Що таке вакуум

Вакуумом (від латинського vacuum – пустота) називається стан газу або пари при тиску нижче атмосферного. Кількісною характеристикою вакууму служить абсолютний тиск (різниця між атмосферним і вакуумним тисками). У широкому сенсі вакуумом називають область тисків нижче 10 5 Па (750 мм. рт. ст.). Відповідно, для досягнення вакууму, в ємності необхідно створити такий тиск газу, який буде нижче тиску зовнішнього середовища. Зважаючи на наявність гравітаційної сили Землі атмосферний тиск змінюється залежно від висоти, що унеможливлює чітко визначити верхню межу вакууму. Вакуум розділяють на низький (тиск 10 3 -133 Па), середній (тиск 133-1,33х10 -1 Па), високий (тиск 1,33х10 -1 -1,33х10 -5 Па) і надвисокий (тиск

Однією з найважливіших характеристик вакууму є критерій Кнудсена, що є співвідношенням між довжиною вільного пробігу молекул (середня відстань, яку пролітають молекули між зіткненнями один з одним і зі стінками посудини) і характерним розміром посудини.

де λ – довжина вільного пробігу молекул газу; l – характерний розмір посудини (габарити вакуумної камери, довжина і діаметр трубопроводу).

За значенням критерію Кнудсена визначають ступінь вакууму. При Kn << 1 досягаеться низький вакуум, при Kn ≈ 1 – середній вакуум, при Kn >1,5 – високий вакуум, при Kn >> 1,5 – надвисокий.

Для отримання вакууму використовуються вакуумні системи, що складаються з вакуумних насосів різних типів, датчиків вимірювання вакууму, течошукачів, вакуумної камери, трубопроводу, що з’єднує всі перераховані компоненти і різної арматури, такий як вауумні затвори і клапани. Приклад вакуумної системи наведено нижче.

Для вирішення конкретних завдань існує безліч видів вакуумних насосів. За принципом дії всі вакуумні насоси діляться газоперекачувальні і газопоглинаючі. У свою чергу, газоперекачувальні насоси підрозділяють на вакуумні насоси, засновані на витісненні газу і на кінетичні. Основна класифікація вакуумних насосів наведена нижче.

Для розрахунку вакуумних систем і правильного вибору вакуумних насосів необхідно знати особливості і принцип роботи різних типів насосів. Принцип роботи вакуумних насосів, заснованих на витісненні газу, полягає в зміні об’єму робочої камери. До таких насосів відносять такі класи:

Зворотно-поступальні витісняючі насоси – це механічні насоси газовитесняючої дії, в яких стиснення і нагнітання відбувається при обертально-поступальному русі мембрани (діафрагмовий насос), поршня (поршневий насос) або спіралі (спіральний насос).

Діафрагмовий насос – це насос, в якому зміна обсягу робочої камери відбувається за рахунок деформації частин її стінок, виготовлених у вигляді еластичних пластин.

Ізолювання приводу від робочої камери мембраною дозволяє захистити механізм насоса від впливу середовища, що перекачується. Великою перевагою діафрагмового насоса є відсутність мастила в робочій камері, що дозволяє використовувати такі насоси як форвакуумні для отримання чистого вакууму при відкачці високовакуумних насосів.

Поршневий насос – це насос, в якому зміна об’єму робочої камери відбувається за рахунок руху поршня. З’єднувальний шток з приводом від колінчастого вала піднімає і опускає поршень в циліндрі. Впускний фланець (1) з’єднується з робочим об’ємом через всмоктувальні отвори (3), коли поршень (2) знаходиться в крайній нижній позиції. При руху поршня вгору всмоктуючі отвори (3) знову закриваються, а вхідний газ стискається. Після досягнення тиску відкриття пластина клапана (5) піднімається, і газ рухається до всмоктуючих отворів (3) другого ступеня через перепускний канал (7) і корпус колінчастого валу. Друге ущільнення (4) не дозволяє впускного каналу з’єднуватися з колінчастим валом при такті стиснення. Другий ступінь працює за принципом першого і виводить газ в атмосферу через випускний клапан (10) та глушник (11).

Завдяки відносній простоті поршневі насоси є досить універсальними і можуть застосовуватися при будь-яких роботах для досягнення середнього вакууму.

