Získávání

nízkých tlakůVývěvy 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 nulová

( ) 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.

sS1310

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

vývěvyRootsovy

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

vývěvyV 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 tlakůMolekuly 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

vývěvyPrincip 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 MOLEKULKryogenní

vývěvy

Využívá

se vysoké

adsorpční

schopnosti zeolitů. Jsou to hlinito- křemičitanové

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

vývěvakombinuje princip transportních a sorpčních vývěv: výboj mezi anodou a katodami ionizuje čerpaný plyn, magne-tické

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 TLAKŮMetody 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 tlakůMěří

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), pohybkonce kapiláry je mechanickýmpřevodem převáděn na výchylku ručkyna stupnici. Rozsah je 103-105

Pa, rel.nejistota okolo

10 %, údaj nezávisí

na

druhu plynu, ale je pouze informativní.

Měření

nízkých tlaků

Membránový manometrs 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

vakuoměrModerní

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 vakuoměrDalší

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 tlakůTepelné

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

měrkaMěrným 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

vakuoměryPenningův ionizační

vakuoměr

se studenou katodou

Mezi elektrodami hoří

výboj, který seudržuje díky magnetickému poli –zakřivení

drah elektronů

(Lorentzova

síla) prodlužuje jejich dráhu azvyšuje 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

vakuoměryPrincip : ze žhavené

katody jsou emitovány elektrony ionizující

plyn. Elektrické

pole je přitahuje k elektrodě

KE

, která

je tvořenasíťkou, okolo které

kmitají

a vznikající

kladné

ionty jsou přitahovány kelektrodě

KI

. Mírou tlaku je ionizačníproud. Dolní

mez rozsahu je až

10-8

Pa. Charakteristika je nelineární,přístroj vyžaduje kalibraci. Je tonejcitlivější

vakuoměr.

Měření

nízkých tlaků

Realizace ionizačního vakuometru