История развития вакуумной техники реферат
Обновлено: 02.07.2024
В Древней Греции, до Сократа, философы искали постоянство в мире, то есть то, что стоит за повседневным опытом. Греческий философ Демокрит (ок. 460-375 гг. До н. э.) считал, что мир состоит из множества мелких и неразделимых частиц, которые он назвал атомами. Между ними Демокрит предполагал пустое пространство (своего рода микровакуум), через который атомы двигались в соответствии с общими закономерностями механики, изменения формы, ориентации и расположения атомов могли бы вызвать изменения макроскопических объектов. Опираясь на эту философию, Демокрит вместе со своим учителем Левкиппом могут считаться изобретателями концепции вакуума. Для них, пустое пространство было предпосылкой для разнообразия нашего мира, так как оно позволяло атомам свободно перемещаться и свободно перемещаться. Наш современный взгляд на физику очень близко соответствует этой идее Демокрита.
Однако около 1600 года возможность или невозможность получения вакуумированного объема была предметом обсуждения в научно-философском сообществе Италии, а затем во Франции и Германии. Это произошло в то время, когда первые ученые были сожжены на костре (Бруно в 1600 году).
В 1613 году Галилео Галилей во Флоренции попытался измерить вес и плотность воздуха. Он определял вес стеклянной колбы, со сжатым воздухом, воздух при атмосферном давлении и воду. Он нашел значение. Это был большой шаг вперед: воздух теперь можно рассматривать как вещество с весом. Поэтому можно предположить, что воздух, каким-то образом, можно также удалить из объема.
В 1630 году Галилей переписывался с генуэзским ученым Балиани, который обсуждал систему водоснабжения Генуи. Галилей утверждал, что долгое время он знал о том, что максимальная высота столба воды в вертикальной трубе, производимой всасывающим насосным устройством, составляет около 34 футов. Балиани ответил, что он думает, что это из-за ограниченного давления атмосферы.
Из этих примеров можно увидеть, что в Италии в первой половине семнадцатого века были подготовлены предпосылки для эксперимента, который был проделан в 1640 году Гаспаро Берти, а в 1644 году профессором Флоренции Евангелиста Торричелли. Эксперимент Торричелли должен был стать одним из ключевых экспериментов естественных наук.
Торричелли заполнял стеклянную трубку длиной около 1 м ртутью. Открытый конец был запечатан с помощью пальца. Затем трубку поднимали в вертикальное положение, а концом, направленным вниз, герметизировали пальцем. Этот конец погружался в ртутный резервуар, так, чтобы ртуть внутри трубки находилась в свободном контакте с резервуаром. Столбец ртути в трубке опустился до высоты 76 см, измеренной от поверхности жидкости резервуара. На рисунке показан чертеж торричеллианского аппарата.
Эксперимент показал, что пространство, остающееся над ртутью после переворачивания трубки вверх дном было фактически вакуумом: уровень ртути не зависел от объема снизу.
Этот эксперимент был первой успешной попыткой создать вакуум и впоследствии убедил в его существовании научное сообщество. Более ранняя попытка Берти, который использовал воду, была менее успешной.
В 1646 году математик Пьер Пети во Франции сообщил Блезу Паскалю об эксперименте Торричелли. Паскаль повторил эксперимент и, кроме того, попробовал другие типы жидкости. Он обнаружил, что максимальная высота была точно обратно пропорциональна плотности использованной жидкости. Паскаль знал не менее знаменитого философа Декарта. Во время обсуждения в 1647 году они разработали идею измерения давления воздуха на разных высотах с использованием трубки Торричелли.
Паскаль написал письмо своему зятю Периеру и попросил его провести эксперимент на очень крутой горе Пюи-де-Дом, недалеко от дома Перье.
Перьер согласился, и 19 сентября 1648 года он поднялся на Пюи де Дом (1500 м) в сопровождении нескольких мужчин, которые служили свидетелям результатов, что было обычной практикой в то время. Они регистрировали высоту столба ртути на различных высотах. От подножия до вершины горы разница высоты столба ртути составляла почти 8 см, и Паскаль был очень доволен: было проведено первое успешное измерение давления! Торричелли, однако, никогда не узнал о эксперименте, основанного на его изобретении: он умер за год до этого.
Несмотря на эти эксперименты, дискуссия между пленистами (по природе не может быть вакуума) и вакуумистов (возможен вакуум) продолжается. Одним из ведущих вакуумистов был Отто фон Герике, бургомистр Магдебурга в Германии с 1645 по 1676 год. Примерно в 1650 году Герике попытался создать вакуум в деревянной бочке с водой, выкачивая воду с помощью насоса, используемого бригадой в Магдебурге. Несмотря на то, что бочка была специально запечатана, эксперимент провалился: воздух устремился в пустое пространство над водой сквозь древесину, создавая шум. Следовательно, Герике приказал построить большой медный шар, но когда воздух выкачался, шар внезапно сложился. Герике правильно понял, что на это повлияло атмосферное давление. Задача была решена путем изготовления более толстой и более точно сформированной сферы. После откачки этой сферы в течение нескольких дней Герике обнаружил, что воздух просачивается в сферу, главным образом через поршни насоса и уплотнения клапанов.
