К третьей группе оборудования принадлежат уникальные системыускорители заряженных частиц [35 - 38], камеры для космических исследований и ряд технологических установок и научных приборов [39, 40]. Их отличие от вакуумных систем второй группы состоит в необходимости предварительной обработки и очистки материалов для вакуумных систем, длительном времени прогрева и откачки, использовании только металлических уплотнителей в разъемных соединениях. При этом время существования высокого вакуума в рабочем объеме может длиться месяцами и годами [29, 41 - 43].
Общим требованием ко всем группам вакуумного оборудования является автоматизация технологических процессов и научного эксперимента [44 - 46].
В свою очередь, требования к вакуумному оборудованию формируют требования к его элементной базе, в том числе к ВКА, которая, являясь неотъемлемой частью ВС вакуумного оборудования (например, только в одно- и двухкамерных установках число коммутационных устройств колеблется от 5 до 10, достигая 15 [20, 47]), во многом определяет его выходные характеристики. Так, производительность оборудования первой и второй групп определяется не только его конструкцией (однопозиционные установки периодического действия, установки полунепрерывного действия со шлюзовыми камерами, установки и линии непрерывного действия и др.), но и сокращением времени достижения рабочего давления, зависящим, в частности, от проводимости ВКА [48, 49].
Следует отметить и наметившуюся в последнее время в производстве изделий электронной техники тенденцию к понижению рабочего давления до 10 - 10 Па вследствие существенного влияния давления и парциального состава газовой смеси на параметры и свойства изделий [1, 19, 40], т.е. к использованию высоко- и сверхвысоковакуумного оборудования, требующего прогрева до 700 - 800 К и, следовательно, применения цельнометаллической ВКА, позволяющей сократить время достижения сверхвысокого вакуума в 2,5 раза и упростить обслуживание установок [25, 41]. С учетом отмеченного во введении критического состояния проектирования цельнометаллической ВКА целесообразно выделить для детального рассмотрения области ее применения, которые показаны на рис. I.2.
При этом, несмотря на достаточно четкую границу между группами оборудования с одинаковыми вакуумными характеристиками и условиями эксплуатации, определяющими основные свойства ВКА, к ней предъявляется множество разнообразных дополнительных требований, зависящих от конкретного случая использования, что ведет к увеличению номенклатуры ВКА, затрудняя проведение унификации и стандартизации вакуумного оборудования и повышая трудоемкость его проектирования и изготовления.
Анализ длительности технологических циклов и ресурса работы оборудования, проведенный по работам [19, 20, 24, 47, 48], позволяет судить о требуемом ресурсе и цикличности работы ВКА и показывает, что число циклов работы клапанов и затворов лежит в пределах 500 - 8000, а в ряде установок, имеющих длительность технологического процесса порядка десятков секунд (например, электронно-лучевых установок микросварки), их ресурс должен быть значительно большим - 20000 - 50000. Кроме того, особенностью ВКА является кратковременный циклический режим работы с большими промежутками между включениями: отношение времени работы к времени выстоя очень различно и в среднем находится в пределах 1 : (100 - 10000). Суммарное время нахождения механизмов ВКА в динамическом состоянии до замены уплотнительной пары составляет для ВКА с металлическим уплотнителем в среднем примерно 2 - 4 часа, для ВКА с резиновым уплотнением - 20 - 50 часов.
Снижение рабочего вакуума накладывает дополнительные ограничения на разработку ВКА, связанные с необходимостью уменьшения влияния элементов вакуумной полости ВКА на параметры технологического процесса и учета привносимой дефектности [50, 51]. При этом ряд ответственных сверхвысоковакуумных систем, взамен большого ресурса работы ВКА выдвигает на первый план требования к быстродействию и высокой надежности ее работы [37, 39].
Таким образом, анализ назначения ВКА в свете задач, решаемых современным вакуумным оборудованием, позволил сформировать следующие основные требования, предъявляемые к ВКА.
ВКА должна: иметь заданную проводимость в открытом положении; обеспечивать требуемое быстродействие; гарантировать величину натекания в закрытом положении ВКА не выше допустимой (например, соизмеримой с уровнем газопроницаемости конструкционных материалов и материала уплотнителя); допускать эксплуатацию в диапазоне температур от 77 до 800 К; минимально воздействовать на качественный и количественный состав остаточной среды в вакуумной системе; иметь достаточные ресурс работы и наработку на отказ; предусматривать возможность автоматического управления и контроля за работой; обладать минимальными габаритами и весом; обеспечивать простой монтаж и демонтаж устройства; иметь высокие технолого-экономические показатели.
