VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 10. VÁKUUMRENDSZER TERVEZÉSE ÉS ÖSSZEÁLLÍTÁSA MEGADOTT KÖVETELMÉNYEK ALAPJÁN,

Az előadások a következő témára: "VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 10. VÁKUUMRENDSZER TERVEZÉSE ÉS ÖSSZEÁLLÍTÁSA MEGADOTT KÖVETELMÉNYEK ALAPJÁN,"— Előadás másolata:

1 VÁKUUMTECHNIKAI LABORATÓRIUMI GYAKORLATOK Bohátka Sándor és Langer Gábor 10. VÁKUUMRENDSZER TERVEZÉSE ÉS ÖSSZEÁLLÍTÁSA MEGADOTT KÖVETELMÉNYEK ALAPJÁN, A VÁKUUMTECHNIKAI ESZKÖZÖKET GYÁRTÓ CÉGEK KATALÓGUSAINAK FELHASZNÁLÁSÁVAL TÁMOP-4.1.1.C-12/1/KONV-2012-0005 projekt „Ágazati felkészítés a hazai ELI projekttel összefüggő képzési és K+F feladatokra"

2 10. VÁKUUMRENDSZER TERVEZÉSE ÉS ÖSSZEÁLLÍTÁSA MEGADOTT KÖVETELMÉNYEK ALAPJÁN, A VÁKUUMTECHNIKAI ESZKÖZÖKET GYÁRTÓ CÉGEK KATALÓGUSAINAK FELHASZNÁLÁSÁVAL Tervezzük meg, katalógusból válasszuk ki elemeit és állítsuk össze árajánlatkérőt a következő feltételeknek megfelelő vákuumrendszerről! A körülbelül 50 liter térfogatú vákuumtérben jobb mint 10 -8 mbar végvákuumot kell elérnünk. A csatlakozó szivattyúrendszernek biztosítania kell legalább p = 1 x 10 -6 mbar nyomást a vákuumedényben, ha a folyamatos argon gázbeömlés Q = 1 atm cm 3 / óra. A feltételek között szerepel még, hogy a szivattyúrendszer által előállított vákuum „tiszta” legyen, szerves szennyezőktől mentes. A szén jelenléte a tervezett vákuumrendszerben végzendő vizsgálatokat zavarja. A tervezés során vegyük figyelembe azt is, hogy a vákuumedényt hetente legalább egyszer fel kell levegőzni, és a lehető legrövidebb idő alatt végvákuumra kell szívni. A vákuumedény esetében csak a vákuumszivattyúk csatlakozó peremeinek méretét és típusát adjuk meg. A vákuumedény legyártása általában egyedileg, külön megrendelés keretében történik.

3 Az adott feladat megoldásához, ismerve a követelményeket, először gondoljuk végig milyen típusú szivattyúkat, szelepeket és vákuummérőket kell beszereznünk. Fontos szempont az elérendő végvákuum szempontjából az is, hogy az egyes vákuumelemeket milyen tömítéssel csatlakoztatjuk egymáshoz. 10.1. NAGYVÁKUUM-SZIVATTYÚ TÍPUSÁNAK KIVÁLASZTÁSA: Az elérendő végvákuumot tekintve (< 10 -8 mbar) a diffúziós, a turbómolekuláris és a getter-ion szivattyú egyaránt megfelelő. Figyelembe véve a szén szennyezéstől mentes vákuumigényt, valamint a viszonylag nagy Ar gázbeömlést, a turbómolekuláris szivattyú a legmegfelelőbb választás. Megjegyezzük, hogy a folyamatos üzemben működő, cseppfolyós nitrogénes kifagyasztó csapdával ellátott diffúziós szivattyú szintén alkalmas a szén szennyezés visszaszorítására, de az állandó cseppfolyós nitrogén igény miatt kevésbé költséghatékony. A getter-ion szivattyú turbómolekuláris szivattyúval együtt alkalmazva ( az Ar gázbeeresztés során ) ugyancsak teljesíti a végvákuumra vonatkozó feltételeket.

