представления о применении разных методов для анализа различных параметров сложных вакуумных систем. Выявлены характерные типы задач, решенные
этими методами, и определены, таким образом, основные области их использования для разных приложений.
Впервые разработана и реализована установка для проведения высокоточных экспериментальных исследований вакуумных систем и на основе известных методик для нее созданы методы определения характеристик разреженного газа.
Впервые проведены прецизионные (с погрешностью не более 5%) экспериментальные исследования характеристик длинного цилиндрического трубопровода. При этом формировались условия, при которых в разных частях системы реализовывались и изменялись во времени различные характеристики разреженного газа.
На базе метода статистических испытаний разработан ряд решений и дополнений, позволяющих проводить исследование характеристик потоков частиц в сложных вакуумных системах с учетом их структурной сложности, неравновесности, нестационарности протекающих процессов. Разработаны алгоритмы и на их основе впервые реализован программный комплекс, позволяющий с одной стороны использовать все предыдущие наработки в области анализа вакуумного оборудования статистическими методами [9], а с другой дополнить их следующими возможностями:
Различные алгоритмы, позволяющие автоматизировать предлагаемую методику для ее
использования в актуальных задачах проектирования, а именно:
о автоматическое формирование нескольких вариантов конфигурации системы по
заданным пользователем критериям; о анализ тепловых характеристик системы и использование его результатов при
исследовании параметров потоков частиц; о проведение исследований системы с различными уровнями детализации - как
отдельных элементов, так и всей системы в целом.
При этом сохранена преемственность предыдущих разработок, позволяющих учитывать
и анализировать:
одновременное размещение в моделируемой структуре множественных распределенных источников и стоков газа различных типов;
определение пространственных профилей намороженных слоев на элементах вакуумной системы;
динамическое влияние роста намороженных слоев, количества накопленного сорбата и других локальных параметров на характеристики вакуумной системы;
изменение скорости частицы в зависимости от параметров взаимодействия и свойств поверхности;
моделирование процесса квазипостоянного напуска газа в анализируемую систему из произвольного числа источников различного типа. С использованием разработанного программного комплекса, имеющего модульную расширяемую структуру, впервые были решены следующие практические и исследовательские задачи:
анализ конструкции и улучшение вакуумных характеристик ловушки, используемой для ограничения потока масла в откачиваемый объем;
определение тепловых параметров вакуумных ловушек, расчет теплопритоков и подбор холодильной машины для улучшения эксплуатационных характеристик и снижения стоимости содержания.
Проанализированы методы расчета сложных трубопроводных систем и даны рекомендации по их практическому использованию.
Автор защищает
Разработанные и адаптированные решения, которые легли в основу установки для высокоточных экспериментальных исследований характеристик вакуумных систем.
Основные принципы, структуру и конструкцию созданной экспериментальной установки для проведения высокоточных исследований (с точностью около 5 %) характеристик вакуумного оборудования.
Данные экспериментальных исследований характеристик элементов вакуумных систем. Тарировочные кривые, которые могут быть использованы для тестирования расчетных методов.
Результаты сравнительного анализа различных методов расчета сложных вакуумных систем и выявленные характерные особенности использования этих методов для разных приложений.
Реализацию разработанной системы алгоритмов в качестве единого комплекса программ, позволяющего проводить проектировщику исследование характеристик вакуумных систем без необходимости осваивать сложные и разветвленные методы анализа.
Результаты решения с помощью созданного программного комплекса ряда актуальных задач физики вакуума, вакуумной техники и технологии.
Практическая ценность
Предложенная система алгоритмов и реализация подхода к комплексному исследованию вакуумных систем на этапе проектирования и/или модернизации, включающая методику предварительного анализа как системы в целом, так и ее отдельных элементов с учетом всех влияющих на нее технико-эксплуатационных факторов, позволяют проводить всесторонний анализ широкого спектра современных сложных вакуумных систем.
