Získávání nízkých tlaků Vývěvy s přenosem hybnosti Princip činnosti : Molekulám čerpaného plynu se uděluje přídavná hybnost v takovém směru, aby se pohybovaly ve směru čerpání, tj. z čerpaného objemu směrem k výstupu vývěvy. Této změny hybnosti se dosahuje - nárazem na pohybující se pevnou látku - difúzí do proudu nosné páry. V prvním případě se molekuly čerpaného plynu se dostávají do interakce s povrchem rotoru. Doba setrvání na povrchu je vzhledem k rychlosti interakce a materiálu rotoru (obvykle nerezová ocel) prakticky 13 nulová ( S 10 s ) a molekuly se odrážejí podle zákonů mechaniky (úhel dopadu ~ úhel odrazu). Tato interakce způsobuje předání hybnosti molekulám v takovém směru, aby se pohybovaly od vstupu z čerpaného objemu směrem k výstupu vývěvy.
Získávání nízkých tlaků Připomínáme, že rychlosti tepelného molekul se blíží 1000 m.s-1 a proto je nezbytné, aby obvodová rychlost rotoru v místě interakce byla řádově stejně velká. Ve druhém případě se využívá difúze čerpaného plynu do proudu rychle se pohybující páry pracovního média. Vlivem srážek molekul plynu s molekulami páry získávají vysokou rychlost i molekuly plynu. Páry média spolu s čerpaným plynem pak postupují do difuzéru, v němž se zpomalí a jejich tlak vzroste. I když se intenzivně pracuje na vývoji tohoto druhu vývěv, nebyla doposud postavena vývěva, která by měla výstupní tlak rovný tlaku atmosférickému. Proto za ně musí být zařazena předčerpávající vývěva (rotační, šroubová), která čerpaný plyn stlačuje na tlak převyšující tlak atmosférický.
Získávání nízkých tlaků Rootsovy vývěvy Rootsovy vývěvy mají dva rotory otáčející se proti sobě. Tyto rotory mají takový tvar, aby při jejich otáčení nevznikla mezi stěnou a rotory, ani mezi rotory a stěnou mezera. Těsnění je zajištěno přesností výroby. Mezi lopatkami navzájem, ani mezi lopatkami a rotorem neexistuje tření, nejsou tedy zapotřebí žádné mazací, ani těsnící látky. Převodovka, která je nutná pro synchronizaci pohybu rotorů je umístěna mimo prostor vývěvy. To znamená, že vývěva nemůže být znečišťována ani parami oleje z převodovky.
Získávání nízkých tlaků
Získávání nízkých tlaků
Získávání nízkých tlaků Otáčky rotorů jsou v rozmezí1500 až 3000 min-1. Pokud je tlak natolik nízký, že proudění v mezerách mezi rotory a skříní je molekulární, čerpací rychlost je vysoká. Při přechodu na proudění viskózní roste vakuová vodivost a čerpací rychlost rychle klesá. Tím je dán maximální možný výstupní tlak Rootsových vývěv. Obvykle se používají jako boostery ve velkých čerpacích systémech – pomocné vývěvy zvyšující čerpací rychlost rotačních nebo šroubových vývěv.
Získávání nízkých tlaků Turbomolekulární vývěvy V současné době nejčastěji používané vývěvy pro dosažení vysokého a velmi vysokého vakua. Čerpací systém je tvořen soustavou lopatkami opatřených rotorů a statorů. Molekuly čerpaného plynu dopadají na lopatky rotoru prvního stupně a po krátké době rotor opouštějí s rychlostí složenou z rychlosti tepelného pohybu a obvodové rychlosti rotoru.
Získávání nízkých tlaků Molekuly pokračují do oblasti statoru, jehož opačně natočené lopatky usměrní pohyb molekul ve směru osy otáčení rotoru. Tím se dostanou do oblasti druhého stupně rotoru a proces usměrnění jejich pohybu axiálním směrem pokračuje. Technické problémy : Obvodová rychlost rotorů musí být řádově rovna rychlosti tepelného pohybu. Např. pro dusík je va přibližně 480 m.s-1. To znamená, že rotor malé vývěvy o průměru 10 cm musí mít otáčky 90 000 min-1. Pro větší vývěvy sice potřebné otáčky klesají s průměrem, ale momenty setrvačnosti a tím i dynamické problémy rostou se čtvercem průměru. Turbomolekulární vývěvy proto představují výrobky vysoké technické úrovně. Pohánějí je bezkartáčové stejnosměrné motory s komplikovanou regulací.
Získávání nízkých tlaků
Získávání nízkých tlaků Tyto vývěvy se vyrábějí s čerpacími rychlostmi v rozsahu od 10 l.s-1 do 5000 l.s-1. Běžně se dosahuje mezní tlak řádu 10-5 Pa, u speciálních konstrukcí umožňujících dříve popsaný proces ohřívání a zchlazení vývěvy to je 10-7 Pa. Vysoké otáčky rotoru vyžadují jeho speciální uložení, užívají se levitující magnetická ložiska. Nezbytná jsou bezpečnostní opatření pro případ výpadku napájení a potřeby postupného snižování otáček.