Чтобы избежать этого, он построил новый насос, где эти части были изолированы водой, эта идея, все еще используется в современных вакуумных насосах, но с маслом вместо воды.
Третьей версией Герике был воздушный насос, который перекачивал воздух непосредственно из сосуда. Эти насосы способны производить вакуумы в гораздо больших объемах, чем трубки Торричелли.
Герике был также очень успешным промоутером его собственных знаний и экспериментов, которые он использовал, чтобы привлечь внимание в политических целях. В 1654 году он провел несколько впечатляющих экспериментов для немецкого рейхстага в Регенсбурге. Самый известный эксперимент, демонстрирующий новую вакуумную технику, был показан в Магдебурге в 1657 году. Герике использовал два полушария диаметром 40 см, известные как магдебургские полусферы. У одного из полушарий был клапан для откачки, и между полушариями Герике помещалось кожаное кольцо, пропитанное воском и скипидаром в качестве уплотнителся. Команды из восьми лошадей с обеих сторон едва не могли разтделить два полушария после того, как закрытый объем был откачан.
Новая вакуумная технология вызвала много интересных экспериментов. Большинство из них были исполнены Герике и Шоттом в Германии, Гюйгенсом в Нидерландах, Бойлем и Гуком в Англии.
Герике показал, что колокол, расположенный в вакууме, не может быть услышан; Однако на магнитную силу не влиял вакуум. Вместо металла он часто использовал стеклянные сосуды, чтобы сделать процессы в вакууме видимыми. Герике положил свечу в стеклянный сосуд и обнаружил, что свеча медленно гаснет, пока продолжается откачке. Гюйгенс подвесил кусок масла в центре вакуумной банки и, после эвакуации, положил горячую железную крышку на банку. Несмотря на горячую банку, масло не плавилось. Благородные общества семнадцатого и восемнадцатого веков с удовольствием наблюдали за подобными экспериментами.
Однако и другие ученые выполняли научные эксперименты в вакууме. Гюйгенс подтвердил, что скорость свободного падения пера в вакуумной трубке была равна скоростью падения куска свинца. Бойл обнаружил, что произведение объема и давления постоянно, в то время как Амонтон во Франции показал, что эта константа зависит от температуры.
В 1673 году Гюйгенс попытался построить двигатель внутреннего сгорания, используя разность давлений между атмосферой и вакуумом для подъема тяжелых грузов. Порох, вместе с горящим фитилем, помещают в контейнер, расположенный на нижнем конце цилиндра . Бурная реакция пороха вытесняет воздух из цилиндра через смоченные кожаные трубки. Цилиндр остывает и создает вакуум. Затем трубки EF затягиваются и уплотняются, и атмосферное давление приводит в движение вниз поршень, тем самым поднимая груз.
Во время экспериментов важность тщательно очищенных материалов стала очевидной, и было осознано, что качество насосов должно быть улучшено. Последовали инженерные усовершенствования Гука, Хаксби (1670-1713) и других. Немного позже англичанин Г. А. Флаус разработал поршневой насос, который он назвал в честь Отто фон Герике.
Тем не менее, только в 1855 году получилось значительно улучшить вакуум, используя насос, разработанный Гейслером в Германии.
Ученые, создавшие вакуум, до сих пор не имели четкого определения вакуума. Они понятия не имели, что воздух может состоять из атомов и молекул, которые частично удаляются, чтобы создать вакуум. До 1874 года трубка Торричелли была единственным прибором, доступным для измерения вакуума и ограниченным значением 67 Па. Идея вакуума была еще совершенно абсолютной, как в философии Аристотеля, но она не принималась как измеряемая величина. Однако газокинетическая теория Клаусинга, Максвелла, Больцмана и других, а также изобретение калибра Маклеода (McLeod, 1874) показали, что значение вакуума действительно является измеримой физической величиной. Манометр Маклеода, все еще применяемый в нескольких лабораториях сегодня, использует закон Бойля. Сжимая известный объем газа с известным отношением к более высокому давлению, которое можно измерить с помощью ртутного столба, можно рассчитать исходное давление.
Идея Гюйгенса использовать разницу давлений между атмосферой и вакуумом для создания двигателя была продолжена Томасом Ньюкоменом в начале X века. Он использовал конденсированный пар для создания вакуума. Двигатели Ньюкомена широко использовались в Англии для перекачивания воды из глубоких шахтных стволов, для откачки воды из бытовых нужд и для подачи воды для промышленных водяных колес во время засухи. Его машины предшествовали роторным паровым двигателям на 70 лет.