4 Ebben az esetben a végvákuum ( ha nincs gázbeömlés, csak a getter –ion szivattyú működik) nagyságrendekkel jobb a 10 -8 mbar-nál, de a két szivattyú alkalmazása jelentős költségnövelő tényező. 10.2. ELŐVÁKUUM-SZIVATTÚ TÍPUSÁNAK KIVÁLASZTÁSA: A szén szennyezés elkerülése végett száraz, olaj nélküli szivattyú használata ajánlott. A leggyakrabban használt és legmegbízhatóbb száraz szivattyú típusokból a membrán, száraz dugattyús és a csigavonalas szivattyú jöhet szóba. A szivattyúk közül a nagyobb szívósebesség és jobb elérhető végvákuum miatt a csigavonalas szivattyú használata ajánlott. 10.3. VÁKUUMMÉRŐK KIVÁLASZTÁSA: A mérendő nagyvákuum tartomány szempontjából a Penning és az izzókatódos ionizációs vákuummérő is megfelelő választás. A Penning típusú vákuummérő általában kicsit olcsóbb és kevésbé érzékeny a külső behatásokra, mint az izzókatódos ionizációs, de mágneses tere zavarhatja a vákuumtérben vizsgált folyamatokat. Esetünkben a mágneses tér nem zavaró, így a Penning vákuummérő alkalmazható.

5 Az elővákuum mérésére az egyszerű és megbízható Pirani vákuummérő ajánlott. A nagyvákuum oldalra célszerű kombinált Penning – Pirani vagy izzókatódos ionizációs – Pirani mérőfejet vásárolni. 10.4. A NAGYVÁKUUM-OLDALON HASZNÁLT TÖMÍTÉS TÍPUSA Az elérni kívánt 10 -8 mbar nyomásnál kisebb végvákuum elsősorban fémtömítések ( ConFlat, CF ) használatát igényli. Nem zárja azonban ki, hogy a nagyvákuum-oldalon alkalmazott szelepekben, zsilipekben viton gumi tömítések legyenek. Természetesen a zsilipek, szelepek és vákuummérők vákuumedényhez történő csatlakozásánál törekedjünk a fémtömítések használatára. 10.5. A TERVEZETT VÁKUUMRENDSZER VÁZLATA A vákuumrendszer vázlatának elkészítésekor vegyük figyelembe, hogy a vákuumedényt legalább hetente fellevegőzik és a lezárás után a lehető leghamarabb újra el kell érni a végvákuumát. A megadott követelmények miatt a nagyvákuum-szivattyú és a vákuumedény közé lezáró zsilipet kell beépítenünk. Így fellevegőzés után a szivattyú-rendszer vákuum alatt maradhat, és tovább működhet, nem kell fellevegőzni.

6 Továbbá, egy elkerülő elővákuum ág beépítésével gondoskodnunk kell a vákuumedény elővákuumra történő szívásáról a fellevegőzés után. A leválasztó zsilip és elkerülő elővákuum ág hozzásegít a kívánt végvákuum gyorsabb eléréséhez. Természetesen ez többletköltséget is jelent. Itt jegyezzük meg, hogy az ultravákuum rendszereket ( 10 -10 mbar ) nagyon ritkán levegőzik fel, és ezért általában nem építenek zsilipet a nagyvákuum-szivattyú és a vákuumedény közé. A zsilip elhagyása nemcsak a költségeket, hanem a lehetséges gázforrások számát is csökkenti. Vannak feladatok, amelyek azonban megkívánják az edény gyakoribb fellevegőzését (pl. ultravákuumban folytatott mérések, amelyeket egymás után sok mintán kell elvégezni). Az említett követelmények figyelembe vételével készítsük el a tervezett vákuumrendszer vázlatát. A vázlat elkészítésekor felhasználjuk az egyes vákuumelemek DIN szabvány szerinti jelölését. A vákuumrendszert az 10.5.1. ábra mutatja. A csigavonalas elővákuum-szivattyúval ellátott turbómolekuláris szivattyú zsilippel csatlakozik a vákuumedényhez. A vákuummérőt tartalmazó vákuumedény és a csigavonalas szivattyú között elkerülő elővákuum ág kerül kiépítésre.

