VÁKUUMTECHNIKA GYAKORLATI ALAPJAI Bohátka Sándor és Langer Gábor 9. Szivattyúk TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI.

Az előadások a következő témára: "VÁKUUMTECHNIKA GYAKORLATI ALAPJAI Bohátka Sándor és Langer Gábor 9. Szivattyúk TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI."— Előadás másolata:

1 VÁKUUMTECHNIKA GYAKORLATI ALAPJAI Bohátka Sándor és Langer Gábor 9. Szivattyúk TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

2 9.1.26. ábra. A vízgyűrűs szivattyús rendszer felépítése [ES1]. 9.1.2.1. Folyadékgyűrűs szivattyú A folyadékgyűrűs szivattyúk működése során az elszívott gáz a folyadékkal együtt távozik a szivattyúból. Szükség van folyadék leválasztó tartály alkalmazására és az eltávozott folyadék szivattyúba történő visszatáplálására.

3 9.1.2.2. Forgólapátos szivattyú Hűtés 9.1.29. ábra. A szivattyú háza erősen bordázott, hűtését a motorra szerelt ventillátor biztosítja. Kedvező konstrukciónál a szívócsonk is a jól hűtött részre esik, így ott az olaj gőznyomása alacsonyabb, mint a szivattyútestben [L3].

4 Tömítés A forgórésznél a megfelelő illesztés és az olaj képez tömítést. Az állórésznél oldható kötések. Forgástengely tömítése a legkritikusabb: - a motor és a szivattyú közvetlen csatolása esetén: szimering, - mágneses csatolás segítségével álló alkatrészekkel kiváltható. Speciálisan szigorú tömítettség: He szívására is alkalmas – He-tömör kivitel.

5 9.1.30. ábra. Rotációs szivattyú csatolása a motorhoz [P2]. Hagyományos erőátvitellel szimering Mágneses erőátvitelnél nincs csúszó tömítés Tömítés

6 Szelepek - Kipufogó-szelep - Szívóoldali biztonsági szelep olaj-visszaáramlás ellen véd vákuumon tartja a leszívott edényt, fellevegőzi a szivattyút. 9.1.31. ábra. Egy olaj-visszaáramlás ellen védő, egyben a szivattyút fellevegőző szelep működése [L3]. atmoszféra Olajnyomás > > rugónyomás atmoszféra Olajnyomás < <rugónyomás A szelepet zárja az atmoszféra A szivattyú fellevegőzve vákuum Szívás Járó motornál A meghajtó motor leállásakor Vák. zárva nyitva

7 9.1.32. ábra. Az olaj-visszaáramlás 99%-os csökkenését lehet elérni alumínium-oxid kerámia gyöngy töltettel is, amely hosszú labirintuson keresztül engedi át a gázokat. Jobbra: maradékgáz spektrum a szűrő nélkül (fent) és szűrővel (lent) [L3]. Recipiens védelme az olajgőztől

8 Trochoid (hengeres forgódugattyús) szivattyú (trochoid pump) A Wankel-motor megfelelője a szivattyúk között. Költségességük miatt csak nagy méretűek használata kifizetődő. Nyomástartománya: 1013 – 10 -3 (10 -4 ) mbar. Szívósebessége: 50 – … m 3 /h. 9.1.33. ábra. A trochoid szivattyú működési elve[L2]. 1-2 fogaskerék, elliptikus dugattyú, 4 a szivattyú belső felülete, 5 meghajtó tengely, 6 excentrikus felfogás.

9 9.1.2.2. 1.Száraz forgólapátos szivattyú Felépítése hasonló az olajkenéses forgólapátos szivattyúéhoz, de nincs kenőanyag, a lapátok éle jól csúszó ( teflon alapú) anyag. végvákuum: 70-80 mbar A száraz szivattyú végvákuuma erősen korlátozott a mozgórész tökéletlen tömítettsége miatt, és romlik a használat során a kopás miatt.