Еще одно захватывающее событие в истории вакуумной техники имело место, когда в Англии в середине девятнадцатого столетия были построены железные дороги. Так как паровозы в то время были довольно ненадежными, грязными, шумными, тяжелыми и неспособными столкнуться с крутыми подъемами, группа изобретательных инженеров задумала план строительства чистых, тихих и легких поездов, движимых силой между атмосферой и вакуумом на поверхности поршня, размещенного между рельсами.
В 1846 году Брунель построил такую систему на южном побережье Девона в Англии. Непрерывная линия чугунной трубы располагалась по центру между рельсами. Разность давлений наружной атмосферы на ее задней части и грубый вакуум на ее передней поверхности приводили к тому, что в трубке находился поршень. Большие стационарные насосы, расположенные примерно в 5 км по трассе, создавали вакуум. Нижняя часть первого железнодорожного вагона была соединена с рамой, образующей задний конец поршня. Вдоль верхней части трубки находилась щель, закрытая измерительной трубкой; вертикальный продольный воздухонепроницаемый клапан, состоящий из сплошной кожи, усиленной железным каркасом.
Большие успехи в физике во второй половине девятнадцатого века почти немыслимы без помощи вакуумных технологий. Значительный прогресс, однако, был возможен только после изобретения насоса Гейслера в 1855 году. Три года спустя Плюкер обнаружил, что свечение стеклянной стенки во время газового разряда смещается при приложении магнитного поля. В 1860 году Хитторф обнаружил, что лучи от катода производят очень острую тень, если объект помещен между катодом и стеклом. Многие ученые продолжали исследования катодных лучей, что в конечном итоге привело к открытию электрона в качестве компонента катодных лучей Дж. Томсона в 1898 году.
В 1895 году Рентген сообщил, что при перекачке разряда до менее 1 Па образуется сильно проникающее излучение, способное проходить через воздух, пламя и даже тонкие металлические листы. Он назвал лучи рентгеновскими лучами. В 1887 году Герц открыл фотоэлектрический эффект в вакууме. В 1890 году Рамсей и Рэлей обнаружили благородные газы. Все эти эксперименты помогли понять природу вакуума: увеличивающееся разрежение атомов и молекул газа. В то время стало ясно, что любое вещество в природе состоит из атомов. В 1909 году Кнудсен опубликовал всестороннее исследование потока газов через длинные и узкие трубки. Он разделил этот поток на три режима: молекулярный режим при очень низких давлениях, где частицы настолько разбавлены, что они не взаимодействуют друг с другом, а только с окружающими стенками, вязкий режим при более высоких давлениях, где движение частиц Сильно зависящей от взаимных столкновений, и промежуточного режима. Эта публикация может рассматриваться как начало физики вакуума. Для экспериментов Кнудсен использовал так называемый насос Геде.
Насос Геде представлял собой ротационный ртутный насос, в котором трубка Торричелли была намотана так, что она позволяла непрерывную откачку вращательным движением. Насос приводился в действие электромотором. Его скорость откачки была в 10 раз выше, чем у насоса типа Шпренгеля, и производилось вакуумирование до 1 мПа. Однако для этого требовался дополнительный насос последовательно, потому что он мог сжимать газ только до 1/100 атмосферного давления.
Ротационный вакуумный насос с вращающейся лопастью был разработан между 1904 и 1910 годами, основанными на идее аристократа Принса Рупрехта, датируемого 1657 годом. Геде оптимизировал эти насосы в 1935 году, изобретя газовый балласт, что позволило прокачать конденсируемые газы.
Геде тщательно изучил работу Кнудсена, и на встрече немецкого физического общества в 1912 г. он представил свою первую молекулу. Геде использовал открытие, что любая молекула газа, столкнувшаяся со стенкой, остается на ней некоторое время. Поэтому если частица газа попадает в быстро движущуюся стенку, она будет принимать скорость стенки и переноситься в направлении движения во время пребывания в потоке. Насосы, основанные на этом принципе, требуют очень высоких скоростей вращения ротора и низких зазоров около 20 мкм между движущейся стенкой и неподвижной стенкой. В 1958 году Беккер использовал этот принцип и изобрел турбомолекулярный насос.
В 1915 и 1916 годах Геде и Ленгмюр разработали ртутный диффузионный насос. Двенадцать лет спустя последовал масляный диффузионный насос, который был самым распространенным насосом до тех пор, пока не был разработан турбомолекулярный насос.