7 10.5.1 ábra Tervezett vákuumrendszer vázlata. turbómolekuláris szivattyú csigavonalas szivattyú zsilip kézi szelep vákuummérő vákuumedény

8 10.6. A TERVEZETT VÁKUUMSZIVATTYÚK SZÍVÓSEBESSÉGÉNEK MEGHATÁROZÁSA A választott turbómolekuláris szivattyú szívósebességének kiszámításához vegyük figyelembe, hogy óránként legalább Q = 1 atm cm 3 Ar gázt kell elszívnia, miközben a vákuumedényben a vákuum értéke p = 1x 10 -6 mbar-nál nem lehet rosszabb. Számoljuk át a gázbeömlést mbar liter/ s dimenziójúra : 1 atm cm 3 / óra = 1013 mbar x 10 -3 liter / 3600 s ~ 2.8 x 10 -4 mbar liter/s A követelmények alapján a fenti gázmennyiséget kell eltávolítania a turbómolekuláris szivattyúnak. Korábbi tanulmányaink szerint a vákuumszivattyú gázszállítása: Q = p S, ahol S a szivattyú szívósebessége ( 10.6.1. ) (10.6.1.) –ből kifejezve S szívósebességet: S = Q / p (10.6. 2. ) Helyettesítsük be a Q és p értékét (10.6.2.) képletbe : S = 2.8 x 10 -4 mbar liter s -1 / 1x10 -6 mbar = 280 liter / s Javasolt a kiszámolt értéknél 30-40%-kal nagyobb szívóteljesítményű turbómolekuláris szivattyú választása, mivel a szivattyú csatlakoztatása, esetünkben az alkalmazott zsilip ellenállása úgyis csökkenti a gyárilag megadott szívósebesség értéket.

9 10.6.1. ábra Egy turbómolekuláris szivattyú szívósebesség - nyomás karakterisztikája [P1]. Számolnunk kell azzal is, hogy a vákuumtérben az argon beömlésen kívül más gázforrások is vannak. Figyelembe véve az előbbiekben leírtakat, a turbómolekuláris szivattyú szívósebességének S t ~ 400 liter/s közelében kell lennie. Az elővákuum-szivattyú szívósebességének meghatározásánál abból kell kiindulnunk, hogy a nagyvákuum-szivattyú által elszívott gázmennyiséget az elővákuum-szivattyúnak is el kell szívnia. A turbómolekuláris szivattyú szívósebessége (S t ) széles nyomástartományban, egészen 10 -3 mbar nyomásig állandó és általában – típustól függően - 10 -3 és 10 -2 mbar között körülbelül felére esik (10.6.1 ábra).

10 Konkrét esetünkben, ha a vákuumedényben a nyomás p~10 -2 mbar akkor S t ~200 liter s -1 szívósebességgel kell számolnunk. Tételezzük fel, hogy elővákuumként p elő = 5 x 10 -1 mbar- nál nagyobb nyomást nem engedünk meg. Mivel a nagyvákuum-szivattyú által elszívott gázt az elővákuum-szivattyúnak is el kell szívnia : Q = p S t = p elő S elő, ahol S elő az elővákuum-szivattyú szívósebessége. Kifejezve S elő szívósebességet: S elő = p S t / p elő. Behelyettesítve a fent leírt értékeket, kapjuk a szükséges elővákuum-szivattyú szívósebességet: S elő = 10 -2 mbar x 200 liter s -1 / 5 x 10 -1 mbar = 4 liter s -1 = 14,4 m 3 / óra Összefoglalva : 1. a szükséges nagyvákuum-szivattyú szívósebessége : ~ 400 liter / s 2. a szükséges elővákuum-szivattyú szívósebessége : ~ 4 liter/s (= 14,4 m 3 /óra) Amennyiben a katalógusokban nem találunk pontosan ilyen szívósebességgel rendelkező szivattyúkat, mindig a megadott értékhez legközelebb eső, nagyobb teljesítményű eszközt válasszuk.