Спіраліний насос – насос, в якому зміна об’єму робочої камери відбувається за рахунок руху спіралі. Обертаючись електродвигуном, рухлива спіраль здійснює обертання, таким чином газові порожнини, що утворилися зменшуються, стискаючи газ від периферії до центру. Спіральні насоси використовують як форвакуумні, для відкачування камер зразків в електронних мікроскопах і для відкачування робочих камер електронно-променевих установок.

Двороторні витісняючі насоси – вакуумні насоси, робота яких заснована на зміні об’єму робочої камери при руху двох роторів в протилежні сторони. До двороторним насосів відносять насоси Рутса, гвинтові вакуумні насоси та кулачково-поршневі вакуумні насоси.

Насоси Рутса – вакуумні насоси, в яких розрідження відбувається за рахунок протилежно спрямованого руху двох роторів, що мають профіль у вигляді “вісімки”. Під час руху ротори не стикаються і мають між собою зазор, тобто в камері всмоктування відсутнє тертя, завдяки чому немає необхідності в змащенні поверхні роторів. Відповідно, досягається більш чистий вакуум.
Недоліком такої системи є потрапляння газу зі зниженим тиском назад у камеру всмоктування, в якій знаходиться газ з більш високим тиском, що призводить до істотного нагрівання насоса. Крім того, слід пам’ятати про те, що насоси Рутса вимагають форвакууму для підтримки необхідної різниці тисків в системі.

Гвинтовий вакуумний насос – це насос, в якому зміна об’єму камери всмоктування відбувається за рахунок протилежно спрямованого руху двох шнеків із зазором між ними. Відсутність мастила в камері всмоктування сприяє отриманню чистого вакууму, а міцна конструкція дозволяє перекачувати рідини і суспензії з абразивними частинками.

Кулачковий насос – це насос, в основі роботи якого лежить обертання пари кулачків в протилежних напрямках, що знаходяться всередині корпусу. За рахунок того, що при русі кулачків не відбувається потрапляння відкачаної середовища назад в камеру всмоктування, досягається плавність подачі без пульсації. Завдяки цьому, кулачкові насоси застосовують для подачі чорнил у поліграфічних машинах і для стиснення газу.

Однороторні поршневі насоси – це вакуумні насоси, в яких розрідження відбувається за рахунок зміни об’єму камери всмоктування при переміщенні ротора по робочому об’єму.

Одним з найпоширеніших представників вакуумних однороторні поршневих насосів є пластинчасто–роторний вакуумний насос. Пластинчасто-роторний вакуумний насос являє собою роторний витісняючий насос з масляним ущільненням. Насосна система складається з корпусу (1), відцентрово встановленого ротора (2), лопатей, що рухаються радіально під силою стиснення пружини (3), а також входу і виходу (4). Випускний клапан має масляне ущільнення. Впускний клапан розроблений за принципом вакуумного запобіжного клапана і при роботі завжди знаходиться у відкритому стані. Робоча камера (5) розташована всередині корпусу.

Ротор і лопаті поділяють робочу камеру на два окремих, різних за об’ємом відсіки. Після включення ротора газ надходить в розширюючу камеру всмоктування до тих пір, поки його не перекриє другою лопаттю. Газ усередині камери стискається, поки не відкриється випускний клапан під атмосферним тиском.

Вакуумне масло, яке використовується для ущільнення і змащування, контактує з що перекачується середовищем, насичуючи її, що може погано позначитися на проходженні процесу. З цієї причини існує кілька видів вакуумного масла, які слід застосовувати для роботи з певними речовинами. Крім того, у вакуумну систему можна встановити спеціальні фільтри, які вловлюють пари мастила і спалюють їх.

Також, пластинчасто-роторні насоси бувають безмасляні, так звані “сухі”, в яких для виготовлення лопаток застосовуються самозмащувальні матеріали. Такі насоси забезпечують чистий вакуум, але мають більш низьку продуктивність у порівнянні з “мокрими”. Для підвищення продуктивності використовують багатосекційну конструкцію пластинчасто-роторних насосів.

Рідинно–кільцевий вакуумний насос – це насос, в якому всмоктування відбувається за рахунок руху робочого колеса, яке обертається в циліндричному корпусі, частково заповненому рідиною, і являє собою ексцентрично розташований ротор з радіально розташованими лопатками.