Кроме того, вакуумные измерения стремительно развивались, используя другие, зависящие от давления свойства газов: Сазерленд предложил использовать вязкость газов в 1897 г. Ленгмюр применил этот принцип на практике в 1913 г. с использованием осциллирующего кварцевого волокна. Уменьшение амплитуды колебаний дало измерение давления газа. В 1960 г. Дж. У. Бимс продемонстрировал, что замедление частоты вращения стального шарика с магнитной подвеской, вращающегося на частоте около 1 МГц в вакууме, может быть использовано в качестве меры давления. Фремерей оптимизировал это устройство в 1970-х и 1980-х годах. Пирани использовал зависимость теплопроводности от давления и построил первый датчик теплопроводности в 1906 году. В 1909 году фон Байер показал, что в качестве вакуумного датчика можно использовать триодную вакуумную трубку. Пеннинг изобрел датчик холодного катода в 1937 г., в котором газовый разряд устанавливается скрещенными электрическим и магнитным полями. Во время Второй мировой войны были разработаны масс-спектрометры, которые стали ключевыми компонентами оружейной промышленности.
После Второй мировой войны, считалось, что диффузионные насосы не смогут создавать давления ниже 10 -8 Торр, хотя основной эффект неизвестен. Кривые скорости откачки всех производителей в этот момент показали значение нуля. Давление измеряли с помощью триодных датчиков. Во время Конференции по физическим электронным устройствам в 1947 г. Ноттингем предположил, что причиной этого более низкого давления может стать попадание рентгеновских фотонов на коллектор триода, вызывающего вторичные электроны. Это был прорыв. Соревнование за существенное улучшение ионной калибровки началось. В 1950 году, Байард и Альперт преуспели с такой простой идеей. Поскольку все вакуумные датчики, за исключением трубки Торричелли, необходимо было откалибровать, и поскольку в то же время вакуумная промышленность выросла до важной отрасли, в государственных институтах в конце 1950-х годов были созданы независимые метрологические лаборатории. Первые были созданы в Национальной физической лаборатории (NPL) в Англии. В 1966 г. в Германии была лаборатория физики вакуума (сегодня: вакуумная метрология) на физико-технологическом бундесанском станте (PTB) в Германии, а в 1970-х годах вакуумная лаборатория в Национальном бюро стандартов (НБС, сегодня: NIST) в Соединенные Штаты.
Возвращаясь к философским соображениям в начале этой главы, давайте сделаем заключительное замечание о природе вакуума с точки зрения современной физики: несомненно, существуют макроскопические области, например, небольшие объемы между галактиками, где нет ни единой молекулы. Для такого объема вводился термин абсолютный вакуум. Однако сегодня мы знаем, что даже абсолютный вакуум не является пустым (с точки зрения энергии). Иначе это не соответствовало бы законам природы. Энергия вакуума с еще неизвестной природой, которая может быть связана с введенной Эйнштейном космологической постоянной, позволяет спонтанно генерировать частицы, флуктуируя квантовые поля за короткие промежутки времени даже в абсолютном вакууме. В этом смысле нет свободного места в мире, где действительно пусто.
В переводе с латинского “Вакуум” означает пустоту. Философский этап развития вакуумной техники опустим, ибо он примитивен.
Началом научного этапа в развитии вакуумной техники можно считать 1643 г, когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. В 1672 году Отто фон Герике изобретает механический поршневой насос с водяным уплотнителем. Изучалось поведение различных систем и живых организмов в вакууме.
Содержание
Введение…………………………………………………………………….3
1. Вакуумные насосы. Общая характеристика…………………………. 4
2. Объёмные вакуумные насосы (поршневые, кольцевые, ротационные)……………………………………………………………………. 8
3. Молекулярные насосы…………………………………………………17
4. Пароструйные насосы………………………………………………….20
5. Насосы, основанные на принципе ионно-сорбционной откачки…. 23
Список литературы……………………………………………………….27
Прикрепленные файлы: 1 файл
Вакуумные насосы.doc
СОДЕРЖАНИЕ
Введение………………………………………………………… ………….3
1. Вакуумные насосы. Общая характеристика…………………………. 4
2. Объёмные вакуумные насосы (поршневые, кольцевые, ротационные)……………………………………………… ……………………. 8
3. Молекулярные насосы…………………………………………………17
4. Пароструйные насосы…………………………… …………………….20
5. Насосы, основанные на принципе ионно-сорбционной откачки…. 23
Список литературы…………………………………………………… ….27
ВВЕДЕНИЕ
История развития вакуумной техники.
В переводе с латинского “Вакуум” означает пустоту. Философский этап развития вакуумной техники опустим, ибо он примитивен.
Началом научного этапа в развитии вакуумной техники можно считать 1643 г, когда Торричелли впервые измерил атмосферное давление. В 1672 году Отто фон Герике изобретает механический поршневой насос с водяным уплотнителем. Изучалось поведение различных систем и живых организмов в вакууме.
