Rovnice kontinuity V potrubí a vývěvou musí proudit vždy stejné množství plynu. Platí

Rovnice kontinuity V potrubí a vývěvou musí proudit vždy stejné množství plynu. Platí …

pn .Vn p1.V1 p2 .V2 q1 = q2 = q3 = ... = qn ⇒ = = ... = = ... p1.S1 = p2 .S 2 = pn .S n t1 t2 tn

Vacuum Technology

J.Šandera, FEEC, TU Brno

1

Vývěvy (Vacuum Pumps) Principy čerpání: a) Stlačování a expanse plynů (pístové, vodokružné, rotační, Rootovy vývěvy) b) Tření v důsledku viskosity plynů (parní a vodní tryskové) c) Tření v důsledku difuze (parní difuzní vývěvy) d) Tření za molekulárních podmínek (molekulární, turbomolekulární vývěvy) e) Čerpání v důsledku ionisace

Vacuum Technology


2

Mezní tlak vývěvy (Lowest Pressure) p0 ... při mezním tlaku je u většiny vývěv čerpací rychlost 0 Hodnota mezního tlaku závisí hlavně na, a) „mrtvém“ prostoru ve vývěvě b) netěsnostech c) tense par maziv – nevytváří se čisté vakuum

Vacuum Technology


3

Čerpací rychlost vývěvy (Pumping Speed) Udává objem plynu čerpaný za určitou dobu [m3/sec, l/hod]

V So = t

Čerpací rychlost je buď konstantní, nebo závislá na tlaku. Při p0 je S 0

0

Efektivní čerpací rychlost – čerpací rychlost v ústí do čerpané komory

Nakreslit obrázek

Vacuum Technology

Platí:

S 0 .C S ef = S0 + C


4

Efektivní čerpací rychlost - odvození Nakreslit obrázek

Rovnice kontinuity

Platí:

p1.S 0 = pk .S ef

p1.S 0 = ( pk − p1 ).C p

Úpravou dostáváme

S 0 .C S ef = S0 + C Vacuum Technology


5

Příklady čerpacích charakteristik S ef =

S 0 .C S0 + C

So =

V t

Difůzní vývěva

Platí:

Vacuum Technology


6

Teoretická, konstrukční a skutečná čerpací rychlost Pro mechanické vývěvy platí,

Steor

⎛ p0 ⎞ = S konstr .⎜⎜1 − ⎟⎟ p⎠ ⎝

Charakteristická vlastnost mechanických vývěv – s klesajícím tlakem klesá čerpací rychlost Skutečná čerpací rychlost: Součinitel plnění vývěvy – závisí na tlaku a frekvenci

S skut = λ.S konstr Namalovat obrázek Vacuum Technology


7

Zpětný tlak (Exhaust Pressure) Tlak proti kterému může vývěva pracovat – tlak na výfuku a) Čerpají do atmosferického tlaku …. (Roughing, Backing) vývěvy ( mechanické rotační, tryskové) b) Které potřebují předvakuum ….. (difůzní, Rootsovy, molekulární) c) Které nemají výfuk ….. (Sorpční, iontové)

Vacuum Technology


8

Efektivní čerpání vývěvou 1) Případ že, C>>S0 Vodivost potrubí je mnohem větší jako efektivní čerpací rychlost v tomto případě rozhoduje o čerpání vývěva – správné C 2) Případ že, C<<S0 v tomto případě rozhoduje vodivost potrubí – nehospodárné čerpání Vacuum Technology


Transportní vývěvy nasávají a vyfukují plyn, dělí se na,

Mechanické

S přenosem impulsu

pístové, membránové

vodokružné

molekulární

rotační olejové

turbomolekulární

rootsovy

• se statorovým křídlem

tryskové

• s kolujícím rotorem

difůzní vývěvy

Vacuum Technology


10

Teorie činnosti mechanických transportních vývěv Základem je pístová vývěva – opak kompresoru Tento systém není mechanicky vyvážený – dělají se jiné konstrukce

Vacuum Technology


11

Vodokružná vývěva - velká čerpací rychlost (až 1000m3/hod - velká spotřeba vody - odolná vůči nečistotám - vhodná pro metalurgii - nejnižší tlak 5000 Pa - stejná spotřeba vody, jako kolik vyčerpá Voda ve vývěvě má následující funkce: - utěsňuje systém - odvádí teplo ze systému Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998