У циліндричному корпусі (1) ексцентрично розташоване робоче колесо (2) з лопатками, які при обертанні колеса відкидають воду до стінок корпусу, утворюючи кільце рідини, що обертається (4).

Робочим об’ємом насоса є серповидний простір між водяним кільцем та ступицею робочого колеса, яке лопатками ділиться на окремі робочі комірки. Залежно від об’єму комірки відбувається або всмоктування (при її збільшенні), або стиснення і нагнітання (при зменшенні комірки). Рідинно-кільцеві вауумні насоси застосовують для забезпечення протипожежної безпеки, а також для знегажування. Основною перевагою таких насосів є їх простота конструкції.

У роторно-поршневих вакуумних насосах витіснення досягається за рахунок радіально розташованих поршнів. Основним елементом насоса є ротор (1) з поршнями (2), який обертається відносно корпусу (3) насоса. Ротор (1) встановлений в корпусі (3) зі зміщенням осі. Порожнини всмоктування і нагнітання розташовуються в центрі насоса і розділені цапфою (4). При роботі насоса поршні (2) обертаються разом з ротором (1) і одночасно ковзають по корпусу (3). За рахунок цього і пружин всередині робочих камер забезпечується зворотно-поступальний рух поршнів (2) щодо ротора (1). Коли робоча камера переміщається з верхнього положення в нижнє, її об’єм збільшується. При цьому переміщенні вона через отвір в роторі з’єднана з порожниною всмоктування, тому забезпечується її заповнення робочою рідиною – всмоктування. При зворотному переміщенні – з нижнього положення (5) у верхнє (6) – камера зменшується і відбувається витіснення рідини в порожнину нагнітання.

Механічні кінетичні насоси витісняють газ шляхом його прискорення в напрямку відкачування за допомогою системи механічного приводу.

Вакуумні газокольцеві (вихрові) насоси з бічним каналом працюють за принципом динамічного стиснення – перетворюючи енергію потоку в енергію тиску. Кільце формує робочу камеру, має круглий поперечний переріз. Одна половина цього поперечного перерізу сформована робочим колесом (3) з його радіальними лопатками (2) з одного боку, а друга половина сформована корпусом. Робоча камера має впускний отвір (1) і випускний отвір (4) з робочим колесом (3), що обертається проти годинникової стрілки. У процесі роботи повітря стискається в робочому колесі (3) ступінчасто, поступово дотискаючи його до кінцевого значення.

Газокільцеві насоси з бічним каналом використовують в аерожолобах для пневматичного транспортування, в машинах для вакуумної упаковки, у вентиляційних установках.

Вакуумний турбонасос – кінетичний вакуумний насос, де імпульс руху передається газу від обертових твердих поверхонь. Розрізняють осьовий та відцентровий турбонасоси. В осьовому імпульс руху передається газу уздовж осі обертання, а у відцентровому – в радіальному напрямку.

Принцип дії відцентрового (імпеллерного) насоса: газ заходить у всмоктуючий патрубок, після чого потрапляє на центр обертового импеллера, який обертає рідина в порожнинах між лопатями і забезпечує, таким чином, відцентрове прискорення. Після того як газ покидає центр робочого колеса створюється область низького тиску, і відбувається процес всмоктування. Оскільки лопаті робочого колеса вигнуті, газ виштовхується в нагнітальний патрубок в радіальному напрямку під дією відцентрової сили.

Осьовий турбонасос – лопастний вакуумный насос, в якому газ переміщуєтся через робоче колесо в напрямку його осі.

Вакуумні турбонасоси застосовують для пневмотранспортування, в сушильних камерах, для аерації та для вакуумного прижиму в різних машинах та станках.

Турбомолекулярный вакуумний насос – кінетичний вакуумний насос, в якому молекулам газу в результаті їх зіткнення з поверхнею високошвидкісного ротора повідомляється імпульс руху, що змушує їх переміщатися в напрямку до виходу насоса.