Наконец, в 80-х годах 19 в. Человечество шагнуло в технологический этап создания вакуумных приборов и техники. Это было связано с открытием А.Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания с угольным электродом (1873) и открытием Т.А. Эдисоном термоэлектронной эмиссии (1883). Начинают изобретаться такие вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Дж. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913); манометры: компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).
В СССР становление вакуумной техники началось с организации вакуумной лаборатории на ленинградском заводе “Светлана”. Началось бурной развитие электроники и новых методов физики.
Применение вакуума в науке и технике.
Области применения весьма широки. Практически ни одно технологически сложное производство не обходится без применения вакуума.
В электронной технике: осветительные лампы, газоразрядные, генераторные и сверхвысокочастотные приборы, телевизионные и рентгеновские трубки.
В производстве микросхем и приборов: нанесение тонких плёнок, ионное внедрение, плазмохимическое травление, электронолитографию.
В металлургии: плавка и переплав металлов в вакууме освобождает их от растворённых газов, что придаёт им высокую прочность, пластичность и вязкость.
Машиностроение: электроннолучевая сварка, диффузионная сварка, плазменная обработка.
Химическая промышленность: вакуумные сушильные аппараты, вакуумная пропитка, вакуумные фильтры.
Основной инструмент современной ядерной физики – ускоритель частиц – немыслим без вакуума. Поддержание почти космического вакуума требуется в установках для проведения экспериментов.
Вакуумные насосы
Общая характеристика
Все вакуумные насосы можно разделить на высоковакуумные и низковакуумные, а по физическому принципу действия – на механические, сорбционные, ионные. Среди механических насосов выделяют объёмные и молекулярные, основанные на передаче количества движения молекулам газа от движущихся поверхностей.
Насосы объёмного типа осуществляют откачку за счёт периодического изменения объёма рабочей камеры. Этот тип вакуумных насосов появился раньше остальных и получил широкое применение в различных конструкциях: поршневая, жидкостно-кольцевая и ротационная.
Среди насосов с передачей количества движения молекулам газа различают: водоструйные, эжекторные, диффузионные и молекулярные. Их характеристики можно рассчитать на основании закономерностей внутреннего трения в газах.
Сорбционные явления в вакууме широко используются для откачки газов из вакуумных систем. На принципе хемосорбции основана работа испарительных насосов. Физическая адсорбция и конденсация используются для откачки газов криосорбционными насосами: адсорбционными и конденсационными.
Направленное движение предварительно заряженных молекул газа под действием электрического поля является основой работы ионных насосов. Принцип ионной откачки совместно с сорбционным используется в конструкциях ионно-сорбционных насосов.
Основными параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия, предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление.
Рис. 1 Упрощенная схема вакуумной системы.
Рассмотрим схему простейшей вакуумной системы (рис. 1), состоящую из откачиваемого объекта 1, насоса 2, и соединяющего их трубопровода. Течение газа из откачиваемого объекта в насос происходит из-за разности давлений (p1 - p2), причём p1 > p2.
Быстроту откачки насоса Si в произвольном сечении соединительного трубопровода можно определить как объём газа, проходящий через это сечение в единицу времени:
Быстротой откачки объекта или эффективной быстротой откачки насоса называется объём газа, поступающий в единицу времени из откачиваемого объекта в трубопровод через сечение I при давлении p1:
Быстрота действия насоса – это объём газа, удаляемый насосом в единицу времени через входной патрубок (сечение ближе к насосу) при давлении p2:
Отношение эффективной быстроты откачки насоса к быстроте действия называется коэффициентом использования насоса:
Производительностью насоса называется поток газа, проходящий через его входное сечение. Для стационарного потока выполняется условия сплошности:
Q = p2SH = p1SEff = piSi (4)
Установим связь между тремя основными характеристиками вакуумной системы: быстротой действия насоса SH, эффективной быстротой откачки объекта SEff и проводимостью вакуумной системы между насосом и откачиваемым объектом U. Запишем следующие равенства:
SH= Q/p2=U(p1-p2)/p2,
SEff = Q/p1 = U(p1 - p2)/p1 (5)
После несложных преобразований имеем искомую связь:
1/SEff -1/SH = 1/U (6)
Это уравнение называется основным уравнением вакуумной техники. Для анализа этого уравнения запишем его немного в другом виде:
SEff = SHU/(SH + U) (7)
Сразу же бросаются в глаза следующие факты:
- Если SH = U, то получаем что SEff = 0.5SH;
- Если U , то SEff SH;
- При U 0, имеем SEff 0.
Предельное давление насоса pпр - это минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта. Логично заметить, что быстрота действия насоса при приближении к предельному давлению стремиться к нулю. Предельное давление большинства вакуумных насосов определяется газовыделением материалов, из которых изготовлен насос, перетеканием газов через зазоры и другими явлениями, возникающими в процессе откачки.
Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса pм - это минимальное давление, при котором давление длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Наименьшее рабочее давление примерно не порядок выше предельного давления. Использование насоса для работы при давлениях между предельным и наименьшим рабочим экономически не выгодно из-за ухудшения его удельных характеристик.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса pб - это максимальное давление, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. В рабочем диапазоне от наименьшего о наибольшего рабочего давления обеспечивается эффективное применение насоса для откачивания вакуумных установок. Рабочие диапазоны давлений вакуумных насосов в основном определяются их принципом действия.
Давление запуска вакуумного насоса pз - максимальное давление во входном сечении насоса, при котором он может начать работу. Давление запуска обычно заметно превышает наибольшее рабочее давление. Для некоторых типов насосов, к примеру, магниторазрядных, это различие может достигать 2-3 порядков
Рис.2 Зависимость быстроты действия от входного давления.
Наибольшее выпускное давление pВ - максимальное давление в выходном сечении насосы, при котором он может осуществлять откачку. Этот параметр не используется для некоторых типов сорбционных насосов, поглощающих газ в объёме насоса.
Параметры вакуумных насосов показаны на основной характеристике вакуумного насоса – зависимости быстроты действия от его входного давления (рис. 2). Экспериментальное определение основной характеристики вакуумного насоса может осуществляться двумя методами: стационарным методом постоянного давления и квазистационарным методом постоянного объёма.
2. Объёмные вакуумные насосы (поршневые, кольцевые, ротационные)
В поршневых вакуумных насосах откачка осуществляется за счет периодического изменения объема цилиндра. Цилиндры могут быть простого и двойного действия с водяным или воздушным охлаждением. Скорость движения поршня обычно не превышает 1 м/с. Обычные поршневые насосы с самодействующими клапанами имеют предельное давление 4.103 - 1.104 Па. Насосы с золотниковым распределением имеют более низкое предельное давление. 3.102 Па для одноступенчатых и 10 Па для двухступенчатых конструкций. Улучшение предельного давления достигается перепуском газа из мертвого пространства в конце хода поршня во вторую полость цилиндра, в которой заканчивается процесс всасывания. Быстрота действия современных поршневых насосов составляет 10-4000 л/с. Насосы обычно начинают работать от атмосферного давления.
Недостатком поршневых насосов является неравномерность процесса откачки, неполная уравновешенность, большие потери на трение [~200 Вт/(л/с)] и большая удельная масса (10-20 кг/(л/с)).
Жидкостно-кольцевые насосы или насосы с жидкостным поршнем (рис. 3) имеют в цилиндрическом корпусе / эксцентрично расположенное рабочее колесо 2 с неподвижно закрепленными лопатками. Находящаяся внутри корпуса жидкость во время вращения под действием центробежных сил прижимается к стенкам корпуса и образует жидкостное кольцо 4. Между жидкостным кольцом и лопатками насоса образуются отдельные ячейки неодинакового размера. В начале их объем увеличивается, и газ через всасывающее отверстие 3 в торцевой крышке поступает в насос. Затем объем ячеек уменьшается, и сжатый газ через выхлопное отверстие 5 удаляется из насоса.
В качестве рабочей жидкости для откачки смеси воздуха с водяным паром используется вода, для откачки хлора - концентрированная серная кислота и т. д. По конструкции и условиям эксплуатации эти насосы проще поршневых, так как не имеют клапанов и распределительных устройств.
Предельное давление таких насосов определяется давлением насыщенных паров рабочей жидкости. Водокольцевые насосы имеют предельное давление (2-3).103 Па. Насосы могут работать от атмосферного давления. В компрессорном режиме обеспечивают давление до 2.105 Па. Быстрота действия лежит в пределах от 25 до 500 л/с.
Недостатком насоса является довольно большой удельный расход мощности (~200 Вт/(л/с)) из-за необходимости перемещения жидкости, находящейся в насосе. Удельная масса насосов около 10 кг/(л/с).
Рис. 3. Жидкостно-кольцевой насос.
Ротационные пластинчатые насосы (рис. 4) содержат цилиндрический корпус 7 с впускным 4 и выхлопным 3 патрубками и эксцентрично расположенный ротор 6, в пазах- которого установлены пластины 5. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Насосы с малой быстротой действия (~1 л/с) изготовляются по схеме рис. 4а и работают в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения маслом рабочей камеры служит клапан 2. Начальное прижатие пластин к поверхности статора осуществляется пружиной 1.
Насосы с быстротой откачки до 103 л/с выполняются по схеме рис. 4б с большим числом пластин. В этих насосах нет масляной ванны, а для уменьшения потерь на трение используются беговые кольца 5, которые приводятся во вращение пластинами. Отверстия в беговых кольцах обеспечивают прохождение откачиваемого газа. В некоторых конструкциях, имеющих пластины из антифрикционных материалов, можно обойтись без беговых колец.
