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

Transkript

1 Rovnice kontinuity V otrubí a vývěvou musí roudit vždy stejné množství lynu. Platí n n n n n n S S S t V t V t V q q q q = = = = = = = = = = Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 1

2 Princiy čerání: Vývěvy (Vacuum Pums) a) Stlačování a exanse lynů (ístové, vodokružné, rotační, Rootovy vývěvy) b) Tření v důsledku viskosity lynů (arní a vodní tryskové) c) Tření v důsledku difuze (arní difuzní vývěvy) d) Tření za molekulárních odmínek (molekulární, turbomolekulární vývěvy) e) Čerání v důsledku ionisace Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 2

3 Mezní tlak vývěvy (Lowest Pressure) 0... ři mezním tlaku je u většiny vývěv čerací rychlost 0 Hodnota mezního tlaku závisí hlavně na, a) mrtvém rostoru ve vývěvě b) netěsnostech c) tense ar maziv nevytváříse čisté vakuum Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 3

4 Čerací rychlost vývěvy (Puming Seed) Udává objem lynu čeraný za určitou dobu [m 3 /sec, l/hod] S o = Čerací rychlost je buď konstantní, nebo závislá na tlaku. Při 0 je S 0 0 Efektivní čerací rychlost čerací rychlost v ústí do čerané komory V t Nakreslit obrázek Platí: S C S = 0. ef S + C 0 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 4

5 Příklady čeracích charakteristik S C S ef =. 0 S + C 0 V S o = t Difůzní vývěva Platí: Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 5

6 Efektivní čerací rychlost - odvození Nakreslit obrázek Rovnice kontinuity Platí: 1. S0 = k. S ef ( ) k C S = 1 Úravou dostáváme S C S = 0. ef S + C 0 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 6

7 Teoretická, konstrukční a skutečná čerací rychlost Pro mechanické vývěvy latí, S teor = S konstr. 1 Charakteristická vlastnost mechanických vývěv s klesajícím tlakem klesá čerací rychlost Skutečná čerací rychlost: S = λ. S skut konstr 0 Součinitel lnění vývěvy závisí na tlaku a frekvenci Namalovat obrázek Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 7

8 Zětný tlak (Exhaust Pressure) Tlak roti kterému může vývěva racovat tlak na výfuku a) Čerají do atmosferického tlaku. (Roughing or Backing) vývěvy ( mechanické rotační, tryskové) b) Které otřebují ředvakuum.. (difůzní, Rootsovy, molekulární) c) Které nemají výfuk.. (Sorční, iontové) Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 8

9 1) Příad že, Efektivní čerání vývěvou C>>S 0 Vodivost otrubí je mnohem větší jako efektivní čerací rychlost v tomto říadě rozhoduje o čerání vývěva srávné 2) Příad že, C C<<S 0 v tomto říadě rozhoduje vodivost otrubí nehosodárné čerání Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 9

10 Transortní vývěvy nasávají a vyfukují lyn, dělí se na, Mechanické S řenosem imulsu ístové vodokružné rotační olejové se statorovým křídlem s kolujícím rotorem rootsovy molekulární turbomolekulární tryskové difůzní vývěvy Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 10

11 Teorie činnosti mechanických transortních vývěv Základem je ístová vývěva oak komresoru Tento systém není mechanicky vyvážený dělají se jiné konstrukce Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 11

12 Vodokružná vývěva Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August velkáčerací rychlost (až 1000m 3 /hod -velkásotřeba vody - odolná vůči nečistotám - vhodná ro metalurgii - nejnižší tlak 5000 Pa - stejná sotřeba vody, jako kolik vyčerá Voda ve vývěvě má následující funkce: -utěsňuje systém - odvádí telo ze systému - absorbuje vodu a áry Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 12

13 Membránová vývěva Z důvod Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 13

14 Rotační vývěvy Pohyb ístu je nahrazen křídly v otáčejícím se rotoru - dosahovaný tlak cca jednotky Pa - systém je nejčastěji uložen v olejové lázni - často se vyrábí vícestuňové systémy - oužívají se jako rimární vývěvy Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 14

15 Dvoukřídlá rotační olejová vývěva Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 15

16 Rotační vývěva s ohyblivou řeážkou Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 16

17 Rotační Kinney vývěva Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 17

18 Rotační lunžrová vývěva Olej v zásobníku má za úkol mazat chladit ucat netěsnosti Jednostuňové a vícestuňové Kombinují se s Roots vývěvami Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 18

19 Trochoidální vývěva Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 19

20 Vybavení rotačních vývěv a vlastnosti olejů Automatické zavzdušňování vzduchem zbaveným vlhkosti a rašnosti ři zastavení vývěvy Zablokován rozběh oačným směrem Odojení vývěvy ři řetížení Měření rovozních hodin Telotní čidla ři řehřátí Dolňování stavu oleje s filtrací Vlastnosti olejů: řírodní, nebo syntetické olejovité látky, musí mít definovaný telotní rozsah, viskositu, nízkou tenzi nasycených ar Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 20

