Získávání nízkých tlaků • vytvořit dostatečně nízký tlak • udržet nízký tlak po dostatečně dlouhou dobu Vývěva - zařízení snižující tlak plynu v uzavřeném objemu □ (3 Vakuová fyzika 1 1/55 Typy vývěv Vývevy s transportem molekul z čerpaného prostoru • vývěvy s pracovní kapalinou • suché vývěvy Vývěvy bez transportu molekul z čerpaného prostoru □ t3 Vývevy s transportem molekul z čerpaného prostoru • Mechanické vývevy • Vývevy s periodicky se měnícím pracovním prostorem • Pístové vývěvy • Rotační olejové vývěvy • Membránové vývěvy • S c roli vývěvy • Vývěvy s neproměnným pracovním prostorem • Rootsovy vývěvy • Molekulární vývěvy • Turbomolekulární vývěvy • Paroproudové vývěvy • Vodní vývěvy • Ejektorové a difúzni vývěvy • Vývěvy založené na tepelné rychlosti molekul, nebo ionizaci molekul Vakuová fyzika 1 = 3/55 Vývevy bez transportu molekul z čerpaného prostoru • Zeolitové vývevy • Kryosorpční vývevy • Sublimační vývevy • Iontové vývevy • Getrové vývevy Vakuová fyzika 1 4/55 Charakteristické parametry vývěv výstupní tlak vývěvy mezní tlak vývěvy čerpací rychlost vývěvy jestli používá nějakou pracovní kapalinu provozní vlastnosti - vibrace, teplota, hluk, ... 100000 f 03 Q_ OJ i_ 10 10 03 OJ 10000 ^ 1000 !~ 100 !~ 0.01 ^ o.ooi E- 0.0001 o .1111 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 . - - - - - - - - - - - - - ■ . . . . .... 1 . . . . 1 . . . . . . . . 10 15 time [min] 20 25 Scroll výveva + turbomolekulární výveva, objem 210 I 1.0e+06 1.0e+04 . Boyle-1660 ] Hawksbee-1704 1.0e+02 05 CL ^ 1.0e+00 05 1 .Oe-02 1.0e-04 - 1 .Oe-06 Hg - U trubice McLeod loniz.man. ■ □ 1850 □ Geissler-1858 □ Sorengel-1865 □ Crookes-1876 □ Edison-1879 □ Fleuss-1894 Gimingham-1884 □ Kahlbaum-1894 □ Gaede-1905 □ Gaede-1912 ]Sherwood-1918 J_I_ 1650 1700 1750 1800 1850 roky 1900 1950 2000 □ Vakuová fyzika 1 <3 5 ^)c\0 Vývevy s transportem molekul plynu Mechanické vývevy Vývevy s periodicky se měnícím pracovním prostorem Pístové vývěvy Tyto vývěvy pracují na základě Boyle-Mariottova zákona, při zvětšení objemu se sníží tlak. Proces zaplňování, proces vytlačování plynu. Vakuová fyzika 1 9/55 materiály firmy Edwards Vakuová fyzika 1 10 / 55 Fig. 5 The double-piston pump of Hawksbee (1704). Fig. 6 A commercial double-piston pump from about 1850. A. Roth: Vacuum technology, Elsevier, 1990 Vakuová fyzika 1 11 / 55 Toplerova a Sprenglerova vývěva J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 13 / 55 Pb - původní tlak plynu v recipientu,y - velikost čerpaného objemu, v -objem komory vývěvy pi(V + v) =PbV po n cyklech V V + v V Pn = Knpb , K = V + v teoreticky n oc =>* p —> 0 Prakticky existuje mezní tlak po > 0 (zpětné proudění plynu, škodlivý prostor v1) Čerpací rychlost Konstrukční čerpací rychlost Sk = n (v — v) — nv(l--) Sk = nv(l - —) n je počet zdvihů za 1 s, v je objem pracovní komory, v' je škodlivý prostor n je limitováno dobou naplnění komory Teoretická čerpací rychlost 7+ =pSk = npv(l--) v Zpětný proud, pv výstupní tlak 7_ = (3npvvf / = /+-/_ = nv(l--)p v 1 - (1 - £)p □ S1 Uvážíme-li, že — ST = Sk Pro p po =^ -St -> 0 Snížení mezního tlaku • zmenšení?