CC BY
114
УДК 621.373.002
Я.В. Перевозникова, В.И. Воронин, Г.В. Конюшков
КАМЕРНО-ШТЕНГЕЛЬНАЯ ОТКАЧКА ВАКУУМНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
Проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых была увеличена эффективная быстрота и сокращено время откачки вакуумных
конденсаторов за счет использования камерного способа. По сравнению с конденсаторами, откачанными штенгельным способом, электрическая прочность между обкладками повысилась на 10-15%, а длительность откачки сократилась в 4-5 раз, что привело к снижению энергозатрат на
33,7 кВт-ч при изготовлении одного прибора.
Ya.V. Perevoznikova, V.I. Voronin, G.V. Konyushkov CHAMBER-EXHAUST TUBE EVACUATION OF VACUUM CAPACITORS
The article presents theoretical and experimental researches because of which effective pumping speed increased and time of vacuum capacitors evacuation at the expense of the exhaust tube method was reduced. In comparison with capacitors evacuated by chamber-exhaust method, electrical strength of insulating gasket reduced four...fivefold, resulting in power consumption of 33.7 kW/h reduce for one device.
Откачка является одной из основных операций, формирующих выходные параметры электровакуумных приборов (ЭВП). Обезгаживание оболочки и внутренней арматуры является длительным и ответственным процессом, в результате которого должно быть не только получено заданное разрежение в приборе, но и обеспечены условия, исключающие повышение давления при его эксплуатации и хранении.
Вакуумный конденсатор представляет собой ЭВП, состоящий из медных и керамических деталей (рис. 1).
-Щ.
I
S
giB
Ш
g
а
б
Емкость конденсатора зависит от
Рис. 1. Схематическое изображение площади обкладок. Уменьшение размеров
вакуумного конденсатора при откачке
}} ^ ^ , . конденсатора приводит к уменьшению
через штенгель обычной длины (а) ^ ^ ■’
и через короткий штенгель (б) расстояния между обкладками. Так, в
исследуемом типе конденсатора расстояние
между обкладками составляет 0,3 мм при общей
площади обкладок около 0,1 м2. Столь малые расстояния и большие напряжения
обусловливают использование сверхвысокого вакуума во внутренней полости
конденсатора, исключающего возможность его ухудшения при эксплуатации прибора.
Добиться этого можно лишь при достаточном обезгаживании внутренних обкладок и
корпуса конденсатора.
Одним из эффективных способов улучшения степени обезгаженности внутренней арматуры является камерная откачка приборов с разнесением частей или через короткий штенгель [1] с герметизацией в конце процесса откачки диффузионной сваркой или пайкой. Авторы работ [2, 3] теоретически и экспериментально исследовали возможность использования камерного способа откачки (через короткий штенгель) вакуумных приборов с целью улучшения их качества и сокращения времени обработки прибора на откачном посту.
По существующему технологическому процессу предусматривается откачка конденсатора через штенгель диаметром 2 мм и длиной 40 мм и два отверстия диаметром 4 мм (рис. 1, а). Условия эвакуации газов из пространства между обкладками конденсатора крайне неудовлетворительные, даже если не учитывать сложную траекторию движения частиц газа при эвакуации.
Из вакуумной техники известно, что эффективная быстрота откачки объекта 8ЭФ зависит от проводимости вакуумной системы иС и быстроты откачки насоса £Н. При условии 8Н>>иС, которое обычно имеет место в вакуумных системах установок, эффективная быстрота откачки объекта зависит от проводимости вакуумной системы и эвакуационных каналов, т.е. 8ЭФ&иС. Увеличивая проводимость эвакуационного канала, можно увеличить и эффективную быстроту откачки объекта. Проводимость эвакуационного канала при откачке конденсатора через штенгель составляет 0,03 л/с [4].