21 Tryskové a arní ejektorové vývěvy s řenosem imulsu Dosahované vakuum je závislé na tlaku nasycených ar kaaliny (vody). Při 15 0 C dosahují tlaku 15 mbar Malá čerací rychlost (30l/s) Podobnou konstrukci mají ejektory ro výrobu vakua ze stlačeného vzduchu ro maniulátory okamžité vynutí vakua Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 21

22 Rootsova vývěva vývěva s řenosem imulsu mezera mezi rotory 0,15 až 1mm otáčky rotorů 1500 až 4000 ot/min nemůže čerat roti říliš velkému tlaku na výstuu -roč, zětný ventil Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 22

23 Molekulární vývěvy vysoké otáčky rotoru (až ot/min) ředávají ohybový moment částicím lynu molekuly lynu se ohybují v úzké mezeře mezi statorem a rotorem jsou nahrazovány dokonalejšími turbo molekulárními umami Musí vzniknout molekulární odmínky l >h Gaede (1913) Holweck Siegbahn Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 23

24 Turbomolekulární vývěvy Namalovat čerací charakteristiku.. Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 24

25 Turbomolekulární vývěvy Čerací rychlost: Více jako 500 l/s (méně než difuzní vývěvy) Mezní tlak: 1 Pa 10-8 Pa ( Torr) Závislost na čeraném lynu: - vodík a helium mají vyšší rychlost částic lynu, roto zěrný roud lynu je v tomto říadě vyšší než u ostatních lynů - ro vodík a helium mají tyto vývěvy nižší komresní oměr Použití turbomolekulárních vývěv - oužití ro UHV vakuum - středně drahý rovoz - čistý čerací roces, čerá dobře vzácné lyny - rovoz vyžaduje ravidelnou drahou údržbu - jsou citlivé na zničení - velká rychlost otáčení řináší roblémy s ložisky - magnetický závěs, vibrace systému Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 25

26 Difůzní vývěvy - konstrukce 3-stuňová chlazená vodou Chlazená kaalným dusíkem Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 26

27 Difůzní vývěvy Princi funkce: Ve sodní části (varník) se ohřívá kaalina, áry stouají vzhůru, v tryskách o obvodu mění směr. Při ohybu strhávají částice čeraného lynu Trysky jsou umístěny v několika řadách očet stuňů vývěvy Páry kaaliny ři kontaktu s chlazenou stěnou vývěvy kondensují a stékají zět do varníku Chlazení se realizuje nejčastěji vodou. Je třeba automatika, která vyloučí vynutí chlazení, okud je vývěva horká Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 27

28 Vlastnosti difůzních vývěv Čerací rychlost: Až 2000l/sec Dosahované vakuum: 100 až 10-5 Pa, je závislé na očtu stuňů, chlazení a čeraném lynu Začíná čerat až od tlaku jednotek ascalu. Používá ve sojení s rotační vývěvou Vysoká mechanická odolnost nemá žádné ohyblivé součásti Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 28

29 Čerací charakteristika difůzní vývěvy Začíná čerat až od tlaku jednotek ascalu Používá ve sojení s rotační vývěvou Čerací rychlost 1000 l/s a více Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 29

30 Příslušenství difúzních vývěv laače ar a vymrazovačky indikace ohřevu a řehřátí oožděné vynutí chladící vody kontrola hladiny oleje ve vývěvě (asoň onorná tyč) oleje flegmatické kaaliny, nízká tense ar Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 30

31 Chování materiálů ři nízkých telotách 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 ryž se stávají křehkými Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 31

32 Sorční vývěvy Vážou čeraný lyn, Charakteristika nemají výfukový ventil, velká čerací rychlost, nemají ohyblivé součásti velká životnost Kryogenní Iontové vývěvy k- kondenzační k-sorbční Sublimační getrové Iontové chemisorbční Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 32

33 Kondenzační kryovývěvy Při řerušení chlazení se uvolní velké množství lynů, je třeba řetlakový ojistný ventil Omezená čerací doba, čerá dokud se chladicí elementy neokryjí kondenzátem Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 33

34 Kryogenní (kryokondenzační) vývěvy Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 34

35 Charakteristika kryogenních (kryokondenzačních) vývěv Charakter čerání: čerací rychlost až l/s, čerají inertní lyny, vodík čerací rychlost je omezena efúzní vodivostí otvoru velký ovrch velká čerací rychlost (11 l/cm 2 ) tlaky 10-1 Pa až 10-9 Pa začíná čerat o dodání kaalného lynu do zásobníku jednoduchá obsluha, jednoduchá konstrukce drahý rovoz vyžadují dusíkové hosodářství omezená doba rovozu, je třeba regenerovat Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 35

36 Kryosorční vývěvy Konstrukce: Válcová nádoba nalněná zeolitem, onořená do Dewarovy nádoby s kaalným dusíkem. Uvnitř nádoby jsou hliníková křídla ro leší řestu tela do objemu zeolitu Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 36

37 Kryosorbční vývěvy Nálň krystalické látky na bázi hlinitokřemičitanů (Zeolity) 1g zeolitu má účinný ovrch až 700m 2 Po vyčerání následuje regenerace nálně ři telotě 600 o C Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Source:W.Umrath, Fundamentals of Vacuum Technology, Cologne, August 1998 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 37