Získávání nízkých tlaků Difúzní vývěvy Princip vysvětlíme na technicky jednodušší parní ejektorové vývěvě. Páry pracovního média (obvykle voda) se urychlují v trysce až na nadzvukové rychlosti, jejich tlak klesá a strhávají molekuly čerpaného plynu. Společně proudí do difuzéru, v němž se rozpínají a zpomalují, kinetická energie se mění v tlakovou. Plyny se tak stlačují a stlačené odvádějí. Tyto vývěvy mají mezní tlak až 10 Pa a stavějí se pro průmyslové účely (sušení, metalurgie apod.) s vysokými čerpacími rychlostmi).
Získávání nízkých tlaků Difúzní vývěvy jsou vícestupňové ejektorové vývěvy, pracovní médium jsou speciální oleje s nízkou tenzí nasycených par.
Získávání nízkých tlaků Molekuly čerpaného plynu pronikají do oblasti trysek a difundují do proudu par proudících z trysek s nadzvukovou rychlostí. Srážkami s molekulami par jsou usměrněny do prostoru kondenzace páry prvního stupně na chlazené stěně vývěvy. Odtud difundují do páry vystupující z dalšího stupně a děj se opakuje, až se čerpané molekuly shromažďují v dolní části vývěvy odkud jsou odčerpávány tzv. předvakuovou vývěvou (rotační, šroubovou apod.). Výstupní tlak par je 100 až 101 Pa a mezní tlak předvakuové vývěvy nesmí tuto hodnotu překračovat. Nevýhodou je určitý zpětný tok olejových par do čerpaného objemu. Čelí se tomu nasazením chlazeného lapače olejových par na vstup vývěvy. Lapače ale představují členy s nízkou vakuovou vodivostí a proto podstatně snižují efektivní čerpací rychlost vývěv.
Získávání nízkých tlaků Výhodou difúzních vývěv je konstrukční jednoduchost a z toho vyplývající nízká cena. Dále odolnost a dlouhá životnost, schopnost čerpat jakékoli plyny. Kromě výše zmíněného zpětného proudu olejových par je nevýhodou i poměrně dlouhá doba náběhu (30-60 minut) a stejně dlouhá doba ochlazování. Spotřebu chladící vody lze omezit chladícím okruhem, což ovšem navyšuje cenu. Oleje jsou drahé – moderní silikonové oleje stojí USD 1000/ litr a více, ale spotřeba je malá a životnost až dva roky při nepřetržitém provozu. Mezní tlak závisí na způsobu chlazení lapače olejových par. Bez lapače je mezní tlak řádově 10-4 Pa, s vodou chlazeným lapačem 10-5 Pa a při chlazením LN2 (kapalný dusík) až 10-7 Pa. Rozsah čerpacích rychlostí je zhruba stejný jako u turbomolekulárních vývěv.
Získávání nízkých tlaků VÝVĚVY S VAZBOU MOLEKUL Kryogenní vývěvy Využívá se vysoké adsorpční schopnosti zeolitů. Jsou to hlinitokřemičitanové sloučeniny s vysokou pórovitostí – aktivní plocha dosahuje až 1000 m2/ g . Adsorbují prakticky všechny plyny, ale jejich adsorpční schopnost při pokojové teplotě je příliš nízká a z toho důvodu je třeba je chladit. Běžně se používá kapalný dusík s teplotou varu 77 K, ve speciálních případech (vysoká cena) hélium s pracovní teplotou 20 K (teplota varu 4 K). Obvykle se používají v paralelním zapojení – několik vývěv na výstupu aparatury, postupně se zapojují pro předčerpání od atmosférického tlaku a další čerpání až do mezního tlaku, který činí 10-7 Pa (dusík) nebo 10-9 Pa (hélium).
Získávání nízkých tlaků
Získávání nízkých tlaků Titanová sublimační vývěva Využívá se vysoká chemická reaktivita titanu, který váže O2, N2, H2 … . Vývěvy jsou velmi jednoduché: titan je nanesen na vyhřívaném drátu, při tlaku 10-3 Pa sublimuje, atomy ulpívají na stěně vývěvy a přitom se chemicky váží uvedené plyny. Vznikající sloučeniny mají tlak nasycených par řádově 10-8 Pa a tím je určen mezní tlak těchto vývěv. Atomy netečných plynů (Ar, Kr, Ne..) jsou zabudovány do vrstvy oxidů. Optimální pracovní tlak je 10-4 až 10-7 Pa, čerpací rychlosti jsou vysoké.
