TEORIJA ČRPANJA POSOD OZ. SISTEMOV IN OPREDELITEV VELIKOST) PUŠČANJA Vincenc Nemanič, Inštitut za tehnologijo površin in optodlektroniko, Teslova 30, 1000 Ljubljana Theory of pumping of vessels or vacuum systems and leakage rate measuring ABSTRACT High vacuum and ultra high vacuum technology Qdpsrds crocJaNy on ligritnees Ol vessels ancf components. The most ser>sitive metrtods d«vaiop«d to comrol and in«a$ut$ leakage were so cailM vacuum m^t^ods, what« laakag« is m^asurea m evacuateO vessel Nowadays high damands for tightn^sa, comparabiototAosainhtgh vacuum techniqua, aramdiinsevdraiotnarflMa Inthepaoer Dasic guantities and ralatons, n«c«asary (o da$cr»Oa pump-down ptocess ara ddscriMd. Physical unns for maasunng leakage rates, which are closely raiaiad to dilficuity ranga of patiieuid^ eppiicalion, aie also inhoduced POVZETtK Pnprava vk^pt^ega vakuuma je od vsega začetka zahievaJa «ziadno dODro tesnost vseh elementov, zato so bde razvita tudi iztadno ob^ti|ive metode preiiKusania m metjenja neta&nosli DftOM enako visoKe zahteve za tesnosi še v mnogih drugih vefah tennike zalo se vakuumske metode oD primernih pniagodtvah upotaoljajo ludi lam V ptlspevku so podane osnovne definicije količin m Tvaza. ki jti povaDui«fno za opi$ črpanja m spremljajočih pojavov Vpelfane so er>ole za mar^dnje netftsnosli, kar |e osnova za razvrstitev na območ)a zahtevnosti 1 Območja tlaka - definicija vakuuma Ohlapna definicija: Vakuam je vsako razredčenje plina pod i bar; boljši izrazje podtlak. Skala se razteza med O In 1, pogosto srečamo skalo, ki seže celo v negativno smer, med O (»atmosferski tlak) in -i bar (vakuum). Precizna definicija: Vakuum je razredčenje plina dc poljubne stopnje, ko lahko plinu pripišemo in izmerimo spremenjene toplotne, električne in kinetične lastnosti. Primerna je logantemska skala, ki označuje velikost razredčenia plina od začetnega tlaka pri i bar in na kateri ne moremo nikoli doseči vrednosti 0. PODROČJA VAKUUMA NADTLAK iilLra nsoki visoki - f-l 1 srednji 1 1 grobi —^—^ —I-H—^-- lO 'nbar lO'^mbar I mbv I bar (»Uni Slike 7; Skala z nazivi otmočij Üaka tehnike. Vse danešnje Črpalke delujejo žal le v razmeroma ozkem območju tlakov. Za visoki vakuum potrebujemo zato še najmanj dve črpalki, za UW pa lahko tri, od tega vsaj dve vezane zaporedno. Zmogljivost črpalke podajamo vedno z vsa) dvema po* datkoma: ' črpaJno hitrostjo S v enotah (l/s) pri specifičnem tlaku - z območjem tlaka, kjer je dani S dejansko enak nazfvnemu. Idealna črpalka ima črpalno hitrost S neodvisno od tlaka, slika 2 (zgoraj). Pn danem vstopnem tlaku p pretoči na enoto časa količino plina, ki ie enaka p.S. slika 2 (spodaj). H ♦ t TT •U r^n:™ -t •r=ni MO nV -iC 3. < S 10' - 10 —H 10' o' n%bO< 10' 10- moo» C. 10' U • — - --- ß 1 1 /1 : 1 1 ' — -H- ' ' 1 — - - 1 1 — 1 . 1 , —H- 1 / -—I—h- ---r+i --1 -- _ -I--- 1 ! ^ - 1 —r[H - » r -- i / 1 1 1 1 1 K)' P — •o' >0' Slika 2: Crpalna tiftrost lOeaine črpafke S (zgorej) tn pretok 0=p.S (spodaj) v (xtvtsnosti od tlaka. 2 Črpalke Za evakuiranje posode s prostornino V do želenega llaka se uporabliajo primerne vakuumske črpalke. Razdelimo j^h glede na: fizikalni princip delovanja, območje tlakov, črpalno hitrost itd. Njihove osnovne lastnosti so podane v splošnih učbenikih vakuumske Naj bo v posodi s prostornino V (1) spn/a tlak enak po (bar). Splošna enačba za opis pojemanja tlaka v vakuumski posodi, ki jO črpamo s črpalko s črpalno hitrostjo S. se glasi. Tv = SA/*je konstanta sistema 02.6ds. ko pade začetni tlak po (06 času t^O) na 0.37 po vrednosti. Če ena^o (i) logaritmi ramo in relatfvni tlak merimo nay osi, ta pada linearno s časom. Strmina nagiba je ravno Tv. Potek padanja tlaka v posodi, ki bi jo črpali z dvema različno zmogljivima črpalkama, je na sliki 3. Slika 3: Padanje tlaka v posodi s čssom. Posodo s prostornino V črpamo s konstantno črpalno hitrostfo $. Čim več/a /e 5, fem strmejšije nagtp. Za vsako črpalko je treDa upoštevati dejansko črpalno hrtrost v odvisnosti od Ifaka; poznati moramo torej karakteristiko S(p). Količina pretočenega plina Je v območ/ih, ko je črpaJna hitrost dosti manjša od nazivne, bistveno manjša. Zgled za črpalno hitrost v odvisnosti od tlaka je za rotaoijsko črpalko prikazan na sliki 4, za ostale tipe črpalk pa so območja tlakov s sprejeml|ivo veliko črpalno hitrostjo podana na sliki 6 /3/. 3 Črpanje • dinami rnajhne že v zasnovi, kar dosežemo z izbiro primernih materialov pri konstrukciji sistema. Cilj vzdrževanja naprave je preprečiti puščanje tn povečevanje Ode« zaradt sla* bega oz. napačnega delovanja črpalk itd. K zmanj* sevanju Odes pripomore tudi skrt^ za čistočo v vakuum vnesenih predmetov, kar imenujemo tudi vakuumska higiena. 5 Postavitev zahtev za velikost puščanja v statičnih sistemih Ob prenehanju črpanja lahko pričakujemo, da zaradi istih prispevkov, ki omejujejo končni tlak med črpa* njem, tlak narašča tudi potem, ko smo črpanje prekinili. Najbolj neugoden prispevek, ki se mu lahko izognemo, je puščanje. Neugoden je zato, ker je ravnoves)e doseženo šele pri atmosferskem tlaku. Oglejmo si okvirno naraščanje tlaka v zaprti posodi, ki ga povzročajo zgoraj našteti prispevki, slika 6. V zgodnji fazi predhodno slabo izp11njenega vakuumskega sistema lahko pričakujemo sprva etrmo na/asčanje tlaka, na katerega vplivajo tako puičanje (in per- meacija), kot izphnjevanje in desorpcija. V tesnem sistemu se desorpcija izenači z adsorpcijo m tlak doseže pn dani temperaturi ravnovesno vrednost. V netesnem sistemu je prirastek tlaka na enoto časa (ApMt) konstanten, kar lahko pogosto uporabirrK> pri enostavnih metodah ugotavljanja jakosb puščanja. Ker sestave plinov v posodi največkrat ne poznamo, lahko iz samega naklona napačno sklepamo na puščan/e tudi, kadar imamo opravka les počasno desorpcijo oz. izplinjevanjem. Čas za potnjitev ijnearnega narasika tlaka zaradi puščanja je lahko zelo dolg. zato je upo-raba občutljivejših metod ugotavljanja netesnosti sko* raj vedno umestna. Na siiki 7 je prikazano samo vedenje posameznih prispevkov. Dopustna vrednost za končni tlak za predviden čas uporabnosti posode ali naprave je prikazana črtkano. •lal (polni*'*« ea»i<) Slika 7. /Varaičan/e tfaAa v posod; po pr^&hdniu črpanja. 6 Razvrstitev velikosti puščanja v dinamičnih sistemih je treba odpraviti večja netesna mesta, kar omogoča ponovljivo izvajanje procesa, za katerega je bil sistem zasnovan. Zaradi današnjih zmogljivih črpalk majhna puščanja pogosto niti niso problematična, Izjema je področje ultra visokega vakuuma (UW), V Statičnih sistemih pa je meja dopustnega puščanja zaradi dolgega časa vedno zelo nizka, lahko je celo pod detekcajsko mejo danes znanjh metod. V splošnem velja, da je dopustna jakost puščanja Oqušč (aV.Ap/dt) tem nižja: - čim manjš) je voJumen posode oz. sistema - čim nižji tlak moramo vzdrževat v predvidenem času - čim daljši je čas uporabe Zgledi: 1. V posodah za shranjevanje medijev tahko pomeni puščanje potencialno nevarnost, če uhaja strupen ali vnetljiv plin oz tekočina. Vrednost izgubljenega medija pa je lahko zanemarljiva. Drugi prispevki, ki povzročajo naraščanjetlaka v sistemu, največkrat nit ntso pomembni. Upoštevati jrh moramo torej le med vakuumskim preizkušanjem. V hladilnih sistemih pa je izguba hladilnega medija lahko usodna, ker se z zniževanjem tlaka niža izkoristek naprave. Zaradi dolge dobe trajanja naprav je dopustno puščanje izredno nizko, primerljivo s tistim, ki ga dopuščamo pri dinamično črpanih vakuumskih sistemih. 2. V posodah, ki predstavljaj o ohišje (npr. zaščito vezja, mehanizma naprave fpd.} je zahteva za čas brezhibnega delovanja nekaj let. Ceje v posodi inertni plin (npr. suh zrak, dušik ali žlahtni plin), se le ta Izgubi, naprava pa se lahko pokvari. V termopanskih oknih je razmeroma majhno puščanje z ieti vzrok za rosenje. Suh zrak oz, mertni plin se zamenja z zrakom, ki vsebuje vlago, okvara je predvsem estetske narave Vzrok za izmenjavo plina je občasna razlika temperatur in nihanje atmosferskega tlaka zaradf vremenskih sprememb. Dalni razlog za rosenje je lahko permeacija vode skozi sicer tesno tesnilno maso. Podoben vpliv neiesnosti srečamo v refejih, kjer lahko vlaga okvari kontaktne lastnosti površin itd. 3 Usodneje je puščanje ph posodah oz. napravah, v katerih je za pravilno delovanje potreben srednji ali visoki vakuum v vsej dobi uporabnosti. k( je pogosto nad deset let. Take posode so termovke, v katarih tlak ne sme narasti čez 10"^ mbar V sodobni TV slikovni elektronki je Itak že v UW področju. Dopuščene notes* nosti pa z nobeno od obstoječih metod ne znamo izmeriti. Pomaga nam narava, ker se izkaže, da je vprlna nptftsnih mp^t b