Vacuum Technology


- absorbuje vodu a páry 12

Membránová vývěva

Z důvod

Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998

Vacuum Technology


13

Rotační olejové vývěvy Pohyb pístu je nahrazen křídly v otáčejícím se rotoru - dosahovaný tlak – cca jednotky Pa - systém je nejčastěji uložen v olejové lázni … olej zastává funkci těsnění a mazání - často se vyrábí vícestupňové systémy - používají se jako primární vývěvy Pokud rotační vývěvy čerpají delší dobu vodní páru (ve vzduchu), pára kondensuje a vytváří s olejem emulsi která se dostává do sání a tím zvyšuje mezní tlak Vacuum Technology


14

Dvoukřídlá rotační olejová vývěva

Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991

Vacuum Technology


15

Rotační vývěva s pohyblivou přepážkou


Vacuum Technology


16

Rotační Kinney vývěva


Vacuum Technology


17

Rotační plunžrová vývěva Olej v zásobníku má za úkol mazat chladit ucpat netěsnosti Jednostupňové a vícestupňové Kombinují se s Rootsovými vývěvami Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998

Vacuum Technology


18

Trochoidální vývěva


Vacuum Technology


19

Vybavení rotačních vývěv a vlastnosti olejů • Automatické zavzdušňování vzduchem zbaveným vlhkosti a prašnosti při zastavení vývěvy • Zablokován rozběh opačným směrem • Odpojení vývěvy při přetížení • Měření provozních hodin • Teplotní čidla při přehřátí • Doplňování stavu oleje s filtrací Vlastnosti olejů: přírodní, nebo syntetické olejovité látky, musí mít definovaný teplotní rozsah, viskositu, nízkou tenzi nasycených par Vacuum Technology


20

Tryskové a parní ejektorové vývěvy – s přenosem impulsu

Dosahované vakuum je závislé na tlaku nasycených par kapaliny (vody). Při 15 0C dosahují tlaku 15 mbar Malá čerpací rychlost (30l/s) Podobnou konstrukci mají ejektory pro výrobu vakua ze stlačeného vzduchu – pro manipulátory – okamžité vypnutí vakua

Vacuum Technology


21

Rootsova vývěva vývěva s přenosem impulsu mezera mezi rotory 0,15 až 1mm otáčky rotorů 1500 až 4000 ot/min nemůže čerpat proti příliš velkému tlaku na výstupu - proč, zpětný ventil


Vacuum Technology


22

Molekulární vývěvy • vysoké otáčky rotoru (až 32 000 ot/min) předávají pohybový moment částicím plynu • molekuly plynu se pohybují v úzké mezeře mezi statorem a rotorem • jsou nahrazovány dokonalejšími turbo molekulárními pumpami Musí vzniknout molekulární podmínky

Gaede (1913) Vacuum Technology

Holweck J.Boušek, FEEC, BUT Brno

Siegbahn

23

Turbomolekulární vývěvy

Namalovat čerpací charakteristiku

. .

Vacuum Technology

J.Boušek, FEEC, BUT Brno

24

Turbomolekulární vývěvy Čerpací rychlost: Více jako 500 l/s (méně než difuzní vývěvy) Mezní tlak: 1 Pa ÷10-8 Pa (10-2-10-10 Torr) Závislost na čerpaném plynu: - vodík a helium mají vyšší rychlost částic plynu, proto zpětný proud plynu je v tomto případě vyšší než u ostatních plynů - pro vodík a helium mají tyto vývěvy nižší kompresní poměr Použití turbomolekulárních vývěv - použití pro UHV vakuum - středně drahý provoz - čistý čerpací proces, čerpájí dobře vzácné plyny - provoz vyžaduje pravidelnou drahou údržbu - jsou citlivé na zničení - velká rychlost otáčení přináší problémy s ložisky - magnetický závěs, vibrace systému - v současné době nahrazují difůzní vývěvy Vacuum Technology


25

Difůzní vývěvy - konstrukce

3-stupňová chlazená vodou Vacuum Technology

Chlazená kapalným dusíkem


26

Difůzní vývěvy Princip funkce: Ve spodní části (varník) se ohřívá kapalina, páry stoupají vzhůru, v tryskách po obvodu mění směr. Při pohybu strhávají částice čerpaného plynu Trysky jsou umístěny v několika řadách – počet stupňů vývěvy Páry kapaliny při kontaktu s chlazenou stěnou vývěvy kondensují a stékají zpět do varníku Chlazení se realizuje nejčastěji vodou. Je třeba automatika, která vyloučí vypnutí chlazení, pokud je vývěva horká Vacuum Technology