10 A Roots szivattyúk jellemzésére használt paraméterek: Kompresszió: ( ) > 1, ahol p elő : a Roots szivattyú kipufogó oldali nyomása (elővákuuma), p Roots : a Roots szivattyú szívott oldali nyomása. S Roots : a Roots szivattyú szívósebessége, S elő : a Roots szivattyú elővákuum-szivattyújának szívósebessége. K > 1, tehát a Roots szivattyú csökkenti (kb. tizedére) az elővákuum-szivattyújával előállított nyomást, növeli szívósebességét! Kompresszió zérus gázáramnál (Q = 0, szívótorok zárva):, ahol S elm : a Roots szivattyú elméleti szívósebessége, C rés : a forgórészek melletti rések vezetőképessége, S vissz : deszorpcióból, tökéletlen gázeltávolításból eredő visszáramú szívósebesség (Q = S vissz ∙p elő gázmennyiség-áramból értelmezve) Nagyobb nyomáson (p elő > 15 mbar) C rés nagy, K 0 ≈ S elm /C rés Alacsonyabb nyomáson (p elő < 0,1 mbar) C rés kicsi, K 0 ≈ S elm /S vissz. 9.1.3.1. Roots szivattyú

11 9.1.34. ábra. Roots szivattyú maximális kompressziója (K 0 ) az elővákuum-oldali nyomás függvényében. Nagyobb nyomáson a rések vezetőképessége, alacsony nyomáson a gáz-visszaáramlás csökkenti a kompressziót. [OL1] H 2 -re, He-ra rosszabb a kompresszió, mint levegőre! C rés dominál S vissz dominál

12 Elméleti kompresszió vagy gradáció: K elm = S elm /S elő S elm : a Roots szivattyú elméleti szívósebessége, S elő : a Roots szivattyú elővákuum-szivattyújának szívósebessége. Tulajdonképpen ez annak a mértéke, hogy a Roots szivattyúval elérhető elméleti szívósebesség hányszor nagyobb az elővákuum-szivattyújának a szívósebességénél (a Roots szivattyú megnöveli elővákuum-szivattyújának szívósebességét). Térfogati hatásfok: < 1,ahol Q eff : a Roots szivattyúval valóságosan elszívott gázmennyiség-áram, Q elm : a Roots szivattyúval elméletileg elszívható gázmennyiség-áram, S elm : a Roots szivattyú elméleti szívósebessége, S vissz : a gáz-visszaáramlás okozta veszteségnek megfeleltetett szívóseb. Alacsony nyomáson (p elő < 0,1 mbar): η = 1-K/K 0 (9.1.3.1.) (9.1.3.2.)

13 p elő (mbar) S elő ( ℓ /s) K elm K0K0 ηS eff ( ℓ /s) p Roots (mbar) 1002508,012,50,61122021 102508,0330,816001,6 12508,0410,8416800,15 0,112016,6230,612000,01 0,043067180,214200,003 9.1.1. táblázat. Egy S elő = 250 ℓ/s szívósebességű elővákuum-szivattyúval támogatott, S elm = 2000 ℓ/s elméleti szívósebességű Roots szivattyú jellemző adatai [L2]. A Roots szivattyú és elővákuum-szivattyúja ugyanazt a gázmennyiség-áramot szívja el, ebből levezethető: K = η∙K elm, azaz a Roots szivattyúval elérhető kompresszió mindig kisebb a Roots és elővákuum-szivattyúja közötti elméleti kompressziónál, mert η < 1. A két utóbbi egyenlőségből: (9.1.3.3.) (9.1.3.4.)

14 9.1.35. ábra. Nyereség a túlfolyó szelep használatával. Egy Roots és egy rotációs szivattyú szívósebessége különböző kombinációkban. 1: rot. sziv. magában; 2: rot. és Roots sziv. túlfolyószelep nélkül (csak 4 mbar-nál lehet a Roots szivattyút bekapcsolni); 3: rot. és Roots sziv. túlfolyószeleppel; 4: a túlfolyószeleppel elért nyereség a 3. üzemmódban [L3].

15 Létezik 5 fokozatú változata is, amely - önálló elővákuum-szivattyúként atmoszférára ürít, - végvákuuma 5(3)∙10 -2 mbar. 9.1.36. ábra. Több fokozatú Roots szivattyú felépítése [A1].

16 9.1.13. ábra. A kritikus elővákuum-nyomás elérése és meghaladásakor a fúvókák gőzfüggönye megtörik, az olajgőz elárasztja a szivattyút. 9.2.2.2. Diffúziós szivattyú

17 Diffúziós szivattyú olajai 9.2.1.táblázat. A diffúziós szivattyúkban használt néhány korszerű olaj legfontosabb adatai. [EV2, KL2]

18 9.1.14. ábra. A szivattyú szívóperemébe is beépíthető a hűtött olajcsapda. A fűtőtest közelébe helyezett gyorshűtő vízkör a lehűtés idejét csökkenti [A2].