Предельное давление таких насосов определяется кроме газовыделения материалов насоса объемом вредного пространства и давлением насыщенных паров масла.
Рис. 4. Ротационные пластинчатые насосы.
Вредное пространство насоса обозначено на рис. 5 буквой В. В пластинчато-роторных насосах объем вредного пространства частично заполняется рабочей жидкостью. В этих насосах в корпусе насоса из объема вредного пространства делается перепускной канал в одну из рабочих камер, не соединяющихся с откачиваемым объектом.
При откачке от атмосферного давления без учета давления насыщенных паров рабочей жидкости предельные давления насосов составляют: 1 Па - для .схемы рис. 3а и 2.103 Па - для схемы рис. 3б.
Для уменьшения влияния объема вредного пространства на предельное давление пластинчато-роторных насосов их часто делают двухступенчатыми. В этом случае предельное давление снижается до 103 Па.
Удельная масса таких насосов от 10 до 30 кг/(л/с), удельный расход мощности от 0.1 до 0.3 кВт/(л/с), причем меньшие значения имеют многопластинчатые роторные насосы.
Ротационные насосы с катящимся ротором бывают в основном двух видов: пластинчато-статорный насос (рис. 6а) и золотниковый насос (рис. 6б).
Пластинчато-статорный насос составляют следующие основные элементы: корпус ), эксцентричный ротор 2, выпускной патрубок 3, пластина 4, пружина 5, входной патрубок 6". Рабочее пространство насоса образуется между эксцентрично установленным ротором и корпусом насоса. При вращении по часовой стрелке за первый оборот ротора газ всасывается из откачиваемого объекта, а за второй оборот производится сжатие и выхлоп газа. Пластина под воздействием пружины герметично разделяет области всасывания и сжатия откачиваемого газа.
Золотниковый насос состоит из корпуса 1, эксцентрично установленного ротора 2, золотника 3, выпускного патрубка 4, обратного клапана 5, шарнира 6 и входного патрубка 7. Газ из откачиваемого объекта через входной патрубок и отверстия в золотнике поступает в камеру всасывания А, увеличивающуюся при вращении ротора по часовой стрелке. В это же время объем камеры В уменьшается и находящийся в ней газ сжимается и выталкивается через выхлопной патрубок.
Пластинчато-статорный и золотниковый насосы работают в масляной ванне, так же как и пластинчато-роторный насос. Характеристики этих насосов примерно одинаковы, но золотниковые насосы изготовляются на большие быстроты откачки - до 100 л/с.
В качестве рабочей жидкости насосов обычно применяются вакуумные масла, полученные из обычных смазочных материалов отгонкой самых легких и самых тяжелых фракций. Температура вспышки масел должна быть не ниже 200°С, что характеризует отсутствие в масле легкоокисляющихся фракций.
Научный этап развития вакуумной техники начинается с 1643 г., когда в Италии Э. Торричелли, ученик знаменитого Г. Галилея, измерил атмосферное давление. В 1672 г. в Германии О. Герике изобрел механический поршневой насос с водяным уплотнением, что дало возможность проведения многочисленных исследований свойств разреженного газа. Изучается влияние вакуума на живые организмы.
Опыты с электрическим разрядом в вакууме привели вначале к открытию электрона, а затем и рентгеновского излучения. Теплоизолирующие свойства вакуума помогли создать правильное представление о способах передачи теплоты и послужили толчком для развития криогенной техники.
Успешное изучение свойств разреженного газа обеспечило возможность его широкого технологического применения. Оно началось с изобретения в 1873" г. первого электровакуумного прибора— лампы накаливания с угольным электродом — русским ученым А. Н. Лодыгиным и открытием американским ученым и изобретателем Т. Эдисоном в 1883 г. термоэлектронной эмиссии. С этого момента вакуумная техника становится технологической основой электровакуумной промышленности.
Расширение практического применения вакуумной техники сопровождалось быстрым развитием методов получения и измерения вакуума. За небольшой период времени в начале XX в. были изобретены широко применяемые в настоящее время вакуумные насосы: вращательный (Геде, 1905), криосорбционный (Д. Дьюар, 1906), молекулярный (Геде, 1912), диффузионный (Геде, 1913).
Аналогичные успехи были достигнуты и в развитии способов измерения вакуума. К U-образному манометру Торричелли добавились компрессионный (Г. Мак-Леод, 1874), тепловой (М. Пирани, 1909), ионизационный (О. Бакли, 1916).
Одновременно совершенствуются научные основы вакуумной техники. В России П. Н. Лебедев (1901) впервые использует в своих опытах идею удаления остаточных газов с помощью ртутного пара. В этот же период исследуются фундаментальные свойства газов при низких давлениях, течение газов и явления переноса (М. Кнудсен, М. Смолуховский, И. Ленгмюр, С. Дешман).