Для применения камерной откачки была изменена конструкция вакуумного конденсатора (рис. 1, б). Проводимость эвакуационных каналов при откачке конденсатора через короткий штенгель составляет около 3 л/с: короткий штенгель диаметром 5 мм и три отверстия диаметром 5 мм каждое.
Таким образом, эффективная быстрота откачки конденсатора через короткий штенгель увеличивается примерно в 100 раз.
Давление в приборе, создаваемое в процессе откачки, зависит от соотношения между величиной газового потока QЗ через зазор иЗ и величиной суммарного потока газовыделения Qz во внутреннюю полость прибора. Наилучшие условия создаются в том случае, когда проводимость зазора обеспечивает отвод всех газов, выделяющихся из внутренней арматуры прибора.
При заданных допустимых значениях давления в приборе РПР в период его обработки на откачном посту это отношение может быть определено из условия [1]:
& = & . (1)
Проводимость зазора при камерном способе откачки определяется следующим образом:
и = ие • & . (2)
3 ие • Р1в -
Это уравнение позволяет определить оптимальную проводимость зазора между оболочкой и заглушкой конденсатора при известных температуре обезгаживания прибора, времени подъема температуры и допустимом давлении в приборе РПР. Учитывая, что
после удаления воздуха из прибора основным источником газовыделения являются внутренние детали прибора, можно считать, что суммарный газовый поток равен потоку газовыделения из этих деталей &Д. Величина газового потока составляет примерно 8-10-2 л-Па/с [5].
Время подъема температуры обычно определяется конструктивными особенностями изделия, в данном случае - наличием
металлокерамических спаев и тонких пластин обкладок, подвергающихся деформации при большом градиенте температур. Для таких узлов скорость подъема температуры составляет 10-15 град/мин, т.е. время подъема температуры от 293 до 873 К равно примерно 3600 с. Максимальный газовый поток наблюдается обычно при
максимальной температуре обработки прибора, поэтому время достижения максимальной
температуры подставляется в расчетную формулу. Допустимое повышение давления в конденсаторе РПР определяется из условия отсутствия пробоя, повышения давления и отсутствия окисления внутренней арматуры. Это давление может быть принято равным 5-10-2 Па.
Проводимость вакуумной системы установки около 400 л/с.
Подставляя полученные значения в формулу (2), определяем проводимость зазора,
Рис. 2. Образец для отработки режима герметизации конденсатора диффузионной сваркой:
1 - макет оболочки; 2 - заглушка;
3 - детали технологической оснастки
при которой все газы, прибора,
откачиваться вакуумной составляет примерно 1,6 схема камерной откачки
выделяющиеся из будут
системой. Она
л/с. Разработанная конденсатора через
Рис. 3. Схема технологического процесса откачки вакуумного конденсатора через короткий штенгель:
1 - вакуумный конденсатор;
2 - заглушка; 3 - технологическая камера; 4 - нагреватель; 5 - механизм сварки;
Р - усилие сварки
короткий штенгель (рис. 2) обеспечивает величину проводимости иЗ около 3 л/с, что создает оптимальные условия
эвакуации газов из внутренней полости конденсатора.
Оболочка конденсатора и заглушка короткого штенгеля изготавливаются из меди МБ.
Разработаны режимы диффузионной сварки образцов меди [3]. Диффузионная сварка образцов конденсаторов (рис. 2) осуществлялась в камере серийной установки УДС-2 (рис. 3).
Учитывая, что предельное давление в технологической камере обеспечивается параметрами вакуумной системы установки, а максимальная температура обусловлена конструкцией конденсатора, режим диффузионной сварки оптимизировался за счет изменения удельного давления сварки в пределах 15-25 МПа. При этом вакуум в сварочной камере достигал (2-5)--10-3 Па, температура сварки составляла 873±10 К.
За критерии оптимальности режима сварки принимались достаточная прочность соединения и деформация короткого штенгеля и заглушки конденсатора не более 15-20%. Прочность сварного соединения оценивалась путем разрыва образцов.