19 9.1.15. ábra. Egy cseppfolyós nitrogénnel (LN) hűtött kifagyasztó rajza [A2]. LN

20 9.3.3. Turbómolekuláris szivattyú 9.3.10. ábra. Egy turbómolekuláris szivattyú kompressziója az elővákuum függvényében, különböző gázokra [L2]. 9.3.9. ábra. Egy turbómolekuláris szivattyú kompressziójának függése a gázok relatív móltömegétől[L2]. Szüksége van legalább 0,1-0,5 mbar elővákuumra. kompresszió

21 9.3.11. ábra. Turbószivattyú öblítése száraz gázzal a korrozív gázok elleni védelemre. Korrózió ellen felületkezelt rotorokat kell használni, a csapágyakat és szivattyúházat száraz öblítőgázzal kell védeni. Korrozív anyagokat tartalmazó gázok szívása:

22 9.3.12. ábra. Súrlódási teljesítmény a forgó és álló lapátkoszorú között a TMH 1601 szivattyúban Ar és N 2 gázra, a nyomás függvényében. [P3]

23 9.4.1. Adszorpciós szivattyú 9.4.11. ábra. A 13X jelű zeolit adszorpciós izotermája -195°C-on N 2, Ne és He- ra, valamint 20 °C-on N 2 -re. [L2]

24 9.4.12. ábra. Izzószálas (3,3 g hasznos Ti) és gömbös (15,2 g) Ti- szublimációs szivattyú töltetei és egy 200 mm csatlakozó peremű szivattyú szívósebességei a nyomás függvényében 20 °C-on, 0,1 és 0,01 g/h Ti szublimációval [V1].

25 9.4.13. ábra. A titán-szublimációs szivattyú szívósebesség-karakterisztikája: (A) nagy getter felület és tapadási valószínűség esetén a szívónyílás vezetőképessége határozza meg a szívósebességet; (B) az elszívott gázmennyiség kb. állandó – a nyomás és a szublimáció sebessége által meghatározott szívósebesség.

26 9.4.14. ábra. Ti-szublimációs szivattyúk N 2 -re érvényes szívósebességének változása a maximális szívósebességhez képest az időtartam és az üzemi nyomás függvényében – a telítődés hatása. Mennél nagyobb nyomáson üzemel, annál hamarabb telítődik = nem szív.[V1] 20

27 9.4.15. ábra. Trióda típusú getter- ion szivattyú speciális, nagyobb porlasztású katódráccsal (StarCell, Var.)[V1] A kisülés stabilitása és a porlasztás hatásfoka különösen nagy nyomáson látszik.

28 9.4.16. ábra. Telítetlen (felső) és telített (alsó) getter-ion szivattyú szívósebessége. A telítődés elérésének időtartama az üzemi nyomástól függ (Var.)[V1]. Az aktív gázok stabil vegyületet képeznek a getter anyagával, nem diffundálnak mélyre a katód felületéről. Egy idő után (amikor az elszívott gázmennyiség meghalad egy értéket), a gázok fel is szabadulnak a getterről: csökken az eredő szívósebesség – telítődésnek nevezik – ez a használatban lévő szivattyúk alapállapota.

29 9.4.17. ábra. Különböző típusú getter-ion szivattyúk szívósebessége H 2 gázra (Var.)[V1]. A hidrogén kis tömege miatt gyengén porlaszt, de bediffundál a katódba, a felszín nem telítődik, így eredő szívósebessége kb. kétszerese a nitrogénre elérhetőnek. A Ta-ban nem oldódik olyan jól a H 2, mint Ti-ban, ezért a nemesgáz dióda szívósebessége H 2 -re kisebb a közönséges diódásénál.

30 9.4.18. ábra. Azonos méretű dióda, nemesgáz dióda és trióda getter-ion szivattyúk szívósebessége metánra. A metán nem tapad a getterekhez, de a hidegkisülésben alkotórészeire szakad, amelyeket nagy hatásfokkal szív a szivattyú. A triódás getter-ion szivattyú a metánt is jobban szívja, mint a diódások.

31 A trióda típusú getter-ion szivattyú stabilabban tartja a szívósebességét és az üzemi nyomást. 9.4.19. ábra. A nemesgáz diódás szivattyú szívósebessége 10 -5 mbar üzemi nyomáson Ar gázzal 10 üzemóra után ingadozik, míg a triódásé 200 óráig is stabil. Az összes Ar terhelés: 3 mbarℓ, illetve 70 mbarℓ gázmennyiség (Var.)[V1].

32 9.5. KRIOSZIVATTYÚK A krioszivattyúk jellemző paraméterei - Végvákuum Kondenzációs szivattyúknál az elérhető legalacsonyabb nyomás (p vég ) a kondenzátum és a gáz fázis egyensúlyát feltételezve, a részecskefluxus- sűrűséggel számolva: p vég = p tel, ahol p tel a gáz telített gőznyomása a szivattyúzó felület hőmérsékletén (T sz ), T fal : a vákuumedény falának hőmérséklete. Pl.: N 2 -re: T sz = 20 K; p tel = 1,33  10 -11 mbar; T fal = 300 K; p vég = 5  10 -11 mbar. A csapdázó és szorpciós szivattyúk legalacsonyabb nyomása nagyon nehezen számolható, de a kondenzációsénál sokkal alacsonyabb. T sz = 20 K-nél a H 2, He, Ne gázokra kiegészítő szivattyú kell. Gáz 4 HeH2H2 NeN2N2 ArO2O2 CH 4 Forráspont (K)4,220,3927,1777,3587,2990,19111,7 Olvadáspont (K) 4,2 (140 bar) 13,9824,5763,1483,254,3690,6 9.5.1. táblázat. A krioszíváshoz alkalmazott hűtőközegek: cseppfolyósított gázok. (9.5.1.)

33 - Szívósebesség A fajlagos szívósebesség (S A ) a hideg felületen kondenzálódó és az onnan felszabaduló gázok áramából: [ℓ  s -1  cm -2 ] (9.5.2.) Nagy nyomásnál :, tehát a maximális szívósebesség a fal hőmérsékletétől és a gáz móltömegétől függ. Pl.: T fal = 293 K-nél S A = O 2 : 11,0; N 2 : 11,8; H 2 : 44,2 ℓ s -1 cm -2. Az A sz felületű krioszivattyú szívósebessége: S = S A  A sz, tehát egy 32x32 cm-es kriopanellel akár már 10 000 ℓ/s szívósebesség is megvalósítható! Levegőre: S fajlagos = 11,6 ℓ s -1 cm -2, A sz = 1024 cm 2, S = 11.878 ℓ/s. A kondenzációs szivattyú szívósebessége és végvákuuma állandó az élettartamon belül, a szorpciós szivattyú szívósebessége csökken, végnyomása nő. (9.5.3.)

34 - Élettartam: ameddig a szivattyúval regenerálás, kigázosítás nélkül lehet működni (t teljes ) függ a működési nyomástól (p m ), a kondenzátum fizikai jellemzőitől, gázonként is változik. Pl.: t teljes (N 2 )  1,1  10 -2  p m -1 [h], p m = 10 -6 nyomásnál t teljes = 1,25 év t teljes (H 2 )  3  10 -3  p m -1 [h], p m = 10 -6 nyomásnál t teljes = 0,34 év - Kapacitás (C pV ): a szivattyú által összesen elszívott gázmennyiség mindaddig, amíg a szívósebesség jelentősen nem csökken. C pV = S  p m ∙t teljes, [C pV ] = mbar  ℓ Pl.: N 2 -re: S = 3500 ℓs -1 ; p m = 10 -6 mbar; t teljes = 1,1  10 4 h feltétellel: C pV = 1,4  10 5 mbar  ℓ.

35 9.5.12. ábra. Kétfokozatú Gifford- McMahon típusú hideg fej vázlata. 1, 19: a hideg fej elektromos csatlakozása és motorja, 2: He be, 3: He ki. Első fokozat elemei: 4: hengere, 5: dugattyúja, 6: regenerátora, 7: tágulási tere, 8: fagyasztója (réz perem). Második fokozat elemei: 9: hengere, 10: dugattyúja, 11: regenerátora, 12: tágulási tere, 13: fagyasztója (réz perem). 14: gőznyomásmérő kamra. A vezérlő elemei: 15: dugattyú, 16: térfogat, 17: tárcsa, 18: szelep [L3]. Hűtőgépes krioszivattyú