Конструктивно молекулярні вакуумні насоси розділені на три групи: циліндричного типу з кільцевими каналами на роторі (насос Геде), циліндричного типу зі спіральним каналом уздовж поверхні ротора (насос Хольвека), дискового типу зі спіральним каналом від зовнішнього діаметра до центру диска (насос Зігбана). Для забезпечення працездатності турбомолекулярного насоса необхідно забезпечити на виході з його останнього ступеня молекулярний режим течії газу будь-яким насосом попереднього розрідження (форвакуумним насосом) з вихлопом в атмосферу. Турбомолекулярні насоси використовуються для створення високого вакууму при виготовленні мікроелектроніки, в аналітичних приладах, для нанесення тонких плівок.

Газоструйні насоси – газоперекачувальні вакуумні насоси, в яких відкачка відбувається за рахунок захоплення газу струменем робочого тіла (рідини, пари або газу). Робота СВН заснована на використанні високошвидкісного струменя як елемента, що відкачує, тобто на принципі передачі імпульсу молекулі газу від молекули робочого тіла (газу, пари, рідини), що рухається з високою швидкістю. До газоструйних відносяться рідиннострумінний, парострумінний, дифузійний та дифузійно-ежекторний насоси.

Принцип дії рідиннострумінних вакуумних насосів такий: рідина у вигляді турбулентного струменя з великою швидкістю під тиском витікає через сопло (1), що звужується в приймальну камеру (2). В результаті перемішування і в’язкісного тертя струмінь захоплює в камеру змішування частинки відкачуваного середовища (3). В камері змішування (4) тиски робочої рідини і відкачуваного середовища починають вирівнюватися. Подальше підвищення тиску відкачуваного середовища відбувається в насадці – дифузорі (5).

Пароструминні вакуумні насоси мають той же принцип роботи, що і рідиннострумінні з тією відмінністю, що в якості робочого середовища, що створює розрідження при змішуванні з газом, використовують пар. Робоча водяна пара через патрубок (1) надходить у сопло (2), яке формує високошвидкісний струмінь. Проходячи по трубці (3), водяна пара знижує тиск в камері, в яку при цьому через впускний отвір засмоктуються пари з відкачуваного апарату. Водяна пара переносить відкачувані пари до випускного отвору (4).

Дифузійний вакуумний насос має водоохолоджуваний корпус у вигляді циліндра з днищем, в яке вставлені паропроводи з соплами. Робочу рідину заливають у насос, і вона підігрівається електричним нагрівачем. Пари рідини піднімаються по паропроводах до сопел, виходять через них в об’єм насоса, конденсуються на стінках, і конденсат, що утворюється, по стінках стікає вниз і знову потрапляє в кип’ятильник. В результаті постійного випаровування і конденсації робочої рідини між паропроводами і обсягом насоса підтримується значний перепад тисків. Внаслідок цього, а також внаслідок спеціальної конструкції сопел пара потрапляє у об’єм корпусу насоса з надзвуковою швидкістю. Молекули відкачуваного газу дифундують в струмінь пари, при зіткненні з більш важкими частинками пара отримують спрямований рух вниз і до стінок корпусу і скупчуються в зоні конденсації пари. Там вони захоплюються в рух наступною ступінню відкачування, послідовно стискаються кожною сходинкою, поки не потраплять в зону дії механічного насоса і будуть видалені з дифузійного вакуумного насоса.

Дифузійні насоси застосовують при напилювальних установках, системах вакуумної сушки і плавки, для отримання високого вакууму при колонах електронних мікроскопів.

Іонний вакуумний насос – це кінетичний вакуумний насос, у якому молекули газу іонізуються, а потім переміщаються до виходу насоса за допомогою електричного і магнітного полів або одного електричного поля. Іонний насос являє собою камеру, приєднувану безпосередньо до відкачуваного об’єму. Електрони, що випускаються катодом прямого накалювання або виникають у статичному розряді, іонізують молекули газу при зіткненнях з ними. Іони переносяться електричним полем до колектора і зв’язуються на його поверхні. Існують два механізми зв’язування: одні іони адсорбуються на поверхні колектора, а інші вступають у хімічну реакцію з матеріалом колектора, утворюючи стійкі з’єднання. Для хімічно активних газів ефективні обидва механізми, а для інертних – тільки перший. Колекторні поверхні більшості іонних насосів покриті титаном. Під дією іонів, що бомбардують колектор, його поверхня розпорошується, так що безперервно відкриваються свіжі шари титану, здатні зв’язувати іони хімічно активних газів.
Перевагою насоса є та обставина, що він не вимагає пасток або рефлекторів, а також не потребує безперервної роботи форвакуумного насоса. Іонні насоси дозволяють отримати надвисокий вакуум для роботи аналізаторів і прискорювачів заряджених частинок.