11 10.7. ALKALMAZANDÓ ZSILIP MÉRETÉNEK MEGHATÁROZÁSA: A vásárolni kívánt zsilip méretének meghatározásához ellenőrizni kell a katalógusokban a körülbelül 400 liter/s szívósebességű turbómolekuláris szivattyúk csatlakozó peremének nagyságát. A katalógus-adatok alapján ilyen szivattyú fémtömítéses csatlakozó pereme DN 160 CF, amely ~160 mm belső átmérőjű csatlakozó peremet jelent. Azonos belső átmérővel és csatlakozó peremmel rendelkező zsilipet válasszunk a katalógusokból! A kiválasztott zsilip adatai között megtalálható a molekuláris tartományban meglévő vezetőképessége is. Jelen esetünkben, 160 mm belső átmérőjű zsilipnél ez az érték ~ 6000 liter/s. A megadott vezetőképesség segítségével meghatározhatjuk, hogy mekkora lesz a turbómolekuláris szivattyúnk eredő szívósebessége, ha azt a zsilipen keresztül közvetlenül csatlakoztatjuk a vákuumedényhez. ( 10.7.1. )

12 Behelyettesítve (10.7.1.)-be a szívósebességeket és kifejezve S eredő – t kapjuk: S eredő = 400 x 6000 / 6000 + 400 ~ 375 liter / s azaz az eredeti 400 liter / s –os szívósebességünk 375 liter / s –ra csökkent a zsilip alkalmazásával. 10.8. ELŐVÁKUUM-OLDALI CSATLAKOZÓK MÉRETÉNEK MEGADÁSA: Ebben az esetben is a turbómolekuláris szivattyú elővákuum-oldali csatlakozójának méretéből kell kiindulni. Jelen példánkban a 400 liter / s szívósebességű szivattyúnál a méret DN 25 ISO KF, ami ~ 24 mm belső átmérőjű, gumi tömítésű csatlakozó csonkot jelent. A katalógus adatok alapján a feltételeknek megfelelő csigavonalas elővákuum-szivattyú bemeneti csatlakozója is DN 25 ISO KF. A továbbiakban célszerű az összes elővákuum-csatlakozót, elővákuum kéziszelepet és vezetéket ilyen méretben rendelni. 10.9. A VÁKUUMEDÉNYEN LÉVŐ VÁKUUMMÉRŐ ÉS KÉZI SZELEP CSATLAKOZÓI: A feltételeknek megfelelő kombinált Pirani- izzó katódos ionizációs (Bayard- Alpert) és Pirani-Penning vákuummérőket általában DN 40 CF fémtömítéses csatlakozókkal árulják.

13 Ezek után célszerű az elővákuum elkerülő ág nagyvákuum felöli oldalán lévő kézi szelepet is ugyanilyen fémtömítéses csatlakozóval megvásárolni. Ez azt jelenti, hogy az elkerülő elővákuum vezeték csatlakoztatásához szükségünk lesz egy átmenetre, ami a DN 40 CF fémtömítéses perem és a DN 25 ISO KF gumitömítéses perem között teremt kapcsolatot. 10.10. A VÁKUUMEDÉNYEN LEVŐ CSATLAKOZÓK A leírtak alapján megadhatjuk a vákuumedényen kialakítandó, a vákuum előállításhoz nélkülözhetetlen csatlakozók méretét és számát. A szivattyúrendszer működéséhez a vákuumedénynek tartalmaznia kell 2 db DN 40 CF (vákuummérőnek és kerülőági szelepnek) és 1 db DF 160 CF fémtömítéses peremet (a zsilip számára). 10.11. NÉHÁNY ÁLTALÁNOS MEGJEGYZÉS A VÁKUUMELEMEK MEGRENDELÉSÉHEZ - A turbómolekuláris szivattyú és vákuummérő vásárlásakor külön-külön kell megrendelnünk a szivattyút, a vákuummérő csövet a hozzájuk tartozó kábelekkel és tápegységekkel. Eltérő hosszúságú kábelek léteznek, különböző tápfeszültségű (110 V – 240 V), programozható, vezérelhető tápegységek és kijelzők.