27

Vlastnosti difůzních vývěv

Čerpací rychlost: Až 2000l/sec Dosahované vakuum: 1 až 10-5 Pa, je závislé na počtu stupňů, chlazení a čerpaném plynu. Začíná čerpat až od tlaku jednotek pascalu. Používá ve spojení s rotační vývěvou Vysoká mechanická odolnost – nemá žádné pohyblivé součásti

Vacuum Technology


28

Čerpací charakteristika difůzní vývěvy

Vacuum Technology


29

Příslušenství difúzních vývěv lapače par a vymrazovačky indikace ohřevu a přehřátí opožděné vypnutí chladící vody kontrola hladiny oleje ve vývěvě (aspoň ponorná tyč) oleje – flegmatické kapaliny, nízká tense par Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991

Vacuum Technology


30

Chování materiálů při nízkých teplotách Kovy ztrácejí houževnatost a stávají se sklovitě křehkými Používají se kovy a slitiny s menší křehkostí – Cu,Al, bronzi, slitiny titanu a austenitické oceli (nerezavějící, nemagnetické) Plastické hmoty a pryž se stávají křehkými

Vacuum Technology


31

Sorpční vývěvy Vážou čerpaný plyn, Charakteristika – nemají výfukový ventil, velká čerpací rychlost, nemají pohyblivé součásti – velká životnost Kryogenní

k- kondenzační

Iontové vývěvy

Sublimační getrové

Iontové chemisorbční

k-sorbční

Vacuum Technology


32

Kryokondenzační vývěvy

Při přerušení chlazení se uvolní velké množství plynů, je třeba přetlakový pojistný ventil Omezená čerpací doba, čerpá dokud se chladicí elementy nepokryjí kondenzátem Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991

Vacuum Technology


33

Kryogenní (kryokondenzační) vývěvy

Vacuum Technology


34

Charakteristika kryogenních (kryokondenzačních) vývěv Charakter čerpání: • čerpací rychlost až 10 000 l/s, čerpají inertní plyny, vodík • čerpací rychlost je omezena efúzní vodivostí otvoru • velký povrch – velká čerpací rychlost (11 l/cm2) • tlaky 10-1Pa až 10-9Pa • začíná čerpat po dodání kapalného plynu do zásobníku • jednoduchá obsluha, jednoduchá konstrukce • drahý provoz – vyžadují dusíkové hospodářství • omezená doba provozu, je třeba regenerovat Vacuum Technology


35

Kryosorpční vývěvy

Konstrukce: Válcová nádoba naplněná zeolitem, ponořená do Dewarovy nádoby s kapalným dusíkem. Uvnitř nádoby jsou hliníková křídla pro lepší přestup tepla do objemu zeolitu Vacuum Technology


36

Kryosorbční vývěvy Náplň – krystalické látky na bázi hlinitokřemičitanů (Zeolity) 1g zeolitu má účinný povrch až 700m2 Po vyčerpání následuje regenerace náplně při teplotě 600 oC


Vacuum Technology



37

Použití sorpčních, kryosorpčních vývěv • pro vědecké aplikace, UHV vakuum • použití tam, kde je třeba velká čerpací rychlost • vyrábí čisté vakuum • mezní tlak až 10-9 Pa • maximální čerpací rychlost, závisí na konstrukci vývěvy (velkou roli hraje velikost vstupního otvoru) • čerpací rychlost roste s klesající teplotou • třeba regenerovat při teplotě cca 300 oC, tlak se může zvýšit více jako na 100 Pa

Vacuum Technology


38

Iontové vývěvy Princip: Ionizovaný plyn se zachycuje na záporně nabité elektrodě, tím se zmenšuje počet částic v objemu. - pro zvýšení účinnosti se ionizace kombinuje s sorpcí a getrováním + ……. účinnost čerpání (ionizací)

i k= p S 0 = β .k

……. konstanta β je dána konstrukcí vývěvy (Torr.l/sec.A) maximální hodnota je,

β max

e .. náboj elektronu

1 = = 0.191 en

n .. množství molekul v 1l plynu při p = 1 torr při 20 oC, n=3,27 x 1019 (1/Torr.l) i+.. proud iontů Iontové vývěvy musí začít čerpat až od tlaku cca 10-2 torr, jinak je ionizační proud vysoký a vývěva se příliš ohřívá Vacuum Technology