Адсорбційні насоси – це вакуумні насоси, дія яких заснована на фізичній адсорбції відкачуваного газу на поверхні адсорбенту. Адсорбентом служать цеоліти, геттери, силікагелі, активне вугілля. Для посилення адсорбції адсорбент охолоджується рідким азотом. До адсорбційним відносять гетерні насоси, масивні гетерні насоси, сублімаційні-випарні насоси, іонно-геттерні насоси, кріонасоси і конденсатори.

Геттерні насоси працюють на фізичному принципі хемосорбції, тобто шляхом поглинання активних газів на поверхні металів. Швидкість відкачки залежить від хімічної активності металу. Для збільшення поверхні металу при його взаємодії з відкачуваними газами використовується розпилення металу, що супроводжується нанесенням тонких плівок на електроди або корпус насоса.

У сублімаційні–випарному насосі газ відкачується завдяки сублімації титану з нитки накалювання та конденсації його на поверхні, охолоджуваної водою або рідким азотом. Водяна пара і гази, що конденсуються, видаляються таким насосом з великою швидкістю.

Конструкція сублімаційного–випарного насоса досить проста. Насос зазвичай має циліндричний корпус, виготовлений з неіржавіючої сталі, з фланцями на обох кінцях. Одним з них насос під’єднується до вакуумної системи, а на другий фланець встановлюється заглушка з електричними вводами і опорними стійками, несучими титанову нитку. Субліматор розташовується уздовж осі насоса. Корпус насоса охолоджується водою або рідким азотом.
Принцип дії іонно-геттерного насоса заснований на поглинанні газів періодично або безперервно наносимой плівкою титану і покращенні відкачування інертних газів і вуглеводнів шляхом іонізації і уловлювання позитивних іонів. Випаровування титану у іонно-геттерних насосах відбувається, як правило, з твердої фази.
Перевагами іонно-гетерних насосів є великий ресурс (залежить від робочого тиску) і те, що насос сам по собі є вакуумметром.

Кріогенні вакуумні насоси – це адсорбційні насоси, призначені для створення високого, надчистого вакууму. Принцип роботи заснований на конденсації і адсорбції газів на робочих поверхнях, охолоджених до кріогенних температур. Для отримання високого- або надвисокого вакууму холодні поверхні (кріопанелі) повинні мати кріогенний рівень температур. Залежно від системи охолодження розрізняють рефріджераторні кріогенні насоси, кріонасоси з резервуаром хладогенту, випарні кріонасоси.

1. Ярмонов А.Н. Основы вакуумной техники, технологии: учеб. пособие / А.Н. Ярмонов. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 174 с.

3. Борозденков В.И. Вакуум-насосы в химической промышленности / В.И. Борозденков. – М.: “Машиностроение”, 1964. – 99 с.

У чому вимірюється сила?

Розглянемо таке явище в навколишньому нас природі, як сила. Дане фізичне явище володіє спрямованим вектором дії, здатним видозмінювати предмети, на які спрямоване її дію. За допомогою застосування сили, можливо не тільки їх переміщення в просторі, але і часткова, або повна деформація. Сила характеризується точкою впливу на предмет, вектором дії, а також модулем величини, що вказує на кількісний вимір сили. Питання: у чому вимірюється сила, буде більш детально розглянуто нижче.

Два загальноприйнятих позначення сили

Назва величини вимірювання сили походить від імені першовідкривача, який створив три основних закони класичної механіки, і пов’язане з ім’ям Ісаака Ньютона. Тому величина, яка вказує на розмір діючої сили, у міжнародній системі СІ носить назву Ньютон (Н), або, як загальноприйнято латинською мовою newton (N).

При необхідності вимірювання сили, вдаються до використання динамометра, приладу має кілька видів вистави: механічного, гідравлічного та електронного принципів дії. До появи системи СІ, величина вимірювання сили носила назву «Діна», утворене, як нескладно здогадатися від імені носія вимірювального приладу. Позначення дини досі використовується в побуті системи абсолютних фізичних одиниць, і має місце бути в застосуванні позначення сили.