38 Použití sorčních, kryosorčních vývěv ro vědecké alikace, UHV vakuum oužití tam, kde není třeba velká čerací rychlost vyrábí čisté vakuum mezní tlak až 10-9 Pa maximální čerací rychlost, závisí na konstrukci vývěvy (velikost vstuního otvoru) čerací rychlost roste s klesající telotou třeba regenerovat ři telotě cca 300 o C, tlak se může zvýšit více jako na 100 Pa Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 38

39 Iontové vývěvy Princi: Ionizovaný lyn se zachycuje na záorně nabité elektrodě, tím se zmenšuje očet částic v objemu. - ro zvýšení účinnosti se ionizace kombinuje s sorcí a getrováním + k = i S 0 = β.k e.. náboj elektronu. účinnost čerání (ionizací). konstanta β je dána konstrukcí vývěvy (Torr.l/sec.A) maximální hodnota je, β 1 = en max = n.. množství molekul v 1l lynu ři = 1 torr ři 20 o C, n=3,27 x (1/Torr.l) i +.. roud iontů Iontové vývěvy musí začít čerat až od tlaku cca 10-2 torr, jinak je ionizační roud vysoký a vývěva se říliš ohřívá Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 39

40 Sublimační getrové vývěvy Založeny na rinciu adsorce a chemické vazby V nádobě sublimuje Ti getr na co největší lochu lástě. Potom chemická vazba lynů (O 2, N 2, H 2 ), nebo fyzikální adsorbce na stále se obnovující ovrch Ti Odařování může být kontinuální, nebo imulsní, elektronovým arskem Pokud je vrstva chlazena kryosublimační vývěva Reakční schonost lynu se zvyšuje ionizací lynu Proč se oužívá titan: - Vysoká chemická reaktivita - Nízká tense nasycených ar (10-8 Pa) -Vývěvy nečerají inertní lyny Obr. Herbův orbitron Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 40

41 Sublimační getrové vývěvy odmínky srávné funkce - maximální čerací tlak 10-1 Pa -střední volná dráha částic lynu musí být větší než vzdálenost výarníku a stěn vývěvy -ři vysokých tlacích čerají šatně je vysoká sotřeba titanu a nízká životnost - čerání je selektivní, dobře čerá O 2,N 2, vodní áry, - je vhodná ro HV a UHV alikace Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 41

42 Narašovací iontové vývěvy Princi čerání: Narášené atomy titanu adsorbují reaktivní lyny, inertní lyny jsou ionizovány a zachycovány na katodě Charakteristika: čerají v libovolné oloze, netřeba zkaalněné lyny vyrábí čisté vakuum, bez organického znečistění velká solehlivost čeraci rychlost více jako 500 l/s rozsah tlaků je 10-2 až 10-7 Pa čerají od 1 Pa Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 42

43 Narašovací iontové vývěvy - konstrukce Princi čerání: Anoda je komorová. Mezi anodou a katodou (5 až 7 kv) hoří doutnavý výboj. Narášené atomy titanu adsorbují reaktivní lyny, inertní lyny jsou ionizovány a zachycovány na katodě, dráha letu ionizovaných lynů je rodloužena magnetickým olem Source:A.Roth, Vacuum Technology,Elsevier Science B.V. Amsterdam 1990 Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 43

44 Narašovací iontové vývěvy - konstrukce Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 44

45 Triodová iontová vývěva Konstrukce, která umožňuje čerat argon. Katoda má tvar mřížky, narášený Ti rochází řes katodu na stěnu vývěvy, stejně jako ionty lynu, které se zachycují na narášeném Ti. Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 45

46 Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 46

47 Měření čerací rychlosti - metoda konstantního tlaku S V q = atm. t q 0 = = k atm. V t. k do vakuové komory se ouští definované množství lynu roud q tlak měříme vakuometrem roud lynu se měří z úbytku objemu lynu v kalibrované byretě obvykle ři atmosférickém tlaku Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 47

48 Měření čeracích rychlostí metoda konstantního objemu Normalizovaná hermetická komora objemu V.. Namalovat obrázek Sledujeme úbytek tlaku v čase - zaisovač Řešením diferenciální rovnice dostáváme S S 0 0. ( t t ) = 2 1. S 2,303. t 0 2 = = V.ln V t V 1 d dt 1 2 ln Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 48

49 Časy otřebné k vyčerání na žádaný tlak ln. S V t t t = = Tento vztah latí do tlaků cca 0,1Pa, otom se začne ulatňovat hlavně desorce ze stěn. Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 49

50 Minimální tlaky dosažitelné v reálné vakuové aaratuře Minimální dosažitelný tlak závisí na čerací rychlosti vývěvy, mezním tlaku vývěvy a na velikostech zdrojů roudu lynu v komoře min = 0 + q S q q celk des erm dif techn net = + ef + + q S ef + q + q 0 Největším roblémem je ři nízkých tlacích desorce Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 50

51 Schéma vakuové aaratury Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 51