39

Sublimační getrové vývěvy Založeny na principu adsorpce a chemické vazby V nádobě sublimuje Ti getr na co největší plochu plástě. Potom chemická vazba plynů (O2, N2, H2), nebo fyzikální adsorbce na stále se obnovující povrch Ti Odpařování může být kontinuální, nebo impulsní, elektronovým paprskem Pokud je vrstva chlazena – kryosublimační vývěva Reakční schopnost plynu se zvyšuje ionizací plynu Proč se používá titan: - Vysoká chemická reaktivita - Nízká tense nasycených par (10-8Pa) - Vývěvy nečerpají inertní plyny

Obr. Herbův orbitron Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991

Vacuum Technology


40

Sublimační getrové vývěvy – podmínky správné funkce - maximální

čerpací tlak 10-1 Pa

-střední volná dráha částic plynu musí být větší než vzdálenost výparníku a stěn vývěvy - při vysokých tlacích čerpají špatně – je vysoká spotřeba titanu a nízká životnost - čerpání je selektivní, dobře čerpá O2,N2, vodní páry, - je vhodná pro HV a UHV aplikace

Vacuum Technology


41

Naprašovací iontové vývěvy Princip čerpání: Naprášené atomy titanu adsorbují reaktivní plyny, inertní plyny jsou ionizovány a zachycovány na katodě Charakteristika: • čerpají v libovolné poloze, netřeba zkapalněné plyny • vyrábí čisté vakuum, bez organického znečistění • velká spolehlivost • čerpaci rychlost více jako 500 l/s • rozsah tlaků je 10-2 až 10-7 Pa • čerpají od 1 Pa Vacuum Technology


42

Naprašovací iontové vývěvy - konstrukce Princip čerpání: Anoda je komorová. Mezi anodou a katodou (5 až 7 kV) hoří doutnavý výboj. Naprášené atomy titanu adsorbují reaktivní plyny, inertní plyny jsou ionizovány a zachycovány na katodě, dráha letu ionizovaných plynů je prodloužena magnetickým polem

Source:A.Roth, Vacuum Technology,Elsevier Science B.V. Amsterdam 1990

Vacuum Technology


43

Naprašovací iontové vývěvy - konstrukce

Vacuum Technology


44

Triodová iontová vývěva Konstrukce, která umožňuje čerpat argon. Katoda má tvar mřížky, naprášený Ti prochází přes katodu na stěnu vývěvy, stejně jako ionty plynu, které se zachycují na naprášeném Ti.

Vacuum Technology


45

Vacuum Technology


46

Měření čerpací rychlosti - metoda konstantního tlaku

patm .V q= t patm .V q S0 = = pk t . pk

• do vakuové komory se pouští definované množství plynu … proud q • tlak měříme vakuometrem • proud plynu se měří z úbytku objemu plynu v kalibrované byretě obvykle při atmosférickém tlaku Vacuum Technology


47

Měření čerpacích rychlostí – metoda konstantního objemu Normalizovaná hermetická komora objemu V, pro stanovení čerpacích rychlostí difúzních vývěv. Musí mít dostatečný objem, aby čas byl měřitelný.

Zdroj: J.Groszkowski, Technika vysokého vakua, SNTL 1981

Řešením diferenciální rovnice dostáváme

Vacuum Technology

p1 S 0 .(t 2 − t1 ) = V . ln p2

dp p.S 0 = −V dt

V p1 S 0 = 2,303. log t 2 − t1 p2


48

Časy potřebné k vyčerpání na žádaný tlak

p1 − p0 V t = t 2 − t1 = . ln S0 p 2 − p0 Tento vztah platí do tlaků cca 0,1Pa, potom se začne uplatňovat hlavně desorpce ze stěn. Vacuum Technology


49

Minimální tlaky dosažitelné v reálné vakuové aparatuře Minimální dosažitelný tlak závisí na čerpací rychlosti vývěvy, mezním tlaku vývěvy a na velikostech zdrojů proudu plynu v komoře

pmin

qcelk qdes + q perm + qdif + qtechn + qnet = p0 + = + p0 S ef S ef

Největším problémem je při nízkých tlacích desorpce

Vacuum Technology


50

Schéma vakuové aparatury

Vacuum Technology


51

Rovnice kontinuity V potrubí a vývěvou musí proudit vždy stejné množství plynu. Platí

Recommend Documents