I.2. Функционально-структурный анализ ВКА.
Несмотря на все возрастающую потребность в ВКА, имеющаяся по ней литература весьма скудна, разрознена и носит большей частью описательный характер. В затрагивающих данную область работах практически отсутствуют методики проектирования ВКА, недостаточны рекомендации и данные по ее расчету и конструированию [20, 29, 5154], вследствие чего разработка конкретных устройств ВКА в большинстве случаев основывается на опыте конструктора. При этом отсутствие единого научно обоснованного подхода к проектированию ВКА затрудняет создание конструкции, имеющей наилучшие характеристики по всем показателям качества, поэтому существующие вакуумные клапаны и затворы удовлетворительно соответствуют лишь 3 - 4 показателям качества, что приводит к неоправданному многообразию их конструкций.
Достоинства и недостатки существующих конструкций ВКА рассмотрим на основе анализа информации, содержащейся в литературных источниках и каталогах отечественных предприятий-разработчиков и заводов-изготовителей и передовых в области вакуумного машиностроения иностранных фирм [20, 29, 51 - 67].
На рис. 1.3, 1.4 приведены примеры конструктивных схем ВКА, дающие представление о ее многообразии, на рис. 1.5 показаны основные принципиальные схемы ВКА, а на рис. 1.6 - типовые схемы ее уплотнительных пар.
Проанализируем существующие технические решения ВКА с позиций функционально-структурного подхода - реализации последовательности: цель - функция - устройство.
Плоский затвор (рис. 1.5 а, е), имеющий минимальное расстояние между присоединительными фланцами (цель), во избежание износа уплотнителя требует при перемещении улотнительного органа 1 для открывания или перекрывания проходного отверстия 2 создания гарантированного зазора между ним и корпусом 3, что приводит к необходимости осуществления в клапане двух не совпадающих по направлениям движений: перемещения уплотнительного органа 1 для открывания и перекрывания проходного отверстия 2 и герметизации уплотнительной пары (функция), а, следовательно, либо к появлению механизма 4 в вакуумной полости (рис. 1.5, а), либо к использованию двух исполнительных органов и соответственно двух вводов движения в вакуум 5,5 (рис. 1.5, е) (устройство). Оба решения существенно снижают надежность и ресурс работы устройства, а второе приводит и к усложнению управления затвором.
Отличительной особенностью схемы поворотного затвора, приведенной на рис. 1.5, б, является возможность совмещения в корпусе 3 проходного и углового взаиморасположения перекрываемых отверстий 2 (цель), а также совпадение направлений перемещения уплотнительного органа и усилия герметизации при уплотнении (функция). Однако поворотный затвор с непосредственным воздействием ведущего звена 6 на уплотнительный орган 1 (устройство) не получил широкого распространения вследствие необходимости создания значительных крутящих моментов при герметизации запорной пары.
Другие типы конструкций ВКА также обладают рядом недостатков. Работа крана (рис. 1.5, в) связана со скольжением уплотнительных поверхностей элементов 1 и 3 друг относительно друга, и, как следствие, подобные устройства имеют повышенное натекание и малый ресурс работы. К недостаткам конструкций, представленных на рис. 1.5 г, д, можно отнести использование механизма непосредственного действия [51], приводящего к повышенным массо-габаритным характеристикам автоматического привода.
Для приближенной обобщенной оценки качества конструкций ВКА, исходя из ее основного назначения, сформулированного во введении, предлагается использовать условный показатель, определяемый отношением проводимости ВКА к диаметру перекрываемого отверстия, изменение значения которого для некоторых серийно выпускаемых типов устройств приведено на рис. 1.7. Большее значение данного показателя определяет лучшую конструкцию.
Подобный показатель позволяет провести сравнение конструкций как в рамках одного типа устройств, так и сравнение устройств различных типов, а также оценить конструкции с нестандартными значениями диаметров перекрываемых отверстий. В частности можно отметить большую эффективность, по сравнению с угловыми конструкциями, конструкций с соосным расположением проходных отверстий (см. рис. 1.3 - 1.5), а среди последних - лучшие показатели плоских устройств (рис. 1.5, а). Обращает на себя внимание и трудность оптимизации конструктивных решений ВКА с малыми диаметрами условных проходов (Ду).
Изложенное позволяет сделать вывод о влиянии цели проектирования ВКА на ее рабочие функции и, как следствие, на структуру устройства. При этом можно выделить следующие основные структурные составляющие ВКА: привод, уплотнительная пара, корпус, ввод движения в вакуум и механизмы. С позиций решаемых задач целесообразно рассмотреть влияние указанных структурных элементов на показатели качества ВКА.