В СССР становление вакуумной техники связано с именем академика С. А. Векшинского (1896—1974), организовавшего в 1928 г. вакуумную лабораторию в Ленинграде, а затем возглавившего научно-исследовательский вакуумный институт в Москве.
До 50-х годов существовало мнение, что давления ниже Ю-6 Па получить невозможно. Однако работы американских ученых Ноттингема (1948) по измерению фоновых токов ионизационного манометра и Альперта (1952) по созданию ионизационного манометра с осевым коллектором расширили диапазон рабочих давлений вакуумной техники еще на три-четыре порядка в область сверхвысокого вакуума.
Для получения сверхвысокого вакуума изобретают новые насосы: турбомолекулярный (Беккер, 1958), магниторазрядный (Джепсен и Холанд, 1959); совершенствуются паромасляныё и криосорбционные насосы.
При измерении низких давлений применяются анализаторы парциальных давлений, с помощью которых определяют состав и давление каждой компоненты остаточных газов. Сверхвысокова-куумные системы потребовали для обеспечения их надежной сборки и эксплуатации разработки чувствительных методов определения натеканий в вакуумных системах: масс-спектрометрического, галоидного и др. Для снижения газовыделения вакуумных конструкционных материалов начинает применяться высокотемпературный прогрев всей вакуумной установки.
Вакуумные системы изготавливают цельнометаллическими, разрабатывают конструкции сверхвысоковакуумных уплотнений, вводов движения и электрических вводов в вакуум. Совершенствуются технологические методы получения неразъемных соединений металла со стеклом, электронно-лучевая и газовая сварка. В 60-х годах успешное развитие вакуумной техники привело к разработке стохастических методов расчета вакуумных систем.
Достижения криогенной техники в получении низких температур нашли применение в технологии получения вакуума. Криогенные вакуумные насосы начали применять в научных исследованиях, а затем и в промышленности. Разработка откачных средств, не загрязняющих откачиваемый объект, открыла новые перспективы для применения вакуумной техники.
Этапы развития вакуумной техники
Герон из Александрии (Heronis Alexandrini, Hpojv о AZecgvopei’ig, 10-75) описывает приспособления (шприц и колба Герона), которые можно считать прототипами пневматических механизмов, использованных позднее для создания разрежения.
В 1654 г. губернатор Магдебурга Отто фон Герике (Otto von Goerike) (1602-1685) провел откачку воздуха из полости между металлическими полушариями при помощи разработанного им первого примитивного вакуумного водоуплотняемого поршневого насоса. Атмосферное давление сжало полушария так, что их не могли разорвать 8 пар лошадей (рис. 1.6). Правда, следует отметить, что все эти опыты проводились для определения величины атмосферного давления.
Одно из первых наблюдений падения давлений в результате улавливания атомов металлической пленкой (т.е. сорбционная откачка) проведено в 1858 г. немецким физиком Юлиусом Плакером (Julius Plucker) (1801-1868).
Первые опыты по связыванию молекул газа с помощью паров пятиокиси фосфора с образованием нелетучего соединения (хемосорбция, геттерная откачка) проведены итальянцем Артуро Малиньяни (Arturo Malignani) (1865-1939) в 1894 г. при производстве ламп накаливания.
В области вакуумметрии (т.е. замера глубины вакуума) разработка деформационного манометра проведена французским часовщиком Эженом Бурдоном (Eugene Bourdon) (18081884) в 1849 г ., компрессионного манометра — шотландцем Гербертом Мак-Леодом (Herbert G. McLeod) (1841-1923) в 1874 г.
Разработка теплового (термопарного) манометра выполнена немцем Марчелло Пирани (Marcello Stefano Pirani) (18801968) в 1906 г. и усовершенствована К.Ф. Хейлом в 1911 г., ионизационного — Оливером Бакли (Oliver Ellsworth Buckley) (1887-1959) в 1916 г. (Research Laboratory, American Telephone and Telegraph Company and Western Electric Company), ионизационного манометра с холодным катодом — голландским физиком Францем Мишелем Пеннингом (Frans Michel Penning) (1894-1953) в 1936 г., ионизационного с горячим катодом -в 1950 г. американцами Робертом Байярдом и Дэниэлом Альпертом (Robert T. Bayard and Daniel Alpert).
Параллельно разработкам по созданию вакуумной техники было открыто три элементарные частицы — протон, нейтрон и электрон.
Второй волной в развитии вакуума (1950-1960-е гг.) стала разработка ускорителей заряженных частиц, электронных микроскопов, установок управляемого термоядерного синтеза и имитаторов космического пространства.
Вообще в истории развития вакуумной техники можно выделить три основных этапа:
1) улучшение вакуума (достижение максимального разрежения);
2) увеличение размеров вакуумных устройств;
3) увеличение скоростей откачки и решение вопросов поддержания высокого и сверхвысокого вакуума.
Читайте также: