Vakuumpump

Roots -fläkten är ett exempel på en vakuumpump

En vakuumpump är en typ av pumpanordning som drar gaspartiklar från en förseglad volym för att lämna efter sig ett partiellt vakuum . Den första vakuumpumpen uppfanns 1650 av Otto von Guericke och föregicks av sugpumpen, som dateras till antiken.

Historia

Tidiga pumpar

Föregångaren till vakuumpumpen var sugpumpen. Dubbelverkande sugpumpar hittades i staden Pompeji . Den arabiske ingenjören Al-Jazari beskrev senare dubbelverkande sugpumpar som en del av vattenhöjande maskiner på 1200-talet. Han sa också att en sugpump användes i sifoner för att utlösa grekisk eld . Sugpumpen dök senare upp i det medeltida Europa från 1400-talet.

Student vid Smolny Institute Catherine Molchanova med vakuumpump, av Dmitry Levitzky , 1776

På 1600-talet hade vattenpumpskonstruktionerna förbättrats till den grad att de producerade mätbara vakuum, men detta förstod man inte omedelbart. Vad man visste var att sugpumpar inte kunde dra vatten över en viss höjd: 18 florentinska yards enligt en mätning som togs omkring 1635, eller cirka 34 fot (10 m). Denna gräns var ett problem i bevattningsprojekt, gruvdränering och dekorativa vattenfontäner som planerades av hertigen av Toscana , så hertigen gav Galileo Galilei i uppdrag att undersöka problemet. Galileo antyder felaktigt i sin Two New Sciences (1638) att kolonnen på en vattenpump kommer att gå sönder av sin egen vikt när vattnet har lyfts till 34 fot. Andra forskare antog utmaningen, inklusive Gasparo Berti , som replikerade den genom att bygga den första vattenbarometern i Rom 1639. Bertis barometer producerade ett vakuum ovanför vattenpelaren, men han kunde inte förklara det. Ett genombrott gjordes av Galileos elev Evangelista Torricelli 1643. Med utgångspunkt i Galileos anteckningar byggde han den första kvicksilverbarometern och skrev ett övertygande argument att utrymmet längst upp var ett vakuum. Kolonnens höjd begränsades sedan till den maximala vikt som atmosfärstrycket kunde bära; detta är begränsningshöjden för en sugpump.

1650 uppfann Otto von Guericke den första vakuumpumpen. Fyra år senare genomförde han sitt berömda med magdeburgska hemisfärer och visade att hästspann inte kunde skilja två halvklot från vilka luften hade evakuerats. Robert Boyle förbättrade Guerickes design och genomförde experiment på vakuumets egenskaper. Robert Hooke hjälpte också Boyle att tillverka en luftpump som hjälpte till att producera vakuumet.

År 1709 förbättrade Francis Hauksbee designen ytterligare med sin tvåcylindriga pump, där två kolvar fungerade via en kuggstångsdesign som enligt uppgift "gav ett vakuum inom ungefär en tum kvicksilver av perfekt." Denna design förblev populär och förändrades endast något till långt in på artonhundratalet.

1800-talet

Teslas vakuumapparat, publicerad 1892

Heinrich Geissler uppfann kvicksilverförträngningspumpen 1855 och uppnådde ett rekordvakuum på cirka 10 Pa (0,1 Torr ). Ett antal elektriska egenskaper blir observerbara på denna vakuumnivå, och detta förnyade intresse för vakuum. Detta ledde i sin tur till utvecklingen av vakuumröret . Sprengelpumpen var en mycket använd vakuumproducent vid denna tid .

1900-talet

Det tidiga 1900-talet såg uppfinningen av många typer av vakuumpumpar, inklusive den molekylära släppumpen , diffusionspumpen och den turbomolekylära pumpen .

Typer

Pumpar kan brett kategoriseras enligt tre tekniker: positiv förskjutning, momentumöverföring och infångning. Positiva deplacementpumpar använder en mekanism för att upprepade gånger expandera en kavitet, tillåta gaser att strömma in från kammaren, täta av kaviteten och släppa ut den till atmosfären. Momentumöverföringspumpar, även kallade molekylära pumpar, använder höghastighetsstrålar av tät vätska eller höghastighetsroterande blad för att slå ut gasmolekyler ur kammaren. Infångningspumpar fångar upp gaser i fast eller adsorberat tillstånd; detta inkluderar kryopumpar , getters och jonpumpar .

Deplacementpumpar är de mest effektiva för låga vakuum. Momentumöverföringspumpar, i kombination med en eller två deplacementpumpar, är den vanligaste konfigurationen som används för att uppnå högt vakuum. I denna konfiguration tjänar den positiva deplacementpumpen två syften. Först får den ett grovt vakuum i kärlet som evakueras innan momentumöverföringspumpen kan användas för att erhålla högvakuumet, eftersom momentumöverföringspumpar inte kan börja pumpa vid atmosfärstryck. För det andra backar den positiva deplacementpumpen upp momentumöverföringspumpen genom att evakuera ackumuleringen av undanträngda molekyler i högvakuumpumpen till lågvakuum. Infångningspumpar kan läggas till för att nå ultrahöga vakuum, men de kräver periodisk regenerering av de ytor som fångar luftmolekyler eller joner. På grund av detta krav kan deras tillgängliga driftstid vara oacceptabelt kort i låga och höga vakuum, vilket begränsar deras användning till ultrahöga vakuum. Pumpar skiljer sig också i detaljer som tillverkningstoleranser, tätningsmaterial, tryck, flöde, insläpp eller utebliven oljeånga, serviceintervall, tillförlitlighet, tolerans mot damm, tolerans mot kemikalier, tolerans för vätskor och vibrationer.

Positiv deplacementpump

Den manuella vattenpumpen drar upp vatten från en brunn genom att skapa ett vakuum som vatten rusar in för att fylla. På sätt och vis verkar den för att evakuera brunnen, även om den höga läckagehastigheten av smuts förhindrar att ett högkvalitativt vakuum upprätthålls under en längre tid.
Mekanism av en rullpump

Ett partiellt vakuum kan genereras genom att öka volymen på en behållare. För att fortsätta att evakuera en kammare på obestämd tid utan att kräva oändlig tillväxt, kan ett utrymme i vakuumet upprepade gånger stängas av, tömmas och expanderas igen. Detta är principen bakom en deplacementpump , till exempel den manuella vattenpumpen. Inuti pumpen expanderar en mekanism ett litet förseglat hålrum för att minska dess tryck under atmosfärens tryck. På grund av tryckskillnaden trycks en del vätska från kammaren (eller brunnen, i vårt exempel) in i pumpens lilla hålrum. Pumpens hålighet förseglas sedan från kammaren, öppnas mot atmosfären och pressas tillbaka till en liten storlek.

Mer sofistikerade system används för de flesta industriella tillämpningar, men grundprincipen för cyklisk volymavlägsnande är densamma:

Bastrycket för ett gummi- och plastförseglat kolvpumpsystem är vanligtvis 1 till 50 kPa, medan en scrollpump kan nå 10 Pa (när den är ny) och en roterande lamelloljepump med en ren och tom metallkammare lätt kan uppnå 0,1 Pa.

En vakuumpump med positiv deplacement flyttar samma volym gas med varje cykel, så dess pumphastighet är konstant om den inte övervinns genom backstreaming.

Momentumöverföringspump

En genomskuren vy av en turbomolekylär högvakuumpump

I en momentumöverföringspump (eller kinetisk pump ) accelereras gasmolekyler från vakuumsidan till avgassidan (som vanligtvis hålls vid ett reducerat tryck av en deplacementpump). Momentumöverföringspumpning är endast möjlig under tryck på cirka 0,1 kPa. vätskedynamikens lagar . Vid atmosfärstryck och milda vakuum interagerar molekyler med varandra och trycker på sina närliggande molekyler i det som kallas viskös flöde. När avståndet mellan molekylerna ökar interagerar molekylerna med kammarens väggar oftare än med de andra molekylerna, och molekylär pumpning blir effektivare än positiv förskjutningspumpning. Denna regim kallas i allmänhet högvakuum.

Molekylära pumpar sveper ut ett större område än mekaniska pumpar och gör det oftare, vilket gör dem kapabla till mycket högre pumphastigheter. De gör detta på bekostnad av tätningen mellan vakuumet och deras avgaser. Eftersom det inte finns någon tätning kan ett litet tryck vid avgasröret lätt orsaka backstreaming genom pumpen; detta kallas stall. I högvakuum har dock tryckgradienter liten effekt på vätskeflöden, och molekylära pumpar kan uppnå sin fulla potential.

De två huvudtyperna av molekylära pumpar är diffusionspumpen och den turbomolekylära pumpen . Båda typerna av pumpar blåser ut gasmolekyler som diffunderar in i pumpen genom att ge fart till gasmolekylerna. Diffusionspumpar blåser ut gasmolekyler med strålar av en olje- eller kvicksilverånga, medan turbomolekylära pumpar använder höghastighetsfläktar för att driva gasen. Båda dessa pumpar kommer att stanna och misslyckas med att pumpa om de töms direkt till atmosfärstryck, så de måste släppas ut till ett lägre klass vakuum skapat av en mekanisk pump, i detta fall kallad en stödpump.

Precis som med deplacementpumpar kommer bastrycket att nås när läckage, utgasning och backstreaming är lika med pumphastigheten, men nu blir det mycket svårare att minimera läckage och utgasning till en nivå som är jämförbar med backstreaming.

Infångningspump

En inneslutningspump kan vara en kryopump , som använder kalla temperaturer för att kondensera gaser till ett fast eller adsorberat tillstånd, en kemisk pump, som reagerar med gaser för att producera en fast rest, eller en jonpump, som använder starka elektriska fält för att jonisera gaser och driva jonerna till ett fast substrat. En kryomodul använder kryopumpning. Andra typer är sorptionspumpen , icke-evaporativ getterpump och titansublimeringspump (en typ av evaporativ getter som kan användas upprepade gånger).

Andra typer

Regenerativ pump

Huvudartikel: Pump § Regenerativa turbinpumpar

Regenerativa pumpar använder virvelbeteende hos vätskan (luft). Konstruktionen är baserad på hybridkonceptet av centrifugalpump och turbopump. Vanligtvis består den av flera uppsättningar vinkelräta tänder på rotorns cirkulerande luftmolekyler inuti stationära ihåliga spår som flerstegs centrifugalpump. De kan nå upp till 1×10 −5 mbar (0,001 Pa) (vid kombination med Holweck-pump) och direkt avgas till atmosfärstryck. Exempel på sådana pumpar är Edwards EPX (tekniskt papper) och Pfeiffer OnTool™ Booster 150. Det kallas ibland för sidokanalpump. På grund av hög pumphastighet från atmosfär till högt vakuum och mindre förorening eftersom lager kan installeras på avgassidan, används denna typ av pumpar i lastlås i halvledartillverkningsprocesser.

Denna typ av pump lider av hög strömförbrukning (~1 kW) jämfört med turbomolekylär pump (<100W) vid lågt tryck eftersom det mesta av ström förbrukas för att backa atmosfärstrycket. Detta kan minskas med nästan 10 gånger genom att backa med en liten pump.

Fler exempel

Ytterligare typer av pumpar inkluderar:

  • Venturi vakuumpump ( sug ) (10 till 30 kPa)
  • Ångejektor (vakuum beror på antalet steg, men kan vara mycket lågt)

Prestationsmått

Pumphastighet avser volymflödet av en pump vid dess inlopp, ofta mätt i volym per tidsenhet. Momentumöverförings- och inneslutningspumpar är mer effektiva på vissa gaser än andra, så pumphastigheten kan vara olika för var och en av de gaser som pumpas, och pumpens genomsnittliga volymflöde kommer att variera beroende på den kemiska sammansättningen av de gaser som finns kvar i kammaren.

Genomströmning avser pumphastigheten multiplicerad med gastrycket vid inloppet, och mäts i enheter tryck·volym/enhetstid. Vid en konstant temperatur är genomströmningen proportionell mot antalet molekyler som pumpas per tidsenhet och därför mot pumpens massflöde . När man diskuterar en läcka i systemet eller backstreaming genom pumpen avser genomströmningen volymläckagehastigheten multiplicerad med trycket på vakuumsidan av läckan, så läckageflödet kan jämföras med pumpens genomströmning.

Deplacement- och momentumöverföringspumpar har konstant volymflöde (pumphastighet), men när kammarens tryck sjunker innehåller denna volym mindre och mindre massa. Så även om pumphastigheten förblir konstant, sjunker genomströmningen och massflödeshastigheten exponentiellt. Samtidigt fortsätter läckage-, förångnings- , sublimerings- och backstreaminghastigheterna att producera en konstant genomströmning in i systemet.

Tekniker

Vakuumpumpar kombineras med kammare och driftprocedurer till en mängd olika vakuumsystem. Ibland kommer mer än en pump att användas (i serie eller parallellt ) i en enda applikation. Ett partiellt vakuum, eller grovt vakuum, kan skapas med hjälp av en positiv deplacementpump som transporterar en gaslast från en inloppsport till en utloppsport (avgas). På grund av sina mekaniska begränsningar kan sådana pumpar endast uppnå ett lågt vakuum. För att uppnå ett högre vakuum måste andra tekniker användas, vanligtvis i serie (vanligtvis efter en initial snabb nedpumpning med en deplacementpump). Några exempel kan vara användningen av en oljeförseglad roterande skovelpump (den vanligaste deplacementpumpen) som stödjer en diffusionspump, eller en torrspolningspump som stöder en turbomolekylär pump. Det finns andra kombinationer beroende på graden av vakuum som eftersträvas.

Att uppnå högt vakuum är svårt eftersom alla material som utsätts för vakuumet måste utvärderas noggrant för deras utgasnings- och ångtrycksegenskaper . Till exempel får oljor, fetter och gummi- eller plastpackningar som används som tätningar för vakuumkammaren inte koka av när de utsätts för vakuum, eftersom de gaser de producerar skulle förhindra skapandet av den önskade graden av vakuum . Ofta måste alla ytor som exponeras för vakuumet bakas vid hög temperatur för att driva bort adsorberade gaser.

Avgasning kan också reduceras helt enkelt genom uttorkning före vakuumpumpning. Högvakuumsystem kräver i allmänhet metallkammare med metalltätningar såsom Klein-flänsar eller ISO-flänsar, snarare än gummipackningar som är vanligare i lågvakuumkammartätningar. Systemet måste vara rent och fritt från organiskt material för att minimera utgasning. Alla material, fasta eller flytande, har ett lågt ångtryck, och deras avgasning blir viktig när vakuumtrycket faller under detta ångtryck. Som ett resultat kommer många material som fungerar bra i låga vakuum, såsom epoxi , att bli en källa till avgasning vid högre vakuum. Med dessa standardförsiktighetsåtgärder kan vakuum på 1 mPa enkelt uppnås med ett sortiment av molekylära pumpar. Med noggrann design och drift är 1 µPa möjlig. [ citat behövs ]

Flera typer av pumpar kan användas i sekvens eller parallellt. I en typisk nedpumpningssekvens skulle en positiv deplacementpump användas för att avlägsna det mesta av gasen från en kammare, med start från atmosfären (760 Torr , 101 kPa) till 25 Torr (3 kPa). Sedan skulle en sorptionspump användas för att få ner trycket till 10 −4 Torr (10 mPa). En kryopump eller turbomolekylär pump skulle användas för att sänka trycket ytterligare till 10 −8 Torr (1 µPa). En extra jonpump kan startas under 10 −6 Torr för att avlägsna gaser som inte hanteras adekvat av en kryopump eller turbopump, såsom helium eller väte . [ citat behövs ]