/ (vhodnou konstrukcí) • zmenšení /3 (např. zaplněním v' olejem) • snížení výstupního tlaku pv (předčerpání) Po přispívá i tenze par pracovní kapaliny Po =Po + PP Skutečná čerpací rychlost Komora se nenaplní na tlak čerpaného prostoru (vakuový odpor spojů), proto je skutečná čerpací rychlost menší než teoretická čerpací rychlost Se — /3*Sj1 Pf — f(p,n) < 1 - koeficient naplnění Moderní pístové vývěvy pracují od atmosférického tlaku na vstupu tlak na výstupu - atmosférický mezní tlak ~ 10 Pa (podle počtu stupňů a konstrukce) suchá výveva bez pracovní kapaliny 1-4 stupňové provedení □ s Ecodry L Leybold Pump down curve of the EcoDry i connected to a 831 vessel at 60 Hz Pumping speed characteristic for the EcoDry L without gas ballast (50 Hz) without gas ballast materiály firmy Leybold Vakuová fyzika 1 □ S1 - 1 Q,o 70 Membránová vývěva Vakuová fyzika 1 22 / 55 M D 12C materiály firmy Vacuubrand Vakuová fyzika 1 23 / 55 MD-1 Vacuubrand mbar materiály firmy Vacuubrand Vakuová fyzika 1 24 / 55 Membránové vývěvy pracují od atmosférického tlaku na vstupu tlak na výstupu - atmosférický mezní tlak ~ 102 Pa suchá výveva, bez oleje zpravidla více komor • řazení sériové - nižší mezní tlak • řazení paralelní - větší čerpací rychlost Rotační vývěvy Obr. 4.8. Gaedeho rotační rtuťová vývěva / — rotor; 2 - stator; 3,5,6,8 — části komory, 4, 7 — otvory J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 26 / 55 Rotační olejová výveva s šou pátkem ve statoru a) b) výstup J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 27 / 55 Rotační olejová výveva s kolujícím rotorem a přepážkou J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 □ t3 Rotační olejová výveva s kolujícím rotorem a čtyřhrannou trubicí J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 29/55 Rotační olejová lopatková vývěvy 9 Vakuová fyzika 1 < □ ► < 30 / 55 Škodlivý prostor výstup vstup 1 □ t3 Dvoustupňové provedení pro dosažení menšího mezního tlaku J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 32 / 55 Gasballast - proplachování Odčerpávaný plyn může obsahovat složky, které kondenzují při vyšším tlaku, zejména vodní pára. • Pp parciální tlak vodní páry při pracovní teplotě vývěva • Pr tenze vodní páry při pracovní teplotě • K — patm kompresní poměr vstup ke kondenzaci dochází pokud Otevření proplachovacího ventilu (Gasballastu) má zamezit kondenzaci ve vývěvě. J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 34 / 55 Rotační olejová výveva • pracuje od atmosférického tlaku • mezní tlak pro dvoustupňové provedení ~ 10~2 Pa • počet otáček 300 — 1400 min-1 - při zvýšení otáček nadměrné zahřívání • do čerpaného prostoru se dostávají páry oleje • vibrace • funkce oleje • utěsňuje a vyrovnává nerovnosti povrchu ve vývěvě, olej vytváří na stěně tenký film • zmenšuje tření, zlepšuje chlazení, přispívá k odvodu tepla • vyplňuje škodlivý prostor Vakuová fyzika 1 35/55 Požadavky na olej nízká tenze par ~ 10 Pa vhodné mazací vlastnosti stálost proti štěpení a oxidaci, při zahřátí může docházet ke štěpení na složky, které mají vyšší tenzi par, rovněž oxidací mohou vzniknout složky s vyšší tenzi par Poznámky k provozu rotační olejové vývěvy • zapojení - pořadí fází u třífázových motorů • zahřátí na provozní teplotu • zavzdušnění po vypnutí • výměna oleje Vakuová fyzika 1 □ S 37 / 55 Šroubové vývěvy materiály firmy Busch Vakuová fyzika 1 < □ ► < 38 / 55 materiály firmy IPE Vakuová fyzika 1 39/55 Vakuová fyzika 1 40 / 55 Šroubové vývěvy - parametry čerpací rychlost 100 - 2500 m3/h mezní tlak ~ 10° Pa chemicky odolné může čerpat i výbušné plyny □ t3 Šroubové vývěvy - využití chemický a farmaceutický průmysl vakuová destilace a vakuové sušení pokovování, povlaková ní vakuové pece laboratoře - výzkum a vývoj Vakuová fyzika 1 42 / 55 Cvičeni 7) Spočítejte střední volnou dráhu pro vzduch při tlaku 1 Pa. Počítejte bez zpřesnění i se zpřesněním pomocí Sutherlandovi konstanty. Pro teploty: a) 273 K b) 298 K