Získávání nízkých tlaků Iontová vývěva kombinuje princip transportních a sorpčních vývěv: výboj mezi anodou a katodami ionizuje čerpaný plyn, magnetické pole ovlivňuje pohyb vzniklých iontů, které z povrchu katod odprašují titan. Atomy titanu se usazují na stěnách a vážou plyny stejně jako u předchozího typu vývěvy. Mezní tlak je až 10-9 Pa. Vzhledem k vysoké ceně a energetické náročnosti se používají jen pro speciální účely (elektronové mikroskopy, urychlovače částic apod.)
Měření nízkých tlaků MĚŘENÍ NÍZKÝCH TLAKŮ Metody měření nízkých tlaků se dělí na dvě základní skupiny: 1. Přímé měření ze silových účinků tlaku plynu, výsledek nezávisí na druhu plynu, některé metody jsou absolutní, slouží ke kalibraci měřidel ze druhé skupiny. 2. Nepřímé měření ze změn těch fyzikálních vlastností plynů, které závisí na tlaku (tepelná vodivost, ionizační schopnost apod.). Výsledky všech nepřímých metod závisejí na chemickém složení měřeného plynu. Výsledek měření často ovlivňují i některé parametry prostředí, zejména teplota. Důsledkem těchto skutečností je, že relativní nejistoty výsledků často dosahují i několika desítek procent.
Měření nízkých tlaků Přímé měření nízkých tlaků Měří se silový účinek vyvolaný tlakem plynu – obvykle srovnávací metodou (porovnání známého a měřeného tlaku) Hrubé vakuum – měří se membránovými tlakoměry s různým tvarem membrán a převodem na výchylku ručky na stupnici. Bourdonův vakuoměr : deformačním prvkem je tvarovaná kapilára (3), pohyb konce kapiláry je mechanickým převodem převáděn na výchylku ručky na stupnici. Rozsah je 103-105 Pa, rel. nejistota okolo 10 %, údaj nezávisí na druhu plynu, ale je pouze informativní.
Měření nízkých tlaků Membránový manometr s vlnovcovou membránou uzavírající vyčerpaný prostor s definovaným tlakem. Průhyb membrány se mechanicky převádí na otáčení ručky na stupnici. Dolní mez rozsahu je 101- 102 Pa, vlastnosti obdobné jako v předchozím případě.
Měření nízkých tlaků Kapacitní vakuoměr Moderní verze membránového vakuoměru. Průhyb membrány nerezová ocel nebo keramika) je měřen kapacitním snímačem. Prostor pod membránou je vyčerpán na nízký tlak p0 určující dolní mez rozsahu. Přístroje měří tlak p až v rozsahu 4 řádů, nejnižší dolní mez je 10-3 Pa.
Měření nízkých tlaků Piezoelektrický membránový vakuoměr Další moderní varianta membránového vakuoměru. Membrána je zhotovena z piezoelelktrické keramiky, elektrické napětí vyvolané její deformací je snímáno napařenými kovovými kontakty. Dolní mez rozsahu je 101 Pa. Výhodou je, stejně jako v předchozím případě, elektrický výstup využívaný pro regulaci procesů. Tento typ vakuoměrů má vysokou přesnost, relativní nejistota údaje může být okolo 1 %.
Měření nízkých tlaků Nepřímé měření nízkých tlaků Tepelné vakuoměry Na údaj o tlaku plynu se převádí výsledek měření jeho tepelné vodivosti. Nevýhodou je závislost údaje na druhu měřeného plynu¨a relativně malý rozsah lineární části. Výhodou je nízká cena, spolehlivost a odolnost.
Měření nízkých tlaků Piraniho měrka Měrným elementem je velmi tenké žhavené vlákno, obvykle platinové, jehož teplota se udržuje na konstantní hodnotě. Měří se proud potřebný k udržení této teploty a elektronicky převádí na tlak. Zařízení vyžaduje kalibraci pomocí absolutního tlakoměru (zajišťuje výrobce), výstupem je kalibrační křivka dodávaná k přístroji.
Měření nízkých tlaků Ionizační vakuoměry Penningův ionizační vakuoměr se studenou katodou Mezi elektrodami hoří výboj, který se udržuje díky magnetickému poli – zakřivení drah elektronů (Lorentzova síla) prodlužuje jejich dráhu a zvyšuje pravděpodobnost ionizace. Ionizační proud je mírou tlaku. Dolní mez měření je podle typu 10-5 až 10-4 Pa. Cena je raltivně nízká, zařízení je velmi odolné s dlouhou životností.
Měření nízkých tlaků Triodové ionizační vakuoměry Princip : ze žhavené katody jsou emitovány elektrony ionizující plyn. Elektrické pole je přitahuje k elektrodě KE, která je tvořena síťkou, okolo které kmitají a vznikající kladné ionty jsou přitahovány k elektrodě KI. Mírou tlaku je ionizační proud. Dolní mez rozsahu je až 10-8 Pa. Charakteristika je nelineární, přístroj vyžaduje kalibraci. Je to nejcitlivější vakuoměr.
Měření nízkých tlaků Realizace ionizačního vakuometru