Кроме того, полученные в ходе решения актуальных задач вакуумной науки и техники наработки и рекомендации могут быть использованы при проектировании и модернизации вакуумного оборудования.
Предложенные алгоритмы и реализованный на их основе программный комплекс используются в учебном процессе на кафедре низких температур при чтении курса лекций «Расчет сложных вакуумных систем» и «Криовакуумная техника».
Элементы программного комплекса применяются при анализе сложного вакуумного оборудования в НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского, ОАО «Вакууммаш» (Казань, Россия), ООО НТК «Криогенная техника» (Омск, Россия), а также в компаниях Polycold Systems Inc. (США) и ВОС Edwards (Великобритания).
Разработанный единый комплекс программ, рекомендованный к использованию Российским научно-техническим вакуумным обществом для разработчиков и проектировщиков вакуумной техники, позволяет в кратчайшие сроки и с достаточной достоверностью проводить анализ вакуумных систем произвольных конфигураций для предварительного определения их характеристик, анализа наиболее влиятельных на работоспособность системы параметров, с целью оптимизации их конструкций. Модульная конструкция программного комплекса позволяет практически неограниченно расширять его возможности путем простого дополнения и добавления средств, входящих в его состав.
Разработанная экспериментальная установка может использоваться для проведения высокоточных экспериментальных исследований вакуумного оборудования при проектировании и модернизации.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов расчетов подтверждается проведенным тестированием разработанных алгоритмов на большом количестве широко известных задач и сравнением с результатами экспериментальных исследований. Кроме этого, достоверность полученных экспериментальных результатов подтверждается наличием необходимых сертификатов соответствия.
Апробация работы
Основные положения работы обсуждались на седьмой, восьмой, девятой, десятой научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2001, 2002, 2003, 2004 гг. (МЭИ, Москва), на девятой и десятой международных студенческих конференциях «Новые информационные технологии» 2001, 2002 гг. (Судак), на восьмой, девятой, десятой, одиннадцатой и двенадцатой научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 гг. (Судак), на международных
молодежных конференциях «Гагаринские чтения» 2001, 2003, 2004, 2005 гг. (МАТИ, Москва), на первой и второй российских студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технология» 2003 и 2005 гг. (Казань), на итоговой научно-технической конференции «Всероссийский конкурс на лучшие научные работы по естественным, техническим наукам (проекты в области высоких технологий) и инновационным научно-образовательным проектам» 2004 г. (Москва), на восьмой и девятой Научных сессиях МИФИ-2005 и 2006 (Москва), на шестой Международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» (Одесса, Украина), 2005.
По итогам участия в различных конкурсах за отдельные части работ автор поощрен медалью и тремя дипломами Министерства Образования РФ за лучшую научную студенческую работу, дипломом 2-й степени на девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», ценным подарком за второе место на десятой Международной молодежной конференции «Гагаринские чтения», дипломами 1-й и 2-й степени Российского научно-технического Вакуумного Общества на первой и второй российских студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технология», по итогам 2002 и 2003 года стипендиями Правительства и Президента РФ.
Элементы работы используются в учебном процессе на кафедре низких температур МЭИ в курсах лекций «Расчет сложных вакуумных систем» и «Криовакуумная техника».
Части программного комплекса применяются при анализе сложных вакуумных систем в НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского, а также в компаниях Polycold Systems Inc. (США) и ВОС Edwards (Великобритания).
Использование комплекса программ рекомендовано Российским вакуумным обществом для разработчиков и проектировщиков вакуумных систем.
Работа выполнялась на кафедре низких температур МЭИ и в лаборатории «Расчетов и дизайна» НИИ вакуумной техники им. С. А. Векшинского. Части работы выполнены совместно с ЦАГИ им. Н. Е. Жуковского.
Публикации
Материалы данной диссертационной работы изложены в 33 публикациях - 10 статьях и материалов в трудах конференций и 23 тезисах.