После определения оптимального режима диффузионной сварки деталей конденсатора производилась откачка опытной партии изделий. Во время обезгаживания
конденсаторов периодически (через 30 мин) измерялась величина газового потока из конденсатора методом накопления [6]. Общее время, необходимое для обезгаживания конденсатора, определялось расчетно-экспериментальным путем. Критерием годности откачанных приборов служила величина напряжения на обкладках (до пробоя межэлектродного промежутка). Напряжение на обкладки конденсатора подавалось плавно.
Удельное давление сварки 15-22 МПа приводит к получению прочного и вакуумноплотного соединения (вакуумная плотность образцов проверялась на течеискателе ПТИ-10). При времени сварки 20 мин прочность образцов на растяжение составляла 180230 МПа. Увеличение удельного давления до 25 МПа приводит к увеличению прочности соединения образцов (выше прочности основного материала), но при этом значительно увеличивается деформация образцов (до 30-40%). Наблюдается также деформация технологической оснастки, изготовленной из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Разнесение частей прибора позволяет провести процесс диффузионной сварки при пониженной температуре. Это объясняется тем, что поверхности свариваемых деталей очищаются за счет частичной возгонки окислов при нагреве в вакууме.
За оптимальный для данного прибора был принят следующий режим герметизации: температура 873 К, удельное давление 20 МПа, время сварки 20 мин, давление в
_3
технологической камере 1,2-10 Па.
Технологический процесс вакуумно-термической обработки конденсаторов состоит из операций нагрева, обезгаживания, герметизации и охлаждения (рис. 4). После загрузки прибора, герметизации камеры и откачки ее до давления 5-10_3 Па производился нагрев прибора до температуры 923 К со скоростью около 10 град/мин. В процессе откачки наблюдалось незначительное повышение давления при температурах 473 и 873 К, что объясняется удалением адсорбированных паров воды и газов с поверхностей технологической оснастки и прибора.
При температуре 923 К прибор обезгаживался. Общее время, необходимое для обезгаживания прибора, рассчитывалось по формуле [3].
Р - Р
Т1Аи =Т -18 0 __ ^ , (3)
^ШО ЦвАА
где т1 _ постоянная времени обезгаживания, представляет собой время уменьшения газового потока из прибора на порядок; Р0 _ начальное равновесное давление, устанавливающееся в камере при полностью или частично прекращенной откачке; РПРЕд _ предельное давление, достигаемое в вакуумной системе установки (в технологической камере); РОСТ _ допустимо остаточное давление в приборе в конце процесса откачки.
Время уменьшения потока газов из прибора на порядок составляло примерно 0,8 ч, равновесное давление имело значение 3-10_ Па, предельное давление в технологической камере 1 -10_3 Па. С учетом этих значений общее время обезгаживания конденсатора равно примерно 2,4 ч. Эта величина практически совпадает с оптимальным временем обезгаживания, определенным экспериментальным путем (рис. 4).
При вакуумно-термической обработке конденсатора через каждые 0,5 ч прекращалась откачка и методом накопления определялась величина газового потока.
Экспериментальным путем находились сначала величина газового потока из технологической оснастки QфОН, затем величина газового потока при откачке конденсатора
Ш-
^ ^БЩ _ ^ОН . (4)
При этом делалось допущение, что весь измеренный поток газа выделяется из внутренней арматуры прибора, площадь которой более чем в 100 раз превышает площадь внешней поверхности прибора.
Достаточным считалось время обезгаживания, при котором градиент газового потока AQ/Ax=0, т.е. при двух последующих измерениях
уменьшения газового потока ÁQд и bQooH будут равны. Как для прибора, так и для
технологической оснастки,
оптимальное время
обезгаживания составило около 3
ч.