Výsledky a) 273 K a) bez korekce Ai = 6,03 mm b) s korekcí A2 = 4,26 mm b) 298 K a) bez korekce A3 = 6,58 mm b) s korekcí A4 = 4,77 mm 8) Spočítejte střední volnou dráhu pro He a střední aritmetickou rychlost při tlaku 1(T8 Pa. Počítejte bez zpřesnění i se zpřesněním (střední volné dráhy) pomocí Sutherlandovi konstanty. Teplota plynu je 4 K. Výsledky a) 273 K a) bez korekce Ai = 2,6 xlO4 m b) s korekcí A2 = 1,23 xlO3 m b) va = 145 ms"1 9) Kolik molekul vzduchu dopadá na 1 cm2 za 1 s? Za jak dlouho se vytvoří monomolekulární vrstva na povrchu? Počet volných míst na povrchu je 0,5 xlO15 cm-2, předpokládejte, že každá částice co dopadne ulpí na povrchu. Teplota je 273 K. Pro tlaky: a) Pi = 102 Pa b) P2 = 10"5 Pa c) P2 = 10"9 Pa Výsledky 1 0,5xl015 v — —van ; r — nkl ; r =- 4 v a) Pi = 102 Pa; vx = 2,95 x 1020 cm-2s_1; n = O.lľxlO-5 s b) P2 = 10-5 Pa; i/2 = 2,95 x 1013 cm^s-1; r2 = 17 s c) P2 = 10~9 Pa; i/3 = 2,95 x 109 cm^s-1; r3 = O.lľxlO6 s = 47 h 10) Ve výbojce je tlak 80 kPa. Počáteční teplota je 27 °C. Při provozu stoupne teplota na 177 °C. Jaký bude tlak ve výbojce? PiVi _ P2V2 Ti " T2 Výsledek P2 = 120 kPa Vakuová fyzika 1 46 / 55 Vakuová komora je zavzdušněna, atmosférický tlak je 99520 Pa. Ke komoře pomocí ventilu připojíme pomocnou komoru o objemu 20 cm3, která je vyčerpaná na 0 Pa. Po otevření ventilu se v systému ustálí tlak na hodnotě 96590 Pa. Určete objem vakuové komory. PiVi P2V2 3 -7^- = -7^- ; v2 = Ví + 20 cm J-l J-2 Výsledek Vi = 659 cm 3 12) V nádobě o objemu 2 L a teplotě 50 °C je 1015 molekul kyslíku a 10-7 g molekul dusíku. Určete výsledný tlak v nádobě. P = Pi + P2 , P = (n1+ n2)kT 10 15 ni ; ri2 in Na Výsledek P = 7,02 xlO"3 Pa Vakuová fyzika 1 48 / 55 13) Statická expanze. Vyčerpáme aparaturu. Do objemu Vi napustíme vzduch na tlak Pi, pak necháme plyn expandovat do objemu V2,... Pi = 104 Pa, Vi = 25 cm3, V2 = 1000 cm3, V3 = 25 cm3, V4 = 13000 cm3 P1V1 = P2(V1 + V2) ; P2V2 = Pz(V2 + V3) ; P3V3 = P4(V3 + VA) Výsledek P4 = 0,46 Pa 14) Efúze plynu. Rovnováha nastává když: 1 1 J2 = 20 °C, P2 = lxlO-2 Pa a) Ti = 100 °C : Pi = 1,13 xl0~2 Pa b) Ti = 80 K : Px = 0,52 xl0~2 Pa 15) Difúze. V nádobě je N2 při tlaku Pi = 101 kPa, vně je vzduch při stejném tlaku. Ve stěně je kruhový otvor s plochou A = 1 cm2 a tloušťka stěny je d = 1 cm, teplota je 298 K. Jak rychle bude difundovat kyslík do nádoby? (1 TI I B = -D—A ; D = -vaX ; va = 444 ra^1 ; A = 6,92 x 1CT8 m dx 3 Parciální tlak 02 ve vzduchu je 2,12xl04 Pa, P = nkT, g = % Výsledek: B = 5,27 x 1017 molekul/s Vakuová fyzika 1 51 / 55 16) Spočítejte vakuovou vodivost kruhového otvoru v molekulárním režimu proudění. Průměr otvoru je Di = 4 cm a je v kruhové stěně s průměrem D2 = 10 cm. Počítejte i v aproximaci nekonečně velké stěny. Plynem je vzduch při teplotě 293 K. Vakuová fyzika 1 52 / 55 17) Spočítejte vakuovou vodivost trubice s kruhovým průřezem pro vzduch a teplotu 293 K. Průměr trubice je D = 40 mm, délka trubice je L = 1 m. Na koncích trubice jsou tlaky: a) Pi = 1 kPa, P2 = 2 kPa b) Pi = 0,01 Pa, P2 = 0,1 Pa 18) Spočítejte vakuovou vodivost trubice s kruhovým průřezem pro vzduch a teplotu 293 K. Průměr trubice je D = 0,15 m, délka trubice je L = 0,2 m, předpokládejte molekulární režim proudění. Vakuová fyzika 1 54 / 55 K vakuové komoře připojíme vývevu s čerpací rychlostí 170 L/s, pomocí trubice s kruhovým průřezem s délkou L = 1 m a průměrem D = 100 mm. Předpokládáme molekulární proudění, pracovní plyn je vzduch s teplotou 293 K. Jakou čerpací rychlostí budeme čerpat vakuovou komoru?