14 - A turbómolekuláris szivattyú katalógus adatai között ellenőrizni kell, hogy a szivattyú csak függőlegesen vagy vízszintesen, esetleg tetszőleges szög alatt is felszerelhető. A vákuumedényen történő csatlakozás kialakítását befolyásolhatja. -Az elővákuum-szivattyúk motorja rendszerint egyfázisú, háromfázisú, 110 V és 230 V-os kivitelben is rendelhető. Gondoljuk végig milyen elektromos hálózat áll rendelkezésre ! -Az árajánlatkérőben több vezető gyártó és forgalmazó cég katalógusaiból válogattunk. A gyakorlat készítőit az vezérelte, hogy ne részesítse előnyben és ezzel ne minősítse a különböző gyártók, szállítók termékeit. -A valóságban előnyösebb ajánlati árat érhetünk el, ha egy gyártótól rendelünk nagyobb összegben, mint több szállítótól kisebb tételben. 10.12. ÁRAJÁNLATKÉRŐ

15 Termék megnevezéseMennyiség (db)Rendelési szám Csigavonalas elővákuum-szivattyú, Oerlikon SC 15 D 1133 001 Turbómolekuláris szivattyú, Shimadzu 403 LM/LMC, DN 160 CF 1SM8145551 Turbómolekuláris szivattyú tápegy. Shimadzu EI-D303/403M 1SM7875802 Turbómolekuláris szivattyút tápegységgel összekötő kábel, 3 m 1SM7818703 Digitális Pirani-Penning kombinált vákuummérő cső, Pfeiffer MPT 100, DN 40 CF 1PT R35 330 Táp- kijelző egység digitális Pirani- Penning kombinált vákuummérő csőhöz, Pfeiffer DPG 109 1PT G15 010 Digitális Pirani-Penning, Pfeiffer vákuummérő csőhöz összekötő kábel, 3 m 2PT 348 403-T Digitális Pirani mérőcső, Pfeiffer PPT 100, DN 16 ISO KF 1PT R33 130

16 Termék megnevezéseMennyiség (db)Rendelési szám Központosító gyűrű, Kurt J. Lesker, Al DN 25 KF, viton 6QF25-100-ARV Központosító gyűrű, Kurt J. Lesker, Al DN 16 KF, viton 1QF16-075-ARV „T” összekötő elem, Kurt J. Lesker, Al, DN25 KF 1QF25-100-TAL T” összekötő elem - szűkítő, Kurt J. Lesker, DN25 KF / DN16 KF 1QF25X16T Szorító gyűrű, Kurt J. Lesker, Al, DN25 KF 6QF25-100-C Szorító gyűrű, Kurt J. Lesker, Al, DN16 KF 1Qf16-075-C

17 Termék megnevezéseMennyiség (db)Rendelési szám Rozsdamentes acél gégecső, Kurt J. Lesker, 1000 mm DN25 KF 1MHB-QF-B20 Rozsdamentes acél gégecső, Kurt J. Lesker, 500 mm DN25 KF 1MHB-QF-B12 CF-ről KF-re átmenet Kurt J. Lesker, DN40 CF- DN 25 KF 1F0275XQF24 Sarokszelep, kézi működtetésű, Oerlikon, DN 25 KF 1215 385 Sarokszelep, kézi működtetésű, Oerlikon, DN 40 CF 1289 81

18 10.13. A GYAKORLAT MENETE - Tervezzük meg a gyakorlatvezető által specifikált vákuumrendszert! - Készítsünk vázlatot a tervezett vákuumrendszerről! - Határozzuk meg az adott feladatra használható elővákuum- és nagyvákuum- szivattyú típusát, valamint szükséges teljesítményét! - Adjuk meg az alkalmazandó tömítések típusát! - Határozzuk meg a csatlakozó peremek méretét! - A gyakorlatvezető által biztosított katalógusokból válasszuk ki a vákuumrendszer elemeit, és állítsuk össze az árajánlatkérőt.