После окончания
обезгаживания температура
снижалась до 873 К и прибор герметизировался в течение 20 мин при удельном давлении сварки 20 МПа. Затем нагревательная система отключалась и происходило естественное охлаждение прибора и оснастки. Усилие сварки снималось при температуре 573 К, выгрузка прибора из камеры при температуре 373-400 К.
Откачка и испытание опытной партии конденсаторов показали, что применение разработанной технологии позволяет получить конденсаторы с высокой электрической прочностью между обкладками (см. таблицу) при сокращении цикла откачки в 4-5 раз. Таким образом, при установленной мощности установки 12,5 кВт при откачке двух конденсаторов одновременное снижение энергозатрат составило 33,7 кВт-ч на изготовление одного прибора.
Результаты откачки конденсаторов через короткий штенгель представлены в
таблице.
Температура сварки, К Время нагрева, мин Время обезгаживания, мин Время сварки, мин Удельное давление сварки, МПа Напряжение пробоя, кВ
ВУЗ 65 1В0 20 25 22
ВУЗ 6В 1В0 20 20 24
ВУЗ 55 1В0 20 22 2З
ВУЗ У0 1В0 20 22 20
Выводы
1. Теоретически и экспериментально обосновано применение камерного способа откачки вакуумных конденсаторов через короткий штенгель.
2. Камерный способ откачки вакуумных конденсаторов через короткий штенгель позволяет на два порядка улучшить условия эвакуации газов из прибора (при откачке и герметизации диффузионной сваркой на серийном оборудовании).
Рис. 4. Изменение давления в технологической камере РК, температуры ТСВ, удельного давления сварки Рс, газовых потоков из технологической оснастки ОФОН и прибора Од при откачке конденсатора:
А - откачка; Б - нагрев; В - обезгаживание;
Г - герметизация; Д - охлаждение; Е - выгрузка
3. Использование разработанных режимов позволило повысить электрическую прочность вакуумного промежутка конденсатора на 10-15% при одновременном сокращении длительности откачки в 4-5 раз, что привело к снижению энергозатрат на
33,7 кВт-ч при изготовлении одного прибора.
4. Для оборудования с диффузионным насосом оптимальным режимом откачки и
герметизации является следующий: ТСВ=873 К, время нагрева - 68 мин, время
обезгаживания - 180 мин, время сварки - 20 мин, давление сварки - 20 МПа, давление в
-3
технологической камере - 1,240 Па.
ЛИТЕРАТУРА
1. О некоторых особенностях камерной откачки электровакуумных приборов с разнесением частей / В.И. Воронин, В.А. Антонов, Д.С. Дудников, Р. А. Полякова / ЦНИИ «Электроника». Саратов, 1974. 9 с. Деп. в ВИНИТИ № 2606/74.
2. Конюшков Г.В. Диффузионная сварка в электронике / Г.В. Конюшков, Ю.Н. Копылов. М.: Энергия, 1974. 167 с.
3. Воронин В.И. О применении низкотемпературной диффузионной сварки для герметизации электровакуумных приборов / В. И. Воронин, В. А. Антонов, В. В. Заветный // Электронная техника. Сер. Технология и организация производства. 1968. Вып. 8 (25). C. 41-45.
4. Дэшман С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. М.: Мир, 1964.
715 с.
5. Пипко А.И. Конструирование и расчет вакуумных систем / А.И. Пипко, В .Я. Плисковский, Е.А. Пенчко. М.: Энергия, 1970. 504 с.
6. Волчкевич А.И. Кинетика обезгаживания материалов в вакууме ДЭ-712 / А.И. Волчкевич. М.: ЦНИИ «Электроника», 1973. 15 с.
Перевозникова Яна Валерьевна -
ведущий инженер-технолог ООО «СЭПО-ЗЭМ», г. Саратов
Воронин Валерий Иванович -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Электронное машиностроение и сварка» Саратовского государственного технического университета
Конюшков Геннадий Владимирович -
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Электронное машиностроение и сварка»
Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 12.10.07, принята к опубликованию 15.01.08