Ultrahögt vakuum kräver i allmänhet specialbyggd utrustning, strikta operativa procedurer och en hel del trial-and-error. Ultrahöga vakuumsystem är vanligtvis gjorda av rostfritt stål med metalltätade vakuumflänsar . Systemet bakas vanligtvis, helst under vakuum, för att tillfälligt höja ångtrycket för allt avgasande material i systemet och koka bort dem. Vid behov kan denna avgasning av systemet även utföras i rumstemperatur, men det tar mycket längre tid. När huvuddelen av avgasningsmaterialen har kokats av och evakuerats, kan systemet kylas till lägre ångtryck för att minimera kvarvarande avgasning under faktisk drift. Vissa system kyls långt under rumstemperatur med flytande kväve för att stänga av kvarvarande avgasning och samtidigt kryopumpa systemet.

I system med ultrahögt vakuum måste några mycket udda läckagevägar och utgasningskällor beaktas. Vattenabsorptionen av aluminium och palladium blir en oacceptabel källa till avgasning, och även absorptionsförmågan hos hårdmetaller som rostfritt stål eller titan måste beaktas. Vissa oljor och fetter kommer att koka av i extrema vakuum. Porositeten hos de metalliska vakuumkammarens väggar kan behöva beaktas, och kornriktningen för de metalliska flänsarna bör vara parallell med flänsytan.

Inverkan av molekylstorlek måste beaktas. Mindre molekyler kan lättare läcka in och absorberas lättare av vissa material, och molekylära pumpar är mindre effektiva för att pumpa gaser med lägre molekylvikt. Ett system kan kanske evakuera kväve (luftens huvudkomponent) till önskat vakuum, men kammaren kan fortfarande vara full av kvarvarande atmosfäriskt väte och helium. Kärl fodrade med ett mycket gasgenomsläppligt material som palladium (som är en vätesvamp med hög kapacitet) skapar speciella avgasningsproblem.

Ansökningar

Vakuumpumpar används i många industriella och vetenskapliga processer, inklusive:

Inom området för oljeregenerering och återraffinering skapar vakuumpumpar ett lågt vakuum för oljeuttorkning och ett högt vakuum för oljerening.

Ett vakuum kan användas för att driva eller ge hjälp till mekaniska enheter. I hybrid- och dieselmotorfordon används en pump monterad på motorn (vanligtvis på kamaxeln) för att producera ett vakuum. I bensinmotorer erhålls istället vakuumet vanligtvis som en bieffekt av motorns funktion och flödesbegränsningen som skapas av gasspjällsplattan, men kan också kompletteras med en elektriskt manövrerad vakuumpump för att öka bromsassistansen eller förbättra bränsleförbrukningen . Detta vakuum kan sedan användas för att driva följande motorfordonskomponenter: vakuumservoförstärkare för de hydrauliska bromsarna , motorer som flyttar spjäll i ventilationssystemet, gasreglage i farthållarens servomekanism , dörrlås eller bagageluckor.

I ett flygplan används ofta vakuumkällan för att driva gyroskop i de olika flyginstrumenten . För att förhindra fullständig förlust av instrumentering i händelse av ett elektriskt fel är instrumentpanelen avsiktligt utformad med vissa instrument som drivs av elektricitet och andra instrument som drivs av vakuumkällan.

Beroende på applikation kan vissa vakuumpumpar antingen vara elektriskt drivna (med elektrisk ström ) eller pneumatiskt drivna (med lufttryck ), eller drivas och manövreras på annat sätt .

Faror

Gamla vakuumpumpsoljor som producerades före cirka 1980 innehåller ofta en blandning av flera olika farliga polyklorerade bifenyler (PCB), som är mycket giftiga , cancerframkallande , långlivade organiska föroreningar .

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Vacuum_pump&oldid=1140609784 "