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

Transkript

1 Rovnice kontinuity V potrubí a vývěvou musí proudit vždy stejné množství plynu. Platí n n n n n n S p S p S p t V p t V p t V p q q q q = = = = = = = = = = Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 1

2 Principy čerpání: Vývěvy (Vacuum Pumps) 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 2

3 Mezní tlak vývěvy (Lowest Pressure) p 0... 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 nevytváříse čisté vakuum Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 3

4 Čerpací rychlost vývěvy (Pumping Speed) Udává objem plynu čerpaný za určitou dobu [m 3 /sec, l/hod] S o = Čerpací rychlost je buď konstantní, nebo závislá na tlaku. Při p 0 je S 0 0 Efektivní čerpací rychlost čerpací rychlost v ústí do čerpané komory V t Nakreslit obrázek Platí: S C S = 0. ef S + C 0 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 4

5 Efektivní čerpací rychlost - odvození Nakreslit obrázek Rovnice kontinuity p 1. S0 = p k. S ef Platí: ( p ) k p C p p S = S C S = 0. ef S + C 0 Úpravou dostáváme Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 5

6 Příklady čerpacích charakteristik S C S ef =. 0 S + C 0 V S o = t Difůzní vývěva Platí: Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 6

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

8 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 8

9 1) Případ že, Efektivní čerpání vývěvou C>>S 0 Vodivost potrubí je mnohem větší jako efektivní čerpací rychlost v tomto případě rozhoduje o čerpání vývěva správné C 2) Případ že, C<<S 0 v tomto případě rozhoduje vodivost potrubí nehospodárné čerpání Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno

10 Transportní vývěvy nasávají a vyfukují plyn, dělí se na, Mechanické pístové, membránové vodokružné rotační olejové se statorovým křídlem s kolujícím rotorem S přenosem impulsu rootsovy molekulární turbomolekulární tryskové difůzní vývěvy Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 10

11 Teorie činnosti mechanických transportních vývěv Základem je pístová vývěva opak kompresoru 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 velkáčerpací rychlost (až 1000m 3 /hod -velkáspotřeba 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 - absorbuje vodu a páry 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 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 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 pohyblivou přepážkou 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 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 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 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 20

21 Tryskové a parní ejektorové vývěvy s přenosem impulsu Dosahované vakuum je závislé na tlaku nasycených par kapaliny (vody). Při 15 0 C 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 21

22 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 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) 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) Holweck Siegbahn Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 23

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

25 Turbomolekulární vývěvy Čerpací rychlost: Více jako 500 l/s (méně než difuzní vývěvy) Mezní tlak: 1 Pa 10-8 Pa ( 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 25

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

27 Princip funkce: Difůzní vývěvy 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 27

28 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 28

29 Čerpací charakteristika difůzní vývěvy Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 29

30 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 30

31 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 31

32 Sorpční vývěvy Vážou čerpaný plyn, Charakteristika nemají výfukový ventil, velká čerpací rychlost, nemají pohyblivé součásti velká životnost Kryogenní Iontové vývěvy k- kondenzační k-sorbční Sublimační getrové Iontové chemisorbční Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 32

33 Kryokondenzační vývěvy Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Při přerušení chlazení se uvolní velké množství plynů, je třeba přetlakový pojistný ventil Omezená čerpací doba, čerpá dokud se chladicí elementy nepokryjí kondenzátem 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 čerpání: čerpací rychlost až l/s, čerpají inertní plyny, vodík čerpací rychlost je omezena efúzní vodivostí otvoru velký povrch velká čerpací rychlost (11 l/cm 2 ) tlaky 10-1 Pa až 10-9 Pa 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 35

36 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 36

37 Kryosorbční vývěvy Náplň krystalické látky na bázi hlinitokřemičitanů (Zeolity) 1g zeolitu má účinný povrch až 700m 2 Po vyčerpání následuje regenerace náplně při teplotě 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 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 o C, tlak se může zvýšit více jako na 100 Pa Vacuum Technology J.Boušek, FEEC, BUT Brno 38

39 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 + k = i p S 0 = β.k e.. náboj elektronu. účinnost čerpání (ionizací). konstanta β je dána konstrukcí vývěvy (Torr.l/sec.A) maximální hodnota je, β 1 = en max = n.. množství molekul v 1l plynu při p = 1 torr při 20 o C, n=3,27 x (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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 39

40 Sublimační getrové vývěvy Založeny na principu adsorpce a chemické vazby V nádobě sublimuje Ti getr na co největší plochu plástě. Potom chemická vazba plynů (O 2, N 2, H 2 ), 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 (10-8 Pa) -Vývěvy nečerpají inertní plyny Obr. Herbův orbitron Source: Ladislav Fikes, Fyzika nízkých tlaků, SNTL 1991 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 40

41 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 O 2,N 2, vodní páry, - je vhodná pro HV a UHV aplikace Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 41

42 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 42

43 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 43

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

45 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 J.Boušek, FEEC, BUT Brno 45

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

47 Měření čerpací rychlosti - metoda konstantního tlaku S p V q = atm. t q p 0 = = k patm. V t. p k 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 J.Šandera, FEEC, TU Brno 47

48 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 dostáváme Řešením diferenciální rovnice S ( t t ) p p. S 0 = V = V.ln S0 = 2,303. log p2 t2 t1 V dp dt p p 1 2 Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 48

49 Časy potřebné k vyčerpání na žádaný tlak ln. p p p p S V t t t = = Tento vztah platí do tlaků cca 0,1Pa, potom se začne uplatňovat hlavně desorpce ze stěn. Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 49

50 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 p min = p 0 + q S q q celk des perm dif techn net = + ef + + q S ef + q + q p 0 Největším problémem je při nízkých tlacích desorpce Vacuum Technology J.Šandera, FEEC, TU Brno 50

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